面向未来的中国智慧林业:观测仪器体系的演进与发展趋势

森林观测信息的生产是支持智慧林业工作开展的基础和先导。本文以森林观测仪器技术体系的构建历史、现状和未来为切入点,以基础性公共技术的发展脉络为支撑,深入分析森林观测仪器与森林观测需求的耦合程度。传统森林观测仪器体系在时效性和准确性上已经无法满足日益发展的林业调查的需要,观测仪器存在孤立性高、难以集成、操作繁琐、效率低等问题。这主要是由于当前针对森林观测研究偏重对成熟仪器使用和数据分析,观测仪器的研发偏重算法补偿和集成第三方元件,轻物理结构设计等因素造成。面对基本测量原理鲜有更新、森林观测标准制定滞后于新型技术发展等问题,本文从对观测仪器现在和未来的联合模式进行阐述,从逻辑架构到物理技术层面上分析森林观测仪器联合模式可能在未来出现的发展状况与应用前景。最后,基于当前基础性技术发展的趋势,对可能出现的几种新形态的森林观测仪器进行推测,并以此展望在近未来可能在中国实现的一种智能森林观测体系的雏形。

适于GlobalAllomeTree国际数据平台的标准化中国主要树种树高-胸径方程研建

GlobalAllomeTree作为共享异速方程的国际网络平台,逐渐受到全球高度关注。当前,为促进该项国际合作,针对当前该平台缺乏中国主要树种生长异速方程的现状,系统性更新标准化中国主要树种树高-胸径方程。由于树冠和下部灌木及草丛遮挡,树高相对于胸径测量具有一定的难度,因此需要使用数学工具进行计算。选取了36个树种为材料构建树高-胸径关系方程,以全国主要树种的二元材积模型、各地区一元材积表为基础材料,以取样径阶为1 cm间隔所生成1692组树高-胸径数据作为建立方程样本,1238组外业调查数据为验证样本。建模结果表明:36个主要树种的1692组树高-胸径数据建立的全国通用性树高-胸径方程拟合相关系数(R2)为0.801,方程拟合结果较好,说明可以通过测定胸径,带入树高(H,m)-胸径(D,cm)方程(H=aDb)预估树高;对36个主要树种的树高-胸径方程进行拟合,决定系数R2值均大于0.916,平均误差(ME)、平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)相对较小,方程整体精度较高,可广泛推广;将外业采集的1238组树高-胸径数据,根据36个主要树种树高-胸径方程拟合公式及参数估计值a、b进行方程精度验证,方程预测的平均相对误差为16.86%,在误差允许范围内,并且模型形式规范,可为GlobalAllomeTree平台用户提供科学参考。

无人机技术在精准林业中的应用与挑战

森林是陆地生态系统的主体和国家生态安全的保障。随着信息化技术的发展,无人机作为智能化装备的代表,在森林精准调查、设计和管理等方面发挥了关键作用。近年来,随着精准林业的发展以及无人机技术的应用,如何有效协同无人机技术和林业发展需求,实现森林质量精准提升和可持续发展,成为林业研究的重点和热点问题。该文从林业无人机系统及关键技术、研究现状、应用进展以及挑战等方面对近年无人机技术在精准林业中的应用进行阐述,重点探讨了无人机技术在森林资源调查监测、病虫害预警、火灾防控、林业植保、林业管理与执法等方面的应用,并分析了无人机技术在精准林业中面临的机遇和挑战,以期为无人机技术助力精准林业发展提供有益参考。

电子森林罗盘仪的研发与试验

树高和树木位置是森林经营决策中重要的指标,常用于估计森林生长量、树龄、材积、生物量和碳储量等立木参数,其精度对立木质量的评价及森林生长的预测分析影响较大。为解决当前森林调查仪器价格昂贵、移动不便、测量周期长、人力耗损大等问题,基于三维电子罗盘和激光测距雷达研发了一种电子森林罗盘仪。该仪器设计了嵌入式软硬件,开发了与之配套的Android端应用,实现了树高和树木位置数据测量的电子化和数字化。为验证仪器的精准度与效率,选取59株立木进行试验。结果表明:在精准度上,方位角的绝对误差均值为4.5°,树高的相对精度为96.95%;在作业效率上,该仪器约为全站仪的2倍。该仪器携带方便、制造成本低、内外业一体化,能够满足国家森林资源连续清查中的测量精度要求,在森林资源调查中具有广阔的应用前景。

