第28卷 第6期
2006年11月
北 京 林 业 大 学 学 报
JOURNA L OF BEI J I NG FORESTRY UNI VERSITY
V ol.28,N o.6N ov.,2006
收稿日期:20062
2012216http :ΠΠjournal.bjfu.edu
基金项目:“863”国家高新技术项目(2003AA209060223)、教育部科学技术研究重点项目(03020). 第一作者：黄心渊，博士，教授，博士生导师.主要研究方向：计算机图形学、虚拟现实技术、数字林业.电话:0102 262338422 Email :hxy @2631net 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学信息学院.
“数字林业”及其技术与发展
黄心渊 王 海
(北京林业大学信息学院)
摘要:“数字林业”是“数字地球”的一个重要分支.该文介绍了“数字林业”的相关概念及目前在国内相关领域的研究进展，提出了“数字林业”的体系结构，并对“数字林业”建设过程中所涉及到的海量数据的存储和管理、网络技术、可视化和虚拟现实技术、数据挖掘技术、数据共享以及互操作技术、3S 技术等几种关键技术进行了分析和总结，并对在实现过程中可能存在的问题提出了可行的解决方案.该文最后展望了“数字林业”的发展前景.关键词：数字林业，体系结构，关键技术 中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:10002
21522(2006)062201422206H UANG X in-yuan ,W ANG Hai.Digital Forestry and its technology and development .Journal o f Beijing
Forestry Univer sity (2006)28(6)1422
2147[Ch ,22ref.]School of Information Science and T echnology ,Beijing F orestry University ,100083,P.R.China.
“Digital F orestry ”is an im portant branch of the “Digital Earth ”.This article introduced the relative
conception and the domestic research progress at present about “Digital F orestry ”,als o proposed a general system structure of it.Then the authors analysed and summarized several key techniques on its construction as well as s ome possible occurring problems.Meanwhile ,s ome res olvable schemes towards its limitation and defects were put forward.Finally ,the bright future of the “Digital F orestry ”was prospected.K ey words Digital F orestry ,system structure ,key techniques
美国前副总统戈尔于1998年1月提出“数字地球”的概念以后，国内外对此都做出了积极的响应.专家们针对我国的情况又具体地提出了“数字中国”、“数字海洋”、“数字城市”以及“数字林业”等相关概念.“数字林业”是在“数字化”理念的基础上于
2001年由国家林业局提出的[1]
，其概念被明确为“系统地获取、融合、分析和应用数字信息来支持可持续森林经营管理的科学、技术和艺术”. 国家林业局积极筹建和实施林业信息化工程，确定了以林业重点工程为切入点，创建数字林业中心，建设数字林业工程的发展规划.根据规划，我国数字林业系统的建设分为近、中、远三期目标.2002年，国家林业局就把四川省、贵州省、江西省、吉林省及内蒙古自治区作为5个数字林业工程的试点省区，在这5个省区内选定10个地区、30个县开展数
字林业的试点工作，建立数字林业公共平台[2]
.2003年提出了《数字林业标准与规范》，这标志着我国“数
字林业”迈出了关键的一步.随后国家林业局建立了
全国森林资源数据库系统以及1∶400万、1∶100万、1∶50万和1∶25万规模的覆盖全国的基础图形数据
库系统[3]
，示范省级(广西、吉林1∶25万或1∶50万)、市级(1∶25万或1∶10万)和县级(1∶5万或1∶215万、1∶1万)的基础地理信息数据库、基础林业空间与属性数据库和数字林业数据管理平台，此外还建立了异构、分布数据的一体化管理系统；开发了数据挖掘、空间数据处理、数值分析、报表处理、地图处理5类约40余个平台应用组件；通过系统集成初步建成集数据服务、空间分析、在线分析、地图发布、报表生成等功能的数字林业系统平台；初步完成了近自然森林经营知识库系统和造林咨询知识库系统、森林资源信息分析应用系统、退耕还林工程应用系统、天然林保护工程应用系统、速生丰产林工程信息服务系统等平台应用系统.
