林业调查规划设计中3S技术应用探讨

卫 凡

(云南省林业调查规划院，云南 昆明 650051)

1 引言

3S技术涉及遥感(remote sensing，RS)、地理信息系统(geographic information system，GIS)和全球定位系统(global position system，GPS)，这些技术及其集成形成了地理空间信息科学系统的基础和必不可少的技术核心，对于自然资源调查和环境保护十分重要。随着我国信息科技的不断发展，将3S技术运用于林业调查规划设计中应用得到了比较好的效果[1]。

林业调查规划设计主要包括社会生产建设前进行林业调查、社会发展建设过程中进行的林业发展规划和对林业资源进行科学开发利用的林业设计，是一个复杂的系统工程，涉及各种科学的知识、数据和信息技术。其科学性决定了林业调查规划设计的成效和林业资源管理的成就。在老式的林业调查规划设计中，用于基础数据的调查、分析以及效益评估和设计的一些常规方法中技术含量较低，工作量很大，成本也很高[2]。由于空间信息技术的发展，特别是3S技术的发展，形成了半自动或自动收集、编辑、管理、分析数据和地图的方法。3S技术的应用将林业调查规划设计工作带进一个新的发展阶段。

2 3S技术概述

3S技术中包含RS技术、GIS技术、GPS技术。其中，RS使用各种设备，在不与物体发生物理接触的情况下远距离获取、收集关于特定物体或区域的信息，因此不同于现场观察，应用包括监测亚马逊地区的森林砍伐、气候变化对特定区域森林的影响等。GIS技术是一种综合型的应用系统，该技术可以将相应的地理位置的相关信息有效的结合在一起，并且利用多种技术，如计算机技术、多媒体技术以及几何学等，在数据库技术的相应环境下，能够有效的输出相应的地理图形以及相关的数据[3]。GPS技术最早是美国NAVSTAR全球定位系统，20世纪80年代开始由军用进入民用；中国的北斗导航卫星系统于2018年开始全球服务，并于2020年完成全面部署。在林业调查规划化设计中，3S技术能够快速的获取需要的信息，使林业管理更加便捷，从而进行更好的林业调查以及规划设计，能够有效地提高林业管理的水平。利用3S技术能够有效的对林业中的空间信息、环境信息进行准确的采集以及处理，构成一种系统性的技术集成，使林业管理变得更加方便。

在林业调查规划设计实践中利用3S技术一般可以分为3个阶段：第一个阶段是需要进行信息的采集，为林业技术人员或管理人员提供准确以及专业的数据；第二个阶段则为构建相应的数据库，将前面收集的数据进行相应的划分，然后建立相关的数据库，方便林业技术人员或管理人员有效的对数据进行存储、利用和管理；第三个阶段则是将数据进行多方面的分析以后，能够有效地为林业管理人员提供相应的数据，同时提供多种方案，提高林业管理水平[4]。

3 3S技术在林业调查规划设计中的应用

3.1 3S的技术原理

3S就是利用RS、GPS、GIS三种观测技术及其相关技术的特点，有机结合起来，正确、经济、快速地提供所需信息。基本设想是利用RS最新的影像信息、GPS的关键位置信息、GIS的影像处理技术和数据分析及成果应用展示[5]。3S技术集成在林业调查规划设计中，以GPS、GIS和图像处理系统为核心，增加了计量、数据采集、专家输出等系统。其中，GPS的作用是实时定位、辅助测图和属性更新；RS图像处理系统的功能包括辐射校正、几何校正、几何处理、数据传输和压缩、格式转换、图像增强、图像识别；全数字摄影测量系统主要用于航片扫描、定向、立体图建立、DTM采集、土地类型信息采集等；GIS通过对矢量地图数据的处理进行制图分析，可以对栅格数据进行叠加分析；在进一步发展的基础上，按一定的类型或模型进行堆积分析和网络分析，进行林业调查规划设计的规划、预测；输出系统完成所有成果的打印、显示和绘图任务。综合而言，林业调查规划设计中的3S技术应用必须具备：独立且一致的观测和数据采集系统，图像、图形的存储、编辑、处理、分析、预测和决策系统；文件、决策方案和预测结果的输出系统。