全站仪测算材积的原理及精度分析

全站仪是一种电子精密测量型工具 ,自 2 0世纪 90年代中期后 ,美、英、德、日等国在林地面积测量、树高测量中初步使用全站仪 .该文首次采用全站仪测量树干上部直径及材积等测树参数 .以全站仪为测量工具 ,在林地中自动测量每 1棵树的树高 ,用直径测量数学模型自动测量树干胸径及任一处直径等参数 ,以及利用树干材积计算数学模型自动计算树干材积 .从其测量结果看 ,测量数据精度很高 .其测量树高的精度可达 1 14 0 0 ,测量任一处直径的精度可达 1 2 0 0 ,且均高于其它测树方法的精度 ,完全能够满足林业测量的精度要求 .由于全站仪的自动化程度很高 ,可与数据采集器实现数据的实时通讯 ,提高工作效率 .全站仪在测树中的应用 ,不仅提高了测树速度、精度和效率 ,更重要的是不用伐倒林木和爬树 ,不对林木有任何损害就可以自动、实时获取测树因子 ,它在林业测量有广泛的应用前景 .

基于三维激光扫描成像系统的树冠生物量研究

林业中对树冠进行准确量测一直都难以实现,对树冠体积、表面积的估测也多是将树冠近似为规则几何体,所得到的数据偏差较大,使与树冠相关的一些研究受到限制.该文将三维激光扫描成像系统运用于立木测量,建立立木三维模型,通过对模型进行量测获取包括树冠体积、表面积等各种测树因子.以此为基础,运用非线性回归方法建立树冠体积、表面积回归方程,相关系数都在0.95左右.利用树冠体积、表面积回归模型,可以用传统林业调查数据推算树冠的体积表面积,可以使与树冠相关的估测、研究得到较好的结果.同时该文将树冠因子引入生物量模型,建立包含树冠体积、表面积的生物量模型,获得了较传统CAR模型更好的效果,可作为生物量估测的基本模型.

应用LIDAR技术预测林分蓄积量

以优势树种铅笔柏为研究对象,将LIDAR技术测量的抽样木树高与全站仪实测树高进行可行性研究.在可行性的基础上,将LIDAR测得的树高进行改正,得到林木的调查因子——树高.将此因子与抽样木的材积进行回归分析,建立起两者之间的回归模型.统计出测区的铅笔柏的总株数和每株木的树高,根据树高和材积之间的回归模型,计算出测区的铅笔柏的蓄积量,并与用标准样地法测得的蓄积量进行对比,发现两者的差距不大,其相对误差为4.25%,可以满足林业上对林分蓄积量的调查,为林分蓄积量的调查提供了一种新的方法.

森林调查装备与信息化技术发展分析

回顾了国内外森林调查装备与技术的发展历程,概括了目前森林调查装备的使用情况及相关技术。森林资源调查装备及技术发展趋势已由3S主导的森林调查技术及各种便携式装备逐渐向精准化、智能化及精细化方向发展,通过'天-空-地'空间一体化装备与技术相互协同作用,提高森林调查的精度、准确度以及森林调查的工作效率,减少大量人力、物力的耗费,并研发出林业信息化平台。林业信息化平台是以互联网、GIS技术为依托,通过软、硬件产品的有机结合构建而成,其功能包括:导线测量、坐标放样内业处理,面积、体积、单木材积、每公顷断面积、每公顷株数、林分蓄积量、生物量的计算,以及相应的统计图、统计表的输出,林业制图等,同时实现林业一、二、三类调查统计表、基本图、林相图、森林分布图和专题图等成果的综合表达。林业信息化平台的建设,促进了林业资源调查的一体化、智能化、集成化。建立'天-空-地'空间一体化森林调查体系是现有森林调查装备与技术的继承和发展。

