姚世雄，羅 揚(yáng) ，張偉麗

（1.黔西南布依族苗族自治州林業(yè)局，貴州 興 義562400；2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴 陽550005；3.貴州大秦光伏農(nóng)業(yè)科技有限公司，貴州 興 義562400）

1 引言

林分生長預(yù)估模型是評價林木生長情況、林分經(jīng)營效益的一種方法，可以為經(jīng)營者提供最基礎(chǔ)的營林?jǐn)?shù)據(jù)。馬尾松（Pinus massioniana Lamb.）是我國主要的用材樹種之一，在國內(nèi)許多重要林場內(nèi)都有大范圍經(jīng)營，局部地區(qū)也有種植，在國內(nèi)外木材市場具有重要地位。馬尾松的研究起步較早，成果較多［1～3］。專家系統(tǒng)是儲存知識的庫，是邏輯推理、專家知識、分析判斷的有機(jī)結(jié)合，能夠根據(jù)用戶的需求以及不同的經(jīng)營情況，對未來林分胸徑、樹高以及蓄積量等因子作出預(yù)估。要對林分進(jìn)行預(yù)估，首先需要獲得小班空間屬性，比如小班邊界、范圍、面積以及周長等，組件GIS具備ArcGIS軟件中大部分的功能控件［4］，這些控件是組成應(yīng)用程序的基本部件，能夠?qū)崿F(xiàn)地理信息大部分功能。預(yù)估結(jié)果可以通過數(shù)表輸出和制圖表達(dá)清晰的展現(xiàn)出來，并以其作為下一步工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然現(xiàn)在地理信息軟件較多，但未能跟具體樹種相結(jié)合，所以缺乏針對性，在空間數(shù)據(jù)和預(yù)估模塊上未能形成很好的契合，往往顧此失彼，影響林分預(yù)估的準(zhǔn)確性和程序的實(shí)用性。

本文結(jié)合預(yù)估函數(shù)設(shè)計預(yù)估功能模塊，該系統(tǒng)將解決小班勾繪、修改、渲染、專題圖、屬性查詢、間伐、主伐、輪伐因子以及林分屬性表格輸出等基礎(chǔ)問題，可為優(yōu)化馬尾松經(jīng)營方案，最大程度發(fā)揮林地生產(chǎn)潛力，提高林業(yè)生產(chǎn)決策的科學(xué)性，提供參考。

2 開發(fā)環(huán)境簡介

組件GIS（ArcGiS Engine）是一個與應(yīng)用程序相互獨(dú)立的編程環(huán)境，是由美國ESRI公司于2004年發(fā)布的一系列可以在ArcGIS桌面版之外使用的GIS組件開發(fā)包，它可將二次開發(fā)產(chǎn)品嵌入到自定義軟件中去［5］。程序采用C#作為編程語言，C#是一款運(yùn)行于.NET Framework之上，面向?qū)ο蟮默F(xiàn)代高級程序設(shè)計語言，具有簡介易開發(fā)的特點(diǎn)，能夠最大限度節(jié)約開發(fā)時間和成本。

3 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

馬尾松收獲預(yù)估專家系統(tǒng)以遙感數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)估。主要包括數(shù)據(jù)錄入、專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、專題圖、馬尾松預(yù)估模塊等，各個模塊呈現(xiàn)一定的獨(dú)立狀態(tài)，主導(dǎo)功能不同，相互嵌入，具有聯(lián)系性。數(shù)據(jù)錄入作為獲取數(shù)據(jù)的最初來源，依靠遙感圖像、1∶10000標(biāo)準(zhǔn)圖幅地形圖以及其它形式的柵格地圖進(jìn)行矢量化，是整個軟件的入口，為方便操作，用戶需要對這個模塊有最基本的認(rèn)識；專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是幾何空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、模型知識庫的總稱，三者缺一不可。空間數(shù)據(jù)庫是地物幾何的集合，代表了小班在空間上的表現(xiàn)形式，在GIS中通常以Shape格式儲存，也可以存放在地理數(shù)據(jù)庫MDB當(dāng)中；屬性數(shù)據(jù)庫由小班的各項(xiàng)影響因素組成，是許多因子的量化表現(xiàn)形式，是構(gòu)成一個完整林分不可或缺的一部分，在本系統(tǒng)中屬性數(shù)據(jù)都可以用ACCESS進(jìn)行建立和修改；模型知識數(shù)據(jù)庫是專家知識的積累，是由馬尾松預(yù)估模型各個子模塊構(gòu)成，是經(jīng)過科學(xué)試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)和回歸模型。各個模塊又有許多子模塊，通過這些子模塊獲得最底層的數(shù)據(jù)，它們相互協(xié)調(diào)、配合，然后反饋給用戶界面，用戶通過人機(jī)交互界面對數(shù)據(jù)進(jìn)行核對、輸出等。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

