物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧林業(yè)建設(shè)中的應(yīng)用

辛 偉

（山東省德州市平原縣自然資源局，山東 德州 253100）

智慧林業(yè)是未來(lái)林業(yè)發(fā)展的主要方向，利用智慧化的手段和方法，注重生態(tài)環(huán)境的改善，提高林業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，凸顯林業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)價(jià)值，智慧林業(yè)已然成為我國(guó)林業(yè)發(fā)展的新模式。在智慧林業(yè)建設(shè)中通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知、快速響應(yīng)、精準(zhǔn)控制，可以解決許多以前林業(yè)生產(chǎn)中無(wú)法解決的難題，比如火災(zāi)防控、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控等等，發(fā)揮著不可替代的作用。目前我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用尚處于起步階段，按照國(guó)家提出的“要把發(fā)展林業(yè)作為建設(shè)生態(tài)文明的首要任務(wù)”的要求，各地林業(yè)部門(mén)都制定了自己的發(fā)展目標(biāo)，有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，智慧林業(yè)系統(tǒng)初步形成后，我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)將取得突破性進(jìn)展，直接生產(chǎn)人員可減少一半以上，而生產(chǎn)效率可以提升30% 以上，安全性則可以提升80% 。因此，加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)布局對(duì)推動(dòng)我國(guó)智慧林業(yè)的健康快速發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)在智慧林業(yè)中的系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，不論何時(shí)何地人、機(jī)、物都可以借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換與通信，在用于林業(yè)生產(chǎn)中就可以通過(guò)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控與管理，形成林業(yè)立體感知，提高管理成效。在智慧林業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)主要分為三個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[1]。

1.1 感知層

感知層的作用是對(duì)監(jiān)測(cè)物體進(jìn)行有效識(shí)別，并完成信息的采集，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)感知的基礎(chǔ)。感知層功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于各種感應(yīng)器件，比如RFID、傳感器、攝像頭、二維碼標(biāo)簽等等，類(lèi)似于人類(lèi)的五官與皮膚，通過(guò)感知實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物體的識(shí)別與信息的采集。在智慧林業(yè)中，利用感知層可以實(shí)時(shí)獲取森林的狀態(tài)信息，對(duì)森林火災(zāi)、蟲(chóng)害、盜伐等信息進(jìn)行監(jiān)控，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)完成基礎(chǔ)信息的收集整理。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是連接感知層與應(yīng)用層的紐帶，利用網(wǎng)絡(luò)起到信息傳輸?shù)淖饔谩Ｔ谖锫?lián)網(wǎng)架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)層綜合了已有的所有網(wǎng)絡(luò)形式，更體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)“萬(wàn)物互聯(lián)”的廣泛性。隨著云計(jì)算、5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)層所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量得到巨大提升，傳輸質(zhì)量也發(fā)生了質(zhì)的飛躍，建立起更加實(shí)用、適用、高效的數(shù)據(jù)傳輸體系與信息共享平臺(tái)。在智慧林業(yè)中，利用網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建的信息共享平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)林業(yè)資源的狀態(tài)信息查詢管理，完成對(duì)林相圖的繪制與優(yōu)化。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的主要功能就是利用云計(jì)算平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理并進(jìn)行深度挖掘，從而達(dá)到控制與管理的目的，這分為兩個(gè)方面來(lái)理解：一是對(duì)感知層獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，二是將數(shù)據(jù)信息與相關(guān)行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，做出科學(xué)的決策。在智慧林業(yè)中，可以按照不同功能需求建立不同的應(yīng)用系統(tǒng)，比如選擇具有代表性的樹(shù)木進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取樹(shù)齡、樹(shù)種、胸徑、樹(shù)高等數(shù)據(jù)；對(duì)空氣土壤等環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)森林中野生動(dòng)物的監(jiān)測(cè)與保護(hù)；對(duì)火災(zāi)、病蟲(chóng)害、盜伐等問(wèn)題的防范等等。

