通信技术在智慧林业建设的应用

摘要：智慧林业是应用多种监测技术构建遍布整个林业体系的信息网络，实现各种林业资源的感知化、林业信息的物联化和林业管理的智能化，通信技术在智慧林业建设中发挥着基础性关键作用。文中在概述智慧林业研究最新进展基础上，根据现代通信技术的发展趋势，综述了有线通信、微波通信、卫星通信和移动互联网等技术在我国智慧林业建设中的应用进展，以及移动互联网和物联网相结合的传感器网络通信系统及电信传输网络系统在林业上的应用，探讨了通信技术在智慧林业建设中存在的不足和今后的发展方向。

关键词：智慧林业，通信技术，移动互联网，无线通信

随着新一代信息技术的高速发展，“智慧地球”在国民经济各行业应运而生，林业也从“数字林业”向“智慧林业”转变。智慧林业要求林业信息感知化、物联化和智能化，要求林业信息传输的互联互通和安全快捷，因此，通信技术在智慧林业建设中起到基础性关键作用。当前微波通信、卫星通信和移动互联网通信等技术的迅速发展，为建立高效的林业信息传输系统提供了有效手段。以信息感知、传输和交换模式来建立高效的通信网络，从而实现智慧林业的功能。本文在介绍智慧林业产生背景、内涵和关键技术的基础上，根据现代通信技术的发展趋势，概述微波通信、卫星通信和移动互联网等技术在我国智慧林业中的应用进展，分析通信技术在智慧林业应用实践中存在的不足，探讨现代通信技术在今后智慧林业应用中的发展方向，以期为我国林业信息化和智慧林业建设提供决策参考。

1智慧林业概述

智慧林业是指充分利用新一代信息技术（云计算、物联网、大数据、移动互联网等），通过感知化、物联化、智能化等途径，形成林业立体感知、管理协同高效的林业发展新模式，是“智慧地球”概念在林业领域的创新发展[1-2]。自2008年IBM首次提出“智慧地球”理念以来，全球涌现出一股智慧化发展的浪潮，智慧化发展理念推动了我国林业信息化发展，我国林学家也提出了智慧林业概念[3-4]。智慧林业是在林业信息数字化、感知化、互联化、智能化基础上，实现林业资源的一体化、协同化、生态化和最优化[4]。林业信息资源数字化要求实现安全、智能、高效地采集、传输、存储和共享林业信息；林业资源感知化要求利用高效智能的传感器来实时获取林业数据信息，相互感知林业生态系统中的各种资源；林业信息传输互联化要求建立安全、贯通、高效的林业信息传输系统；林业系统管控智能化要求利用大数据、物联网等技术，实现林业信息的智能化采集、运算和管理，并利用各种自动化技术实现林业管理服务的智能化；林业体系运转一体化要求整合林业信息系统，并融入到智慧企业、智慧农业和智慧城市等多种信息系统中，实现社会整体的融合发展[5-6]。智慧林业将在数字林业基础上，应用新一代信息技术（云计算、大数据、物联网、3S技术、移动通信）来实现林业的智慧感知、移动互联、协同管理和智能服务[7]。智慧林业的基本要求是林业信息资源的互联互通，构建遍布整个林业体系的信息网络，实现信息快捷传输、交互共享和安全可靠。因此，通信技术在智慧林业建设中发挥着极其关键作用，只有建立完备的通信网络和完善的通信技术，才能保证林业信息的感知、传输、运算和共享，才能保证林业资源的综合监测、智能防控、应急指挥、移动办公和科学决策[8]。智慧林业是未来林业发展的必然趋势。2013年8月国家林业局印发了《中国智慧林业发展指导意见》，表明我国林业信息化步入了智慧林业发展的新阶段。

2通信技术在智慧林业中的应用进展

现代通信技术开始向网络构建标准化、管理服务智能化、信息传输高效化、通信网络综合化方向发展[7]，现代通信技术是智慧林业发展的关键技术支撑，在智慧林业建设中具有广泛的应用前景。通信技术主要包括有线通信、无线微波通信、卫星通信和移动互联网通信等，下面分别介绍这些通信技术在智慧林业中的应用情况。

