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應(yīng)對全球氣候變化,支持大規(guī)模荒漠生態(tài)恢復(fù)的機器人集群
  • 作者:張新宇
  • 點擊數(shù):23490     發(fā)布時間:2019-08-24 19:30:00
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全球氣候變化,尤其是土地荒漠化是整個人類面臨的最嚴(yán)峻的危機。我國也有七個荒漠化嚴(yán)重的省份,主要分布在干旱的西北地區(qū),占全國95%的沙化土地。新疆沙化率達到64.34%,寧夏55.8%,內(nèi)蒙古52.2%,甘肅45.12%,青海26.7%。土地荒漠化,導(dǎo)致很多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展落后、貧困人口集聚,甚至?xí)r常誘發(fā)嚴(yán)重的社會和安全問題,已成為制約這些地區(qū)發(fā)展與穩(wěn)定的重要因素。
關(guān)鍵詞:

1 引言

全球氣候變化,尤其是土地荒漠化是整個人類面臨的最嚴(yán)峻的危機。我國也有七個荒漠化嚴(yán)重的省份,主要分布在干旱的西北地區(qū),占全國95%的沙化土地。新疆沙化率達到64.34%,寧夏55.8%,內(nèi)蒙古52.2%,甘肅45.12%,青海26.7%。土地荒漠化,導(dǎo)致很多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展落后、貧困人口集聚,甚至?xí)r常誘發(fā)嚴(yán)重的社會和安全問題,已成為制約這些地區(qū)發(fā)展與穩(wěn)定的重要因素。

除此之外,我國提議并主導(dǎo)的“一帶一路”提議中的“新絲綢之路經(jīng)濟帶”也面臨嚴(yán)峻的生態(tài)問題。尤其是“一帶一路”提議中的四個經(jīng)濟走廊存在嚴(yán)重的荒漠化問題?!靶聛啔W大陸橋”(從中國江蘇連云港到荷蘭鹿特丹),干旱和荒漠遍布沿線;“中蒙俄經(jīng)濟走廊”約400公里路線位于荒漠區(qū);“中國-中亞-西亞經(jīng)濟走廊”路線總長超過6000公里,大約一半位于荒漠區(qū);在“中巴經(jīng)濟走廊”的南段,主要是干旱的荒漠?!耙粠б宦贰毖鼐€的境外部分經(jīng)過的中東、中亞等地區(qū),荒漠化有日益加劇的趨勢。這些區(qū)域內(nèi)的大部分地區(qū)同時面臨經(jīng)濟落后和生態(tài)脆弱的雙重問題,而經(jīng)濟發(fā)展又將對“一帶一路”沿線地區(qū)的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成新的壓力。要順利推進“一帶一路”建設(shè),必須重視土地荒漠化問題,在維持經(jīng)濟快速發(fā)展,遏制沙漠化、治理修復(fù)我國西北地區(qū),甚至修復(fù)“一帶一路”沿線的荒漠化土地是一個艱巨的任務(wù)。但是無論困難多大,必須尋找方法予以解決,因為這是實現(xiàn)綠色“一帶一路”、實現(xiàn)“一帶一路”可持續(xù)可發(fā)展的根本要求。

人工植樹造林是緩解荒漠化,甚至的全球氣候問題的關(guān)鍵和主要手段。如果從微觀的角度看,樹木通過光合作用從空氣中吸收二氧化碳,從泥土中吸收水分,向空氣中釋放氧氣。除了吸收二氧化碳,樹木還能幫助土壤吸收大量的碳。從而可以緩解由二氧化碳聚集而形成的溫室效應(yīng)??茖W(xué)界也普遍認(rèn)為,人工植樹,是目前成本最低且最有效應(yīng)對氣候問題的解決方案。根據(jù)《科學(xué)》和《自然》雜志刊登的最新研究報告,在全球范圍內(nèi),有17億公頃無樹土地,它們可成為1.2萬億棵樹自然生長的地方,這占了全球陸地面積的11%,相當(dāng)于美國和中國陸地加起來的面積。而且,人工植樹可以在不影響城市和農(nóng)作物的情況下完成這件事。根據(jù)調(diào)查研究,全球有6個國家可實現(xiàn)超過一半的森林恢復(fù)潛力,包括俄羅斯(1.51億公頃)、美國(1.03億公頃)、加拿大(7800萬公頃)、澳大利亞(5800公頃)、巴西(5000萬公頃)、中國(4000萬公頃)。如果這些土地能被森林覆蓋,其構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)能夠幫助將全球二氧化碳排放量減少三分之一,從而有效緩解全球變暖造成的危機。

