余茂源

(云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650051)

林業(yè)大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵及應(yīng)用策略研究

余茂源

(云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650051)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、3S和移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在林業(yè)中的不斷應(yīng)用，林業(yè)資源數(shù)據(jù)和林業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無論從總量還是種類上都已初具規(guī)模。從大數(shù)據(jù)的定義和特征入手，探討林業(yè)大數(shù)據(jù)的定義，并對林業(yè)大數(shù)據(jù)的分布式特征、多尺度特征，海量特征、多源異構(gòu)特征等四個(gè)特征進(jìn)行詳細(xì)闡述。在此基礎(chǔ)上，探討林業(yè)大數(shù)據(jù)在綜合營造林管理、森林資源管理、林業(yè)災(zāi)害監(jiān)控以及林業(yè)社會公眾服務(wù)等方面的應(yīng)用策略。

大數(shù)據(jù)；林業(yè)大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)挖掘；應(yīng)用；智慧林業(yè)

近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的全面應(yīng)用，數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)爆炸性增長態(tài)勢，各個(gè)領(lǐng)域都已經(jīng)不可避免地進(jìn)入到“大數(shù)據(jù)時(shí)代”，作為生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)行業(yè)林業(yè)也概莫能外[1]。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)、3S和移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在林業(yè)中的不斷應(yīng)用，林業(yè)資源數(shù)據(jù)和林業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無論從總量還是種類上都已初具規(guī)模。尤其是，隨著各種傳感器的逐步普及，林業(yè)數(shù)據(jù)將從時(shí)效性層面進(jìn)一步豐富和拓展。龐大的數(shù)據(jù)資源已經(jīng)能夠?yàn)榱謽I(yè)的發(fā)展提供支持和為決策提供服務(wù)，但目前整個(gè)行業(yè)仍然存在“數(shù)據(jù)豐富，但信息缺乏”的問題，加強(qiáng)對林業(yè)大數(shù)據(jù)背后隱藏價(jià)值的研究已經(jīng)迫在眉睫[2]。

目前，國內(nèi)有部分學(xué)者對林業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步研究，比如藍(lán)學(xué)[3](2015)結(jié)合大數(shù)據(jù)的發(fā)展動態(tài)和趨勢，初步探討了大數(shù)據(jù)在林業(yè)中的應(yīng)用。董茜[4](2017)分析了大數(shù)據(jù)背景下的林業(yè)研究現(xiàn)狀。然而，現(xiàn)有研究尚未清晰闡述林業(yè)大數(shù)據(jù)的定義及特征，同時(shí)對林業(yè)大數(shù)據(jù)的具體應(yīng)用策略也缺乏深入探討。基于此，本研究試圖從大數(shù)據(jù)的定義和特征入手，探明林業(yè)大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析林業(yè)大數(shù)據(jù)的具體應(yīng)用策略，以期為后續(xù)研究和具體實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 什么是大數(shù)據(jù)

“大數(shù)據(jù)”這個(gè)術(shù)語最早可以追溯到Apache.org的開源項(xiàng)目Nutch[5]。但是大數(shù)據(jù)真正被大家所熟知還是在近幾年。由于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，自2009開始，“大數(shù)據(jù)”成為互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的流行詞匯，并引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和深入研究。從此各行各業(yè)都開始著手探究大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵和作用。

盡管目前很多學(xué)者對大數(shù)據(jù)進(jìn)行了定義，但是目前尚未形成統(tǒng)一的定義。在《大數(shù)據(jù)時(shí)代》一書中，作者將大數(shù)據(jù)描述為不用隨機(jī)分析法，而采用所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的數(shù)據(jù)集合[6]。麥肯錫將大數(shù)據(jù)定義為，在一定時(shí)間內(nèi)無法用常規(guī)軟件工具對其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合[7]。

目前，雖然大數(shù)據(jù)的定義尚未統(tǒng)一，但是業(yè)界對大數(shù)據(jù)的基本特征已經(jīng)達(dá)成共識。業(yè)界普遍認(rèn)為，大數(shù)據(jù)具有四個(gè)特征[8]，分別是數(shù)據(jù)量大(Volume)、數(shù)據(jù)類型多(Variety)、數(shù)據(jù)處理速度快(Velocity)以及數(shù)據(jù)價(jià)值密度低(Value)。現(xiàn)有學(xué)者大多基于大數(shù)據(jù)的基本特征，對大數(shù)據(jù)的定義和內(nèi)涵進(jìn)行豐富，因此大數(shù)據(jù)的基本特征能夠幫助我們深入理解大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵。

