林业物联网发展与应用

张旭 首席专家、研究员

中国林科院资源信息所 zhangxu@ifrit.ac.cn

主要内容

一.物联网涵义

二.物联网发展现状

三.中国林业物联网发展框架设计

四.林业物联网应用

一.物联网涵义

“物联网”一词最早由美国麻省理工学院 Auto-ID实验室于1999年提出，当时只是定义为把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来， 以实现物品的智能化识别和管理。

2005年，国际电信联盟（ITU）发布了以物联网为标题的年度报告。

2009年以来，随着国家出台物联网发展规划，我国各级政府和行业部门积极性很高，也陆续出台了许多规划，实施了一批示范项目。

一.物联网涵义

利用条码、射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。

全面感知 可靠传送 智能控制

IOT基本理论模型

智能卡

条形码

二维码

GPS

传感器技术

网关设备

近距离 通信

因特网 跟踪定位

高速 数据 网络

二.总体发展现状

2011年，我国物联网产业规模超过2600亿元（不含应用

层），2012年我国物联网产业市场规模达到3650亿元，比

2011年增长了38.6%，预计2013年我国物联网市场规模将

达到4896亿元。

2013年2月，国务院发布了《关于推进物联网有序健康发

展的指导意见》。

物联网带动了智慧城市建设。2013年1月29日住房和城乡

建设部公布了包括北京市东城区、江苏省无锡市、浙江省

温州市等 90 个城市（区、镇）为首批国家智慧城市试点。

二.总体发展现状

物联网也带动了交通、环保、农业等产业的升级。

围绕北京国家现代农业科技城建设，北京市科委于2011年启动实施了“农业

物联网关键技术集成与应用示范”重大项目，支持国家农业信息化工程技术研究中心等单位在农产品流通领域应用示范。

2013年7月，复旦大学信息科学与工程学院院长郑立荣课题组实现具有自主知

识产权、低功耗、智能化、多源感知物联网节点，研制创建了国内首个云平

台“智能稻草人”，通过物联网技术实现对农作物生长环境综合信息进行智能监测，是集农作物种植环境信息数据采集、存储、传输和管理于一体的，无人值守的农业综合信息智能监测系统，已在30多家农产品生产企业投入使用。

