浅谈3S技术在林业及林火管理中的应用

浅谈3S技术在林业及林火管理中的应用Ξ

岳金柱 冯仲科

(武警森林指挥部,北京　100089) (北京林业大学,北京　100083)

地理信息系统(GIS)是空间科学、计算机科学等现代科学技术与地学相关学科(如地质学、农学、林学、矿业学、建筑工程学、土地资源学、道路工程学、土木工程学等)的统一结合体,运用地理信息系统能从整体上解决相关专业的问题。GIS、G PS(全球定位系统)、RS(遥感)及其集成技术(即3S,G eo2 mantics)则把地理信息科学与技术推向了前所未有的新高度,实现了地理空间数据采集、交换、管理、分析、预测、决策、制图的一体化、自动化、数字化、智能化、实时化和动态化。林业是与地学特别是3S技术最为密切的行业。林业建设中以生物技术为先导的林木遗传育种,以3S技术、信息技术、计算机技术为先导的空间科学化的森林资源管理,以电气化、自动化技术为先导的现代森林工程技术的建立等方面的科技进步,使林业这个粗放落后的行业步入了现代特别是高新技术时代。

1　3S技术的概念与构成

111　3S技术的概念

3S是指GIS(G eographic In formation System地理信息系统)、RS(Rem ote Sensing遥感)和G PS(G lobal P ositioning System全球定位系统)集成技术的统称。运用3S技术理论方法,可以研究解决目标的定位、定性和定量问题。

112　3S技术的构成

在3S系统中GIS相当于中枢神经,RS相当于传感器,G PS 相当于定位器。3S集成应用是一种充分利用GIS、RS和GIS 各自的技术特点快速准确而又经济地为人们提供所需信息的高新技术。其基本原理是利用RS提供最新的图像信息,利用G PS提供图像信息中的“骨架”位置信息,利用GIS为图像处理、分析应用提供技术手段,三者紧密结合为用户提供精确的基础资料(图件和数据),如图1所示。

2　3S技术在林业上的应用

3S集成技术侧重把G PS、GIS、RS等相关技术集成为一个有机系统,从整体上解决森林资源与生态环境监测、评价以及林业工程测绘、标定、监测等问题,从而解决研究目标的3W (Where—定位、What—定性、H ow—定量)问题。林业是与3S 技术最为密切的行业。特别是生物育种中的地理变异、生态学中的林火管理与景观分析、森林培育中的立地条件分析、林业经济管理的地图应用、森林经理中的资源环境监测评价、森林保护中的病虫害监测、水保与荒漠化防治中的监测与评价、林业工程中的道路建设、采伐中的林图编绘等,每一项都离不开3S理论与技术。

211　以3S技术为核心的数字地球

数字化成为现代科学技术的重要标志之一。自从美国前副总统戈尔提出数字地球概念以来,特别是20世纪90年代中期美国实施全球空间信息战略以来,把数字地球推向了新的研究阶段,在全球范围内掀起了有关数字化研究的新高潮。所谓数字地球,可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识,其核心思想是用数字化手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题,最大限度地利用资源,并使普通人能够通过一定方式方便地获得所要了解的有关地球信息,其特点是嵌入海量地理数据,实现多分辨率、三维的对地球描述,即虚拟地球。通俗地讲,就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化信息存储在计算机中,使其在网络上流通,并使之最大限度地为人类生存、可持续发展和日常工作、学习、生活、娱乐服务。数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽带网络为纽带,运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述,并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活的质量。数字地球需要信息高速公路、计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理和存储技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术等诸多学科特别是信息科学技术的支撑和保障。

212　以数字地球为依托的数字林业

通过以上对数字地球和3S技术的讨论,可以勾画出数字林业的雏形。20世纪70年代～80年代,随着袖珍微机的发

Ξ收稿日期:2002-08-22

　作者简介:岳金柱:武警森林指挥部司令部副团职参谋

冯仲科:博士,北京林业大学教授,博士生导师

图1　3S系统之间的相互关系与作用

展,把计算机同林学各学科结合起来的系统研究为林业信息时代的到来奠定了基础,从而把传统的林业引入了应用计算机技术、空间技术、图形图像技术、现代数学物理的高新科技时代,为我国实现数字林业提供了方向性的思路和理论基础。一些专家、学者对RS、GIS、G PS及林业信息的实用性研究,为实现数字林业奠定了良好的技术基础。所谓数字林业,是数字地球和数字中国的有机组成部分。其核心是用数字化的手段来研究和认识全球性(国家、区域)森林资源及其周围环境历史、现状、变化和未来发展等诸方面问题,包括森林资源的数量、质量、演变及其对环境影响的一切数字化数据。其技术体系包括3S对地观测系统、数据库技术、网络技术、科学计算技术、可视化技术、虚拟现实技术、虚拟环境技术等。

