物联网在智慧林业中的应用现状及对策
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摘要 综述了物联网在林业灾害监测、林业资源保护、林业监管系统中的应用现状，探讨了林业物联网的技术、应用和政策方面的发展瓶颈，并针对性地提出研究发展方向和政策导向。
关键词 物联网;智慧林业;发展瓶颈;发展方向
中图分类号 F326.2 文献标识码 A
Abstract This paper mainly summaried the application status of internet of things（IOT）in forestry disaster monitoring，forest resources protection and supervision system.Furthermore，this paper discussed the development bottleneck form three aspects，including the technology，application and policy of IOT in forestry.The research direction and policy guidance were put forward.
Key words internet of things;intelligent forestry;development bottleneck;development countermeasure
物联网（IOT）是通过无线传感器（WSN）、射频识别（RFI
D）、全球定位系统（GPS）、激光扫描仪等信息传感设备对物理世界进行感知和识别，通过“物—物”通信模式进行网络传输互联，实现智能化识别、实时控制、精确管理和科学决策的一种高度信息融合技术[1-2]。物联网经过十几年的发展，已被广泛应用于农业领域，涵盖农、林、渔、牧等各方面和生产、经营、管理、服务各环节，形成农业物联网体系，对于实现农业现代化、信息化具有重要意义[3]。智慧林业就是在此基础上，充分利用物联网技术，形成林业立体感知，实现高效协同管理的林业发展新模式[4]。物联网在智慧林业中应用广泛，在林业资源监管、林业灾害监控及应急响应、生态监测、林业有毒有害废弃物监管、林业产业发展等方面蕴藏了巨大的潜力[5-7]。
1 应用现状
1.1 在林业灾害监测中的应用
近年来，全球气候变化速度加剧，林业灾害多发、频发，林业管理工作面临巨大的挑战。林业灾害主要包括森林火灾、林业有害生物灾害、沙尘暴、野生动物疫源疫病四大类，还有干旱、洪涝、雨雪冰冻、风灾、雹灾、地震、滑坡、泥石流等[5-8]。林业灾害使森林资源受到严重破坏，防灾减灾和灾后重建工作十分繁复、任务艰巨。借助气象监测、红外感应、导航定位、视频监控、无线传感、RFID等技术，构建天网、地网、林网系统、信息管理平台和物联网应用操作平台，可以有效进行林业灾害监测、及时预警预报、智能应急防控，将灾害管理工作实现由重救灾向重预防转变，节省大量人力、物力、财力，显著降低灾害造成的损失，对于完善林业防灾管理体系、灾后救助体系具有重要意义[5-6，8-9]。很多专家致力于数据处理、监测手段、防控措施、管理体系等方面的调查和研究，并取得了较大的突破。柳萍萍[10]针对Hyperion高光谱数据的庞大性和高维度，进行系列预处理、分段特征提取法、特征选择法等，有效降维，采用光谱角填图法提高识别精度，为大面积遥感林业灾害监测及灾情评估提供技术支持。陶佰睿等[11]设计了一套基于物联网的森林火灾防控系统，可监测指定地域森林环境，实现火情类型、大小、扩散速度和方向等火灾信息的采集，实时生成烟雾浓度波形图，用于制定科学、合理的灭火方案。目前，我国拥有1 000个国家级中心测报点、2 098个省级测报点、22 703个基层测报点（监测点）[12]以及相应的监测设备，结合应用物联网技术构建林业监测体系，将极大地提升效率，有效引导科学决策、科学防治。
1.2 在林业资源保护中的应用
