楊雪春，劉東蘭，鄭小賢

（北京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境管理國家林業(yè)局重點實驗室，北京100083）

森林可持續(xù)經(jīng)營的實踐促進(jìn)了森林采伐方式和技術(shù)的發(fā)展。森林資源的管理決策中，采伐前的規(guī)劃設(shè)計是森林采伐作業(yè)的重要依據(jù)。因此，如何能更好地選擇及優(yōu)化采伐方法，以及如何更有效地對采伐作業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行空間管理，實現(xiàn)森林采伐空間的分析及成圖，已然成為制定采伐規(guī)劃設(shè)計中所必須考慮的問題［1-8］。地理信息系統(tǒng)（GIS）因具有強大的空間數(shù)據(jù)及非空間數(shù)據(jù)處理功能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)測、環(huán)境評估、國土管理、交通運輸、城市規(guī)劃、軍事等領(lǐng)域［5］。以福建將樂林場為對象，開發(fā)基于GIS的森林采伐輔助決策系統(tǒng)，把伐區(qū)設(shè)計落實到數(shù)字化圖面，分析伐區(qū)地理屬性之間的相互關(guān)系，優(yōu)化采伐方式、林種、樹種、面積、蓄積，制定年度采伐計劃，直觀分析采伐作業(yè)的空間合理性和配置伐區(qū)及采伐進(jìn)程，為森林采伐決策提供現(xiàn)代方法和技術(shù)。

1 系統(tǒng)目標(biāo)與說明

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)

系統(tǒng)構(gòu)建的最終目標(biāo)是為林場采伐決策提供技術(shù)支持。通過利用GIS強大的空間分析及計算的能力，通過多模型集合，計算林地合理采伐數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)胸徑、樹高、小班號等林地基本信息的查看；也能實現(xiàn)優(yōu)選伐區(qū)、木材流分配、楞場選擇、集材道路選取等功能的空間顯示及計算，為林場采伐決策提供依據(jù)。

1.2 系構(gòu)建說明

該輔助決策系統(tǒng)以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合森林經(jīng)理學(xué)科相關(guān)理論，將林場森林采伐方案的確定通過程序?qū)崿F(xiàn)，達(dá)到傳統(tǒng)的實地勘察決策轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)自動計算與分析的目的，同時，系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，保證了分析結(jié)果的科學(xué)性［9-11］。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)集成框架

本森林采伐輔助決策系統(tǒng)框架如圖1所示，包括了3層結(jié)構(gòu)：管理層、分析層和應(yīng)用層。系統(tǒng)框架3層結(jié)構(gòu)為：管理層主要利用與森林采伐相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)，通過物理或網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行存儲與管理，保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、一致性和空間聯(lián)動性；分析層由GIS空間分析模型、地形處理模型、林分生長模型和伐區(qū)優(yōu)選模型組成，是系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)支撐；應(yīng)用層主要是融合構(gòu)成統(tǒng)一的用戶界面，提供了系統(tǒng)可視化查詢、分析與管理、遙感影像分析、采伐信息管理與分析，并進(jìn)行統(tǒng)計、動態(tài)監(jiān)測、評價與決策支持等功能。系統(tǒng)建設(shè)前需要進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。原始數(shù)據(jù)采集包括地理信息采集和林場森林資源數(shù)據(jù)采集2大類，獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是對獲得的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與審核，再進(jìn)行分類加工，最后進(jìn)行編碼。

圖1 森林采伐輔助決策系統(tǒng)的集成框架Fig.1 Integration framework of decision and development of support system for deforestation

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

本系統(tǒng)是以合理采伐為目的的森林資源管理系統(tǒng)，它集成了數(shù)據(jù)采集、錄入、存儲、查詢、更新、分析、維護(hù)、發(fā)布和共享的功能，是信息集成化的地理平臺。該系統(tǒng)應(yīng)具有分析森林資源生長、變化（種植、采伐、自然災(zāi)害影響等）分布特征和變化規(guī)律的功能，為林場采伐提供輔助決策技術(shù)支持。其主要功能如下：

2.2.1 GIS功能

1）數(shù)據(jù)瀏覽：通過屬性數(shù)據(jù)查詢，以空間圖形的形式瀏覽實驗區(qū)信息，配以圖例以及專題圖渲染，使得林班信息直觀顯示，便于用戶可以對林場信息的掌握。

2）數(shù)據(jù)查詢：通過輸入需要查詢的小班號，可以查詢小班的全部屬性信息，并以空間圖形及數(shù)據(jù)表格的形式顯示出來；SQL查詢通過各種條件執(zhí)行查詢功能，查詢方式有算術(shù)表達(dá)式、函數(shù)表達(dá)式、邏輯表達(dá)式等，可滿足用戶對所需小班信息快速準(zhǔn)確查詢的需求；可利用工具欄中的查詢圖標(biāo)，點擊地圖上的小班，即可獲得小班的全部屬性信息，提高用戶獲得屬性信息的速率。