2.3　以3S技术为核心的数字林业的基本功能

以3S技术为核心的数字林业的基本功能与应用可归纳为:

(1)历史档案功能。对陆地森林(甚至每一株单木)建立历史档案,通过室内查询了解森林的演变和发展;

(2)现实展示功能。以几乎近现实的状态将陆地森林现状提供给研究者和管理者,其现状包括森林的面积、蓄积数量和质量状态;

(3)前景预测功能。森林正在以什么状态变迁,到什么时间将可能发生的森林事件(如采伐程度、林火蔓延、病虫害程度等);

(4)分析决策功能。通过预测和分析,提供森林数量、质量的变化对人类产生的后果,确定合理的对策开发和保护森林,实现森林资源的可持续开发与利用;

(5)精准林业功能。依托数字地球技术,配合RS航天影像、G PS导航定位、GIS地理信息,实施立地、气候、气象、土壤、施肥、喷药、灭火等设计与分析,制定详细计划与实施方案,通过机载G PS导航实施不重、不漏、恰到好处的喷灌、洒药、施肥、灭火,控制和减少因农药、化肥、林火引起的环境污染,把农药、化肥的残余物对林木、土壤、大气和水体的污染减少到最低限度,实现精准林业。

2.4　基于3S技术的森林资源监测系统模型

资源、环境与可持续发展是当今社会面临的重大问题。森林作为陆地最大的生态系统,与这三大问题密切相关。如何掌握森林资源现状,监测其动态变化、分析评价其数量、质量、分布、状况和功能,预测其发展趋势等成为现实而紧迫的任务。传统的森林资源调查和监测手段周期长、误差高、工作量大。以3S集成技术(G eomatics)把森林资源调查与监测推向高新科技时代,从而使森林资源调查与监测范围扩大、周期缩短、精度提高、现时性增强、工作量减小,具有数字化、实时化、自动化、动态化、集成化、智能化等特点。如图2所示。

3　3S技术在林火管理中的应用

以3S技术为核心、以数字林业为依托,充分运用数字化手段反映林火管理现状,建立具有自动化、智能化和网络化特点的数字林火管理系统,是林火管理现代化的重要标志,是当今世界各国森林防火工作发展的目标和方向。数字林火管理系统主要是基于3S技术的林火信息数字化,即通过RS进行林火信息的图像与数据采集,运用G PS进行林火信息空间定位和样地数据量测,以GIS为管理平台进行林火数字分析、处理、储存、传输和应用。数字林火管理的构成主要是林火公用信息平台、林火政务信息平台和林火空间信息平台,通过网络化实现林火信息共享。数字林火管理可提供给用户有关林火的基础数据、林火专业知识、林火科研成果、林火扑救方法和林地、森林、林木、气象等相关环境和人类经营活动信息,并对林火的各种信息进行自动提取、统计分析、辅助决策等。概括起来讲,就是掌握林火的真实情况、提高林火的管理水平、提供森林火灾预防和扑救辅助决策。建设数字林火系统的关键在于培养数字信息化人才、建立各类林火数学模型、综合利用林火信息源、注重运用新的信息理论和技术。如运用RS进行卫星遥感林火监测,经过数据处理后的图像可提供火场位置、火势强弱、火场面积及发展趋势等,同时气象遥感卫星还能准确提供林区和火场的天气情况及变化趋势,为有针对性地采取防火和灭火措施提供科学依据;利用实时差分G PS技术,在飞机上安装热红外系统和G PS接收机,来确定火场位置,还可运用上述设备及直升机或轻型固定翼飞机沿火区周边飞行并记录位置数据,并对有关数据进行处理形成火区周边图形,以便进一步采取更加切合实际的灭火手段和措施来实施灭火;利用G PS可以准确确定和报告林火的位置、高程等,同时把G PS导航与GIS数字地图相结合,可以为参加灭火作战队伍选择最佳的行军路线;运用图2.基于3S技术的森林资源监测系统模式,并对其进行加工和改造,可以进行森林的火险预测预报、林火等级区划、灭火技术战术决策、过火面积测量、火灾损失估算等。

4　3S技术在林业中应用的研究方向

(1)3S技术在林业中的基础性研究。主要是在森林山地环境下的空间定位技术研究,广泛应用G PS、全站仪、电子罗盘