2.1有线通信技术

有线通信技术是指利用电话线、电缆和光纤等介质来传输信息的通信技术，是最基本也是最可靠的通信手段。随着程控数字交换技术的发展，有线通信能较4为安全便捷地实现互联网接入、视频通话和图文数据传递。有线通信技术，尤其是光纤通信技术在林业综合办公系统、林业云计算平台及林业下一代互联网建设中得到较好运用，具有传输效率高、技术安全等优点[9]。2009年我国改进了各省的林业光纤局域网，基本建成了覆盖全国省级林业部门和国家林业局直属单位的林业信息专网。我国林业下一代互联网在现有国家林业信息专网基础上，将采用有线通信技术构建具有管控和网络服务等功能的IPv6网络系统，联接国家、省、市、县4级林业网络架构，以满足林业系统日益扩大的各类业务模块和大数据量遥感影像、GIS数据、音视频数据等通信及传输需要。有线通信网络不仅在构建林业信息服务网络上应用广泛，而且在防灾监测、资源监测方面发挥了重要作用[10]。刘亚荣等[11]利用光纤通信构建了基于分组传送网的山林防灾监控系统，并利用光纤传感器对林地温度、湿度、易滑坡部位进行监测。由于受林区自然条件的限制，在林区架设电缆、双绞线和光纤等传输介质线路困难，而且火灾、泥石流和洪水等自然灾害容易导致通信中断。因此，有线通信技术在林业的应用也存在着很大的局限性。

2.2微波通信技术

微波通信是直接使用微波作为介质进行的无线通信手段，主要适用于2点间直线距离内无障碍的通信，具有容量大、质量高和通过中继站能长距离传输等优点。我国林业部门在上世纪末曾利用世行贷款在黑龙江、内蒙古等林区建立了多个微波通信防火工程。大兴安岭林区建设了微波通信站30个，可满足雷电探测、气象自动预报、数据处理、计算机联网等多种通信需求，增强了林区森林防火、通信指挥和生产调度能力[12]。美国、欧洲等开发了多种基于微波通信的森林资源监测系统，包括POLSAR、ALOS-PALSAR、TanDEM-L、TerraSAR-X、RADARSAT-2、TanDEM-X、DESTINY等微波雷达监测系统；德国开发了依赖微波的Fire-watch森林火灾自动预警系统[13]。但微波通信存在着造价较高、信号传输受电离层影响大、难以跨越高山和海洋等缺点，需要依赖于卫星系统中继转发。

2.3卫星通信技术

卫星通信是指利用地球卫星作为中继站转发微波信号的无线通信技术，具有通信覆盖区域大、通信距离远等优点；能够跨越高山、海洋而不受距离限制和陆地灾害的影响；覆盖面积大，可实现较大范围内的多边通信；工作频带宽、通信5容量大，适于音频、视频、图像等多种数据的高速传输，可靠性高。基于上述优点，近年来卫星通信技术在林业上得到广泛应用。林业部门开始使用“动中通卫星移动通信系统”和“IPSTAR卫星宽带通信系统”等来应对林区地震、泥石流等突发地质灾害和森林防火应急指挥的通信需求[14]。上述卫星通信系统结合地面通讯指挥车或中心站，可有效地进行高速互联网接入、数据通信、音频视频传输和电视电话会议等高通量通信传输。美国和加拿大主要采用卫星巡回监测系统实时监测林区温度来进行林火预警[15]。在智慧林业建设中，卫星通信技术结合3S技术、传感器技术和计算机技术能够高度集成对空间信息进行采集、传输、处理和应用。我国自主开发的“北斗卫星导航系统”已林业部门得到广泛应用，有些单位还整合了北斗卫星导航系统、互联网、无线通信网和物联网等技术，构建了森林防火综合指挥调度系统，为林业资源监测、林火指挥、安全管理和生产调度等提供技术支撑。

