智慧林業在生態保護中的應用進展與發展策略

摘 要 林業是生態文明建設的主體。隨著信息技術在林業領域的加速創變和深度融入，智慧林業成為促進林業現代化發展、推動生態文明建設的必由之路。當下，我國智慧林業在生態保護中的建設成效顯著。為持續推動智慧林業在生態保護中的應用，介紹智慧林業在生態保護中的應用進展，包括以林木資源監測、野生動物保護為主的森林資源監管，以及以森林防火、森林病蟲害防治為主的林業災害監控，并提出未來我國智慧林業要走好關鍵的3步，即樹立正確發展理念、推進高水平設施建設和拓寬生態應用場景。

關鍵詞 林業；生態保護；智慧林業；林業工程

中圖分類號：F326.2 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.22.025

黨的二十大報告指出，中國式現代化是人與自然和諧共生的現代化，并將推動綠色發展、促進人與自然和諧共生明確為新時代中國生態文明建設的根本宗旨歸。林業作為傳統的基礎性產業，是國民經濟綠色發展的根基與社會經濟可持續發展的動力，密切關乎我國生態文明建設的百年大計。而在數字中國建設的推動下，林業領域涌入了大范圍、深層次的信息化變革，正一步步朝著數字化、網絡化和智能化邁進[1]。其中，以信息技術與生態文明融合為內核的智慧林業成為現代林業發展的新方向，是促進生態保護提質增效增匯、發展模式加速綠色轉型的關鍵一招。

1 智慧林業發展背景

智慧林業是以大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等新一代信息技術為支撐，基于智能化、感知化、物聯化的手段，匯集了林業立體感知、生態價值凸顯、管理協同高效、服務內外一體等功能的林業綠色發展范式[2]。2016年，原國家林業局（現國家林業和草原局）在《“互聯網+”林業行動計劃——全國林業信息化“十三五”發展規劃》中明確指出，“十三五”時期林業信息化發展要全面融入林業工作全局，“互聯網+”林業建設將緊貼林業改革發展需求，通過8個領域、48項重點工程建設，有力提升林業治理現代化水平，全面支撐引領“十三五”林業各項建設[3]。同時，美國、英國、加拿大、日本等發達國家掀起了一陣智慧林業建設熱潮，無論是在林業物聯網的建立、森林的智慧監測和保護，還是森林的精準培育、林業智能裝備的打造等方面都搶占了發展的制高點。然而，目前我國對智慧林業的探索還較為淺薄，在基礎研究、產業發展和支撐體系等方面與發達國家仍存在亟待彌合的差距。例如，在實時獲取與模擬預測、多尺度檢測與科學診斷森林生長狀況，精細化管理與經營規劃森林資源，有效融合智能裝備與現代培育技術等方面的智能化都有待進一步提升[4]。因此，如何全面分析智慧林業在生態保護中的應用進展，深入探索未來可行的發展路徑，是我國智慧林業突破限制性發展瓶頸、全方位提升發展水平，進而優化生態環境、促進林業現代化，最終推動綠色發展和建設美麗中國的必由之路。

2 應用進展

全面提高生態保護水平是促進林業高質量發展的關鍵抓手，也是推動國家生態文明建設的核心要義。當下，基于智慧林業開展的林業生態保護與建設已取得顯著成就，打造了智能化森林資源監管、林業災害監控的應用新場景。

2.1 森林資源監管

森林資源由林木資源、林地資源、森林環境資源、林區野生動植物資源、林區微生物資源等一系列資源構成，其中林木資源是森林資源的核心主體[5]。對森林資源的監管是林業部門基礎性、關鍵性的職能，智慧林業可以賦能林木資源監測和野生動物保護兩大監管內容。