数字近景摄影测量用于森林固定样地测树的研究

该文以普通的光学或数字相机为工具 ,借助计算机建立数字近景摄影测量系统 .系统通过普通相机对固定样地摄影 ,建立以内、外方位元素 (x0 ,y0 ,f;XS,YS,ZS,ω ,k ,φ) 为未知数摄影测量共线方程 ,通过DLT变换 ,求得待定参数 ,进而把像方空间和物方空间联系起来 ,借助计算机系统 ,就可确定像方任一点坐标 (x,y)对应的物方坐标 (X ,Y ,Z) ,从而恢复物方空间立体 ,计算胸径、任一处直径、树高、树冠体积等测树指标 .这种系统不需要像控点就能建立待测目标的数字模型 .实验结果表明 ,通过此摄影测量系统可测量树高、胸径、树冠体积等 ,树高测量的相对误差为 2 % ,胸径测量的外符合误差为 1% ,树冠体积的内复合误差为 3% .

F-star林场地理信息系统平台设计思想、功能及应用前景

为了满足当前基层林场生产任务和业务管理的实际需求,针对生产中面临的一些问题,提出了以组件式GIS为基础,建立F-star林场地理信息系统平台的构想,以实现森林资源的信息化管理.F-star林场地理信息系统平台包括森林资源数据管理功能模块、造林决策支持模块、林火管理功能模块和林业专题图制作功能模块4个能与林场日常管理业务高度集成的功能.同时该文还对平台建设的关键技术、开发平台以及应用前景作了详细介绍.

森林生物量研究的若干问题及完善途径

介绍了森林生物量研究的背景。侧重论述了森林样地生物量算法及其精度分析、森林生物量估计模型的精度分析、森林生物量监测的必要精度与不确定性、森林蓄积量与生物量的转换模型、大区域多树种生物量转换模型、利用广义3S技术建立森林生物量模型等理论、技术、方法问题。强调了森林生物量模型的稳健估计算法、模型的方差-协方差模型及其不确定度。

三角高程法树高测量与精度分析

树木高度的测量工作是林业生产、科研、教学和森林调查的一项重要工作,是评价立地质量和林木生长状况的重要依据.该文介绍了三角高程测定树高的方法,说明了测量原理及测量过程,推导出三角高程测量树高的通用公式,并根据林区的地势和地形条件的不同,提出相应的水平距离的测定方法,通过对实验数据进行分析阐明三角高程测量树高的精度.得出结论:三角高程测量树高的方法精度可以满足林业上测树的精度要求,而且该方法简单、方便、实用,值得在森林调查中广泛应用.

林地面积量算方法的比较研究

为解决林地面积测量计算的难题 ,作者通过对各种面积量算方法的比较研究 ,总结了各种量算方法的优缺点和适应性 ,比较了仪器实测与图上量测林地面积精度之间的关系 ,得知图上量测林地面积的精度因存在不可避免的系统误差而比仪器实测林地面积的精度低 .最后 ,该文着重推导了利用三次样条法测定林地面积的数学原理 ,并对梯形公式法、辛普生法、等距三次样条法和三次样条法对于林地面积边界不规则曲线的拟合原理进行了分析比较 .结合对中国科协北京绿化基地地块同精度的GPS测量试验结果 ,与运用上述 4种方法量算面积的精度结果进行比较 ,得知三次样条法量算林地面积的精度最高 ,且便于实时差分GPS(RTDGPS)作业 .

创建新一代森林资源调查监测技术体系的实践与探索

以总结北京林业大学精准林业北京市重点实验室研发团队20余年来创建新一代国家森林资源调查监测体系的工作为主线,侧重讨论以下主要问题:1)创建陆表系统逐级互联网+3S技术规划、区划到国家—省域—县域(林场)—乡镇(营林区)—村(街道,林班)—户(小班)的地类、植被覆盖类型、面积逐级严密平差体系;2)研制以3D激光扫描和任意摄影为主导的卫星载、无人机载、车载、固定式、背负式、手持式森林观测仪器体系;3)以小样本、县域300个左右5～9株树微样地或3D电子角规精测异质化小班为基础,研建林木与立地环境之间的预测预报反演模型,主导树种材积、蓄积、生物量、碳储量、生长量、固碳量(碳增量)及其转换模型;4)研建面向森林资源调查监测、规划设计、经营作业、制图建库、造林采伐、择伐经营的新一代森林经理平台。

