《International Journal of Forest Engineering》：Digitizing tree marking operations: a comparative field performance evaluation of the RFID technology for timber traceability
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将数字技术整合到森林管理中，是改善木材可追溯性（timber traceability）并支持可持续森林作业的一种颇具前景的途径。在这些技术中，射频识别（radio frequency identification，RFID）系统被认为是监测和管理森林资源最有
将数字技术整合到森林管理中，是改善木材可追溯性（timber traceability）并支持可持续森林作业的一种颇具前景的途径。在这些技术中，射频识别（radio frequency identification，RFID）系统被认为是监测和管理森林资源最有效的解决方案之一。然而，在作业性森林条件下对RFID应用进行长期现场验证的研究仍然有限。基于一项为期两年的田间试验，本研究评估了RFID技术作为数字化工具在树木标记作业中用于木材可追溯性、采伐监测和非法采伐预防的性能与可靠性。试验在罗马尼亚穆列什县伦卡布拉杜伊林区（Lunca Bradului Forest District）东喀尔巴阡山脉以云杉、冷杉和山毛榉为主的混交林中开展。研究采用人工插入和气动插入两种安装方式，共为184棵树配备了RFID标签。监测结果表明，RFID标签在真实条件下具有长期作业稳定性，证实了其适用于树木识别和可追溯性应用。对比评估凸显了两种安装方法在设备适应森林特定环境条件方面的可行性。研究结果表明，RFID技术可通过改善木材可追溯性、采伐控制和木材供应链透明度，显著支持森林管理数字化。然而，大规模实施仍需进一步优化作业规程，以实现其在森林管理体系中的实际部署。
论文解读
一、研究背景与问题
木材可追溯性已成为现代森林治理中的首要议题，尤其是在木材供应链合法性、透明度和可持续性监管要求日益严格的背景下。树木标记是木材进入经济流通环节的第一个作业阶段，构成了从采伐地到工业加工全流程木材流监测的基础。因此，树木标记系统的现代化被日益视为木材价值链数字化的重要组成部分。
在罗马尼亚等林业监管高度严格的欧洲国家，树木标记由授权林业人员使用注册林业锤强制实施。然而，传统标记方法存在多重作业限制：标记逐渐退化、数据整合能力有限、难以确保供应链全程的高效可追溯性。实践中，这些局限可能导致现场识别过程不一致，并降低采伐木材信息的准确性。
数字识别技术为改善林业可追溯性和作业透明度提供了 promising 工具。RFID系统能够在无需直接视觉接触的情况下实现标记对象的自动识别和监测，为木材追踪应用提供了显著潜力。然而，现有研究主要聚焦于木材材种和供应链物流，直接在立木上安装RFID标签并在真实森林条件下评估其作业性能的研究相对较少。在罗马尼亚，尽管已建立高度规范的木材可追溯框架且立法趋向数字林业解决方案，但RFID技术用于树木标记的实证研究仍然有限。
本研究正是在这一背景下展开，旨在调查RFID技术在作业性森林条件下用于树木标记的适用性，基于在罗马尼亚开展的为期两年的试验研究，涉及在预定采伐立木中安装和监测RFID标签。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员在罗马尼亚东喀尔巴阡山脉穆列什县伦卡布拉杜伊林区开展试验，试验林分为4.26公顷的云杉、冷杉和欧洲山毛榉混交林，海拔950至1050米，平均坡度25°，西北坡向。2023年5月，研究人员对184棵树进行了标记，其中51棵使用SH/08-100RF标签配合气动插入装置，133棵使用Smart Nail-RFID标签配合手动插入装置。标签识别使用Chainway C72手持阅读终端，发射功率30 dBm（500 mW），采用ISO 18000-6C协议和ETSI标准工作模式，频段865-868 MHz。