2 荒漠化治理的中國經(jīng)驗與局限

雖然防沙治沙早已列入很過國家的發(fā)展戰(zhàn)略,生態(tài)保護也逐漸成為人類社會的共識,但是由于過度追求經(jīng)濟發(fā)展,荒漠化現(xiàn)狀依然非常嚴(yán)峻,生態(tài)恢復(fù)進程非常緩慢。我國政府在荒漠化治理投入的資金最多,尤其是政府主導(dǎo)的“三北工程”,民間資本和公益基金也廣泛參與,尤其是最近幾年由阿拉善SEE公益機構(gòu)發(fā)起的“一億棵梭梭”項目,聯(lián)合了全社會的力量,如阿拉善盟政府、牧民、合作社、民間環(huán)保組織,希望用十年的時間(2014-2023年)在阿拉善關(guān)鍵生態(tài)區(qū)種植一億棵以梭梭,預(yù)計可以恢復(fù)200萬畝荒漠植被,改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,遏制荒漠化蔓延趨勢。我國政府及民間機構(gòu)正以更大的資金力度支持防治荒漠化。

世界各國也都重視并采用以人工造林(灌木)為主的荒漠化治理方式,也特別重視造林技術(shù)的研究。其中以美國、加拿大、俄羅斯、日本、英國領(lǐng)先。對于林業(yè)栽培技術(shù),包括育種技術(shù)、整地技術(shù)、施肥技術(shù)、造林方法等方面,美國、加拿大等國已有50~60年的經(jīng)驗,并取得相當(dāng)成績。

然而,我們應(yīng)該清楚地意識到,我國荒漠化土地目前依然是年均凈增長的。而且如何在種植1.2 萬億棵樹,以現(xiàn)在的方式和技術(shù)來看,完全是天方夜譚。

在此,我們可以對當(dāng)前植樹造林面臨的幾個關(guān)鍵問題總結(jié)如下:

·現(xiàn)在大部分地區(qū)都是人工植樹,勞動強度大、工作效率低、人工費用高。

·防護植被的存活率極低的問題,其中關(guān)鍵又是“水”的問題?,F(xiàn)實中,經(jīng)常面對的是植樹容易,存活不易。在荒漠地區(qū),即使水源有保證,存活也相當(dāng)不容易,外來樹種,更難存活。

·重植樹,不重維護,缺乏有效監(jiān)控;

這個過程急需高新技術(shù)和可行方案進行支撐,尤其是需要重視將自動化、機器人技術(shù)引入到全球氣候變化,防治荒漠化的國家戰(zhàn)略中。

3 現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

人工傳統(tǒng)穴狀植樹:這種方法最為常見,通過人工挖坑、放苗、填土、澆水完成植樹。該方法易于操作,適合于小批量植樹造林,缺點是人工效率低,且要反復(fù)灌溉,才能保證樹木的成活率。

機械化挖坑機(如圖1所示):近幾年出現(xiàn)的,以拖拉機、挖掘機為動力源,配以液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)土坑挖掘的機械設(shè)備。該設(shè)備一般由動力系統(tǒng)(拖拉機或挖掘機)、液壓系統(tǒng)、機械鉆挖系統(tǒng)三部分組成。這種設(shè)備需要對現(xiàn)有土地進行大面積翻動,這種方式不適合生態(tài)脆弱的荒漠地區(qū)。

沙丘低壓水沖植樹:利用有壓水流在流動沙丘上打孔扦插的造林技術(shù),在造林過程中,以硬質(zhì)管作為水槍,利用有壓水流沖擊在沙丘上形成栽植孔,插入沙柳插條,一次性完成造林及灌溉工作。這種技術(shù)較人工植樹的效率提高十幾倍。這種技術(shù)主要適用于松軟的沙丘。

人工澆水:水分是影響植物成活的關(guān)鍵因素,在降水量低、水資源缺乏的地區(qū)種樹需人工大量澆水。由于土壤滲漏和地表蒸發(fā),漫灌溝灌等方法對水源利用率低;滴管、微噴等方法提高了水資游的利用率,但其應(yīng)用受地形、供水、維護等外在條件的限制,難以在無供水條件、立地困難的地區(qū)應(yīng)用。

透氣防滲砂技術(shù):沙漠里的水分大部分被下滲和蒸發(fā)掉,在樹根底部鋪設(shè)透氣防滲砂,就可以保住下滲的水分保存在下來,節(jié)水75%,提高成活率。這種技術(shù)防水、防滲性能顯著,但往往也會影響植被的根系發(fā)展。