3.2 3S技术的应用步骤

林业调查规划设计总体划分为6个步骤：一是实地调查、数据采集与计算、信息收集与整理；二是林地利用现状与土地保持措施调查；三是土地利用规划；四是林地资源保持措施规划；五是确定实物进度与资金安排；六是林地资源效益分析。在这6个步骤中，第一步和第二步耗费的时间和金钱最多，使用“3S”可以提高其速度和精度。随后简要阐述了用“3S”完成林业调查规划设计的主要步骤[6]。

3.2.1 基本信息的收集和整理

在规划区，收集一定比例尺的近期地形图、遥感影像数据(如TM、SPOT)、航片等相关空间信息，建立索引图。根据规划和数据库的要求，对采集到的专题数据进行整理，存入计算机，建立基础数据库。

3.2.2 建立区域GPS控制网

通过GPS控制网可以获取影像控制点的坐标，不仅可用于数字摄影测量中的摄影定位，还可用于土地利用地块的更新、外测、外绘。在大面积规划时，GPS控制网可获取影像特征坐标，编制遥感影像几何纠正。布网步骤包括：区域分析、按环境修复和水土保持要求选点、制图、标记石制作、标记钻孔、GPS观测、水准测量、计算、控制网检查等。

3.2.3 全数字摄影测量

全数字摄影测量是获取规划区地形地貌、土地利用等信息的最简单、最准确的方法，特别是在小流域规划、小尺度水资源与水土保持工程设计、宏观规划中的地块规划等方面都是最简单、最准确的方法[7]。在小流域规划、小流域规划、小尺度水土保持工程设计、宏观规划中，全数字摄影测量是获取规划区地形、地貌、土地利用信息最简单、最准确的方法。

3.2.4 遥感图像处理和信息分类

这部分工作主要集中在宏观区域规划上。首先，利用图像分析处理软件对遥感图像进行近似校正。然后，利用GPS或大、中比例尺地形图获取的关键地面点坐标，完成图像的几何纠正。通过抽穗帽转移、要素转移等信息获取技术对信息进行分类。将图像分类技术与目视解译相结合，识别其他土地利用边界。同样，所有的信息都应该按照它们的类型存储在相应的层中。

3.2.5 坡度信息和沟壑密度分类

坡度是林业调查规划设计，特别是退耕还林还草规划的重要指标。利用常用的地理信息系统软件(如ArcGIS、MGE等)，可以直接从数字地面模型(DTM)中获取。如果缺少DTM，则需要手工绘制地形图，将数据扫描到计算机中并转换为矢量。沟壑密度定义为特定区域的沟壑总长度。从DTM中提取沟谷密度指示，可以采用水力分析的方法，也可以采用地形图测量的方法。

3.2.6 GIS数据库的设计与管理

GIS数据库设计是一个复杂而繁琐的过程。林业调查规划设计数据库专业性强，但内容单一，相对简单[8]。主要任务包括：确定数据库中的数据，选择合适的数据模型(有网格型、层联型等)，组织数据库中的数据，开发林业调查规划设计决策辅助系统和设计辅助系统。GIS数据库对基础数据文件、矢量配置图文件、栅格文件、属性数据文件等进行管理，当调用数据时，系统会自动传输相应的文件。

3.2.7 计划方案的确定

在专家系统管理的基础上，利用高级计算机语言，对规划中的线性与非线性、动态与静态、多目标规划中由系统管理的数据进行综合分析，识别出适用于规划的决策辅助系统或规划模型。系统在数据库中调用相应的数据，结合土地利用现状、土地利用原则、环境整治要求和规划发展方向，制定出一套方案，由专家系统对方案进行分析，确定最佳方案。在确定最佳方案后，规划数据根据地块传回属性数据库并存储，制图系统对校正后的属性数据进行折叠，对不合理的空间进行运算，完成具体的制图工作。