3）數(shù)據(jù)更新：分2種處理，一是沒有人為經(jīng)營活動的按照生長模型進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，二是有人為經(jīng)營活動（本文局限于采伐）按照采伐設(shè)計和伐后驗收進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

4）統(tǒng)計分析：a報表統(tǒng)計：提供滿足地方的森林采伐設(shè)計要求的固定格式報表的統(tǒng)計；b定制統(tǒng)計：提供不同要求的定制統(tǒng)計，滿足用戶的不同業(yè)務(wù)需求。

2.2.2 空間分析 疊加分析（overlay）是地理信息系統(tǒng)（GIS）提取空間隱含信息常用的手段之一，是在統(tǒng)一的空間參考系統(tǒng)下，通過對不同的數(shù)據(jù)（圖形、屬性）進(jìn)行一系列的集合運算，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的過程［12］。為方便林場采伐設(shè)計，需要把不同屬性信息的數(shù)據(jù)如林班、河流、湖泊、道路等進(jìn)行疊加分析，形成具有多重屬性的林相圖。

緩沖區(qū)（buffer area）是為保護(hù)研究區(qū)內(nèi)溪流、湖泊、濕地、道路等環(huán)境而在周邊劃定的禁止采伐、機(jī)械進(jìn)入的森林地段。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的點、線、面等實體建立緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)的林分不作為采伐作業(yè)伐區(qū)選擇對象。

柵格數(shù)據(jù)空間分析擴(kuò)大了林場森林資源數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用范圍。根據(jù)屬性將數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理，結(jié)合柵格數(shù)據(jù)，主要是數(shù)字高程模型圖（DEM），進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)分析，可以完成森林采伐相關(guān)內(nèi)容因素的提取，實現(xiàn)GIS、遙感技術(shù)與林學(xué)知識的進(jìn)一步關(guān)聯(lián)。由DEM提取的派生數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖2 坡度圖Fig.2 The map of slope

圖3 坡向圖Fig.3 The map of aspect

2.2.3 模型分析 主要有6種不同的分析模型：林分因子提取模型、生長模型、優(yōu)選伐區(qū)模型、合理年采伐量模型、集材優(yōu)化模型、合理木材流分配模型，具體分析如2.3小節(jié)所述。

2.2.4 數(shù)據(jù)管理 為實現(xiàn)對林場資源數(shù)據(jù)的管理及變更信息實時記錄，且方便林場對森林的智能化及數(shù)字化管理，實現(xiàn)林場可持續(xù)經(jīng)營，需要對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊主要包括：小班屬性編輯、采伐因子數(shù)據(jù)編輯、屬性檢查等內(nèi)容。

2.2.5 圖表生成 圖表是數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果顯示，是對采伐作業(yè)進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)以及實施定量考核以及制定相應(yīng)政策的重要參考。系統(tǒng)生成的主要統(tǒng)計報表包括采伐小班統(tǒng)計表、小班變更統(tǒng)計表、采伐量統(tǒng)計表等。

專題圖主要是指根據(jù)采伐方式需求制作相應(yīng)的圖，并實現(xiàn)創(chuàng)建和編輯專題符號，能對圖名、比例尺、指北針、圖例等地圖要素進(jìn)行編輯。

2.2.6 其他 主要功能包括：1）系統(tǒng)維護(hù)：包括數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能，以及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境安全和后臺數(shù)據(jù)庫使用安全等。2）信息發(fā)布：通過文本、圖像、報表等方式，在局域網(wǎng)（或互聯(lián)網(wǎng)）上發(fā)布成果信息以及變化信息等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

2.3 主要模型設(shè)計

2.3.1 林分因子提取模型 森林采伐主要空間技術(shù)指標(biāo)（集）的提取，如實現(xiàn)對等高線的自動處理，形成將樂林場的DEM，并根據(jù)DEM（數(shù)字高程模型）提取所需的地形因子，如坡度、坡向等；根據(jù)林場地形圖、小班圖像等分析影響森林采伐規(guī)劃設(shè)計的其他地理因素。

2.3.2 生長模型 利用林分主要生長因子（平均直徑、平均高、蓄積等）生長模型預(yù)估未來的生長狀況和生長量。

2.3.3 優(yōu)選伐區(qū)模型 根據(jù)林道可及度選擇可伐小班，根據(jù)郁閉度、齡組、蓄積量、樹種，以及禁伐區(qū)、道路、河流等限制，綜合評價選擇合適的伐區(qū)、楞場區(qū)域和集材道路。