2013年5月农业部发布《农业物联网区域试验工程工作方案》，选择有一定工作基础的天津、上海、安徽三省市率先开展试点试验工作。

2013年8月，国务院日前印发的《关于加快发展节能环保产业的意见》提出未

来三大目标，即产业技术水平显著提升、国产设备和产品基本满足市场需求、辐射带动作用得到充分发挥，使得环保物联网行业得到深入发展的机遇。

二.总体发展现状

最近两年中国整体信息化水平的国际排名在下降。根据2013年4月10

日世界经济论坛发布的《全球信息技术报告》，在全球 144 个经济体

中，中国排名下降了7位，降至第58位。事实上，在2011年之前的报

告中，中国的排名一直处于上升的态势，2011年，中国名列第36位，

比2006年的59位上升了23位，是5年内进步最快的前10个国家之一。

从2012年开始，中国的排名开始出现下降的势头，下降至第51位。

中国网络就绪指数基础设施和数字内容的分类指数排名靠后（第83

位），这主要是由于互联网基础设施未得到充分发展，特别是一些农

村地区，不能享受到与城市中心区同等的技术发展利好。而在实际的

ICT使用方面，中国的互联网普及率仍很低，每百人中仅有12人是固定

宽带订户。

二.总体发展现状

上述报告的意义在于提醒我们，近年我国物联网的概念虽热，但可用

的成果还非常有限。

国务院于2013年8月19日发布了《“宽带中国”战略及实施方案》，

提出“到2020年，我国宽带网络基础设施发展水平与发达国家之间的

差距大幅缩小，宽带网络全面覆盖城乡，固定宽带家庭普及率达到

70%，3G/LTE用户普及率达到85%，行政村通宽带比例超过98%”。

尚普咨询在《2013-2016年中国物联网行业市场前景与投资价值分析报

告》中指出的瓶颈问题包括技术转化不足、规模化应用不多，应用方

面还处于初级的传感器层面和几个典型的示范项目上，并未实现真正

的智能化。

物联网作为大数据应用，必须在“棱镜事件”背景下考虑信息安全问

题。

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（一）国际林业物联网发展现状

2011年，美国启动大陆尺度国家生态观测站网络计划，研

究从区域到大陆尺度的重要生态问题。“网络计划”基于

传感器网络和卫星遥感技术，部署了一个由约15000个传

感器和若干个空间卫星节点组成的“天地一体”观测网络，

为科学家在今后的至少30年里大范围地收集包括土壤、水、

植物以及小型哺乳动物在内的500个大类的生态环境数据，

供土地利用和碳汇监测等分析使用。

美国农业部(含林务局)精简 IT 基础设施，基于云计算和通

信协同整合了21个独立的电子邮件系统，以提高工作效率。

（一）国际林业物联网发展现状

欧盟的物联网应用大多围绕RFID和M2M展开，如把物联网

技术应用于动物养殖、保护的动物电子身份证，可用于实

时、准确、可掌控、可追溯的木材监管的木质标签技术等。

日本的物联网叫做泛在网络，已经应用于林业生产的多个

方面，如景区电子导游系统可实现多国语言语音讲解，

“鸟（兽）害对策支持系统”可辅助农民驱赶野生动物，

防止农作物遭野生动物破坏或啃食，产品追溯系统可实现

对农林产品流通管理和个体识别等。

（二）国内林业物联网发展现状

基础研究

应用研究

工程项目

人力资源

（二） 国内林业物联网发展现状：基础研究

林业物联网的基础理论研究取得较大突破，其主要标志就是林业院校承担了

国家重要的973项目和国家自然科学基金重点项目。

浙江农林大学周国模教授承担了北京邮电大学马华东教授主持的973项目物联

网体系结构基础研究（2010.9-2015.9）第5课题物联网验证平台和碳平衡监测

应用示范。

国家自然科学基金委信息学部组织开展了“面向碳排放与碳汇监测的大规模

无线传感网理论与关键技术”重大项目，项目围绕“大规模资源受限型无线

网的组网、定位和诊断”和“海量进化型感知数据的认知和管理”两大科学

问题，通过多学科交叉研究，构建具有国际领先水平的开放共性实验平台，

促进无线传感网基础理论、关键技术与规模化应用的有机结合，力争在综合

实验平台和典型应用示范中实现传感网系统总规模达到上万个节点、网络覆

盖面积超过100平方公里，以无线多跳自组技术实现10跳以上数据收集，单基

站传感子网最大控制节点数超过1000个节点。项目从2012年1月开始，到2016

年12月结束，经费2000万元。

（二） 国内林业物联网发展现状：应用研究

林业物联网方面的应用研究近年逐渐多起来，总体上比较零散，深度与广度与农业、环保等领域的研究与应用相比仍有较大差距。

国内林业物联网研究比较多的领域是无线传感器网络、无线射频识别等技术的应用，涉及较少的是表示物体和信息处理与控制（例如云计算等）的智能技术。

这其实有一个渐进的过程，无线传感器网络、GPS和北斗网络、遥感

等属于感知物体（例如包括树木、动物位置及类别等信息）的技术，对于林业资源管理不可缺少；无线射频识别技术属于标识物体的技术，主要用于产品供应链的管理，在林产品产业中有较大应用潜力；这两类技术是林业物联网发展初期需要重点突破的。

智能信息处理技术是在林业物联网已获得大数据的基础上进行更自动化、更高层次应用必须依靠的手段。

（二） 国内林业物联网发展现状：工程项目

各地有许多林业物联网方面的项目，既有整合各种技术的综合应用，也有单项技术对原有业务流程的改进。

2011年，国家发改委和工信部、财政部等部门联合推进十个首批物联网示范工程，其中就有智能林业物联网应用示范,其主要建设内容是基

于下一代互联网、智能传感、宽带无线、卫星导航等领域的先进技术和产品，构造天网、地网、人网和林网一体化感知体系，对接智慧森林平台，形成“感知生态 智慧森林”四网一平台大系统，实现对森林