2.4移动互联网通信技术

移动互联网通信技术是移动通信与互联网技术相融合的产物，是一种通过移动的无线通信技术接入互联网的新型数字通信模式。在移动互联网通信技术支持下，用户可使用PDA、智能手机、平板电脑等手持移动终端，通过移动无线网络接入到互联网中，进行视频、图像、语音和大数据通信业务。随着3G和4G技术的快速发展，WiFi和Zigbee、蓝牙、超宽带等新一代数字超短波通信技术的成熟，构建基于移动互联网通信技术的网络视频监控体系，为林业监测管理、应急感知和办公自动化提供了技术保障[16-17]。在林火监测、森林旅游和野生动植物保护中，基于3G和4G技术的网络监控系统能有效构建一套实施监测的视频监控网[18]。近年来，国内开发了大量基于移动互联网技术的林业信息化系统。如基于Android系统的林业有害生物防治系统[19]，基于3G和GPS的林业资源实时监测系统[20]，基于Zigbee网络结合北斗通信技术的林火监测系统[21]，基于移动终端和互联网卫星影像的林业资源三类调查系统等[16]，已初步具备智慧林业的雏形，代表着未来林业信息化的发展方向。目前，国内外主要将移动互联网通信与物联网结合起来，构建传感器网络通信系统和电信传输网络系统，以满足实时感知、信息短距传递和信息远距离传输的林业综合监测网络需要。传感器网络通信系统主要是依靠无线射频识别技术（RFID）、近距离通信技术（NFC）、蓝牙通信技术、红外通信技术、超宽带通信技术（UWB）、毫米波通信技术、ZigBee通信技术等[22]。RFID技术是一种基于射频的无线识别通信技术，在欧洲和美国被广泛应用于珍稀动植物监测、木材储运管理、森林资源监测等方面，通过建立电子标签来达到对森林资源的实时监测和信息传输[23]。NFC通信技术可完成10cm范围内点对点数据的高频无线传输，结合RFID技术将识别信息自动“虚拟连接”到蓝牙和WiFi等移动设备上。蓝牙通信技术可支持10m距离内移动设备间的低成本通信，在手持移动终端上应用广泛[24]。ZigBee通信技术是一种低成本、高效率、近距离的双向可组网式无线通信技术，在林业信息通信系统上应用广泛。ZigBee通信技术可高效地实现林业资源的定位监测，如基于ZigBee技术设计的林火监测系统、野生动植物保护系统、森林资源清查网络等[25]。电信传输网络系统主要采用WiFi通信技术、3G、4G和5G移动通信技术，具有覆盖范围广、传输效率高等优点，在林业监测和资源管理中应用广泛。例如，基于3G视频技术的森林防火系统，基于WiFi的手持森林病虫害监测系统，基于3G、GIS和GPS的森林资源采集系统等[20,26-27]。尽管目前移动互联网通信技术发展极为迅速，但受林业发展水平和地理条件的限制，上述通信技术在林区的应用还较少，新一代3G和4G网络覆盖度低，缺乏多种传感器、物联网、大数据和移动互联网技术的整合，限制了智慧林业建设的发展速度。

3通信技术在智慧林业中应用存在的问题和发展展望

虽然现代通信技术的迅猛发展为林业信息的互联互通提供了有效保障，实现了信息的快捷传输和交互共享。但其在智慧林业建设中的应用还存在不足，主要表现为：1）林区移动互联网通信技术覆盖度很低，接入传感器和物联网的水平较低，尚不能实现通信技术在林区的全面覆盖；2）无线宽带通信技术、新一代移动互联网技术、物联网技术和现有林业基础数据库在大数据、云计算方面的整合程度不够，没有构建一体化的信息感知与实时传输体系；3）智慧林业建设缺乏全国统一的标准，不同地方的系统采用不同开发平台、操作系统和数据库管理系统，很难实现互联互通，导致形成了无法互通的信息孤岛；4）智慧林业系统内部信息的互联互通与资源共享导致信息系统数据面临泄露威胁，对智慧林业的信息安全战略重视不够。针对通信技术在智慧林业中应用中存在的不足，今后在智慧林业建设中应加强以下方面工作：1）加强林区无线网络覆盖，提升林业资源的实时监测水平，推动移动互联网和物联网的整合[28]。林区无线网络的全面覆盖是物联网和智能设备在林区应用的网络基础，可选择一些基础条件好的林区推进无线网络建设，提高其无线通信能力。林区无线网络应以公众网为主，鼓励网络资源安全共享[29]。2）要加快林业监测信息与现有公共基础信息、林业基础信息、林业专题信息及政务办公信息等共享和大数据、云计算整合，提高林业资源的监测效率和应急感知处理能力。随着北斗卫星导航系统、林业遥感卫星、无人遥感飞机等监测感知手段的整合，实时提供林业资源监测所需各类遥感信息和位置数据的能力将得到极大提升。3）要整合无线宽带通信技术、新一代移动互联网技术、3S技术和物联网技术，构建一体化的信息感知与实时传输体系，这是智能林业物联网的发展方向。使物联网技术实现从林木感知、动植物感知、林区环境感知到整个林区的综合化智能监测感知网络，从而快速提高林业智能检测、管理服务和决策支持水平。作为智慧林业建设的关键技术，下一代移动互联网技术有着更为广阔的发展空间。4）加快建立现代通信技术在智慧林业建设中应用的统一标准，采用同一开发平台、操作系统和数据库管理系统，实现信息资源共通与共享，并加强智慧林业信息系统的安全防范。

作者:马建浦 单位:北京邮电大学信息与通信工程学院

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