物联网技术在智慧林业建设中的应用

辛 伟

（山东省德州市平原县自然资源局，山东 德州 253100）

智慧林业是未来林业发展的主要方向，利用智慧化的手段和方法，注重生态环境的改善，提高林业经济效益，凸显林业生产的生态价值，智慧林业已然成为我国林业发展的新模式。在智慧林业建设中通过物联网技术可以实现实时感知、快速响应、精准控制，可以解决许多以前林业生产中无法解决的难题，比如火灾防控、生态环境监控等等，发挥着不可替代的作用。目前我国物联网技术在林业生产中的应用尚处于起步阶段，按照国家提出的“要把发展林业作为建设生态文明的首要任务”的要求，各地林业部门都制定了自己的发展目标，有关数据显示，智慧林业系统初步形成后，我国林业生产将取得突破性进展，直接生产人员可减少一半以上，而生产效率可以提升30% 以上，安全性则可以提升80% 。因此，加快物联网技术布局对推动我国智慧林业的健康快速发展具有非常重要的现实意义。

1 物联网在智慧林业中的系统架构

物联网是在互联网基础上发展起来的，其目标是实现万物互联，不论何时何地人、机、物都可以借助网络实现信息交换与通信，在用于林业生产中就可以通过智能化识别、定位、跟踪、监控与管理，形成林业立体感知，提高管理成效。在智慧林业中物联网系统架构主要分为三个层面：感知层、网络层和应用层[1]。

1.1 感知层

感知层的作用是对监测物体进行有效识别，并完成信息的采集，是整个物联网感知的基础。感知层功能的实现主要依赖于各种感应器件，比如RFID、传感器、摄像头、二维码标签等等，类似于人类的五官与皮肤，通过感知实现对外界物体的识别与信息的采集。在智慧林业中，利用感知层可以实时获取森林的状态信息，对森林火灾、虫害、盗伐等信息进行监控，并利用大数据技术完成基础信息的收集整理。

1.2 网络层

网络层是连接感知层与应用层的纽带，利用网络起到信息传输的作用。在物联网架构中网络层综合了已有的所有网络形式，更体现了物联网“万物互联”的广泛性。随着云计算、5G移动网络的应用，网络层所传输的数据量得到巨大提升，传输质量也发生了质的飞跃，建立起更加实用、适用、高效的数据传输体系与信息共享平台。在智慧林业中，利用网络层构建的信息共享平台可以实现对林业资源的状态信息查询管理，完成对林相图的绘制与优化。

1.3 应用层

应用层的主要功能就是利用云计算平台对数据信息进行处理并进行深度挖掘，从而达到控制与管理的目的，这分为两个方面来理解：一是对感知层获取的数据信息进行处理，二是将数据信息与相关行业应用相结合，做出科学的决策。在智慧林业中，可以按照不同功能需求建立不同的应用系统，比如选择具有代表性的树木进行监测，获取树龄、树种、胸径、树高等数据；对空气土壤等环境因素进行监测；对森林中野生动物的监测与保护；对火灾、病虫害、盗伐等问题的防范等等。

2 物联网在智慧林业中的具体应用

林业生产的特殊性与森林环境的复杂性，使得林业管理难度较大，一直以来无法对森林资源形成有效监测与监控，林业管理工作任务相当繁重。但是，基于物联网技术的智慧林业将会有效解决这些难题，促进林业生产发生质量的飞跃。

2.1 在林区防火监控中的应用

森林火灾会给生态系统造成严重的危害，给人类带来严重的损失，而且突发性强、破坏性大，当形成森林火灾后往往无法及时扑灭[2]。据资料显示，2021年我国共发生森林火灾616起，约有0.4万公顷的森林受到不同程度的危害。森林防火监控系统利用智能化感知设备可以实时掌握森林的状态，当火灾发生后实时掌握火灾现场的发展动态及趋势，为火灾救援决策提供参考，缩短火灾反应时间，提高应对紧急火灾事故的能力。森林防火监控系统的安装可以利用原有的人工防火瞭望塔，加装全景监控设备，视野开阔，没有遮挡；在开阔地带安装球形转台摄像机，能够进行360°旋转连续巡航，对游人的活动情况进行实时监控，可实现事前预警、事后取证；在森林里各个角落安装智能无线感温设备，对森林的温度进行实时监控；安装热成像摄像机，当监测到火灾发生时会触动报警装置。利用林地内各种感知设备进行全天候监控，当出现火情时可快速完成识别、定位、分析、报警等一系列操作，远端林场监控指挥中心快速做出反应，及时消除火灾隐患。

2.2 在林区道路监控中的应用

在林区内道路上安装高清卡口系统，这是一套比较先进的道路视频监控系统，采用了光电技术、图像处理技术、模式识别技术，前端安装高清卡警摄像机，对道路上过往的车辆进行抓拍，并自动获取车辆的信息，包括车牌、驾驶人、经过的时间等，高清的面部识别保证了图像的清晰度。道路视频监控系统可以实现快速报警、发案可查、事后取证，林区管理人员通过监控系统实时掌握林区及周边道路的状况，保障了林区的安全[3]。一般高清摄像设备安装在进入林区的主要路口、事故多发区以及林区内需要重点监控的区域，这样可以保证林区管理人员实时掌握进出林区车辆、人员的信息，既可以抓拍高清图片，还能够调取高清视频，以供相关人员调查取证，当有车辆或人员穿越重点警戒区域时，或者在监控区域内长时间停留时，视频监控系统都会发出报警信息，林区管理人员可快速反应，以应对各种突发状况，对一些盗伐、盗猎、盗采的违法犯罪分子起到很好的威慑作用。