2001年3月，全国首家数字林业实验室在中国
科学院沈阳生态研究所成立.2001年4月“国家林
业局数字林业建设”项目在北京通过了可行性论证，提出了我国数字林业建设的指导思想和基本原则、建设目标和主要内容.与此同时，网络数据传输、海量存储、图形图像等相关的基础技术都随着不同领域的需要在不断的发展和更新，这些技术为“数字林业”的实现提供了有力的支持.
1 “数字林业”建设体系结构
“数字林业”涉及到的技术广泛，应用领域多，层次复杂，数据量大，是一个庞大的系统工程.从数字林业涉及的内容和目标来看，其建设体系由4个部
分组成：基础层、技术层、数据层和应用层[4]
(
图1).
应用层
专业系统、专题系统、分析系统⁝
技术层
数据层
3S 技术
计算机技术
网络技术存储技术
⁝
基础层
标准与规范、软硬件基础设施、网络环境……
图1 数字林业建设体系结构
FIG URE 1 System structure of Digital F orestry construction
基础层是建设“数字林业”的基础和前提条件,
其他3层的工作必须建立在这一层之上；技术层用各种先进的技术手段为数字林业建立公共技术平台，
提供实现各种功能的技术基础；数据层是“数字林业”建设体系的核心，目的是为“数字林业”的建设提供多源数据共享平台，其中各级部门中心的数据建设，林业资源分布式网络数据库、多维空间数据仓库的建立，空间数据的无缝连接等内容均在这一层实现；应用层是“数字林业”建设的系统实现，目的是针对不同领域和不同需求为服务对象和目标建立相
应的专业系统，提供专门的技术支撑与服务[42
25].
2 “数字林业”中的关键技术
“数字林业”主要对林业资源及其工程建设等相关现象进行统一的数字化表达，它以林业数字化数据为依托，用宽带网络连接各分布式数据库，以虚拟现实技术为特征，提供具有多级分辨率的二维和三维浏览以及各种信息自动提取、统计分析和辅助决策的功能.用户可以根据自己的需要实时获取和操作信息.
基于上述“数字林业”的特点，可以看到其所涉及的学科和技术有很多，例如海量数据的存储技术、数据挖掘技术、高速传送的网络技术以及资源分布
技术、虚拟现实三维可视化技术、数据共享与互操作技术、高分辨率的卫星图像技术等[62
29].
211 海量数据的存储和管理
“数字林业”的数据包括多比例尺、多分辨率的空间矢量或栅格数据，多光谱、多角度和多种分辨率的遥感卫星影像，实地测量的地形数据和各种普通地图以及专题图、图像照片，数字、文本、符号等文字符号数据和视频音频等多媒体数据形式.不仅数据类型复杂，而且在大规模的地域数字化中，涉及领域众多，因此数据量非常大，如何存储和管理这些异构、多数据源和多分辨率的数据，是“数字林业”必须要解决的一个问题.现在的硬件条件已经可以满足海量数据的存储，但是要达到数据的最优化管理，还需要相应的策略.目前提出的比较公认的一种方法就是分布式数据存储
[10]
，即以部门或区域来划分结
点，在各个部门的服务器上安装子数据库，由中心数据库服务器来统一管理，这种存储应用恰好满足了林业数据需按照国家、省级、地区和县级的层次来存储管理的方式，即在国家级建立数据交换中心作为最高中心管理层，将不同层级区域作为不同层次的各个节点，由上级集中调度和管理下一级的信息.这种分层管理既减少了中心服务器的负载量，又有利
于林业数据的分流、更新以及安全维护.