研究采用的主要关键技术方法包括：两种RFID标签安装系统（手动机械系统和气动系统）的对比评估；现场数据采集协议涵盖作业变量（标签应用时间、代码读取和数据记录时间）、空间读取变量（读取距离和位置）、完整性变量（抗拔出性和机械损伤）以及环境和干扰变量；2024年4月（安装后约12个月）和2025年2月（安装后约21个月）的两次标签功能复评；树脂积累影响的亚样本分析（70棵云杉树，按覆盖率分为少量<25%、中量25%-75%、大量>75%三类）；统计分析采用Kruskal-Wallis检验评估树脂积累类别间差异，配对t检验比较夏季与冬季读取距离的季节差异，显著性水平设定为α=0.05，所有分析在R环境（版本4.4.3）中完成。
三、研究结果
各系统作业时间
2023年共标记184棵树，总材积300 m3。传统标记总作业时间4.76小时（93秒/棵），RFID标记总作业时间6.44小时（126秒/棵）。传统方法比RFID标记效率约高36%，差异主要归因于数字标签准备和应用及代码读取率验证所需的额外步骤。然而，RFID标记时间表现出较高变异性，受森林植被密度和林分可达性等因素影响。
不同时间间隔的RFID标签读取距离
所有标签在插入后立即完全功能正常。Smart Nail-RFID标签在90°角（切向和垂直方向）的水平读取距离为0.6至1.0米，在45°角垂直读取距离为0.2至0.5米。阅读器未检测到树干对侧的标签信号。SH/08-100RF标签的读取距离为0.8至3.5米，读取角度在水平和垂直平面均超过90°。
夏季Smart Nail-RFID平均读取距离0.88米（95% CI: 0.81-0.95米），冬季降至0.69米（95% CI: 0.63-0.75米），配对t检验确认差异显著（t=4.2, p<0.001）。SH/08-100RF模型在生长季平均读取距离1.36米（95% CI: 1.13-1.59米），冬季降至0.93米（95% CI: 0.75-1.10米），季节差异同样显著（t=2.98, p≈0.004）。
机械完整性与装置性能
手动插入装置操作精度不足时，标签可能完全或部分嵌入树木，或因固定机构冲击而遭受上部机械损伤。试验中有3个Smart Nail-RFID标签因手动插入装置操作不当而被毁。木材表面不规则可能导致标签插入后结构变形。拔出测试中，Smart Nail-RFID标签无法用标准钳子从树上移除；SH/08-100RF模型的外部天线易被切断，但即使浅层插入的标签也能抵抗完全手动拔出。
气动装置在5-7 bar工作压力下正常运行。低于5 bar时标签浅层插入且易被移除；高于7 bar时标签天线在应用过程中被剪切或完全毁坏。在茂密下层植被和陡峭不平地形条件下，辅助配件（软管、CO?气瓶）和装置重量（2.27 kg）阻碍了现场机动性，操作员体力消耗远大于手动装置。
环境和作业因素对RFID功能的影响
陡峭地形条件下偶尔需将标签应用于暴露的树根部分，标签倾向于切向穿透树皮下。高木材含水量虽未妨碍识别，但将读取距离限制在0.2米。欧洲山毛榉中标签比挪威云杉更易穿透，但读取距离较短。某些树木的标记面含水量较高，导致读取距离缩短至0.3-0.6米。直接应用于树皮而未预先开标记面的Smart Nail-RFID标签读取距离为1米，但插入点的视觉识别明显更困难。
一年后的长期RFID功能
2024年4月现场识别出184棵标记树中的180个功能标签和4个非功能标签。133个手动插入的Smart Nail-RFID标签中130个保持功能，3个未响应读取信号。51个气动插入的SH/08-100RF标签中仅1个失效，其两根天线在现场识别时已被剪切断裂。
树脂积累对RFID读取性能的影响