2 物聯(lián)網(wǎng)在智慧林業(yè)中的具體應(yīng)用

林業(yè)生產(chǎn)的特殊性與森林環(huán)境的復(fù)雜性，使得林業(yè)管理難度較大，一直以來(lái)無(wú)法對(duì)森林資源形成有效監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，林業(yè)管理工作任務(wù)相當(dāng)繁重。但是，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧林業(yè)將會(huì)有效解決這些難題，促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)發(fā)生質(zhì)量的飛躍。

2.1 在林區(qū)防火監(jiān)控中的應(yīng)用

森林火災(zāi)會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害，給人類(lèi)帶來(lái)嚴(yán)重的損失，而且突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，當(dāng)形成森林火災(zāi)后往往無(wú)法及時(shí)撲滅[2]。據(jù)資料顯示，2021年我國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)616起，約有0.4萬(wàn)公頃的森林受到不同程度的危害。森林防火監(jiān)控系統(tǒng)利用智能化感知設(shè)備可以實(shí)時(shí)掌握森林的狀態(tài)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后實(shí)時(shí)掌握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì)，為火災(zāi)救援決策提供參考，縮短火災(zāi)反應(yīng)時(shí)間，提高應(yīng)對(duì)緊急火災(zāi)事故的能力。森林防火監(jiān)控系統(tǒng)的安裝可以利用原有的人工防火瞭望塔，加裝全景監(jiān)控設(shè)備，視野開(kāi)闊，沒(méi)有遮擋；在開(kāi)闊地帶安裝球形轉(zhuǎn)臺(tái)攝像機(jī)，能夠進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)連續(xù)巡航，對(duì)游人的活動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警、事后取證；在森林里各個(gè)角落安裝智能無(wú)線感溫設(shè)備，對(duì)森林的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；安裝熱成像攝像機(jī)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)觸動(dòng)報(bào)警裝置。利用林地內(nèi)各種感知設(shè)備進(jìn)行全天候監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)火情時(shí)可快速完成識(shí)別、定位、分析、報(bào)警等一系列操作，遠(yuǎn)端林場(chǎng)監(jiān)控指揮中心快速做出反應(yīng)，及時(shí)消除火災(zāi)隱患。

2.2 在林區(qū)道路監(jiān)控中的應(yīng)用

在林區(qū)內(nèi)道路上安裝高清卡口系統(tǒng)，這是一套比較先進(jìn)的道路視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用了光電技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)，前端安裝高清卡警攝像機(jī)，對(duì)道路上過(guò)往的車(chē)輛進(jìn)行抓拍，并自動(dòng)獲取車(chē)輛的信息，包括車(chē)牌、駕駛?cè)?、?jīng)過(guò)的時(shí)間等，高清的面部識(shí)別保證了圖像的清晰度。道路視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警、發(fā)案可查、事后取證，林區(qū)管理人員通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握林區(qū)及周邊道路的狀況，保障了林區(qū)的安全[3]。一般高清攝像設(shè)備安裝在進(jìn)入林區(qū)的主要路口、事故多發(fā)區(qū)以及林區(qū)內(nèi)需要重點(diǎn)監(jiān)控的區(qū)域，這樣可以保證林區(qū)管理人員實(shí)時(shí)掌握進(jìn)出林區(qū)車(chē)輛、人員的信息，既可以抓拍高清圖片，還能夠調(diào)取高清視頻，以供相關(guān)人員調(diào)查取證，當(dāng)有車(chē)輛或人員穿越重點(diǎn)警戒區(qū)域時(shí)，或者在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留時(shí)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，林區(qū)管理人員可快速反應(yīng)，以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)狀況，對(duì)一些盜伐、盜獵、盜采的違法犯罪分子起到很好的威懾作用。