地域层次间在共享数据时必然要通过网络来传输和互操作，在基于传统的通过局域网来交换、传送以及备份数据的方式的基础上，提出了存储局域网
顾漫论坛(Storage Area Netw ork ,S AN )的概念，存储局域网指通过一个单独的网络(通常是高速光纤网络)把存储设备和挂在局域网上的服务器相连.当有海量数据的存取需求时，数据可以通过存储局域网在相关服务器和后台存储设备之间高速传输.这种方式实现了存储设备的共享，突破了现有的距离限制和容量限制，服务器通过存储网络直接与存储设备交换数据，释放了宝贵的局域网资源
[112
212].在数字林业系统
中，由国家级的数据交换中心来统一汇集和管理数据，因此可充分利用这种方法，在数据中心建立存储局域网，从而大大提高数据交换以及存储的能力.212 网络技术
要使林业资源共享，必须将其发布在网络上，网络平台是“数字林业”系统集成的基础平台.针对“数字林业”中数据量大、用户访问多、传输速率高的要求，在网络建设中必须满足：遵循标准的规范和接口，具备开放性、扩充性和兼容性；网络设备性能高，先进可靠.因此，搭建健壮的、能够方便快捷获取信
息的网络平台是促使“数字林业”为更多人认可和使用的基本要求.
3
41第6期黄心渊等:“数字林业”及其技术与发展
在网络结构设计时，结合数据的分布式存放，可
以将网络按3个层次布局：一是各级各部门林业内部本地数据中心和信息系统运行的局域网；二是连接各部门和中心管理机构的广域网；三是提供信息发布和社会化服务的国际互联网.数字林业的各个应用系统和数据库主要建立在广域网的基础上.广域网以国家数字林业中心为核心，将国家、省、地区、县以及各个管理部门、工程实施单位、企事业单位有
机的联系起来，实现信息远程传输和交换.具体实现
方法是以在国家级建立的数据交换中心为广域网的中心节点，国家林业局和省级林业局为网络的二级节点，地区级和县级或其他单机用户为网络的三级节点和四级节点，广域网实现结构图如图2.在各层次节点之间使用卫星通信、高速宽带、公共信息网或电话网等方式实现网络连接
.
崔芝昆
图2 广域网结构示意图
FIG URE 2 S tructure of the wide area netw ork
资源信息发布在网络上，还需考虑安全问题.用
户期望不由时间、地点的限制来利用网络获取所需要的数据和结果.目前在网络层各个方面都有相对应的防范措施，通过存取管理、通信加密、隔离和访问控制、入侵检测以及病毒的防治等各种方法来保护数据和系统安全.在林业数据的传送过程中，可根据所处的节点层次来统一确定用户角，各层用户仅能在各自的权限范围内对数据和信息进行操作，既保证了数据安全又使数据得到有效利用和传输.213 可视化和虚拟现实技术
传统的对地球资源的研究方式和分析决策，都是基于纸绘地图或沙盘的形式，这种非计算机生成的手工数据，缺乏扩展性和可保存性.可视化技术是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法，显示方式主要分为二维和三维两种.目前来讲，二维的可视化方法发展时间较长并且已经成熟，地理信息系统在20世纪60年代就已提出并且快速发展，国内
外出现了许多相关软件和支持技术[13]
.“数字林业”的三维可视化是目前在林学和计算机图形学领域研究的一个热点.利用此技术可以对林地植被进行模
拟，虚拟演示林地分布情况.虚拟现实技术例如虚拟防火、虚拟病虫害、虚拟林木生长等应用的实现，
也对林业的管理和决策起着至关重要的作用.如何快速、高效、逼真地采用三维可视化和虚拟现实技术来显示“数字林业”是专家和技术人员共同努力的目标[14].