火灾、乱砍滥伐和不合理开发利用等的全面、实时和系统监控，为实现林业“双增”目标提供有力支撑。吉林森工集团、江西省林业厅作为我国林业物联网首批应用示范单位，将分别开展森林资源安全监管与服务物联网应用示范工程和森林旅游安全监管与服务物联网应用示范工程。

2013年5月9日，中国第一片“智慧森林”正式建成。

（二）国内林业物联网发展现状：工程项目

湖南、河南、山西等省已开始应用电子办证系统对木材采伐证、运输证等证件进行管理；吉林森工集团采用电子标签、电子货票记录覆盖木材采伐、运输、检尺到检验交接等各个环节，实现木材生产、流通的有效监管。

3S技术已经广泛应用于一、二类森林资源调查中，通过高光谱、激光雷达、合成孔径雷达等传感器获得的数据，增强了森林的生物量和碳储量估算估测能力。

北京、辽宁、湖南等多个省区已建立了覆盖全省的林火视频监控系统，成为森林防火的“千里眼”、“顺风耳”。中国移动天眼工程于2010年5月在黑龙江伊春市投入使用，到2013年已运行三年，每天24小时实时监控红星、友好、乌伊岭等林业局85余万公顷森林，实现了监测全天候运转、全方位覆盖及全视角透视。