2.3 在林區(qū)野生動(dòng)物保護(hù)中的應(yīng)用

為了保護(hù)林區(qū)野生動(dòng)物，常在動(dòng)物出沒(méi)的隱蔽位置安裝紅外相機(jī)，對(duì)野生動(dòng)物的活動(dòng)軌跡進(jìn)行觀察，自動(dòng)拍攝野生動(dòng)物靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖像，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下可與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)互通。紅外相機(jī)一般都安裝在較為隱蔽的區(qū)域，尤其適合探測(cè)數(shù)量稀少的動(dòng)物。紅外相機(jī)一般都是成對(duì)安裝，每?jī)膳_(tái)設(shè)備為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元，選擇野生動(dòng)物經(jīng)常出沒(méi)的位置布置在兩側(cè)，距野生動(dòng)物出沒(méi)的位置3～10 m，當(dāng)有動(dòng)物經(jīng)過(guò)時(shí)就會(huì)觸發(fā)紅外探頭，可進(jìn)行全天候拍攝，拍攝的圖像或圖片會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在本地，也可以利用網(wǎng)絡(luò)上傳到云端，林區(qū)管理人員可通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行查看、回傳等操作[4]。紅外相機(jī)可利用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，并在相機(jī)外加裝金屬外殼，起到固定和防護(hù)的作用。紅外相機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，在林地野生動(dòng)物保護(hù)工作中應(yīng)用非常廣泛，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣闊。

2.4 在林區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

為了保證林區(qū)植物具有良好的生長(zhǎng)環(huán)境，需要對(duì)林區(qū)生態(tài)環(huán)境做好監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括環(huán)境的溫度與濕度、風(fēng)向與風(fēng)速、大氣環(huán)境、降水、土壤等等，內(nèi)容繁雜多樣，比如大氣監(jiān)測(cè)中就涉及到氧氣濃度、二氧化碳濃度、惰性氣體的濃度等等，這些因素都統(tǒng)稱為生態(tài)因子。為了獲取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要在林區(qū)設(shè)立生態(tài)因子監(jiān)測(cè)站，安裝各種傳感裝置，用于監(jiān)測(cè)林區(qū)的溫濕度、土壤、大氣等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集器在完成采集后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)站控制中心，再經(jīng)過(guò)軟件分析后進(jìn)行處理與存儲(chǔ)。

2.5 在林區(qū)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

森林對(duì)于自然界中的水分運(yùn)動(dòng)有著非常重要的影響。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收水分、產(chǎn)生蒸騰作用，林地也對(duì)降水起到滲透、貯蓄的作用，從而構(gòu)建起良好的林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)降水、蒸發(fā)、徑流和土壤水分，生態(tài)效益顯著。在林區(qū)建立水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，對(duì)林區(qū)內(nèi)水流的流量、流速、水位、水溫、pH值、溶氧量、電導(dǎo)率、濁度、重金屬、氨氮等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨時(shí)了解林區(qū)生態(tài)環(huán)境變化情況，做好環(huán)境保護(hù)[5]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧林業(yè)建設(shè)中的發(fā)展策略

智慧林業(yè)的概念提出較晚，雖然我們國(guó)家在智慧林業(yè)方面制定了一系列的發(fā)展策略與指導(dǎo)意見(jiàn)，確立了以生態(tài)建設(shè)為主的林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，但是實(shí)際工作卻困難重重，在未來(lái)智慧林業(yè)建設(shè)中還有很多工作需要完善。

3.1 解決智慧林業(yè)建設(shè)資金保障問(wèn)題

智慧林業(yè)建設(shè)需要購(gòu)置大量的電子設(shè)備，包括傳感器、高清攝像、存儲(chǔ)設(shè)備等等，全面布設(shè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此需要投入大量資金，但是資金力量薄弱正是智慧林業(yè)建設(shè)的問(wèn)題之一。因此，當(dāng)?shù)刎?cái)政部門(mén)應(yīng)關(guān)注智慧林業(yè)建設(shè)，加大資金投入，用于智慧林業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施改善。在林區(qū)布局基于物聯(lián)網(wǎng)的高智能化監(jiān)測(cè)基站，做到對(duì)林區(qū)大范圍覆蓋監(jiān)測(cè)，并利用視頻監(jiān)控技術(shù)配合智能感知設(shè)備、煙火識(shí)別技術(shù)等，構(gòu)建完善的智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保障智慧林業(yè)的安全。