3.1 組件GIS功能設(shè)計

GIS功能主要通過ArcGIS Engine 9.3平臺進(jìn)行設(shè)計。主界面包括編輯工具、圖層目錄、視圖顯示工具、布局顯示工具、鷹眼以及實(shí)時坐標(biāo)數(shù)據(jù)等。編輯功能主要包括輸入、修改、切割、添加節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)、刪除節(jié)點(diǎn)、設(shè)置線方向、長度等。專題圖方面，主要有面狀專題圖、線狀專題、點(diǎn)狀專題，可以完成一些簡單的圖層渲染工作，比如根據(jù)最終收獲量的不同，給預(yù)估小班圖層施以不一樣的顏色，方便把握小班的總體收獲情況。視圖工具欄里面有對地圖的瀏覽工具，包括全圖顯示、上一顯示、下一顯示、縮放、選擇、移動、鷹眼視圖以及i鍵查詢等功能；布局工具有全圖顯示布局、1∶1顯示以及移動布局等。GIS是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于組件GIS將收獲預(yù)估情況以表格和圖形的形式輸出，獲得直觀的馬尾松收獲數(shù)據(jù)。圖2為矢量數(shù)據(jù)編輯工具條。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.2 預(yù)估功能設(shè)計

圖2 編輯工具條

通常情況下，林分調(diào)查的目的是獲得樹高、胸徑、郁閉度、年齡、起源、樹種等因子，這也是系統(tǒng)依賴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要通過大量樣地調(diào)查獲得。但在本系統(tǒng)中，只需要獲得林分的立地指數(shù)、現(xiàn)實(shí)林分平均年齡以及優(yōu)勢木平均高就可以完成預(yù)估，程序會根據(jù)用戶設(shè)定的間伐、主伐參數(shù)對結(jié)果進(jìn)行模擬，并輸出模擬結(jié)果。立地因子是預(yù)估模型的最基本參數(shù)，它直接決定特定林分內(nèi)優(yōu)勢木平均高、平均胸徑以及平均樹高數(shù)據(jù)。林分會發(fā)生自然稀疏過程，它影響林分預(yù)估精度，如若不引入自然稀疏模型，預(yù)估結(jié)果將不具有代表性，無法通過回歸方程進(jìn)行模擬，是不正確的。小班的各項(xiàng)因子不同，間伐和主伐也會根據(jù)營林方案有所不同，在特定情況下，也可以根據(jù)實(shí)際需要對它們進(jìn)行統(tǒng)一賦值。對于普通馬尾松產(chǎn)區(qū)來說間伐次數(shù)主要有1次、2次、3次三種可能，系統(tǒng)分別對這幾種情況進(jìn)行模擬，根據(jù)一定的疏伐強(qiáng)度計算出每一次間伐的間伐木樹高、胸徑，以及間伐后樹高、胸徑數(shù)據(jù)，有學(xué)者也研究出間伐之后樹木的生長情況，用來預(yù)估伐后林木的生長情況。幾次間伐后剩下的林木株數(shù)經(jīng)過自然稀疏，則為主伐時所保留株數(shù)，再計算主伐時樹高及胸徑，根據(jù)二元材積式得出單株材積。