近年来，三维计算机图形学发展迅速，新的理论和方法层出不穷，其在各行各业应用的深度与广度也在日益增大.在林业方面，出现了相当多的植物生成算法和满足各种要求的植物模型生成软件，例如
S peedtree 、X frog 、L 22Studio 、S VS 等，并且已经部分应用于林业研究领域.与此同时，在三维应用例如电脑游
戏的推动下，实时图形技术得到了非常快的发展，在场景的三维绘制和真实感表现中逐步出现了很多有效的实现方法.但是随着模型和场景的复杂度的增长，对实时性和精确性的要求越来越高，这在林业可
视化中依然是一个很大的挑战[15]
.214 数据挖掘技术
数据挖掘是一种信息处理技术，涉及数据库技术、统计学、机器学习、高性能计算、模式识别、神经
441北 京 林 业 大 学 学 报第28卷
网络、数据可视化、信息检索、人工智能等多个学科.其主要特点是对数据库中的大量采集数据按照一定的方式进行抽取、转换、分析和其他模型化处理，提取人们无法直接从原始数据中得知，但又隐含在其中的潜在有用的信息和知识，还可以通过对已知数据的分析，得到相关的未知数据，并以较高的准确度预测事件发生的概率和可能性.利用G PS、RS等技术获取的图像、文本或多媒体数据以及林业行业内部多年来所积累的大量原始采集数据和资料，都是直接对实体进行测量，并未解析数据中的相关性或反应出实体的特征，因此可以利用数据挖掘技术对“数字林业”的海量数据进行分析，从中挖掘出林业信息机理知识，进而认识森林系统的演化规律.建立基于此技术上的智能化信息平台，可以参与森林资源与林业工程的规划、分析与决策.对采集到的遥感影像用数据挖掘技术中的人工神经网络方法、模糊数学方法、决策树分类法等进行分类和信息抽析是研究的重点.此外，在已有的分类模型的基础上，对遥感数据进行预处理和预估计，也是目前的研究热点之一[16].
215 数据共享及互操作技术
为了让“数字林业”的建设更具实用性和普遍性，数据共享是需要解决的核心问题之一.建立成熟健壮的“数字林业”系统，是需要在时间和空间上有丰富的数据积累和分析经验做支持的.现有的数据因技术上的不断更新和获取时间段的不同，其保存方式和数据类型有着比较大的差异，这给数据共享带来了一定的困难.解决数据共享问题，首先需要政策和行业的标准制定，统一规范数据获取方式[8].我国已经制定了一系列的数据标准与数据交换标准: 1999年我国颁布了“地球空间数据交换格式标准”; 2003年
提出了“数字林业标准与规范”;2004年中国标准出版社制定了“地理信息国家标准手册”；在科技部“科学数据共享”工程项目中完成的《林业科学数据库和数据共享技术标准与规范》一书，汇集了13个关于林业科学数据库和数据共享的专业性技术标准与规范的文本.这些标准为“数字林业”的信息分类和编码、数据格式、处理流程、设备配置等工作制定了一系列规范化文件，包括各种内涵及范畴的界定、名称和术语，这样既能规范管理大量的数据，又有利于信息检索，便于在计算机上协同处理.
在地理信息系统几十年的发展和研究中，已经推出了为提供地理数据和地理操作的交互性和开发性的软件开发规范OpenGIS(开放式地理信息系统)[17]，使一个系统支持不同的空间数据格式成为可能.这种基于接口的不同系统之间、不同数据结构之间的动态调用将成为国际标准，已经引起广泛注意[18].
除了政策和行政的支持外，数据共享还需要技术上的规范，实现各系统、各层次之间的互联接和互操作.互操作包括两层含义：从狭义上说，它是在保持信息不丢失的前提下，从一个系统到另一个系统的信息交换能力；从广义上讲，它是指不同应用(包括软、硬件)之间能够动态地相互调用，并且不同数据集之间有一个稳定的接口.因此系统与系统之间、行业与行业之间、上下级(如国家级、省级、地区级和县级)之间都需提供有数据转换的接口，充分利用组件在应用系统集成中的作用，以达到信息无阻流通，防止瓶颈出现[192220].
