張麗

（云南省宣威市種苗站，云南 宣威 655400）

0 引言

退耕還林是治理我國水土流失和土地沙化的重大生態(tài)修復(fù)工程，其核心思想是從保護(hù)、改善生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，將易于造成水土流失的坡耕地有計劃、有步驟的停止耕種，并因地制宜的植樹造林，恢復(fù)正常的植被覆蓋。宣威市在實施退耕還林期間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厥艿降匦螐?fù)雜、退耕還林面積大等因素影響，導(dǎo)致無法及時作出科學(xué)決策，在一定程度上制約了退耕還林工作的開展。而與此同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)依托物聯(lián)網(wǎng)與海量數(shù)據(jù)信息處理等優(yōu)點，在生態(tài)環(huán)境管理中發(fā)揮重要作用，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方案的不足，因此在退耕還林工程管理中合理運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢，不容忽視。

1 大數(shù)據(jù)技術(shù)在退耕還林工程管理中的可行性

大數(shù)據(jù)又被稱為大規(guī)模數(shù)據(jù)，通過對海量數(shù)據(jù)的加工與處理，可識別數(shù)據(jù)背后的現(xiàn)象與規(guī)律，并協(xié)助執(zhí)行科學(xué)應(yīng)對措施。在退耕還林工程管理中，大數(shù)據(jù)技術(shù)的運(yùn)用就有必要性，主要表現(xiàn)為：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式在退耕還林工程管理存在劣勢，例如常規(guī)數(shù)據(jù)模型經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行出錯或者全面性評價效果差等，難以有效適應(yīng)當(dāng)前退耕還林工程中存在的數(shù)據(jù)量巨大、來源廣泛等問題[1]。而相比之間，大數(shù)據(jù)利用自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可顯著推動退耕還林工程管理模式變革，其先進(jìn)性表現(xiàn)如下：①大數(shù)據(jù)技術(shù)可以整合生態(tài)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的有效表示來判斷退耕還林工程的開展情況，并依據(jù)當(dāng)?shù)毓こ添椖块_展前后的生態(tài)數(shù)據(jù)變化評估退耕還林工作的合理性，可幫助相關(guān)部門糾正工程中的偏差。②大數(shù)據(jù)技術(shù)通過與物聯(lián)網(wǎng)的整合，可精準(zhǔn)評估退耕還林中的生態(tài)信息，采取分布式數(shù)據(jù)處理方法，使提取更多的空間信息和探測較小的目標(biāo)對象成為可能。例如在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，相關(guān)部門可利用高分辨率衛(wèi)星影像探測地塊信息，尤其是可記錄退耕還林樹冠等一手資料，為開展退耕還林規(guī)劃提供了必要依據(jù)。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在新一輪退耕還林工程管理中的應(yīng)用要點

2.1 大數(shù)據(jù)與林業(yè)空間信息的整合

在退耕還林工程管理中，地理信息系統(tǒng)（GIS）發(fā)揮著重要作用，通過全方位動態(tài)實時數(shù)據(jù)感知與檢測，真正實現(xiàn)了一體化的工程管理。而隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，可顯著強(qiáng)化地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合與挖掘能力，最終提升退耕還林空間數(shù)據(jù)感知與處理能力。例如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在退耕還林工程中利用自身“多星組網(wǎng)”與“多網(wǎng)融合”的優(yōu)勢可對退耕還林工程前后的地理信息提供亞米級精度服務(wù)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)則可以通過整合導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)中的退耕還林信息，實現(xiàn)海量資料的智能傳輸與無縫銜接，尤其是可根據(jù)當(dāng)?shù)赝烁€林處理流程提供空間信息，例如大數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動將水土流失嚴(yán)重，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)、坡度在25°以上、農(nóng)民已經(jīng)承包或延包的坡耕地等地區(qū)進(jìn)行標(biāo)記，使退耕還林中可優(yōu)先解決存在上述問題的地區(qū)，保證退耕還林工作精準(zhǔn)有效。

除此之外，遙感（RS）技術(shù)使退耕還林管理變得更加智能與精準(zhǔn)，但由于傳統(tǒng)工作模式下無法精準(zhǔn)調(diào)取遙感技術(shù)所采取的空間資料，導(dǎo)致退耕還林工程中經(jīng)常出現(xiàn)信息更新不及時、數(shù)據(jù)利用率偏低的問題。但自從大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用以來，該技術(shù)可依托物聯(lián)網(wǎng)平臺快速整合退耕還林工程信息，實現(xiàn)對工程的全方位、長時序監(jiān)控。圖1 為大數(shù)據(jù)支持下的物聯(lián)網(wǎng)平臺結(jié)構(gòu)體系。