2 林業(yè)大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵

2.1 林業(yè)大數(shù)據(jù)的定義

編制《中國林業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略研究》、頒布《關(guān)于加快中國林業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》以及中國首個(gè)林業(yè)大數(shù)據(jù)中心落戶云南等重大事件，都已經(jīng)顯示出我國對于發(fā)展林業(yè)大數(shù)據(jù)的力度和決心。《關(guān)于加快中國林業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中將林業(yè)大數(shù)據(jù)比喻為：生態(tài)變遷的“收集器”、生態(tài)發(fā)展的“顯示器”、生態(tài)治理的“指南針”、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“變速箱”[2]。

然而，目前學(xué)術(shù)界對于林業(yè)大數(shù)據(jù)的研究仍然處于初步階段，相關(guān)研究成果較少。其中孫偉(2014)關(guān)于林業(yè)資源數(shù)據(jù)分析是為數(shù)不多的研究成果。作者認(rèn)為林業(yè)資源數(shù)據(jù)是在一定時(shí)空范圍內(nèi)，利用各種數(shù)據(jù)采集、傳輸、交換、匯集、處理、存儲和分析等技術(shù)手段，對森林、荒漠、濕地及生物多樣性資源進(jìn)行系統(tǒng)觀察、測定分析和評估而獲取的數(shù)據(jù)集合[9]。

結(jié)合大數(shù)據(jù)的定義，本研究將林業(yè)大數(shù)據(jù)定義為：通過傳感器、智能化設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等各種數(shù)據(jù)采集渠道收集到的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的海量林業(yè)資源數(shù)據(jù)和林業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集合。本質(zhì)上來說，林業(yè)大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)理念、方法和技術(shù)在林業(yè)行業(yè)的實(shí)踐。因此，對于林業(yè)大數(shù)據(jù)的認(rèn)識，不能簡單地將其看作是傳統(tǒng)意義下信息系統(tǒng)的管理對象——信息和數(shù)據(jù)，而應(yīng)該將其看作為一種基礎(chǔ)性資源。這種基礎(chǔ)性資源的價(jià)值不在于其本身，而是基于對大數(shù)據(jù)的挖掘以數(shù)據(jù)服務(wù)的方式為林業(yè)發(fā)展和管理提供決策支持。

2.2 林業(yè)大數(shù)據(jù)的特征

由于目前關(guān)于林業(yè)大數(shù)據(jù)的定義尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，因此，筆者試圖效仿大數(shù)據(jù)定義的發(fā)展模式，對林業(yè)大數(shù)據(jù)的基本特征進(jìn)行研究，以期幫助學(xué)術(shù)界和實(shí)業(yè)界加深對林業(yè)大數(shù)據(jù)本質(zhì)的認(rèn)識和理解。筆者認(rèn)為，林業(yè)大數(shù)據(jù)具有以下四個(gè)特征：

(1)分布式特征。由于我國林業(yè)資源分布廣闊，而林業(yè)大數(shù)據(jù)是對林業(yè)資源時(shí)空特征和演替過程的描述，導(dǎo)致了林業(yè)大數(shù)據(jù)天然地具有分布式特征。同時(shí)，在林業(yè)資源管理過程中，我國林業(yè)部門多以行政區(qū)劃結(jié)合林業(yè)區(qū)劃為單位，各個(gè)單位獨(dú)立開展林業(yè)資源數(shù)據(jù)的采集和管理工作，因此林業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、存儲、更新和維護(hù)都是分布于各級、各地的林業(yè)數(shù)據(jù)庫，從而在物理上進(jìn)一步使林業(yè)大數(shù)據(jù)具有分布式特征。此外，由于各個(gè)地區(qū)數(shù)據(jù)采集口徑以及數(shù)據(jù)存儲方式等都存在一定的差異，較難將全國的林業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的集中管理和分析。