216 3S技术
3S是遥感技术(Rem ote Sensing,RS)、全球定位系统(G lobal P ositioning Systems,G PS)、地理信息系统(G eography In formation Systems,GIS)3种技术的统称. 3S技术是实现数字林业”数据采集、获取和分析的重要技术.我国森林资源的调查和监测，长期以来大多采用目测法、航测法、角规法、罗盘仪结合皮尺法等常规的测量方法.其特点是精度低、速度慢、自动化程度低、信息量少.最大缺点是白纸平板底图，不能实现数字化成图，所以林业信息资料更新慢，给林业的管理、监测和规划带来极大的不便.RS是获取地表信息的重要手段，每年全世界平均发射卫星150次，通过RS所采集的遥感影像图以高分辨率、多层次、动态描述林业资源的时空分布特征和森林资源的动态变化规律，为科学合理的管理林业资源提供了重要依据.G PS作为一种较新的定位方法，已经在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器.利用G PS可以在全球任何地方、任何时间接受信号并定位，一方面使林业管理具有更强的空间针对性和实用性，另一方面，通过G PS实时对土壤水分以及植被生长情况进行描述，对林业各要素进行跟踪，实现了精准化操作.此外,G PS对森林防火管理工作也有着非常大的帮助.GIS是以地理空间数据为核心，存储和处理及分析空间数据的最佳工具.它将调查数据、基本地理要素以及有关的视图综合运用，结合计算机图形与数据库技术进行采集、存储、显示、转换，并根据需求输出各种专题图、地形图及属性数据.GIS在林业资源调查、分析以及管理决策中已经有相当长时间的应用.一些国土面积和森林面积较大的发达国家都已将3S技术作为森林资源和灾害调查、监测的主要手段.“数字林业”的提出对3S有了进一步的技术要求，例如更高的影像分辨率、自动识别和智能化以及海量存储能力等[14,16,21].
541
第6期黄心渊等:“数字林业”及其技术与发展
3 “数字林业”在发展中存在的问题
311 数据共享
在数据类型方面，基础数据可以通过实地勘探、仪器远程测量及卫星遥感等不同的方法获取，因此得到的数据形式也不相同.在数据存储方面，目前所能使用的数据库就有很多种，如F oxbase、F oxpro、Access以及S Q L Server、Oracle、DB2等.这些数据库在数据结构和存储模式上有着非常大的差异，所以在数据共享以及系统更新或数据更新时就会存在很大的问题.但随着各种标准和规范的制定，数据共享的问题会逐步得到解决.此外，林业信息分类和编码也需要统一规范，数字林业信息种类繁多，内容丰富，涉及诸多领域，如何将各类多维数据有机的组织、存储、管理和检索，是十分重要的，这直接影响数据库的部署优劣以及系统的应用效率.为了使数字林业信息分类和编码的体系既要有系统性、确定性，又要有可扩充性的特征，在编码中需要按照科学性、系统性、稳定性、兼容性、完整性、扩充性以及灵活性等原则来进行数据分类和设定标准[22].
312 应用平台完备与兼容
在“数字林业”相关应用系统的设计中，应符合完备性、标准化、系统性、兼容性、通用性、可靠性、可扩充性及实用性的要求[1].目前已经有很多林业管理系统，例如森林资源数据处理系统(DPS)、森林资源管理信息系统(MIS)、森林资源决策支持系统(DSS)、林木良种管理信息系统和主要经济树种在线查询系统等.各个系统针对专门的要求实现相关管理，但是系统和系统之间缺乏兼容性，数据不能在系统间实时更新，会大大影响有效利用.因此，需要致力于开发相关的组件，逐步推出一批即插即用的应用组件，在各系统间搭建信息桥梁.