伐區(qū)的最終選擇需要綜合考慮多方面的因素，除去空間采伐因子外還需考慮運材集材的費用、木材流分配的可行性、森林經(jīng)營綜合效益等等。整合各種對森林采伐的約束條件，優(yōu)化伐區(qū)的選擇流程如圖5所示（主要是以主伐為例）：

2.3.4 合理年采伐量模型 森林采伐需要保證年采伐量不大于年生長量，以實現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展。合理的年采伐量需要根據(jù)現(xiàn)有的森林資源狀況，森林的經(jīng)營類型，各種樹的采伐年齡，主伐或間伐的平均單位面積蓄積量，更新造林樹種結(jié)構(gòu)，小班面積，樹種的比例等多種因素綜合進(jìn)行考慮，采用“面積控制法”計算。

式中，M為合理年采伐量（m3）；S為合理年采伐面積（hm2）；Mp為成過熟林單位面積蓄積量（m3·hm-2）。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System architecture

圖5 伐區(qū)選擇示意Fig.5 Selection of cutting area

合理年采伐面積Fi（i=1，2，3，4，5）的確定有以下5種方式：

F1、F2、F3、F4和F5分別為輪伐期公式、成熟度公式、第1林齡公式、第2林齡公式和林況公式的合理年采伐面積［13-14］。系統(tǒng)根據(jù)不同的林地狀況選擇合適的采伐量模型。

式（2）中，S1為用材林經(jīng)營面積（hm2）；S2為成過熟林面積（hm2）；S3為成過熟林面積與近成熟林面積之和（hm2）；S4為成過、近熟林面積與中齡林中靠近近熟林的1個齡級面積之和（hm2）；S5為按林況需要采伐的面積；n1為輪伐期年數(shù)（a）；n2為1個齡級期的年數(shù)（a）；n3為2個齡級期的年數(shù)（a），n4為3個齡級期的年數(shù)（a）；n5為采伐年限［14］。

2.3.5 集材優(yōu)化模型 以優(yōu)化的集材線路為依據(jù)，進(jìn)行山地集運階段生產(chǎn)方案的最優(yōu)分析和集材方式排序分析：

1）分析不同集材方式對地形的適應(yīng)性指標(biāo)，即林地可以達(dá)到的最大坡度；

2）確定同類林地多種集材方式排序的臨界技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。如按集材過程總成本大小為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排序，集材成本Y的表達(dá)式為：

式中，Q為林地總出材量；L為集材道長度（起終點間直線長）；K為展線系數(shù)；E為集材道單位長度造價；F為集材臺班費用；C為集材臺班產(chǎn)量［14］。

2.3.6 合理木材流分配模型 一個木材生產(chǎn)單位（林場）往往同時向多個木材需材點提供資源，，以滿足客戶對木材種類與數(shù)量的要求。如何利用GIS工具選擇楞場，以及如何合理地計算各個伐區(qū)向需材點供應(yīng)木材商品的數(shù)量，是一個需要優(yōu)化解決的問題，它的計算過程有多個約束條件，適合運用線性規(guī)劃方法解決［13］。

Ⅰ：線性目標(biāo)函數(shù)

Ⅱ：線性約束條件

式中：Z為運材總費用（元）；I為采伐小班數(shù)量；J為需材點數(shù)量；K為木材等級數(shù)；Dij為從小班i到需材點j的單位運材成本（元·m-3）；Xijk為從小班i運到需材點j的品種k木材材積（m3）；Yjk為需材點j對品種k 的定貨量（m3）；Vi為小班i出材量（m3）［15］。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)包括了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)從形式可分為圖形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、文檔等，具有多源、異構(gòu)、動態(tài)變化、分布式存儲等特點。現(xiàn)有數(shù)據(jù)主要通過圖片矢量化、相關(guān)部門統(tǒng)計調(diào)查、遙感影像解譯等方式獲取，這些數(shù)據(jù)的分別以文檔、Excel表格、圖片、遙感影像及GIS矢量圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。根據(jù)森林分布狀況、森林采伐規(guī)劃設(shè)計對數(shù)據(jù)的要求以及系統(tǒng)管理需要，從數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上分析，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括了基礎(chǔ)地理信息庫、林場森林資源屬性數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫和信息管理數(shù)據(jù)庫構(gòu)成［16-17］。

2.4.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫 圖形數(shù)據(jù)主要有鐵路、公路、居民地、水系（支流、干流）等的矢量圖，數(shù)字遙感影像（TM影像）、DEM等空間圖形；屬性數(shù)據(jù)主要依據(jù)圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和錄入，主要有包括行政區(qū)劃（縣、鎮(zhèn)）、地名（鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱、工區(qū)名稱、行政村名稱等）、道路與河流名稱和級別等（圖6）。

圖6 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)Fig.6 Basic geographic data