2.1.1 林木資源監測

在林木資源監測方面，智慧林業以實時監控和數據管理為核心，構建了智能化監測體系。

1）由編碼系統、智能傳感器和信息網絡系統組成的林業智能感知系統可以為林木資源監測提供高時空精度、全方位的立體數據[6]。其中，以射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）、各類傳感器和紅外感應裝置等為代表的智能感知技術是精準采集、實時反饋林木及其環境信息數據的關鍵，且能以可視化形式呈現數據。例如，在古樹名木上安裝RFID標簽，同時配合溫濕度傳感器的使用，可以實現對樹木溫濕度值的實時監控，進一步加強對古樹名木的科學保護[7]。與之類似，利用RFID標簽與無線傳感器（溫度、氧氣、風速傳感器等）相結合可以構建森林資源監測的物聯網系統，通過設置于林區各地點的傳感器節點對林木資源開展全方位、多維度的監測、分析與管理[8]。同時，國外開發了各種專用傳感器以監測樹木的異常情況，防止樹木被盜伐。例如，震動傳感器就被視作有效的監測工具，若發生砍伐樹木的情況，固定在樹木上的震動傳感器會及時監測到震動，繼而將異常震動情況經由無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）傳送至服務器，以此實現樹木的實時監管，進一步增強森林資源的保護[9]。

2）智慧林業以云計算、互聯網通信技術和空間數據庫為支撐，可以實現對林木資源監測數據的實時存儲、智能分析和高效管理。黑龍江省就基于“公共數據前置”和“用戶注冊在線使用”為核心，構建了標準統一化、管理智能化的森林監測系統平臺，實現了對林木資源的快捷預警、精準執法和智能管理[10]。不少發達國家針對林木資源監測也做出創新之舉。例如，日本創立的森林信息共享框架——“森林云”，可以實現數據信息在利益相關者之間的共享，加拿大則開發了專門的通信系統來促進林木資源數據的無障礙流通[11]。

2.1.2 野生動物保護

在野生動物保護方面，智慧林業主要從智能識別、環境構建兩方面入手，搭建了立體感知、管理協同的保護系統。

1）林業物聯網在互聯網與森林生態及其環境之間創設了實時信息交換和通信的橋梁。其通過傳感器節點持續性收集野生動物的活動畫面、聲音等信息，并經由WSN傳送至數據中心，繼而依據云計算、人工智能技術精確識別野生動物的種類、年齡、活動規律及健康狀況等多維信息，深入研究野生動物的生活習性，最終實現野生動物的智能化、精細化保護。例如，我國學者宮一男以解決紅外相機技術監測影像數據量龐大、滯后性嚴重、效率低下的問題為導向，基于深度學習算法的應用，實現了紅外相機影像對東北虎豹國家公園的東北虎、東北豹、梅花鹿等多個物種的智能化自動識別，為野生動物的生活習性研究和針對性保護提供了有力的數據支撐[12]。此外，美國加州為了更好地保護野生棕熊，建立了智能化的物聯網系統，通過不間斷獲取影像或視頻信息來更好地識別、保護野生動物[13]。

2）在“3S”、大數據、物聯網等新興技術的交融互促下，野生動物保護的一體化觀測和定位技術、空間信息管理系統應運而生，有力推進了生活環境深度分析、棲息地破碎化評估、生態廊道有序建設等一系列野生動物的環境構建。例如，利用遙感技術提取生境斑塊，以最小費用距離為出發點，同時結合圖論法可以客觀分析滇金絲猴分布區的棲息地連接度，進而明確景觀功能連接的最佳距離閾值，實現對滇金絲猴的生境優先保護區、優先恢復區的定量識別[14]。

2.2 林業災害監控

林業災害主要指森林火災、森林病蟲害等，同時包括一些由極端氣候變化造成的森林災害[15]。其中，森林防火與森林病蟲害防治是林業生態保護的重中之重，也是智慧林業發揮效用的兩大關鍵著力點。