(2)多尺度特征。尺度是林業(yè)大數(shù)據(jù)表達(dá)的一種非常重要的因子。林業(yè)大數(shù)據(jù)多尺度特征主要表現(xiàn)為空間多尺度和時(shí)間多尺度。具體來說，空間多尺度主要是指部分林業(yè)數(shù)據(jù)的表示綜合了地理空間真實(shí)特征和過程。也就是說，由于林業(yè)資源分布廣泛，因此對林業(yè)大數(shù)據(jù)監(jiān)控所產(chǎn)生的林業(yè)大數(shù)據(jù)與空間位置緊密相關(guān)。時(shí)間多尺度主要是指部分林業(yè)數(shù)據(jù)的表示綜合了林業(yè)資源演變的時(shí)間特征。也就是說，林業(yè)資源的生長和消耗有其自身的自然節(jié)律性，因此對林業(yè)資源監(jiān)控所產(chǎn)生的林業(yè)大數(shù)據(jù)與時(shí)間緊密相關(guān)。由于對林業(yè)資源監(jiān)控的周期、要素有所不同，導(dǎo)致了林業(yè)大數(shù)據(jù)具有非常明顯的時(shí)間多尺度特征。

(3)海量特征。林業(yè)大數(shù)據(jù)的海量特征主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是數(shù)據(jù)本身的海量特性。不同于普通的關(guān)系型二維數(shù)據(jù)，林業(yè)大數(shù)據(jù)更多的是二維或者三維的時(shí)空數(shù)據(jù)，比如矢量地圖數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等，這就直接導(dǎo)致了林業(yè)大數(shù)據(jù)本身具有一定的海量特性。另一方面是數(shù)據(jù)來源豐富導(dǎo)致的海量特性。與其他大數(shù)據(jù)類似，林業(yè)大數(shù)據(jù)的來源較為豐富。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3S技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的不斷應(yīng)用，林業(yè)大數(shù)據(jù)的來源和種類不斷增多。同時(shí)，地理位置服務(wù)數(shù)據(jù)、短報(bào)文數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)也已經(jīng)成為林業(yè)大數(shù)據(jù)的重要來源，從而進(jìn)一步增加了林業(yè)大數(shù)據(jù)的來源，使得林業(yè)大數(shù)據(jù)具有明顯的海量特征。

(4)多源異構(gòu)特征。由于林業(yè)大數(shù)據(jù)來源呈現(xiàn)多樣化特征，導(dǎo)致了林業(yè)大數(shù)據(jù)具有明顯的多源異構(gòu)特征。從大的方面來說，林業(yè)大數(shù)據(jù)來源兩個(gè)方面：一個(gè)是與林業(yè)資源密切相關(guān)的渠道，一個(gè)是與林業(yè)資源間接相關(guān)的渠道。其中直接密切相關(guān)的渠道，可以收集到矢量地圖數(shù)據(jù)、遙感影像等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)。而間接渠道主要是從一些新興媒體，社交網(wǎng)絡(luò)、博客等收集到的與林業(yè)資源間接相關(guān)的信息，比如對于林業(yè)資源的評論、林業(yè)輿情等。由于林業(yè)大數(shù)據(jù)來源豐富，而不同數(shù)據(jù)來源中的林業(yè)大數(shù)據(jù)格式有所差異，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)大量并存，同時(shí)數(shù)據(jù)語義表達(dá)也相差較大。

3 林業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用策略

通常來說，林業(yè)業(yè)務(wù)較為豐富，主要包括林業(yè)資源監(jiān)控與管理、綜合營造林管理、森林資源管理、林業(yè)災(zāi)害監(jiān)控以及林業(yè)社會公眾服務(wù)[9]。其中，由于林業(yè)資源監(jiān)控業(yè)務(wù)的開展而形成的林業(yè)資源數(shù)據(jù)能夠?yàn)槠渌麡I(yè)務(wù)的開展提供輔助決策支持，因此，本部分主要探討林業(yè)大數(shù)據(jù)在綜合營造林管理、森林資源管理、林業(yè)災(zāi)害監(jiān)控以及林業(yè)社會公眾服務(wù)等方面的應(yīng)用。