313 层级整合
“数字林业”要建设的内容很多，并且根据研究范围和覆盖面的不同需要不同的架构设想.“数字林业”应按照国家、省、地区、县的层次来组成.它既是一个面向公众，重点为专业业务服务的多层次系统，与其他行业数字系统既有联系又保持其独立性，又是隶属于区域的数字系统.如果不同区域所采取的系统搭建方式不同，在层级之间的信息传输就会出现问题.解决这一问题首先需要建立国家林业信息交换网络平台，着手制定部分标准与规范如元数据标准、数据分类与编码标准、数据库设计规范、数据质量与质量控制标准、数据交换与安全标准，统一术语定义、设计与实施方法、体系结构等一系列要素；然后各个区域根据规范建立内部的本地信息中心,
并与国家林业信息交换中心交接，达成信息的合理分流和汇合，例如在图2所示的结构中，林业数据交换中心即是各级数据汇集的中心，它负责提供各级用户查询和获得数据的权限.
314 安全防范
在互联网飞速发展中，全球极力解决的一大问题就是安全问题.计算机广泛联网，数据保护面临着各种威胁和损害.无论采取何种防护措施，都有被攻破的可能性.“数字林业”数据量大，且多数是经过实地测量或卫星遥感获取的，获取困难，投入大，代价高，因此安全问题就显得尤为重要.要从林业系统的应用系统层、数据库系统层、操作系统层、网络层分别设立防护措施，充分利用硬件和软件相结合的各种加密、检测、隔离方式，确保数据不丢失、不破坏.此外,“数字林业”还存在以下问题：机构不健全、缺乏信息化建设人才；信息化基础设施建设落后，投入不足；数字化信息积累不足；对林业信息化建设认识不足；各层级、各领域信息集成整合不够等.随着人们认识的加深和技术的进步，这些问题都会逐步得到解决[5,7].
4 展 望
从1998年“数字地球”的提出，到2004年首届“数字林业”国际学术研讨会的召开,“数字林业”不仅在林业和环境领域具有越来越重要的作用，而且已经开始密切贴近我们的工作和生活.在2002年四川省、贵州省、江西省、吉林省及内蒙古自治区作为“数字林业”试点省区开展各项试点工作之后，北京市、湖北省、黑龙江省、山东省、青海省以及甘肃省小陇山等省市和地区也陆续展开了本地的相关工作.在国家林业局制定的“数字林业”三期目标计划中，中期从2006—2010年，目标是开展国家级和省级其他林业
重点工程的动态监测，同时，应用现代信息技术实现对林业静态特征和森林、荒漠化、自然保护区、湿地等资源的分布特征、经营特征、决策特征的数字化描述.远期从2011—2015年，目标是继续进行县市级“数字林业”基础信息管理网络系统的建设，对林业生产、管理、科研等主要活动进行全面信息化集成、处理、统计、分析、评价和管理等[2].在技术上，中国林业科学研究院在已有成果的基础上，准备下一步实现构建面向网格的“数字林业”平台，发展多种面向林业管理决策的多维空间数据挖掘技术，并将工作流技术应用在数字林业平台中，最终实现“数字林业”结合信息化管理，及时准确掌握全国、全省林业的真实情况，为林业工程的实施提供科学决策依据，达到通过先进技术指导林业生产和管理
641北 京 林 业 大 学 学 报第28卷
林业的目的.
“数字林业”的建设在很大程度上将提高我国林业的信息化进程，提高科学规划、科学管理和科学决策的水平.高效的空间数据获取和处理能力可以帮助国家及时、全面地了解生态环境建设的整体状况，进行科学决策，为国家制定生态环境宏观规划提供可靠的依据，减少重大生态建设工程的盲目性，实现可持续发展，对国民经济建设起促进作用.“数字林业”技术的突破可以带动其他科学技术的进步，为其他科学技术的研究和开发提供新的技术手段.“数字林业”是未来信息林业资源的主体和核心，它不仅可以带动本行业的发展，而且将促进全社会的进步.
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(责任编辑 冯秀兰)
小额信贷运作与管理741
第6期黄心渊等:“数字林业”及其技术与发展
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