圖3 間伐方案設(shè)置

如圖3是間伐方案設(shè)置界面，將小班間伐劃分為幾種模式，即不間伐、一次間伐、兩次間伐以及三次間伐，每個小班只能有一種間伐方式。根據(jù)林分年齡劃分間伐次數(shù)，主要?dú)w為四種類型：

（1）當(dāng)現(xiàn)實(shí)林分年齡小于或者等于9年生時，林分具有四種間伐模式，需人工進(jìn)行選擇，且只能選擇一種，它們分別是不間伐、1次間伐、2次間伐以及3次間伐，用戶必須做出選擇，如選擇了3次間伐模式，則在隨后的運(yùn)算當(dāng)中系統(tǒng)會自動匹配三次間伐數(shù)據(jù)，包括間伐時間、間伐強(qiáng)度等。

（2）當(dāng)現(xiàn)實(shí)林分年齡等于10年生時，系統(tǒng)會給出三種間伐模式，它們分別是不間伐、1次間伐、2次間伐，操作方法同方法（1）。

（3）當(dāng)現(xiàn)實(shí)林分年齡為大于10年以及小于等于18年生時，系統(tǒng)給出兩種間伐模式，它們分別是不間伐、1次間伐，操作方法與上述相同。

（4）當(dāng)現(xiàn)實(shí)林分年齡為18年生以上時，系統(tǒng)將自動將這個小班的間伐模式設(shè)置為不間伐，這樣在后面計算主伐時系統(tǒng)將直接跳過間伐數(shù)據(jù)而模擬出主伐數(shù)據(jù)量。

通過上面的方法每一個小班的間伐次數(shù)、間伐時間以及間伐強(qiáng)度均被設(shè)置成功，系統(tǒng)中考慮了批量賦值的方法，即當(dāng)需要對小班的間伐參數(shù)賦予同一種模式時，直接點(diǎn)擊批量賦值按鈕即可設(shè)置間伐因子。整體上專家系統(tǒng)體現(xiàn)出了一定合理性，隨著對軟件運(yùn)行的繼續(xù)調(diào)試，也會根據(jù)新需求對間伐設(shè)置環(huán)節(jié)作出調(diào)整和變化，以獲得最佳運(yùn)行和實(shí)際操作效果。間伐個因子控制主要實(shí)現(xiàn)代碼如下。

3.3 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計

目前有多款數(shù)據(jù)庫軟件都能完成基本的屬性填寫、修改以及刪除操作，使用較為廣泛的包括ACCESS、SQL以及Oracle等，各具特色，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇。本系統(tǒng)采用ACCESS數(shù)據(jù)對屬性字段等進(jìn)行創(chuàng)建。系統(tǒng)屬性主要集中在“預(yù)估小班”這個圖層上面，該圖層屬性字段共計79項(xiàng)，包括序號、地籍號、縣＿區(qū)、鄉(xiāng)＿鎮(zhèn)、村、小班號、林地所有權(quán)、林木所有權(quán)、地類、林種、齡組、起源、森林類別、立地指數(shù)、現(xiàn)實(shí)平均年齡、現(xiàn)實(shí)公頃株數(shù)、現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢木平均高、現(xiàn)實(shí)平均胸徑、現(xiàn)實(shí)公頃斷面積、現(xiàn)實(shí)平均樹高、現(xiàn)實(shí)林分優(yōu)勢高生長預(yù)測、現(xiàn)實(shí)林分株數(shù)預(yù)測、現(xiàn)實(shí)林分胸徑生長預(yù)測、現(xiàn)實(shí)林分樹高生長預(yù)測、胸徑變動系數(shù)、間伐次數(shù)、一伐因子（共14項(xiàng)）、二伐因子（共14項(xiàng)）、三伐因子（共14項(xiàng)）、主伐時間、主伐時優(yōu)勢高、主伐時平均胸徑、主伐時平均樹高、主伐時公頃株數(shù)、主伐公頃蓄積、每平方木材價格、輪伐期公頃蓄積、輪伐期小班總蓄積、輪伐期小班木材產(chǎn)值、備注等。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