3.1 在綜合營造林方面的應(yīng)用

造林是通過人工方法營造森林的簡稱，是為維持、改進(jìn)和擴(kuò)大森林資源，實(shí)現(xiàn)林業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要手段和措施之一。然而，如何科學(xué)造林，一直是林業(yè)工作者的關(guān)注重點(diǎn)。通常來說，造林不僅需要滿足適地適樹原則，還需要考慮采取措施提高造林質(zhì)量?；诹謽I(yè)大數(shù)據(jù)挖掘，可以為適地適樹原則的貫徹提供支撐，也可以為造林質(zhì)量提高措施的選擇提供指導(dǎo)。

具體來說，基于關(guān)聯(lián)分析能夠挖掘發(fā)現(xiàn)造林地的地形、土壤、氣候、植被等立地因子和適生樹種之間的關(guān)系，對不同立地條件下樹木生長的適宜性進(jìn)行判斷和預(yù)測。比如基于每個(gè)人工造林小班的自然環(huán)境和成活率的數(shù)據(jù)集，采用粗糙集理論進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，能夠探明自然環(huán)境條件與成活率的關(guān)系，從而可以有效預(yù)測目標(biāo)區(qū)域的造林成活率。

在提高造林質(zhì)量方面，需要考慮密度、配置方式、樹種搭配、整地方式等措施。基于林業(yè)大數(shù)據(jù)，采用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，通過對主要造林樹種之間的關(guān)系進(jìn)行定性和定量分析，能夠發(fā)現(xiàn)造林設(shè)計(jì)中整地規(guī)格和其他造林措施之間的關(guān)系、株行距和其他造林措施之間的關(guān)系以及混交比和其他造林措施之間的關(guān)系。

3.2 在森林資源管理方面的應(yīng)用

森林資源信息關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致了森林資源管理與決策較為困難。因而，基于林業(yè)大數(shù)據(jù)，采用交叉分析、關(guān)聯(lián)分析、單因素分析、多因素分析等分析方法，可以很好地理清森林資源各要素之間的綜合關(guān)系，得到一些隱藏在森林資源信息中的潛在、有意義的信息，進(jìn)而為森林資源管理和決策提供支撐。

比如，基于Apriori算法構(gòu)建關(guān)聯(lián)分析的大數(shù)據(jù)模型，分析起源、權(quán)屬、平均胸徑、樹高、年齡和郁閉度之間的關(guān)聯(lián)，從而為優(yōu)良種源選擇提供參考。而基于歷史數(shù)據(jù)挖掘可以發(fā)現(xiàn)在某地區(qū)與特定樹種的生長密切相關(guān)的自然因素或人為管理措施,從而幫助改進(jìn)培育或撫育措施。此外，以森林資源連續(xù)清查樣地的地理坐標(biāo)建立二維坐標(biāo)系，以樣地森林面積和森林蓄積為狀態(tài)向量，應(yīng)用二維Kalman濾波可以實(shí)現(xiàn)對森林資源的動態(tài)預(yù)測，以此研究森林資源動態(tài)。

3.3 在林業(yè)災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急方面的應(yīng)用

林業(yè)病蟲害是危害生態(tài)安全的主要原因之一。通常來說，對森林資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是遏制病蟲害進(jìn)一步發(fā)展的有效措施。但是，由于實(shí)時(shí)監(jiān)控并不能對病蟲害的產(chǎn)生進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，因此本質(zhì)上說實(shí)時(shí)監(jiān)控屬于一種事后措施。然而，通過對病蟲害發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對病蟲害的發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測，是一種事前措施。

具體來說，基于森林地面數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、航空地圖遙感數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)，建立林業(yè)有害生物檢疫預(yù)警模型?；谟泻ι餀z疫預(yù)警模型生成的蟲情預(yù)報(bào)，可以有效地對蟲情輿情進(jìn)行預(yù)防。一個(gè)成功的案例是，由于病蟲害的頻繁爆發(fā)，加拿大地區(qū)的大片森林地區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)大片的樹木枯死區(qū)域。針對此問題，俄勒岡州立大學(xué)的學(xué)者發(fā)起了一個(gè)能夠預(yù)防森林病蟲害的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目，首先通過研究發(fā)現(xiàn)刺激松樹病蟲害爆發(fā)頻繁的因素有很多，例如干旱、森林大火以及天氣變化等，然后采用了最新的數(shù)據(jù)分析工具和算法，以及最新采集整理的數(shù)據(jù)集，利用大規(guī)模并行計(jì)算發(fā)現(xiàn)和修正那些多年來對森林蟲害防治的錯誤認(rèn)識和理解，繪制了詳細(xì)的太平洋西北地區(qū)森林蟲害的歷史地圖，并對森林蟲害的爆發(fā)時(shí)間、性質(zhì)和規(guī)模進(jìn)行了預(yù)測。