对70棵针叶树亚样本的分析显示，整体读取距离范围为0.1至2.0米，低和高沉积量树木的全局均值为0.80米，中沉积量树木中位数为0.6米。Kruskal-Wallis检验结果表明，三种树脂沉积类别间的读取距离差异不显著（χ2=1.802; df=2; p=0.406），效应量可忽略（η2≈0.00）。树脂积累在调查条件下未显著影响RFID读取性能。值得注意的是，大量树脂沉积遮蔽了针叶树干上的传统油漆标记和树皮标记面，而RFID标签在树脂覆盖条件下仍保持功能。
冬季作业性能
2025年2月最终评估中，184棵初始标记树中成功定位174棵，其中169棵携带功能标签，5棵非功能。3个非功能标签此前已记录，通过RFID代码的库存编号识别对应树木。2棵Smart Nail-RFID标记树被发现连根拔起且树桩区域被深雪覆盖，多次查询尝试均未获得响应。SH/08-100RF模型大部分标签被雪部分覆盖，包括天线交叉或朝下的标签，在0.1-0.5米短距离内仍可识别。2个天线断裂的标签在约0.1米距离响应读取信号。
经济评估
184棵标记树对应总材积300 m3，按主要商业树种的均价估算，采伐木材市场价值约25,000欧元。手动插入装置及Smart Nail标签共438欧元，气动插入装置及SH/08-100RF标签共393欧元，C72手持阅读器433欧元，设备总投资1,264欧元，约占监测木材市场价值的5%。大部分投资为可重复使用设备，唯一经常性作业成本为树木标记所用RFID标签。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出，RFID标记作为数字林业工具，相比传统标记具有显著优势。传统标记严格依赖视觉线索，仅指示哪些树木计划采伐；而UHF RFID标记不仅能识别待采伐树木，还能自动建立与评估阶段数字库存记录的数字链接，促进采伐过程的实时监测，确保供应链全程的木材可追溯性。
在作业效率方面，传统标记仍然更快，但RFID标记的优势超越初始执行时间，包括数据精度提高、解读错误最小化和木材可追溯性增强。时间差异不应被解读为决定性劣势，而是技术成熟度的指标，可通过人员培训和针对特定森林条件的设备校准进一步优化。
在读取性能方面，读取距离平均约1米，阅读器无法检测标记对侧信号，只能从标记面或RFID插入点一侧读取。冬季读取距离缩短可能部分归因于雪覆盖遮蔽标签精确位置，使最佳阅读器对准和定位更加困难，而非RFID系统有效读取范围的真实下降。
在长期稳定性方面，由于标签完全嵌入木质部组织内，树木年径向生长未显著影响标签外壳的结构完整性。树脂饱和区内木材含水量持续较低，这对RFID性能至关重要，因为高含水量会衰减和反射RFID信号。树脂积累未产生显著统计效应，表明RFID功能在树脂覆盖条件下保持可操作性。与传统视觉标记系统相比，大量树脂渗出会遮蔽油漆标记和树皮标记面，降低长期可追溯能力，而树脂有效密封了标签外壳，防止水分进入。
在经济可行性方面，虽然RFID树木标记涉及较高的初始投资成本和较长的安装时间，但这些成本预计通过设备在多次采伐作业中的重复使用逐步摊销。增强木材可追溯性、改善采伐控制和降低木材替代风险等潜在收益可进一步支持RFID技术在现代化森林管理系统中实施的经济可行性。
研究结论指出，RFID树木标记操作相对简便，与传统的林业锤标记方法具有作业可比性。手动插入装置所需体力有限，平均应用和读取时间约40秒/棵。气动插入装置虽达到相似作业时间，但现场操作受辅助配件阻碍，更适合在初级集材场标记原木而非在森林条件下标记立木。RFID标签在整个监测期间保持功能，平均读取距离在初始安装和后续评估中均接近1.0米。技术在不同环境条件和树种下表现一致，包括树脂覆盖的针叶树干。冬季评估也确认了立木的满意作业稳定性，尽管雪覆盖的风倒木存在局限。RFID技术代表了传统立木标记系统的可行替代方案，具有支持采伐作业数字化、木材可追溯性和监管控制的巨大潜力。在采伐后检查中，嵌入式RFID标签还可作为法医证据，在采伐作业完成后很长时间内验证木材合法性。然而，大规模实施仍需进一步评估技术约束、经济可行性和林业部门内利益相关者的接受度。