江西省将全省所有的木材检查站全部接入林业专网，再通过“全球眼”平台和二维码读取设备，对木材执法检查情况进行远程监控。

可可西里、青海湖等自然保护区逐步实现了通过视频监控技术对周边地区野生动物的种群数量、繁衍活动和迁徙动向开展监控。

（二） 国内林业物联网发展现状：人力资源

2009年12月，南京林业大学物联网研究中心依托南京林业大学信息科技学院成立，院长

刘云飞教授为负责人，他们与南林大环境学院胡海波教授课题组合作，基于WSN对中山

陵风景区生态环境进行智能监测。通过杨树人工林生态系统生物多样性监测物联网项目，在100亩杨树林里持续5年监测树木生长温湿度、光照、酸碱度等7项指标。

2010年12月26日，由浙江农林大学和清华大学牵头，香港科技大学、西安交通大学、美

国伊利诺伊理工大学、北京邮电大学、新加坡南洋理工大学、燕山大学、杭州电子科技大学等7所高校共同参与建设的“低碳与物联网技术联合实验室”，正式在浙江农林大

学成立，对无线传感网、物联网在林业生态监测、碳汇碳排放测量等方面展开全方位基

础理论和应用研究；目前已在杭州天目山部署了世界上规模最大、连续运行时间最长的无线传感网系统——“绿野千传”。实验室还将建立世界公认领先的高精度碳汇监测标

准。主任由清华大学博士生导师刘云浩教授担任，学术委员会主任由浙江农林大学校长周国模教授担任，中国工程院的孙家广院士担任实验室的首席咨询专家。

2011年，北京林业大学开设了物联网方面的专业。

中国林业科学研究院资源信息研究所的王雪峰副研究员2011年4月出版了《林业物联网

技术导论》是我国第一本林业物联网方面的研究专著，书中以原野服务器为主线，提出

了结合计算机视觉技术获得林木测树因子的方法，详细讲述了传感器与定标、无线网络传输、后端图像与文本数据应用等。

（三） 林业物联网发展趋势

物联网是新一代信息技术的高度集成和综合运用，具有渗透性强、带

动作用大、综合效益好的特点，对提高国民经济和社会生活信息化水

平，提升社会管理和公共服务水平，带动相关学科发展和技术创新能

力增强，推动产业结构调整和发展方式转变具有重要意义。

我国已将物联网作为战略性新兴产业的一项重要组成内容。

林业信息化是国家信息化的重要组成部分，是支撑现代林业大厦的三

大支柱之一，是消除“数字鸿沟”、破解“三农问题”的关键领域，

也是物联网应用的重要潜在领域。

2011年，国家林业局被列为首批国家物联网应用示范部委之一。

（三） 林业物联网发展趋势

2013年8月19日，国家林业局印发加快林业信息化发展指

导意见。

2013年8月26日， 国家林业局关于印发《中国智慧林业发

展指导意见》的通知。

2013年8月27日，在吉林长春举办的第三届全国林业信息

化工作会议上，中国林业网移动客户端正式上线、 美丽中

国网正式上线运行、中国信息林网站正式上线运行 、中国

林业数据云启动。

（三） 林业物联网发展趋势

2012年到2013年国家林业局信息办组织编写了《中国林业

物联网发展规划（2013—2020年）》，分析总结国内外林

业物联网发展现状及趋势的基础上，针对我国林业实际情

况，提出了当前和今后一个时期林业物联网发展的指导思

想、基本原则、发展目标和建设任务，确定了15项重点物

联网应用工程。

规划将对推动物联网在全行业的规模化应用，促进林业发

展阶段由数字林业向智慧林业跨越发挥重要作用。

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三. 中国林业物联网发展框架设计

（2013—2020年）

• 发展现状 需求分析 发展趋势 第一章 形势分析

• 编制依据 指导思想 基本原则 总体架构 计划期限 发展目标

第二章 基本思路

• 九大建设任务 第三章 建设任务

• 十五项重点工程 第四章 重点工程

• 统筹协调 宏观引导 交流合作 资金投入 信息安全 监测评估 第五章 保障措施

• 生态效益 经济效益 社会效益 第六章 效益评价

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• 提高林业资源调查、监管的效率和精度，提升对破坏林业资源行为的监测防控水平，加强对进出口木材、珍稀濒危野生动植物及其产品等的有效监管，依法打击各类违法违规行为，有效保护林业资源 。

林业资源监管

• 有效提高森林防火、森林病虫害防治、沙尘暴监测预警、野生动物疫源疫病监测防控、外来物种入侵监测防控等的信息采集、传输和分析决策能力，降低这些灾害造成的损失。

林业灾害监控及应急响应

• 可以进行森林碳汇监测以及气象、空气质量等生态因子监测。

• 加强对林业重点生态工程生态效益的监测，以及对森林、湿地等生态系统生态服务功能的监测与价值评估，提高生态监测的实时性、全面性、准确性和可靠性。

生态工程监测

• 温湿度、光照强度、电子标签、条码等技术在植物新品种保护、林木种质资源保护、林产品溯源、林木花卉良种监管、林产品质量监管、森林认证、林业知识产权保护、野生动植物及其产品贸易、生态旅游安全监管与服务等领域有着广阔的应用空间。

林业产业发展

（一） 林业物联网应用领域

林业资源主要包括森林资源、湿地资源、荒漠资源和野生动植物资源。在林业

资源监管中引入以物联网为代表的新一代信息技术，有利于改进监管手段，

创新监管模式，提高监管效能，提升林业资源的数量和质量。

一、林业资源调查与监测

二、林业资源管理

三、珍稀濒危野生动物野化放归

（二）重点建设任务

（1）林业资源监管物联网应用

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营造林管理主要涉及种质、种苗资源的保护、保存、培育以及造林、森林抚育等

的管理。在营造林管理业务中应用物联网技术，有利于林木良种的选、引、育、

保、推，提高营造林质量和效益。

一、林木种质资源保护与保存。

二、林木种苗培育及调配。

三、营造林管理与服务。

（2）营造林管理物联网应用

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林业灾害主要包括森林火灾、林业有害生物灾害（森林病虫害、外来物种灾害）、

沙尘暴、陆生野生动物疫源疫病四大类，其他的还有低温雨雪冰冻灾害、风灾、

雹灾、地震、滑坡、泥石流等。

一、森林火灾监测预警与应急防控。

二、林业有害生物监测预警与防控。

三、沙尘暴监测和预报预警。

四、陆生野生动物疫源疫病监测预警。

（3）林业灾害监测预警与应急防控物联网应用

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林业生态监测主要指对森林、湿地、荒漠三大陆地生态系统的有关指标进行连续

观测，进而评估生态系统的健康状况、生态服务功能和价值，并为天然林资源保

护、湿地保护与恢复、荒漠化和沙化防治、碳汇造林等林业生态工程建设与管理

提供支持。

一、陆地生态系统监测与评估。

二、森林碳汇监测与评估。

（4）林业生态监测与评估物联网应用

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林业是一项重要的公益事业，也是一项重要的基础产业。物联网技术在森林