2.4.2 林場森林資源數(shù)據(jù)庫 林場森林資源數(shù)據(jù)包括林班、小班等要素的空間圖形與屬性信息，包括樹種組成、地理分布、起源、郁閉度、蓄積、平均直徑等（圖7）。林場及相關(guān)部門提供的相關(guān)統(tǒng)計報表及文檔數(shù)據(jù)（合理年伐量、采伐限額等）。GIS側(cè)重中間數(shù)據(jù)測存儲、處理和分析，因此在屬性數(shù)據(jù)建立方面可以通過常用的Excel方式完成，然后根據(jù)公共編碼字段（如小班編號）實現(xiàn)空間、屬性的聯(lián)動管理。

圖7 林場森林資源數(shù)據(jù)Fig.7 Forest resources data of the forest farm

2.4.3 遙感影像數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)庫 利用遙感影像監(jiān)測伐區(qū)變化或者提取伐區(qū)信息具有動態(tài)、準(zhǔn)確、宏觀、實時的優(yōu)勢，也可以快速更新GIS數(shù)據(jù)庫中各類專題數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)有基于文件和面向數(shù)據(jù)兩種存儲方式。該系統(tǒng)設(shè)計中采用基于文件的存儲機(jī)制，將影像數(shù)據(jù)文件的內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)庫文件表單的某一個字段中，通過必要的處理讀取識別該文件的類型，完成文件數(shù)據(jù)的調(diào)用。其他數(shù)據(jù)庫主要是表格數(shù)據(jù)和報表數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中采用面向數(shù)據(jù)的存儲機(jī)制，按照類型為表格及報表設(shè)計數(shù)據(jù)庫表單，以特定的添加字段存儲該類數(shù)據(jù)的信息。

2.4.4 信息管理數(shù)據(jù)庫 信息管理數(shù)據(jù)庫包括用戶數(shù)據(jù)、系統(tǒng)框架數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)操作日志數(shù)據(jù)庫等（圖8）。

圖8 其他數(shù)據(jù)Fig.8 Other data

3 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)通過將森林資源信息的屬性數(shù)據(jù)與地理空間數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合，建設(shè)出既可以實現(xiàn)專業(yè)GIS功能，又能實現(xiàn)林場采伐需求的森林采伐輔助決策系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間及非空間聯(lián)動管理、分析與統(tǒng)計，將結(jié)果以各種直觀的圖形、表格等形式表達(dá)出來，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲、管理一體化，達(dá)到了系統(tǒng)通用提高工作效率的目的。

3.1 GIS與RS的集成技術(shù)

遙感是森林采伐中重要的技術(shù)支撐之一，它具有實時、動態(tài)、信息豐富等特點，通過遙感影像的解譯功能可以獲得伐區(qū)植被信息的深層數(shù)據(jù)，用以更新及補充GIS數(shù)據(jù)庫中的各類數(shù)據(jù)。GIS和RS集成使得相互獨立的模型數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)統(tǒng)一顯示和管理，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的決策支持功能。

3.2 動態(tài)監(jiān)測技術(shù)

動態(tài)監(jiān)測是指對林場森林資源進(jìn)行綜合的數(shù)據(jù)挖掘、分析與檢測，其核心是對所獲取數(shù)據(jù)解譯。通過系統(tǒng)中GIS技術(shù)強大的數(shù)據(jù)分析功能將現(xiàn)有數(shù)據(jù)（專題數(shù)據(jù)、地理空間及屬性數(shù)據(jù)、多時相遙感影像數(shù)據(jù)）綜合在一起進(jìn)行分析、整理、提取、融合，實現(xiàn)林場森林資源數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測。并且，由于存在不同的地形、區(qū)域的差異，系統(tǒng)用戶可結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，選擇應(yīng)用模型及參數(shù)，以解決因為數(shù)據(jù)多源性、空間數(shù)據(jù)額多尺度性、屬性字段等的多語義性引起的模型參數(shù)變化問題。

4 結(jié)論

利用GIS強大的空間分析能力，建立森林采伐輔助決策系統(tǒng)，提高了森林采伐的數(shù)字化程度，極大地提高了森林采伐工作的現(xiàn)代化水平。利用GIS技術(shù)實現(xiàn)森林生態(tài)采伐的楞場選擇、景觀影響評價、集材道路選取等提高了工作效率，有效地輔助生產(chǎn)，真正提高森林經(jīng)營管理效率。該系統(tǒng)具有良好的效率和穩(wěn)定性及較強的可擴(kuò)展性，用戶界面友好，易于操作，實現(xiàn)伐區(qū)設(shè)計、伐區(qū)設(shè)計管理，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)互查聯(lián)動管理，全面掌握伐區(qū)情況，為林場采伐決策提供依據(jù)。

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