圖1 大數(shù)據(jù)支持下的物聯(lián)網(wǎng)平臺結(jié)構(gòu)體系

2.2 利用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)遺傳育種

在退耕還林工程中，樹木的遺傳育種是不容忽視的問題，其中大數(shù)據(jù)技術(shù)則可以利用表型組學(xué)高通量、高精度獲取當(dāng)?shù)厣值谋硇托畔?，并在極短時間內(nèi)獲取樹木的物理、化學(xué)與生物特征表象，在識別樹木與退耕還林工程環(huán)境相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，針對立地選擇方案，給出科學(xué)的遺傳育種方案，確保退耕還林工程管理決策方案科學(xué)有效[2]。

例如，在退耕還林工程中利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可利用傳感器與圖像分析等方法了解工程開展情況，例如通過大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)平臺搭載的激光雷達(dá)、光譜成像傳感器等硬件設(shè)備記錄不同退耕還林樹木品種的胸徑與樹高變化情況，并且通過大數(shù)據(jù)的強(qiáng)大分析處理能力，可直接處置環(huán)境氣候數(shù)據(jù)與林分遺傳信息相結(jié)合，最終獲取退耕還林工程中的植被的表型變化情況，實現(xiàn)退耕還林工程合理配置良種以及確定理想退耕還林場所的目的，保證工程管理目標(biāo)實現(xiàn)。同時在大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下的退耕還林工程也可從樹木植株變化入手，通過觀察林木在不同退耕還林條件下的生長與變化情況，進(jìn)而識別當(dāng)?shù)厣锱c非生物脅迫等因素對林木生長變化情況。

在退耕還林遺傳育種階段，大數(shù)據(jù)技術(shù)可通過多平臺系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析，并獲取詳細(xì)的森林建設(shè)情況，大數(shù)據(jù)技術(shù)在退耕還林遺傳育種中的應(yīng)用如表1 所示。

表1 大數(shù)據(jù)技術(shù)在退耕還林遺傳育種中的應(yīng)用

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在退耕還林精準(zhǔn)培育中的應(yīng)用

在退耕還林工程項目中通過結(jié)合人工智能與物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)構(gòu)建森林立地條件下的智能培育系統(tǒng)，最終確保退耕還林工程得以順利落實。近些年水肥管理已經(jīng)成為退耕還林工程中的重要組成部分，傳統(tǒng)工程中主要采用“目識診斷”方法調(diào)控造林中的施肥與灌溉過程，導(dǎo)致造林中存在水肥利用率低、可能造成土壤污染等問題。而大數(shù)據(jù)技術(shù)的利用則可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的灌溉施肥管理，可提升造林成活率，并降低水肥與人工成本。

例如，通過大數(shù)據(jù)建立光譜指數(shù)模型以及基于小波特征的光譜系數(shù)模型后，可精準(zhǔn)評估光照與水熱環(huán)境變化對樹木成長情況的影響，觀察退耕還林過程中因為各種原因而導(dǎo)致蒸騰速率下降和葉溫的升高等問題，保證造林工程中水分精準(zhǔn)監(jiān)控，成為保證林木成活率的關(guān)鍵。圖2 為大數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)結(jié)合下的樹木生長觀測。

圖2 大數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)結(jié)合下的樹木生長觀測

同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)通過整合退耕還林中的林木水分、養(yǎng)分狀況以及土壤識別狀況等，采用動態(tài)數(shù)據(jù)分析方法持續(xù)對比數(shù)據(jù)庫中的退耕還林營養(yǎng)情況，在利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)林木水肥匱缺精準(zhǔn)判斷后，在退耕還林中通過大數(shù)據(jù)技術(shù)可記錄水肥灌溉總量與灌溉次數(shù)等因素對退耕還林工程的影響，并達(dá)到自動控制的效果，可顯著提升水肥利用率。

