高心丹 趙 明

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

異齡林是由不同年齡、不同徑級和不同樹種的林木組成的一個生態(tài)系統(tǒng)［1］。由于森林的生長使林木徑階、年齡等發(fā)生變化，使這個生態(tài)系統(tǒng)總是處于一個復雜的動態(tài)變化之中。矩陣模型是異齡林生長預測重要工具，已經(jīng)被廣泛應用于對異齡林的動態(tài)分析［2-6］。對森林資源的不同方案進行模擬分析，并從中找出最優(yōu)方案，對于指導合理的森林經(jīng)營起著重要的作用。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，信息技術和地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)在林業(yè)方面廣泛應用，通過3S綜合集成，為林業(yè)系統(tǒng)管理提供一體化的服務，已成為一種必然的趨勢。傳統(tǒng)的森林經(jīng)營管理系統(tǒng)功能有限，無法更有效地對森林進行經(jīng)營管理。但是，通過對森林數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并利用森林經(jīng)理理論中關于森林經(jīng)營方案的專業(yè)的分析算法和專業(yè)模型，對各種基礎數(shù)據(jù)進行較深層次分析，建立一個輔助森林經(jīng)營系統(tǒng)，可以更好地滿足當前的需要。同時，基于WebGIS的多目標森林經(jīng)營決策系統(tǒng)的建立，可以有效地對森林林分信息進行統(tǒng)計。通過對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行分析和模擬，可以輔助政府對林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)劃，增強林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的科學性，減少由于人為因素而造成的決策失誤，為促進林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學的基礎。系統(tǒng)是在研究多目標經(jīng)營決策方法的基礎上，利用ArcGIS Server9.2和J2EE技術實現(xiàn)的。

1 多目標經(jīng)營與林木生長模型

森林經(jīng)營與多目標決策理論相結合的多目標經(jīng)營方法，其目標是以森林可持續(xù)發(fā)展為總體目標，其下層目標分為經(jīng)濟目標和生態(tài)目標。

經(jīng)濟目標，即以木材收獲量為目標。本文的森林采伐方式采用擇伐，擇伐作業(yè)后對整體的林分齡級結構的破壞性相對較小，有利于伐后更新，并可以提高森林的生產(chǎn)力，改善森林質量，增強森林抵御自然災害的能力。

生態(tài)目標，即以林分多樣性和森林頂極群落演替為目標。在以往的調(diào)查中，多個樹種和多個徑階的森林對自然災害有良好的抵抗性，并對森林群落的多樣性有很大的影響作用，是衡量林分結構好壞的重要指標。原地帶性頂級群落是一個相對穩(wěn)定的群落階段，它是自然界在數(shù)以萬計長期自然選擇和演替才形成的適應于該地區(qū)立地環(huán)境的“完美作品”，具有較強的抗自然災害能力和自我更新能力。在保持原有的地帶性森林頂級群落的基礎上，加大恢復力度，才能實現(xiàn)良好的森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營。森林的樹種優(yōu)勢度可以決定森林生態(tài)系統(tǒng)演替趨勢，是森林向頂級演替的重要參考指標。

林分多樣性中采用樹種多樣性和徑階大小多樣性兩個指標，選用Shannon多樣性指數(shù)表示：

式中：pi為各徑級的株數(shù)占林分總株數(shù)的比例。

自然狀況下，經(jīng)過一定間隔期林木各徑階株數(shù)可以用以下方程描述［7-11］：

式中：n 為徑階個數(shù)(i=1、2、…、n);t為分期數(shù);yi，t(yi，t+1)是 t(t+1)分期第i徑階的株數(shù);ai，t為第i徑階在第t分期末保留在原徑階內(nèi)的概率;bi-1，t為第i-1徑階在第t分期末向上生長一個徑階的概率;ci-2，t為第i-1徑階在第t分期末向上生長兩個徑階的概率;It為第t分期的進界生長量。上述方程可以綜合為下面一個陣模型來描述：

進界生長方程為：

It=［β0，β1，…，βn］T，d1=β0+β1B1+β2，di=β1Bi+β2，i=2、3、…、n。其中：Bi為第i徑階林木的平均胸高斷面積;St為t分期林分總斷面積;Nt為t分期林分總株數(shù)。

樹種枯損率：樹種枯損率與胸徑關系擬合公式為：

式中：P為森林中林木各胸徑的枯死率;D為胸徑。

多樹種林木生長模型是由矩陣模型演變而來。在考慮采伐和多樹種的情況下，并且不考慮擇伐對向上生長、進界生長和枯損的影響，可以得到多樹種擇伐狀態(tài)下的矩陣模型：

式中：s=1、…、m，m 為樹種數(shù);i=1、…、n，n 為徑階數(shù);Ys，i，t(Ys，i，t+1)為樹種 s的第 i徑階在 t(t+1) 分期的株數(shù);Hs，i，t為樹種s的第i徑階在t分期采伐株數(shù);Is，t為樹種s在t分期進界生長量;Ms，i，t為樹種 s的第 i徑階在 t分期的枯損量;Gs，t為徑階轉移概率矩陣。模型中，當H=0時，是各樹種的自然生長預測。

由于森林經(jīng)營的多個目標既相互依賴又可能相互排斥，要求每個目標同時達到最優(yōu)是困難的。為了對各種經(jīng)營方案和對各種經(jīng)營目標的影響進行綜合分析，本系統(tǒng)選擇線性變換法對木材收獲量、樹種多樣性、大小多樣性和優(yōu)勢度指數(shù)進行規(guī)范化。為不失一般性，各目標權重為1：目標函數(shù)為：