旅游、花木培育、林产工业、林下经济发展等方面都有广阔的用途。

一、森林旅游安全监管与服务。

二、花木培育和林下经济。

三、林业资源开发利用相关权证的管理。

（5）林业资源合理开发利用物联网应用

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应用物联网等新一代信息技术，建立林产品信息集中发布平台和预测预警系统，加强

林产品质量检测、监测和监督管理，是林业部门的一项重要职责，是生产企业的一项

社会责任，也是国家切实维护林产品生产者、经营者、消费者合法权益的重要手段。

一、林产品认证和溯源。

二、林产品质量安全检测认证。

（6）林产品质量安全监管物联网应用

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一、林业物联网产业技术创新联盟建设。

二、林业物联网技术研发中心建设。

三、林业物联网产品中试基地建设。

（7）科技创新体系建设

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结合物联网关键技术及设备研发和工程建设，研制林业物联网体系结构系列

标准、林业物联网传感设备系列标准、林业物联网移动终端系列标准、林业

物联网组网设备系列标准、林业物联网数据规范系列标准、林业物联网服务

支撑系列标准、林业物联网信息安全系列标准、林业物联网工程建设系列

标准等，形成以国家标准和行业标准为主体、地方标准和企业标准为补充

的林业物联网标准规范体系。

（8）标准规范体系建设

“十二五”时期，依托国家级第三方测试认证机构，建立1个林业物联网

综合检测认证中心，开展林业物联网产品及软件系统的质量、安全、可靠性、

标准一致性等方面的检测认证工作。同时切实执行国家和行业现有安全管理

制度和标准规范，使信息安全建设和工程建设同步规划、同步设计、同步施工、

同步应用。“十三五”时期，着力制修订一批林业物联网信息安全制度和

运维管理制度，加强相关人员能力培训，促进林业物联网安全、健康、有序发展。

（9）安全管理体系建设

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（三） 林业物联网建设重点工程

森林资源综合监测物联网应用工程

森林生态系统定位监测物联网应用工程

森林碳汇监测物联网应用工程

国际重要湿地监测物联网应用工程

森林火灾监测预警与应急防控物联网应用

工程

林业有害生物监测预警与防控物联网应用

工程

陆生野生动物疫源疫病监测预警物联网应

用工程

珍稀濒危野生动物圈养监管及野化放归物

联网应用工程

林木种质资源保护与保存物联网应用工程

林木种苗设施培育物联网应用工程

木材采存运销监管物联网应用工程

林产品认证及质量监管物联网应用工程

森林旅游安全监管与服务物联网应用工程

林业综合执法物联网应用工程

林业物联网关键技术研发及产业化工程

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四. 林业物联网应用

林业 物联网

智能感知

数据传输

信息处理

服务应用

（一）无线智能传感器

林木二维码标签、权证二维码标签、可读写RFID专用标签及信息采集设备

野生动植物生物特征鉴别、声音、位置等传感器

林业生态监测用大气、光辐射、碳汇计量、土壤、水等传感器

林业资源调查用林木生长（树高、胸径、林冠、材质等相关因子）、立地条件、健康状态等传感器

上述传感器均须满足低成本、低功耗、微型化、长效、可靠等要求，适用于野外恶劣环境。

（一）无线智能传感器

通过无线传感器网络技术的应用，可实现对保护区的自然

生态环境、野生动植物资源、人为活动、社区等监测对象

变化状况的及时感知，从而快速掌握到保护区内部的第一

手资料。

（一）无线智能传感器-自组网图像采集

记录形式 和传送途径 照相机、摄像机本地记录，图像信息传送中心并由中心记录与处理

（一）无线智能传感器-自组网图像采集

（一）无线智能传感器-自组网图像采集

（一） 无线智能传感器-自组网昆虫图像采集

主节点

自组网昆虫图像采集系统

接力单元

电台中继单元