2.2.1 森林防火

在森林防火方面，智慧林業的應用貫穿“智慧監控—智慧分析—智慧指揮”的全鏈條。

1）智慧監控是森林防火的“基本出發點”，具體表現為以衛星、無人機、觀測塔、無線傳感網等設備為基礎，運用機器視覺、衛星影像比對等智能技術即時捕捉林火信息，實現立體式林火監控。2）智慧分析是森林防火的“關鍵性中樞”，智慧監控捕捉到的林火信息經WSN傳輸至信息處理中心后，防火系統會在第一時間精準定位火災重點區域，迅速模擬林火蔓延范圍，客觀分析周邊應急資源，科學研判撲火最佳路徑，為火災處置提供科學的輔助性決策。3）智慧指揮是森林防火的“最后一公里”，經過智慧分析后，起火的時間、地點、原因，火場的態勢等一系列關鍵火情信息會自動從后臺傳送至手機、電腦客戶端或聲光報警器，保證森林火災撲救人員與指揮人員第一時間了解現場情況，各司其職、高效有序地處置突發性火情，最大限度減少森林火災造成的損失[16]。當前，國內外主要采用WSN來對森林火災開展智慧監測與預防。例如，森林可燃物含水率高低是決定森林燃燒難易程度的關鍵因素，通過ZigBee無線傳感器測定大氣的相對濕度和空氣溫度可以間接反映可燃物含水率，從而有助于精準預報、全面監測森林火災的發生[17]。除傳感器之外，可以利用無人機捕捉可能發生火災的區域快照，隨后經過人為或機器學習方式進行鑒定復核，以此降低火情誤報率，實現火災預測準確度的提升[18]。

2.2.2 森林病蟲害防治

森林病蟲害防治是森林健康生長的重要保障，智慧林業主要從實時診斷、精準施藥2個過程發力，實現森林病蟲害防治的科學性與智能化。

1）森林病蟲害實時診斷模型的構建是實現監測預警功能的關鍵。無論是由林木內部病原體造成的病害，還是由外部害蟲（馬尾松毛蟲、微紅梢斑螟、日本松干蚧等）引發的蟲害，都會導致林木出現斑點、枯黃等外觀形態改變，以及蒸騰作用衰減、光合作用衰退、葉綠素降解等內部機理變化，繼而呈現出不同的圖像形態和光譜輻射能量。因此，依賴可見光成像、熱紅外成像等遙感技術可以采集監測區域的光譜信息和紋理特征，隨后與森林信息數據庫的健康林木智能比對，準確識別林木發生的異變[19-20]。此外，利用無線多媒體傳感器網絡可以識別由病蟲害導致的林木外觀的圖像、色譜異變，繼而判斷所在區域是否存在發生病蟲害的潛在危險。這類方式相較于遙感的影像數據具有圖像分辨率更高、監測實時性更強、維護更簡易等顯著性優勢[21]。

2）精準施藥是森林病蟲害防治的核心手段，而智慧林業有助于為適時、適量地動態化噴藥管理提供信息支撐。例如，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）與管理知識模型的結合使用可以協助林業人員全方位分析施藥需求，從而為針對性使用智能化裝備、精準性噴藥管理提供決策支持，實現判定準確、處理及時、措施有效的森林病蟲害施藥管理[4]。

3 發展策略

為實現生態保護的智能化、可持續和全面性，我國智慧林業的建設要以現實需求為導向，以融合創新為內核，以信息技術為支撐，更為及時、全面地保障森林健康，力求綜合效益的最優化，最終促進林業現代化發展和生態文明建設。總體而言，為實現智慧林業的高質量發展，需走好關鍵的3步，即樹立正確發展理念、推進高水平設施建設、拓寬生態應用場景。