2.4 大數(shù)據(jù)在退耕還林資源監(jiān)控中的應(yīng)用

從功能上來看，退耕還林應(yīng)堅持農(nóng)戶自愿與政策引導(dǎo)相搭配的原則，實現(xiàn)“誰退耕、誰造林、誰經(jīng)營、誰受益”，因此在退耕還林期間保證森林資源的經(jīng)濟(jì)效益無疑成為激發(fā)農(nóng)戶積極性的關(guān)鍵。而得益于大數(shù)據(jù)的支持，在退耕還林資源監(jiān)控中可利用航天、航空、地面移動平臺等搭載的多/高光譜、熱紅外、激光雷達(dá)等觀測森林資源變化情況，在多渠道獲取森林資源信息后，即可從多尺度、全方位評估資源現(xiàn)狀。例如，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)在退耕還林階段可通過遙感技術(shù)觀察退耕還林后的碳循環(huán)監(jiān)測結(jié)果，并采集林木生長的相關(guān)資料。而相關(guān)學(xué)者也通過研究發(fā)現(xiàn)，在退耕還林期間利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可將溫度、氧氣與風(fēng)速傳感器等進(jìn)行林木生長的遠(yuǎn)程檢測，因此可實現(xiàn)多維度檢測森林資源變化情況，有助于退耕還林后的森林資源智能檢測與管理[3]。總體來看，在退耕還林資源監(jiān)控中利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可充分整合地面視頻監(jiān)控資源、遙感衛(wèi)星資料以及護(hù)林員巡查數(shù)據(jù)等內(nèi)容，在實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)快速處理等方法后，可構(gòu)建基于退耕還林資源的一體化決策評估平臺，根據(jù)多維度大數(shù)據(jù)資源，方便相關(guān)人員在退耕還林階段完善林木生長培育、種植規(guī)劃與林地變化監(jiān)測等工作，有助于保障退耕還林工程管理決策。

2.5 大數(shù)據(jù)在退耕還林植物資源監(jiān)測中的應(yīng)用

植物監(jiān)測在退耕還林資源管理中的效果顯著，并且通過大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建的立體感知與協(xié)同管理模式，可顯著提升生物資源監(jiān)控效果。例如，在大數(shù)據(jù)技術(shù)資源基礎(chǔ)上，通過生境斑塊技術(shù)可詳細(xì)記錄不同類型樹木的空間分布情況，為植物空間擴(kuò)建提供必要依據(jù)[4]。同時大數(shù)據(jù)技術(shù)在退耕還林中可通過森林生態(tài)與互聯(lián)網(wǎng)連接方法完成實時通信，通過云計算和人工智能自動識別退耕還林植物的生長信息，為植物的識別和監(jiān)管提供有效手段。

3 在退耕還林工程管理中大數(shù)據(jù)應(yīng)用的展望

退耕還林是我國生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，根據(jù)前文的相關(guān)結(jié)果可知，大數(shù)據(jù)技術(shù)可將新一代信息技術(shù)與智能裝備等內(nèi)容整合在一起，進(jìn)而了解退耕還林工程的動態(tài)變化情況，進(jìn)而保證森林健康[5]。并且大數(shù)據(jù)技術(shù)本身具有開放性、包容性特征，可積極引領(lǐng)未來生態(tài)林業(yè)的智能化、可持續(xù)發(fā)展。而為了能進(jìn)一步強(qiáng)化大數(shù)據(jù)技術(shù)功能，相關(guān)人員還應(yīng)該掌握大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的新方向，主要集中在以下兩個方面。

（1）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)林木良種精準(zhǔn)選育，在技術(shù)應(yīng)用中采取接觸式傳感器檢測方法，利用被動式遙感設(shè)備，將人工智能與光譜分析等方法識別的退耕還林林木生長情況完成長勢評估，最終形成數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中可詳細(xì)記錄退耕還林林木的代謝學(xué)、基因?qū)W等內(nèi)容，方便大數(shù)據(jù)技術(shù)隨時挖掘優(yōu)秀林木資源，為提升退耕還林中苗木成活率奠定基礎(chǔ)。

（2）智能化退耕還林資源培育。面向退耕還林中森林資源管理要求，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)可實現(xiàn)優(yōu)化資源培育管理路徑，大數(shù)據(jù)在退耕還林資源培訓(xùn)智能化中的應(yīng)用如表2 所示。

表2 大數(shù)據(jù)在退耕還林資源培訓(xùn)智能化中的應(yīng)用

為實現(xiàn)表2 中的相關(guān)功能，可通過面向大數(shù)據(jù)的智能傳感模塊與檢測信息云管理平臺提升數(shù)據(jù)資源提取效率，最終通過大數(shù)據(jù)過程建模方法，評估退耕還林工程后的植物發(fā)育與變化規(guī)律，為優(yōu)化退耕還林工程管理模式奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

大數(shù)據(jù)在新一輪退耕還林工程管理中發(fā)揮著積極作用，因此相關(guān)人員應(yīng)該從退耕還林工程管理要求入手，在深入了解大數(shù)據(jù)技術(shù)先進(jìn)性與技術(shù)特性基礎(chǔ)上，主動優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用方法，使大數(shù)據(jù)技術(shù)可更好地服務(wù)于退耕還林工作。未來相關(guān)人員還應(yīng)該了解大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展新方向，通過強(qiáng)化大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)與信息共享機(jī)制建設(shè)等方法，為保障退耕還林工作順利開展奠定基礎(chǔ)。