2.3 在林区野生动物保护中的应用

为了保护林区野生动物，常在动物出没的隐蔽位置安装红外相机，对野生动物的活动轨迹进行观察，自动拍摄野生动物静态和动态图像，在物联网技术下可与监控中心实时互通。红外相机一般都安装在较为隐蔽的区域，尤其适合探测数量稀少的动物。红外相机一般都是成对安装，每两台设备为一个监测单元，选择野生动物经常出没的位置布置在两侧，距野生动物出没的位置3～10 m，当有动物经过时就会触发红外探头，可进行全天候拍摄，拍摄的图像或图片会自动存储在本地，也可以利用网络上传到云端，林区管理人员可通过无线通信网络进行查看、回传等操作[4]。红外相机可利用太阳能进行供电，并在相机外加装金属外壳，起到固定和防护的作用。红外相机技术已经非常成熟，在林地野生动物保护工作中应用非常广泛，随着物联网技术的应用，其应用领域也将更加广阔。

2.4 在林区环境监测中的应用

为了保证林区植物具有良好的生长环境，需要对林区生态环境做好监测，监测的内容主要包括环境的温度与湿度、风向与风速、大气环境、降水、土壤等等，内容繁杂多样，比如大气监测中就涉及到氧气浓度、二氧化碳浓度、惰性气体的浓度等等，这些因素都统称为生态因子。为了获取相应的监测数据，需要在林区设立生态因子监测站，安装各种传感装置，用于监测林区的温湿度、土壤、大气等参数，数据采集器在完成采集后通过物联网将数据上传到监测站控制中心，再经过软件分析后进行处理与存储。

2.5 在林区水文环境监测中的应用

森林对于自然界中的水分运动有着非常重要的影响。植物在生长过程中会吸收水分、产生蒸腾作用，林地也对降水起到渗透、贮蓄的作用，从而构建起良好的林业生态系统，调节降水、蒸发、径流和土壤水分，生态效益显著。在林区建立水文水质监测站，在物联网技术支持下实现在线自动化监测，对林区内水流的流量、流速、水位、水温、pH值、溶氧量、电导率、浊度、重金属、氨氮等各项指标进行监测，随时了解林区生态环境变化情况，做好环境保护[5]。

3 物联网技术在智慧林业建设中的发展策略

智慧林业的概念提出较晚，虽然我们国家在智慧林业方面制定了一系列的发展策略与指导意见，确立了以生态建设为主的林业发展战略，但是实际工作却困难重重，在未来智慧林业建设中还有很多工作需要完善。

3.1 解决智慧林业建设资金保障问题

智慧林业建设需要购置大量的电子设备，包括传感器、高清摄像、存储设备等等，全面布设移动网络系统，因此需要投入大量资金，但是资金力量薄弱正是智慧林业建设的问题之一。因此，当地财政部门应关注智慧林业建设，加大资金投入，用于智慧林业基础设施改善。在林区布局基于物联网的高智能化监测基站，做到对林区大范围覆盖监测，并利用视频监控技术配合智能感知设备、烟火识别技术等，构建完善的智能化监测系统，保障智慧林业的安全。

3.2 解决林业物联网发展滞后问题

目前在物联网技术应用中存在RFID技术标准不统一的问题，在智慧林业布局无线传感网络时融合度差，影响到数据的采集与传输。针对这种情况，应完善智慧林业建设中基于物联网的系统架构、参考模型等相关标准，基于RFID技术的标签制作与分类、传感设备的采集频率与精度的设置，以及数据的传输，都应统一物联网建设标准，对复杂的物联网技术应用进行整合，解决智慧林业中物联网系统的孤岛问题[6]。

3.3 解决林业专用传感器问题

智慧林业建设对于传感器的技术要求较高，需要实时做好火灾防护、道路监测、病虫害防治、动物保护等工作，还要对环境温度、湿度、大气、风、土壤等生态因子进行监测，而目前市场的传感设备往往存在易损坏、寿命短等问题，影响到WSN的数据采集。因此，相关机构应加快林业生产中专用传感设备的研发，突破技术壁垒，基于智慧林业物联网技术与环境的要求，研制出适合林业生产的专用传感设备，提高传感设备的精度与适应性。重点关注对林木病虫害、胸径、林分郁闭度、叶面积等指数的数据采集，以满足当前智慧林业建设所需。

3.4 解决智慧林业数据传输问题

目前在智慧林业物联网技术应用中以ZigBee为主，其特点是低速、短距离传输，且可靠性较差，影响了智慧林业建设的发展。近年来发展起来的NB-IoT和LoRa技术是万物互联网络的重要分支，具有功耗低、待机长、覆盖广的特点，且安全高效，能够实现远距离传输。因此，在智慧林业建设中NB-IoT和LoRa技术具有非常大的发展潜力。

3.5 解决智慧林业物联网实用性问题

目前在智慧林业灾害防控工作中部分算法精度有待提高，导致物联网系统的实用性下降，对于生态监测数据的分析与深度挖掘能力不足。因此，在智慧林业建设中应做好智能技术的推广与应用，利用大数据技术、先进的算法对数据信息进行深度挖掘与利用，才能为智慧林业建设起到指导作用。应推动人工智能技术在林业生产中的应用，人工提高数据采集与分析的自主学习能力，从而提高物联网业务模型在智慧林业建设中的实用性。

4 结束语

在智慧林业建设中，物联网技术在火灾防控、道路监测、野生动物保护、环境监测、水文以及病虫害监测中都发挥着不可替代的作用。但是目前物联网技术的应用还存在许多不足，笔者结合当前智慧林业建设中存在的资金问题、物联网发展滞后问题、专用传感器研发问题、数据传输问题、物联网实用性问题提出了完善建议，相信随着物联网技术的深度应用，我国智慧林业建设将会取得更深入的发展。