3.1 樹立正確發展理念

樹立正確發展理念需要妥善處理好兩對關系。1）把握好“信息資源”與“生態資源”的關系。要深刻認識到信息資源在智慧林業發展中的奠基性作用，將其作為林業綠色化轉型與可持續發展的導向性資源[22]。同時，要透徹理解信息資源與生態資源的轉換關系，致力于以信息開發的“無限”突破生態資源的“有限”，即通過深度開發、有效利用信息資源來擺脫剛性的林業資源束縛和固有的林業生產方式，促使智慧林業向綠色低碳、集約優化轉變。2）處理好“生態保護”和“生態建設”的關系。智慧林業的發展既要服務于生態保護，即通過信息技術與傳統林業的有效融合，在林木資源監測、野生動物保護、森林防火、森林病蟲害防治中發揮關鍵效用，又要在保護的前提下進一步合理開發、有效利用資源，繼續開展生態建設，真正落實智慧林業的高質量、可持續發展。

3.2 推進高水平設施建設

推進高水平設施建設需要著眼于基礎設施的建設和數據機制的健全兩大方面。1）以云計算、物聯網、大數據等新一代信息技術為抓手，加強智慧林業的基礎設施建設。例如，加快林業專用傳感器的研制與開發，加快新的無線通信技術和人工智能技術在物聯網的應用等，有序推進以遙感衛星、無人機、北斗衛星導航系統等為核心構成的林業“天網”搭建，進一步提高數字技術在智慧林業中的滲透率[11]。2）健全數據保護和共享機制是完善數據治理體系、促進智慧林業發展的關鍵。推進數據共建共享機制的建立，強化數據匯聚整合，清除數據流通障礙，即通過統一共享標準、開發信息共享數據庫、搭建無障礙通信系統，全面歸集各級、各類林業數據，實現數據在全國各地間的互聯互通。樹立風險防范意識，加強數據安全保護，加快推進數據安全隱私、數據知識產權相關的立法，保障數據主體的合法權益，同時有效落實林業信息系統、林業網站等基礎設施的安全維護。

3.3 拓寬生態應用場景

拓寬智慧林業的生態應用場景需要從智能監管、宣傳教育兩大場景切入。1）智慧林業的智能監管是生態應用的核心要義。林業人員要利用好RFID等各種智能傳感器，GIS等各類空間信息技術，以及虛擬現實（Virtual Reality，VR）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等新興技術，對森林資源、野生動物、森林防火等數據進行全面監管。構建森林資源動態監測體系，精確把握森林資源現狀及變化動向，實現動態性、集約化管理。開展對野生動物的追蹤與保護，研究它們的生活習性與活動規律，系統性分析其生存環境，針對性制訂保護措施。加強智能化森林防火和森林病蟲害防治，著力于實現林火的精準性識別、火勢的仿真性模擬、撲救的智能化決策、災后的科學性評估，以及病蟲害的實時監測和遠程診斷。2）推廣新一代信息技術在生態文化宣傳中的創新應用，注重以新媒體、新手段開展全方位的宣傳推介，普及智慧林業相關知識，打造融合AR、VR技術的沉浸式體驗場景，多層次、多方位提高全社會的生態保護意識。例如，通過VR技術模擬森林火災現場，使公眾能感同身受地體驗森林破壞帶來的后果，讓生態保護理念深入人心。這種體驗式教育比傳統教育方法更具沖擊力與說服力?；蚩山柚髷祿治?，精準定位宣傳策略的效果，及時調整和優化宣傳方案。通過用戶行為分析，了解公眾對各類宣傳內容的接受度，進而迭代更新宣傳內容，使之更契合公眾的需求，提高宣傳的針對性與實效性。加強跨學科合作，將林業科學與信息科技緊密結合，發揮各自優勢。聯合專家學者團隊，共同籌劃和落實宣傳項目，彰顯科技與自然和諧共生的理念。拓展智慧林業在生態文化宣傳方面的應用，旨在利用科技的力量，更有效地影響人們的生態保護行為，從而共同構建綠色家園。只有不斷探索與嘗試，方能在現代信息環境中，找到最適宜的生態宣傳之路。

參考文獻：

[1] 習近平.高舉中國特色社會主義偉大旗幟 為全面建設社會主義現代化國家而團結奮斗[N].人民日報，2022-10-26（1）.