各采集点到中心RF通讯距离约：3000M

天线置于室外

信息中心

可能通过外网与各上级管理部门的联系

交换机

网关

服务器

采集点最大数量 31台

昆虫图像采集器

诱虫黑光灯

采集器安装托板

落虫孔

采集器

相机水平风机

昆虫 昆虫托盘

落虫孔

数传电台

相机

（从采集器托板下向上看）

A-A

视图

A-A 视图

昆虫图像采集器

采集器

系统组成：

l 昆虫图像采集器；

l 自组网数传电台；

l 电台中继单元；

l 中心信息平台；

（一） 无线智能传感器-动物定位项圈

野生动物定位与跟踪，定位信息实时回传，在服务器端或任意可上网终端显示实时位置及活动轨迹。

（一）无线智能传感器-生境监测

生境监测 有助于理解保护生物的生物学特性

掌握种群分布适宜性

更好的保护濒危物种

规范人与保护生物之间的交互

指导保护区区划设计与管理

可实现各种生态环境信息采集：

•土壤温湿度

•大气温湿度 •光照 •风速 •风向 •CO2

•蒸发量 •负氧离子等

太阳能板

风速传感器

风向传感器

各型采集单元

太阳能电源系统

采集单元 FIC-13A/B/C/D/E（某前端采集点 采集单元配置举例）

（一） 无线智能传感器-动物声音采集

动物声音采集及分析

•种群结构（年龄结构、性比）

•声音的功能性

•声景生态学:获得鸣声指数(Acoustic Index),代表一种新的生物多样性指标，为声景生态学(SoundScape)研究提供重要数据支持。

（二） 新一代无线通信技术

新一代移动通信网络（4G）是融合多种技术的新型宽带移

动通信网络。它通过解决网络系统应用中的便易性、多媒

体业务、个性化、综合服务等问题，使用户能够随时、随

地以任何方式实现通信，并具有远高于第三代移动通信系

统的高速数据传输能力。

以4G为核心的行业无线专网技术具有无线宽带覆盖、多业

务融合、低成本、安全、可控等特点，可以突破保护区普

遍存在的公网覆盖盲区以及通信服务质量没有保障、不能

满足大数据量信息回传、通信成本高等困扰保护区信息化

发展的难题，是解决保护区信息化最后“一公里”问题的

最佳方案。

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（二） 新一代无线通信技术-无线专网

LTE无线网络在保护区的应用探讨

自然保护区应用三个需求

地理位置偏

防护区域广阔

保护对象重要

公共网络覆盖差

人力、设备部署难

保护责任大

o 专网部署、保障质量。

o 视频监控、提高效率。

o 移动架设、灵活部署

o 宽带可视、移动监控。

o 实时定位、全面掌控。

eLTE宽带多媒体集群

（二） 新一代无线通信技术-无线专网

eLTE

视频监控 数据采集 精确位置 应急通信 专业集群

森林管护、林政执法、野生动植物保护、样地监测、林火预警监测、生态环境监测、应急指挥、生产管理

高带宽 DL 100Mbps, UL 50Mbps

高速性能 > 430Km/h

广覆盖 > 25KM

专业集群，一呼百应

呼叫建立< 300ms

可视调度

业务融合

一网多用、平战结合

（二） 新一代无线通信技术-无线专网应用

生境监测数据

语音、视频

巡护信息

视频信息

位置信息与体温、脉搏、呼吸频率等生理状况

照片

保护站

业务信息

（三） 自然保护区监测物联网

信息接收平台

设备点位布置示意图

林区山体阻挡电台通讯

林区山体

林区山体

主网关置于能获得公网通讯

的合适位置二级网关

置于各组采集点中心位置

二级网关置于各组采集点中心位置

二级网关置于各组采集点中心位置

采集单元

采集单元

采集单元

RF

保护区管理站

采集单元

采集单元

采集单元

公网

RFRF

RFRF

RF

RFRF

RF

RF

RFRF

RF

公网基站

采集单元

接力单元

公网

主网关FIC-11

二级网关FIC-12

森林信息采集单元FIC-13

（三） 自然保护区监测物联网-神农架案例

（三） 自然保护区监测物联网-神农架案例

（三） 自然保护区监测物联网-神农架案例

谢谢，请提宝贵意见。