式中：Z為規(guī)范化后的木材收獲量;ΔH1為規(guī)范化后的樹種大小多樣性指數(shù);ΔH2為規(guī)范化后的樹種多樣性指數(shù);ΔF規(guī)范化后的樹種優(yōu)勢度指數(shù)。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結構框架

系統(tǒng)以ArcGIS9.2為連接GIS服務器平臺，ArcGIS Server作為Internet發(fā)布服務器，采用ArcGISServer Java ADF框架，Weblogic10.3為Web服務器。基于ArcGIS Server的編程實際是基于Arc Objects的編程，所以ArcGISServer可以實現(xiàn)多種高級功能，如制圖、空間分析、多用戶編輯等。ArcGISServer Java ADF由JSF框架構建，基于此平臺構建的系統(tǒng)具有J2EE的所有特點。J2EE的固有優(yōu)勢，不僅使系統(tǒng)的各模塊結構清晰，而且使系統(tǒng)可以在多種平臺上運行，從而提供系統(tǒng)的可擴展性、可維護性和可移植性。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能菜單分別是區(qū)域地圖及各特征顯示及操作、各類專題圖顯示及操作、統(tǒng)計分析和經(jīng)營輔助決策等功能［12-13］。

2.2.1 地圖顯示、地圖基本操作和空間查詢功能

地圖顯示功能，主要通過圖層控制和鷹眼窗口顯示實現(xiàn)。圖層控制是通過用戶的點擊便可以打開和關閉圖層;在鷹眼窗口顯示當前地圖窗口在全圖的位置，當用戶進行放大、縮小、漫游等操作時，鷹眼窗口會自動進行相應的變化。地圖基本操作功能是通過工具欄中的放大、縮小、漫游、全圖顯示等功能按鈕實現(xiàn)。在查詢種類窗口中，可以選擇所需要的查詢方式，例如：通過選擇圖層查詢屬性信息，或者通過屬性信息查詢所在的圖層等;查詢屬性窗口和查詢屬性的詳細信息窗口分別顯示查詢的信息和查詢的屬性詳細信息。

圖1 系統(tǒng)結構框架

2.2.2 專題圖顯示和統(tǒng)計功能

專題圖是用于分析和表現(xiàn)數(shù)據(jù)的有利方式。用戶通過數(shù)據(jù)圖形化的專題圖，可以很直觀地觀察到林業(yè)數(shù)據(jù)在地圖上表現(xiàn)出來。當使用專題圖渲染不同的顏色來顯示數(shù)據(jù)時，可以清楚地看出在數(shù)據(jù)記錄中難以發(fā)現(xiàn)的模式和趨勢。統(tǒng)計分析功能是對森林資源信息進行統(tǒng)計，并可以以餅狀圖的方式顯示。系統(tǒng)中可以對各種森林面積、各類土地面積、林種、公益林、經(jīng)濟林等進行統(tǒng)計分析。

2.2.3 經(jīng)營輔助決策功能

經(jīng)營輔助決策功能是本系統(tǒng)的重點。主要功能是采用多目標經(jīng)營方法和多樹種林木生長模型，對森林采伐的不同方案進行模擬。通過對多個方案進行綜合比較，從中找出最優(yōu)方案，對于指導合理的森林經(jīng)營起著重要的作用。

經(jīng)營輔助決策功能主要分為兩大功能：一是可以對林分數(shù)據(jù)的自然生長進行預測模擬;二是通過輸入擇伐周期、擇伐強度和最小采伐直徑參數(shù)，進行模擬預測，預測結果結合采伐蓄積量、徑階大小多樣性、樹種多樣性和優(yōu)勢度得出綜合分析所需要的擇伐方案。

2.2.4 決策結果與分析

系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)來源于帽兒山實驗林場1990年、1993年和2004年3次調(diào)查的17個固定樣地的森林數(shù)據(jù)，固定樣地面積均為0.06 hm2，調(diào)查數(shù)據(jù)包括每木檢尺記錄樹種和胸徑、枯倒木樹種和枯倒木檢尺等。帽兒山實驗林場的17個固定樣地中的落葉松的自然生長數(shù)據(jù)見表1。

表1 落葉松樹種在未干擾下各個徑階株數(shù)的變化

經(jīng)營輔助決策功能主要分為兩方面，一是可以對林分數(shù)據(jù)的自然生長進行預測模擬;二是通過輸入擇伐周期、擇伐強度和最小采伐直徑參數(shù)，進行模擬預測，預測結果結合采伐蓄積量、徑階大小多樣性、樹種多樣性和優(yōu)勢度得出綜合分析所需要的擇伐方案。

一般當H＞0時，是對有采伐狀態(tài)下的各樹種生長模擬，通過計算模擬數(shù)據(jù)的采伐量、林分樹種多樣性、徑階大小多樣性和優(yōu)勢度，得到各指標的變化量，綜合分析評價各個采伐方案。

3 結束語

隨著信息技術的發(fā)展，信息技術與其他技術的融合已經(jīng)發(fā)揮巨大的作用。WebGIS是Internet技術應用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物?；赪ebGIS的多目標森林經(jīng)營決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了相關信息專題表達、查詢、統(tǒng)計等功能，并通過矩陣模型和多個經(jīng)營目標分析得出由各種樹種的木材收獲量、林木大小多樣性、樹種多樣性和樹種優(yōu)勢度指標組成的采伐方案，決策者在選擇合理的采伐方案執(zhí)行之后，不僅可以改善森林資源結構，逐漸達到森林樹種、林齡和徑級結構的合理化，以及森林向地帶性頂極群落演替，還可以在此基礎上得到最大的木材收獲量。

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