[2] 譚星，馮鵬飛，張旭，等.物聯網技術在我國智慧林業建設中的應用現狀及發展策略[J].世界林業研究，2019，32（5）：57-62.

[3] 國家互聯網信息辦公室.《“互聯網+”林業行動計劃》正式發布[EB/OL].（2016-03-25）[2024-04-09].https：//www.cac.gov.cn/2016-03/25/c_1118443575.htm.

[4] 曹林，周凱，申鑫，等.智慧林業發展現狀與展望[J].南京林業大學學報（自然科學版），2022，46（6）：83-95.

[5] 侯元兆，王琦.中國森林資源核算研究[J].世界林業研究，1995（3）：51-56.

[6] ZHAO C，LI X S，CHEN J S.Study on the application of internet of things in the logistics in forest industry[J].Applied Mechanics and Materials，2011，97-98：664-668.

[7] 王春玲，佘佐彬.基于物聯網的古樹名木監控管理研究[J].計算機工程，2015，41（5）：316-321.

[8] 李碩明.一種基于物聯網技術的森林資源監測系統[J].物聯網技術，2016，6（5）：11-13.

[9] DALV A，DAUTAPURE M.Undetected detective to protect the forest trees against poaching using WSN technology[J].International Journal of Innovations in Engineering and Science，2018，6（3）：47-52.

[10] 尹麗麗.黑龍江省森林資源監測遙感判讀平臺建設[J].林業勘查設計，2021，50（1）：67-70.

[11] 管志杰，張薇.國內外智慧林業建設概況及中國發展對策[J].西部林業科學，2023，52（6）：151-158.

[12] 宮一男，譚孟雨，王震，等.基于深度學習的紅外相機動物影像人工智能識別：以東北虎豹國家公園為例[J].獸類學報，2019，39（4）：458-465.

[13] ELIAS A R，GOLUBOVIC N，KRINTZ C，et al.Where’s the bear？ Automating wildlife image processing using IoT and edge cloud systems[C]//Proceedings of the Second International Conference on Internet-of-Things Design and Implementation.2017：247-258.

[14] 張宇，李麗，吳鞏勝，等.基于生境斑塊的滇金絲猴景觀連接度分析[J].生態學報，2016，36（1）：51-58.

[15] 趙鐵珍，柯水發，高嵐，等.森林災害對我國林業經濟增長的影響分析[J].北京林業大學學報（社會科學版），2004（2）：37-40.

[16] 張民俠，鄭懷兵.基于智慧感知、分析、處置方法的森林智慧防火[J].南京理工大學學報，2016，40（6）：694-699.

[17] 張軍國，李文彬，韓寧，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的森林火災監測系統的研究[J].北京林業大學學報，2007（4）：41-45.

[18] IMTEAJ A，RAHMAN T，HOSSAIN M K，et al.An IoT based fire alarming and authentication system for workhouse using Raspberry Pi 3[C]//2017 International conference on electrical，computer and communication engineering（ECCE）.New York：IEEE，2017：899-904.

[19] MUTKA A M，BART R S.Image-based phenotyping of plant disease symptoms[J].Frontiers in plant science，2015，5：734.

[20] HORNERO A，ZARCO-TEJADA P J，QUERO J L，et al.Modelling hyperspectral-and thermal-based plant traits for the early detection of Phytophthora-induced symptoms in oak decline[J].Remote Sensing of Environment，2021，263：112570.

[21] 齊建東，蔣禧，趙燕東.基于無線多媒體傳感器網絡的森林病蟲害監測系統[J].北京林業大學學報，2010，32（4）：186-190.

[22] 程小玲，吳曉松.我國林業生態保護與建設探討[J].林業科技開發，2013，27（5）：1-5.

（責任編輯：張春雨）

作者簡介：龔偉民（1970—），本科，助理工程師，主要從事生態保護修復。E-mail：1986990927@qq.com。