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1　引言

全球氣候變化，尤其是土地荒漠化是整個(gè)人類面臨的最嚴(yán)峻的危機(jī)。我國也有七個(gè)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(dá)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(jì)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(jì)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(gè)經(jīng)濟(jì)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(jì)走廊”約400公里路線位于荒漠區(qū)；“中國-中亞-西亞經(jīng)濟(jì)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(jì)走廊”的南段，主要是干旱的荒漠。“一帶一路”沿線的境外部分經(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(shí)面臨經(jīng)濟(jì)落后和生態(tài)脆弱的雙重問題，而經(jīng)濟(jì)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(jìn)“一帶一路”建設(shè)，必須重視土地荒漠化問題，在維持經(jīng)濟(jì)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(gè)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?yàn)檫@是實(shí)現(xiàn)綠色“一帶一路”、實(shí)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)。科學(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(bào)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(gè)國家可實(shí)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(jī)。

2　荒漠化治理的中國經(jīng)驗(yàn)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(hù)也逐漸成為人類社會的共識，但是由于過度追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展，荒漠化現(xiàn)狀依然非常嚴(yán)峻，生態(tài)恢復(fù)進(jìn)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(jī)構(gòu)發(fā)起的“一億棵梭梭”項(xiàng)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(shí)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(jì)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(jī)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(yàn)，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(gè)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(qiáng)度大、工作效率低、人工費(fèi)用高。

·防護(hù)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(shí)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(hù)，缺乏有效監(jiān)控；

這個(gè)過程急需高新技術(shù)和可行方案進(jìn)行支撐，尤其是需要重視將自動化、機(jī)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(diǎn)是人工效率低，且要反復(fù)灌溉，才能保證樹木的成活率。

機(jī)械化挖坑機(jī)（如圖1所示）：近幾年出現(xiàn)的，以拖拉機(jī)、挖掘機(jī)為動力源，配以液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)土坑挖掘的機(jī)械設(shè)備。該設(shè)備一般由動力系統(tǒng)（拖拉機(jī)或挖掘機(jī)）、液壓系統(tǒng)、機(jī)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(jìn)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(hù)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。

圖1 國內(nèi)外的一些機(jī)械挖坑機(jī)

圖2 國內(nèi)外的一些機(jī)械植樹機(jī)

4　支持荒漠生態(tài)恢復(fù)的機(jī)器人集群

利用智能自動化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，將其與荒漠生態(tài)恢復(fù)與重建進(jìn)行結(jié)合，借鑒工業(yè)自動化的思想，對荒漠造林進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)器人、森林看護(hù)機(jī)器人幫助重建荒漠生態(tài)。

解決方案：采用機(jī)器人集群種植，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)植被即時(shí)定位和觀測。

以下是幾種機(jī)器人的概念圖：

（1）挖坑機(jī)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(jī)器人可以替代人工作業(yè)，采用無人駕駛行進(jìn)機(jī)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(yùn)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。

圖3 挖坑機(jī)器人概念圖

（2）放苗機(jī)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(shí)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(shí)該機(jī)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(shí)可以利用攜帶的土壤檢測設(shè)備，在放置樹苗時(shí)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。

圖4 放苗機(jī)器人概念圖

（3）澆水機(jī)器人（如圖5所示）

灌溉機(jī)器人識別種植植被和免灌溉裝置的特征，判斷補(bǔ)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(jìn)行及時(shí)補(bǔ)水。

圖5 澆水機(jī)器概念圖

該機(jī)器人集群具有以下特點(diǎn)：

·高效率/高安全性：利用無人駕駛和人工智能技術(shù)將實(shí)現(xiàn)智能種植規(guī)劃、可以進(jìn)行一天24小時(shí)、1周7天的全天候規(guī)模化作業(yè)。

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

·環(huán)保：采用小型化、輕型的機(jī)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(shí)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(xiàng)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(jī)器人集群 ——華為海思Atlas DK視覺示范應(yīng)用》立項(xiàng)支持。

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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(shí)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(jī)器人運(yùn)動與視覺實(shí)驗(yàn)室”，“虛擬現(xiàn)實(shí)VR/AR創(chuàng)新中心”，研究方向?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃、計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)、基于物理的計(jì)算機(jī)模擬等。2017年創(chuàng)立中國機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）教育基金會，與國內(nèi)外同行共同推進(jìn)機(jī)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