林业资源是非常重要的再生资源，包括木质资源和非木质资源，木质资源主要是指乔木资源，非木质资源包括林地、动物、微生物、环境资源等。随着城市化进程的不断推进，森林资源损失严重，古树名木被迫搬迁，珍稀野生动物生存环境遭受破坏，世界性林业资源日趋减少，林业资源保护工作已刻不容缓。通过建立信息库、数据库，设计构架物联网系统，扩大了林业资源保护的监控范围，实现了动态管理，提高了运行效率，增强了决策的科学性[6]。古树名木管理方面可以将带有苗木信息、特有属性、养护日志等信息的电子标签植入植株体内，进行古树名木的自动记录、在线管理、病虫诊断、防火监测，实现全程追踪[7，13]。杨雪清等[14]针对国内木材进口市场供需现状，通过遥感、地理信息等技术和手段获取境外森林资源信息，构建可集中管理和实时访问的系统框架，实现国家林业局调查规划设计院、地方林业局2级管理系统应用，充分掌握各级林业资源信息。申凤伟[15]以江苏大丰麋鹿保护区的动物个体或族群为对象，结合地理信息，确立模型追踪动物位置，发送出界信息，達到整体可视化监控，应用Oracle数据库、VC、GIS等技术，开发保护区信息管理系统，实现数据采集、收发、预警等过程的动态监测，对麋鹿进行跟踪、监控、管理。刘 晨等[16]经过数据处理和分析，可以有效区分不同金丝猴个体的声音差异，避免了珍稀野生动物植入RFID时可能造成的致死损失。在林业资源保护工作中，要根据资源类型、个体差异、保护需求等，适时适地采用不同的保护措施和应用模式，尤其要重视尽量保留资源的原始状态和价值，通过物联网系统实现人为化、小范围的管理向自动化、大区域的保护转变。 1.3 在林业监管系统中的应用
林业监管涵盖种苗培育、林产品认证溯源、木材采存运销、古树名木追踪管理等方面，由于自然条件复杂多变、从业人员参差不齐、管控范围分布广泛等原因，目前林业监管存在较多难点。基于物联网的智慧林业监管系统集传感技术、通讯技术、运输技术、信息安全技术、信号处理技术、云计算和资源管理为一体，可以实现数据收集与管理、产地识别与追溯、车辆定位与抓拍、模型创建与应用等功能，形成严密监管体系，具有提高监管效率、降低生产成本、减少资源浪费等优点。卢书海等[17]提出利用物联网技术建立木材干燥监测系统，根据木材种类、厚度、含水率等各项干燥指标设置干燥窑内传感器节点参数，建立数据处理和决策模块，通过远程下达指令控制加热阀、喷蒸管等完成调节。邱荣祖等[18]应用GIS技术和遗传算法，基于木材物流空间数据库，对木材物流过程的数据进行采集、编辑、处理，结合道路、地形、面积、地价等影响因子和供材量、客户需材量等业务数据，获得最佳运输路径，建立物流中心选址模型，为提高企业的木材物流管理水平提供科学决策。陆研[19]基于RFID技术构建了涵盖名木古树管理、工作人员管理、参观人员管理的系统框架，可实现查询动态管理信息、多点共享分布情况、自动统计各类报表、智能感应参观权限等功能。在林业监管过程中，可根据监管对象、特有属性、信息需求、管控指标等，充分运用感知手段、集成应用多种技术，制定预警参数与响应机制，推动现代林业监管系统的建立和完善，实现智慧林业的长效发展。
2 发展瓶颈
2.1 技术方面
物联网的发展需要依靠信息感知、信息传输、信息处理等方面的设备、技术和系统的研发、应用和完善，以及技术规范、行业标准的制定。我国物联网关键技术相对落后，在极大程度上限制了其在智慧林业中的发展和应用。在信息感知方面，传感器技术和身份识别技术应用较为广泛，可感知环境参数、生理信息、个体身份等。目前，传感器的稀缺已成為制约土壤与植物信息感知的最主要因素[20]。我国光电产业发展滞后，高端半导体芯片被发达国家所垄断，因而传感器产业化发展缓慢[21]。我国农用传感器种类不到世界的10%，主要集中在温湿度监测上，动植物生命信息感知传感器缺乏，还存在性能不稳定、采集误差较大、器材寿命短等弱点，在覆盖面、适用性、可靠性等方面与发达国家差距甚远，不能满足林业物联网系统的发展需求[22]。而RFID技术作为感知、识别物体的主要技术手段，拥有非接触式自动识别功能，但面临成本高、识别误差大、机密泄漏危险、隐私受侵犯等方面的制约[23]，缺乏技术标准，没有统一的符号、编码格式、语法标准、测试规范等[24]，尚未形成完整的体系。在信息传输方面，可以根据不同立地条件和运行需求通过有线或无线的方式将数据传输至应用层，借助SMDS网络、ZigBee、移动通信等技术，组成网络系统，实现信息传输。但我国网络传输安全性较差、抗干扰能力弱、自动动态组网技术落后[25]，传输的过程易中断、数据收集不稳定等因素给智慧林业发展带来一定的困难。另外，林业系统点多面广、作业环境恶劣复杂，在传输距离和功耗上也提出了更高的要求。在信息处理方面，对数据进行存储、处理、计算、智能分析，提出控制、响应参数，创建预测、预警模型，实现智能控制、诊断决策。欧美等发达国家和地区已经研发了大量预测预警模型，而国内生物数字化模型大都没有建立，数据分析缺乏参照标准，控制系统的技术参数比较单一。总体来说，我国物联网特别是在林业中的发展还处在初级阶段，各项技术还不成熟，还需借鉴国外先进经验，引进先进技术，投入大量的人力和物力深入研究。