3.2 解決林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展滯后問(wèn)題

目前在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中存在RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題，在智慧林業(yè)布局無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)融合度差，影響到數(shù)據(jù)的采集與傳輸。針對(duì)這種情況，應(yīng)完善智慧林業(yè)建設(shè)中基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、參考模型等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基于RFID技術(shù)的標(biāo)簽制作與分類(lèi)、傳感設(shè)備的采集頻率與精度的設(shè)置，以及數(shù)據(jù)的傳輸，都應(yīng)統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行整合，解決智慧林業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的孤島問(wèn)題[6]。

3.3 解決林業(yè)專用傳感器問(wèn)題

智慧林業(yè)建設(shè)對(duì)于傳感器的技術(shù)要求較高，需要實(shí)時(shí)做好火災(zāi)防護(hù)、道路監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害防治、動(dòng)物保護(hù)等工作，還要對(duì)環(huán)境溫度、濕度、大氣、風(fēng)、土壤等生態(tài)因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而目前市場(chǎng)的傳感設(shè)備往往存在易損壞、壽命短等問(wèn)題，影響到WSN的數(shù)據(jù)采集。因此，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加快林業(yè)生產(chǎn)中專用傳感設(shè)備的研發(fā)，突破技術(shù)壁壘，基于智慧林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與環(huán)境的要求，研制出適合林業(yè)生產(chǎn)的專用傳感設(shè)備，提高傳感設(shè)備的精度與適應(yīng)性。重點(diǎn)關(guān)注對(duì)林木病蟲(chóng)害、胸徑、林分郁閉度、葉面積等指數(shù)的數(shù)據(jù)采集，以滿足當(dāng)前智慧林業(yè)建設(shè)所需。

3.4 解決智慧林業(yè)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題

目前在智慧林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中以ZigBee為主，其特點(diǎn)是低速、短距離傳輸，且可靠性較差，影響了智慧林業(yè)建設(shè)的發(fā)展。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的NB-IoT和LoRa技術(shù)是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要分支，具有功耗低、待機(jī)長(zhǎng)、覆蓋廣的特點(diǎn)，且安全高效，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。因此，在智慧林業(yè)建設(shè)中NB-IoT和LoRa技術(shù)具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.5 解決智慧林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)用性問(wèn)題

目前在智慧林業(yè)災(zāi)害防控工作中部分算法精度有待提高，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)用性下降，對(duì)于生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與深度挖掘能力不足。因此，在智慧林業(yè)建設(shè)中應(yīng)做好智能技術(shù)的推廣與應(yīng)用，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、先進(jìn)的算法對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度挖掘與利用，才能為智慧林業(yè)建設(shè)起到指導(dǎo)作用。應(yīng)推動(dòng)人工智能技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，人工提高數(shù)據(jù)采集與分析的自主學(xué)習(xí)能力，從而提高物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模型在智慧林業(yè)建設(shè)中的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

在智慧林業(yè)建設(shè)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在火災(zāi)防控、道路監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文以及病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)中都發(fā)揮著不可替代的作用。但是目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用還存在許多不足，筆者結(jié)合當(dāng)前智慧林業(yè)建設(shè)中存在的資金問(wèn)題、物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展滯后問(wèn)題、專用傳感器研發(fā)問(wèn)題、數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)用性問(wèn)題提出了完善建議，相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度應(yīng)用，我國(guó)智慧林業(yè)建設(shè)將會(huì)取得更深入的發(fā)展。