3.2.8 结果输出

根据规划结果，编制社会经济形势、土地利用、林地保持措施现状表和规划表。利用打印机和绘图仪对完成的林地表格、地图、图案、正射影像等进行标绘和打印。

4 3S技术在林业调查规划设计中的应用案例

4.1 林业动态情况监测

及时的森林动态获取能够为林业管理部门提供有效的信息。在传统的林业调查规范化设计管理中，管理人员主要使利用地形图以及航片等手段来进行森林的动态情况监测。但是由于这种监测技术比较落后，管理人员在获取森林的动态情况时所需要的时间比较长，同时工作的效率也比较低。如今将3S技术运用于森林调查管理中，能够随时获取森林具体的动态情况，方便了林业管理人员及时地对森林进行动态的监测。

4.2 林业病虫害监测

管理人员利用遥感技术能够及时发现林业中是否存在病虫害的情况。同时通过全球卫星定位系统技术还能够有效的确定病虫害发生的范围。能够方便管理人员及时进行处理，从而减少损失。

4.3 3S技术在云南省林业调查规划中的应用

20世纪50年代后期，航空遥感技术在云南省林业调查与规划中运用十分广泛。云南省林业调查与规划正式使用3S技术是在2000年的“中荷合作云南省森林保护与社区发展项目”。该项目中，云南省主要承担地理信息系统以及森林资源生物多样性调查和监测。2000年4月，在莱阳河自然保护区进行了地理信息系统以及森林资源生物多样性调查和监测，并完成了相应调查和监测工作。调查成果由专家进行评审，于2001年在云南省测绘地图展览中获得了专题图二等奖。

4.4 “3S”集成技术在实施环境修复和水土保持规划中的应用

在空间信息技术的基础上，根据环境恢复与水土保持规划的特点和需求，提出了利用3S集成技术进行“环境恢复与水土保持规划”的方法和途径[9]。在该集成系统中，全球定位技术主要用于实时定位，补充地块测量和属性更新；遥感图像处理技术主要应用于遥感图像数据的几何校正，几何处理；全数字摄影测量系统适用于图像的扫描，图像定向和数字地形模型DTM的收集；数据采集系统用于计算机分类，提取地面覆盖和土地组成信息以及水土保持信息的状态；GIS将处理矢量形式的图形数据，进行图形分析；权限分析系统用于环境恢复和水土保持计划的预测和执行计划，图形和图像输出系统用于多种结果的显示，绘图，打印。这些方法将涵盖基本数据的收集和分析，在规划区域内建立GPS控制网，代表区域的全数字照片勘测，遥感图像的处理和信息收集，坡度和沟壑密度因子的收集，水库的设计和管理。 GIS数据库，计划确认，淤泥结构等小规模结构设计，地图绘制和成果导出。

5 3S技术在林业调查规划设计中的应用前景

5.1 技术普及的范围越来越广泛

随着3S技术不断的普及，同时技术也在不断完善，相应的成本也越来越低[10]。在未来，会有更多林业管理部门使用3S技术来进行林业的管理。

5.2 定位系统不断升级优化

由于空间技术的不断发展，中国的空间计划也在部署实施。这使得定位系统也在不断发展，定位系统中存在的问题能够逐渐得到解决[11]。随着与其他国家的合作，定位系统的相应技术也在不断发展。

5.3 管理逐渐朝着专业的方向发展

在3S技术中，利用地理信息系统能够有效提高林业调查规范设计中的管理效果，在有效的森立火灾预防、森林病虫害预防以及森林资源管理等方面能够实现相应的应用价值。同时随着探测工作的不断发展，使得地理信息系统也在逐渐地朝着专业化的方向发展。

6 结语

3S技术的应用，使林业调查规划设计摆脱了以实验和调查为主的不科学、无指导的局面，坚定地走出了一条科学化、自动化、实用化的道路。上述应用还处于组合阶段，而不是集成阶段，决策辅助系统和专家系统还处于开发和尝试阶段。随着3S和应用模块的发展，3S将严格、紧密、系统地结合起来，为林业调查规划设计工作带来更多的指导性和实践性，可以发挥更大的作用。