2.2 应用和政策方面
我国的基本国情是人多地少，农村剩余劳动力多，文化素质不高，农业企业整体规模偏小，技术手段运用不多，产业化经营水平不高，众多因素极大地限制了物联网技术在林业中的发展和应用。目前存在的应用难点主要有3个方面。一是农民和企业对物联网的应用效果和可能带来的商业价值认识不够，无法主动投入设备和技术;二是既懂林业生产管理，又能熟练使用各种智能控制设备、掌握网络信息技术的专业人员严重紧缺;三是物联网的投入大、风险高、周期长，研究人员和实验室出好成果难且相对集中在工业领域，林业物联网研究成果少且转化乏力。
物联网已被我国纳入战略性新兴产业规划重点，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中指出，要“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范”。但是政府尚未出台政策对物联网发展进行宏观指导，尚未设立独立的财政资金支持物联网产业，技术研发、产业发展、项目推广等还处于摸索阶段，资源、人才和技术的整合需要多个部门和单位高度配合、协同工作。
3 发展对策
3.1 技术方面
面对国内物联网技术的发展现状，要坚持自主研发与引进吸收并重。在信息感知方面，国内传感器将围绕降低生产成本、减少能量消耗、开拓监测领域进行，朝着低成本、低功耗、高性能、高精度的方向发展，电化学离子传感器、生物传感器、气敏传感器等先进传感器已在实验阶段，林业方面重点研制可用于监测林业灾害信息、捕捉动物生命状况、测量林产品品质等传感器。身份识别技术将克服语音、RFID等现有手段的缺点，重点研制损伤少、精度高、识别方便的技术，朝着MEMS传感器、DNA识别等更为可靠、更为先进的技术方向发展[20，23]。在信息传输方面，要充分利用快速发展的公共电话交换网、WIFI、WIMAX、3G、4G等有线和无线网络，重点优化网络部署协议，扩大覆盖范围，实现信息的高时效性。在信息处理方面，重点构建面向林业的信息处理模型、建立云计算体系和标准，实现“数据在云端、软件在云端、计算在云端”。
3.2 应用和政策方面 在互联网、大数据、云计算、网络通信等技术的支持和推动下，物联网技术的应用为人们的生活提供了众多便利。各级政府、高等院校、科研机构、相关企业等逐渐开始重视物联网在林业中的研究、开发、应用和示范。目前，北京、上海、江苏、新疆、河北、山东、吉林、黑龙江等地已建立起多个设施农业数字化技术、大田作物数字化技术和数字农业集成技术等综合应用示范基地[26]，带动不少农户、合作社、龙头企业等自主投入资金、应用先进技术、建立管理系统。为加快物联网技术在林业方面特别是在基层中的应用和推广，必须重视物联网专业人才的培养与培训。联合科研院所和大专院校，联合农技推广站，加强在基层对林业物联网系统和知识的宣传[27]。在稳定和扩大技能型人才队伍的同时，重点研究系统适应范围，搭建集成林业灾害监测、资源保护、监管预警等功能的服务平台，实现全产业链动态检测和管理;重点制定包括傳输网络接入、操作访问准入等方面的统一技术规范，解决操作标准和信息安全问题。
4 结语
林业物联网目前面临着前所未有的发展机遇，同时也面临巨大挑战。在大力推进林业物联网发展的过程中，要强化政府的宏观调控和正向引导，提出明确的指导意见，加大财政资金的投入，做好人才队伍的培养储备，高度整合社会资源，共同打造“全要素、全过程和全系统”的林业物联网体系，例如建立林业物联网专项，全面调查、收集林业资源信息，合理配置、利用各级测报点等。林业物联网应用基础薄弱、覆盖面广，但前景广阔，今后将朝更加智能、更加互通、更加可靠、更加智慧的方向快速发展[28]。
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