3.4 在林業(yè)社會公眾服務(wù)方面的應(yīng)用

林業(yè)公眾服務(wù)主要是向公眾提供林產(chǎn)品、生態(tài)文化產(chǎn)品等信息。在這個(gè)過程中需要關(guān)注兩個(gè)關(guān)鍵問題：發(fā)布什么信息以及發(fā)布對象是誰。其中，在發(fā)布信息方面，需要考慮如何形象地將信息展示給公眾。通常來說，基于林業(yè)大數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，需要進(jìn)行有效的整理和組織才能提供更加直觀的幫助，這里所說的有效組織形式就是所謂的可視化模式，即選擇合適的可視化模式可以將大數(shù)據(jù)分析結(jié)果清晰美觀地展示出來?？梢暬瘜τ诹謽I(yè)大數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的展示具有更加顯著的作用，因?yàn)榱謽I(yè)大數(shù)據(jù)具有時(shí)空性，而可視化技術(shù)可以有效地展示出時(shí)空性，比如具體展示森林資源的空間分布規(guī)律，以及森林資源生長和消亡的演變過程和規(guī)律。

在發(fā)布對象方面，需要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化推薦。林區(qū)群眾每天都能接觸到各種林業(yè)信息，包括林業(yè)政策、林業(yè)市場信息、種植養(yǎng)護(hù)知識等。從資源配置的角度來說，林業(yè)部門應(yīng)該主動、實(shí)時(shí)地將個(gè)性化的林業(yè)信息推送給相應(yīng)的大眾。在個(gè)性化推薦方面，大數(shù)據(jù)發(fā)揮了重要的作用。通常來說，基于林業(yè)大數(shù)據(jù)的個(gè)性化推薦具有兩種分析形式：一種是對所有林業(yè)信息進(jìn)行挖掘，將與某一用戶關(guān)注信息相似的所有其他信息都推薦給該用戶；另一種是對所有公眾的偏好信息進(jìn)行挖掘，將與某一用戶相似的其他用戶的信息推送給該用戶。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來臨，作為生態(tài)行業(yè)的重點(diǎn)，林業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，基于林業(yè)大數(shù)據(jù)的智能化決策將成為林業(yè)管理工作中的常態(tài)，而這種常態(tài)最終將加快“數(shù)字林業(yè)”向“智慧林業(yè)”的轉(zhuǎn)變?？梢哉f，林業(yè)大數(shù)據(jù)是林業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，只有林業(yè)大數(shù)據(jù)得到了有效的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，林業(yè)才能實(shí)現(xiàn)真正的“智慧”。因此，面向林業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，不僅僅是林業(yè)在技術(shù)水平方面的進(jìn)步，更是在發(fā)展理念、發(fā)展方向以及技術(shù)路線等方面的變革，能夠?yàn)槲磥碇腔哿謽I(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯：富春凱

Research on the Connotation and Application Strategy of Forestry Big Data

YU Mao-yuan

(Yunnan Institute of Forestry Survey and Program, Kunming 650051, China)

With the continuous application of information technology such as Internet , 3S and mobile Internet in forestry, forestry resources data and forestry business data have been issued in both the total amount and categories. Discussing the definition of forestry big data based on the definition and characteristics of big data, and four typical characteristics of forestry big data were thoroughly analyzed in detail, including distribution, multi-scale, massive and heterogeneous. On the basis of this, we discusses the application strategy of forestry big data in the afforestation management, forest resource management, forest disaster monitoring and public service.

Big data；Forestry big data；Data mining；Application；Intelligent forestry

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.03.006

2017-03-07

余茂源(1975—)，男，廣西融安人，工程師。研究方向：森林資源調(diào)查規(guī)劃、林業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘。

F29

A

1674-6341(2017)03-0017-03