三维前方交会法测量树高及其精度分析

为了解决森林调查中因地形起伏不能通过皮尺或者视距法获得测站与目标树的水平距离,而导致不能通过一般三角测量的办法来测量树高的问题,该文将测量高程的前方交会法应用到测树上来获得树高数据.前方交会法的内容为两台仪器与目标树构成一个三角形,测量两台仪器中心的斜距和三个夹角,利用正弦定理推算目标树与一台仪器的水平距离,然后再测得树顶和树根两处的天顶距,利用三角测量获得树高.经纬仪和罗盘仪是森林调查中常用的工具,通过对该模型的精度分析和实验发现经纬仪采用此方法可以控制误差在5%以内,满足林业上的测量要求,而罗盘仪采用此方法误差范围超过5%,不能满足要求.此方法可以配合经纬仪进行树高测量.

景观破碎带GPSRTK监测理论、技术方法及空间模型

由于自然或人为作用形成的景观破碎带不仅影响景观的观赏价值 ,还会引起水土流失和破坏生物多样性 .因此 ,对城乡景观破碎带的定量监测不仅有学术意义 ,更有应用价值 .该项目通过对各类景观破碎带的GPSRTK技术定量监测建立各类景观破碎带的空间分布数学模型 ,并精确监测其地图 (投影 )面积、临空面积、土方体积及其变动 ,为治理景观破碎带提供基础信息 .

从林业信息数据采集到森林知识获取

为了加快林业从过去单一、粗放的经营管理模式向精准、系统的模式转变,实现科学管理、集约经营,提高森林经营和森林可持续发展水平,该文在总结林业信息化的若干学术问题和特征的基础上,结合所主持完成的相关成果,从林业数据最优化获取、林业信息表达、森林知识发现与造林决策、优化景观规划与设计和森林面积分布系统动态分析等林业信息化建设的5个方面做了详细的论述,提出广义3S技术作为信息技术的重要组成部分.其与林业信息化建设相结合已上升到知识层次,由手段、工具发展到有机理、有技术、有方法的复杂系统科学技术体系.并对广义3S技术与林业信息化建设相结合的单一数据采集阶段、信息管理阶段、知识发现阶段和规划阶段等4个发展阶段进行了讨论,以实现通过发现知识提高森林资源经营管理者的决策能力及决策效益的目标.

利用手持式超站测树仪测量林分空间结构参数

针对传统测量方法准确度不高和外业投入大,该文提出了一种基于手持式超站测树仪测量空间结构参数的原理与技术方法。其原理是通过测量参照树和4株邻近木的坐标,解算夹角并计算角尺度;混交度和大小比值测量数据由仪器自动记录并计算、显示结果。在北京市奥林匹克森林公园内选择1块样地开展试验,结果表明:角尺度测量与传统直接判读法相比,测量结果相对误差在2%以内。混交度测量结果与传统方法完全一致,测量效率是直接判读法的3倍左右;大小比数测量结果均值与直接判读法测量均值相对误差小于4%。该文方法测量林分空间结构参数具有角尺度、大小比数和混交度值可以由单人测量、现场获得,由仪器电子化存储的特点,克服了传统角尺度测量中无法测量参照树和临近木胸高树心坐标导致角尺度计算错误问题;且在测量角尺度时参照树和临近木分布图可以根据测量数据由内业绘制、直观显示。该研究为林分空间结构参数测量提供参考。

单木生物量平差随机模型的比较与分析

为解决生物量随机模型的确定、形式、意义和权函数的统计性能等问题,该文从数据采集出发重点分析归纳了生物量模型拟合误差的来源,证明了单木生物量模型拟合误差的异方差性的特点,并揭示了其方差与单木相应的鲜重成正比的本质.该文还详细论述了几种常用随机模型的特点及其在生物量模型研究中的适用性,并以函数模型为示例,着重分析比较了采用不同随机模型对回归参数及生物量估值的影响及所确定的随机模型的物理意义,并引入稳健估计抗差理论削弱粗差的影响.