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圖1 國內(nèi)外的一些機械挖坑機

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圖2 國內(nèi)外的一些機械植樹機

4 支持荒漠生態(tài)恢復(fù)的機器人集群

利用智能自動化技術(shù)和機器人技術(shù),將其與荒漠生態(tài)恢復(fù)與重建進行結(jié)合,借鑒工業(yè)自動化的思想,對荒漠造林進行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范、簡化步驟、降低成本、可極大減低荒漠造林的難度,使得荒漠造林更快、更好、更穩(wěn)定。同時利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)監(jiān)控荒漠造林的效果、有助于掌握生態(tài)恢復(fù)的程度,監(jiān)控生態(tài)重建的效果。長遠(yuǎn)地看,機器人技術(shù)及智能控制技術(shù)可以讓千百萬的沙漠植樹機器人、森林看護機器人幫助重建荒漠生態(tài)。

解決方案:采用機器人集群種植,可以實現(xiàn)無人化、規(guī)?;?、全天候工作;配合標(biāo)準(zhǔn)化的免灌溉種植設(shè)備,提供智能監(jiān)控平臺。

優(yōu)勢:將種植效率提高百倍以上;成活率提高至95%以上;實現(xiàn)植被即時定位和觀測。

以下是幾種機器人的概念圖:

(1)挖坑機器人(如圖3所示)

挖掘種植坑是人工植樹最耗體力的工作,挖坑機器人可以替代人工作業(yè),采用無人駕駛行進機構(gòu)、GPS導(dǎo)航、自動挖坑裝置,配備多種鉆頭可適應(yīng)泥土和沙土等不同類型土質(zhì)。采用小型化、輕型化、低成本運載小車,易于組裝、方便部署,對地表土層損傷小,減少對環(huán)境的破壞。

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圖3 挖坑機器人概念圖

(2)放苗機器人(如圖4所示)

將育苗器和節(jié)水自灌溉裝置放置在種植坑中,同時采集并檢測土壤數(shù)據(jù)。存放樹苗和節(jié)水自灌溉裝置,同時該機構(gòu)配備視覺設(shè)備,保證可以將樹苗精準(zhǔn)地放置在坑穴中。同時可以利用攜帶的土壤檢測設(shè)備,在放置樹苗時檢測土壤質(zhì)量,以評估并監(jiān)控樹苗在種下之后適應(yīng)土壤的存活能力。

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圖4 放苗機器人概念圖

(3)澆水機器人(如圖5所示)

灌溉機器人識別種植植被和免灌溉裝置的特征,判斷補水的必要性、并定期澆水灌溉,可大幅提高植被的成活率。在視覺系統(tǒng)的輔助下,為植被和自灌溉裝置進行及時補水。

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圖5 澆水機器概念圖

該機器人集群具有以下特點:

·高效率/高安全性:利用無人駕駛和人工智能技術(shù)將實現(xiàn)智能種植規(guī)劃、可以進行一天24小時、1周7天的全天候規(guī)?;鳂I(yè)。

·低成本/易于部署:機器人成本低、易于生產(chǎn)和組裝、避免使用笨重的拖拉機牽引、易于大規(guī)模部署。

·環(huán)保:采用小型化、輕型的機器人、光伏太陽能驅(qū)動、 對地表土壤損傷小。

·云端監(jiān)控:利用GPS精準(zhǔn)定位、實現(xiàn)云端遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析。

本文涉及的研究項目得到華東師范大學(xué)、華為、百度等合作單位的技術(shù)支持,尤其是得到《支持荒漠生態(tài)恢復(fù)的機器人集群 ——華為海思Atlas DK視覺示范應(yīng)用》立項支持。

參考文獻:

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[7] Crowther,T.W. et al. Mapping tree density at a global scale[J]. Nature, 2015.

作者簡介:

張新宇,華東師范大學(xué)副教授,浙江大學(xué)博士、韓國梨花女大圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實研究中心研究教授、美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校研究科學(xué)家。2013年回國后在華東師范大學(xué)創(chuàng)建“智能機器人運動與視覺實驗室”,“虛擬現(xiàn)實VR/AR創(chuàng)新中心”,研究方向為機器人運動規(guī)劃、計算機視覺、虛擬現(xiàn)實、基于物理的計算機模擬等。2017年創(chuàng)立中國機器人操作系統(tǒng)(ROS)教育基金會,與國內(nèi)外同行共同推進機器人操作系統(tǒng)在中國的宣傳普及與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

摘自《自動化博覽》2019年8月刊

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