以青巖鎮(zhèn)143個馬尾松小班作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因中齡林、近熟林、成熟林等的經(jīng)營資料與實(shí)際多有偏差，很多林分沒有造林方案，撫育采伐也比較隨意，會造成預(yù)估結(jié)果誤差。而幼齡林多是沒有經(jīng)過撫育間伐，人為干擾較少，僅僅受自然稀疏因素作用，不確定因素相對較少，因此選擇的所有小班均為幼齡林，平均年齡為7年，現(xiàn)實(shí)林分株數(shù)在1 010株／hm2～3 265株／hm2，將全部小班的間伐次數(shù)設(shè)置為2或3次，株數(shù)間伐強(qiáng)度設(shè)置為30%或35%。所有小班的優(yōu)勢木平均高的條件平均值為4.4 m，平均胸徑條件平均值為3.6 cm，平均樹高的條件平均值為3.9 m。對5201110050060017、5201110050050079、5201110050050081三個小班進(jìn)行定向追蹤，分別計算現(xiàn)實(shí)林分的各項(xiàng)因子、5年后林分的生長情況、三次間伐時林分生長情況及間伐木蓄積量、主伐時林分收獲量以及輪伐期數(shù)據(jù)。下文僅對間伐和主伐預(yù)估數(shù)據(jù)進(jìn)行詳述。

4.1 第一次間伐

表1 第一次間伐數(shù)據(jù)

從表1中可以看到，5201110050060017和5201110050050079號小班由于現(xiàn)實(shí)林分分別距間伐時3年和4年，因此可以明顯看出小班因子發(fā)生變化，而5201110050050081變化不多。可以看出，間伐前公頃株數(shù)明顯較上文現(xiàn)實(shí)林分的小，這是自然稀疏發(fā)生作用，而間伐木小于林分平均數(shù)據(jù)，是因?yàn)轭A(yù)估模型假設(shè)伐掉樹干干型較差、長勢較慢的林木，這樣間伐后林分平均胸徑、平均樹高則比伐前略大，三個小班間伐蓄積量分別為1.9 m3、1.9 m3、5.1 m3，從這些數(shù)據(jù)看出林分第一次間伐預(yù)估效果良好。

4.2 第二次間伐

表2 第二次間伐數(shù)據(jù)

第二次間伐如表2所示，三個追蹤小班此次間伐數(shù)據(jù)較上一次變化較大，5201110050060017、5201110050050079、5201110050050081二次間伐前因發(fā)生自然稀疏使公頃株數(shù)發(fā)生明顯變化，分別為1 540、1 538以及2 791株，株數(shù)明顯變少，間伐時間和間伐株數(shù)分別為14、20%，14、20%，14、35%，三個小班采伐蓄積差距較大，5201110050050081明顯大于其它兩個小班，但間伐木胸徑和樹高差距不大，主要原因是81號小班株數(shù)更多，幾乎是前兩者的兩倍，因株數(shù)對樹高影響較小，所以三者的平均樹高并未表現(xiàn)出多少差別，從整體上看預(yù)估的效果較好。

4.3 第三次間伐

表3 第三次間伐數(shù)據(jù)

依表3可知，在第三次間伐時追蹤小班只剩下兩個，因?yàn)?1號小班根據(jù)間伐方案只需進(jìn)行2次間伐。經(jīng)過多次間伐和發(fā)生自然稀疏過程，5201110050060017和5201110050050079的公頃株數(shù)已經(jīng)發(fā)生巨大變化，分別剩下1 334和1 332株，它們的間伐時間和間伐強(qiáng)度都為19年、20%，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，兩個小班的間伐各項(xiàng)因子幾乎相同，這是因?yàn)楸M管兩個小班現(xiàn)實(shí)林分株數(shù)相差幾十株，但經(jīng)過幾乎相同的間伐措施和自然稀疏后，林分向最優(yōu)密度發(fā)展，因此展現(xiàn)出相同的生產(chǎn)水平。從中可看出，此次間伐效果較好。

4.4 主伐

三次間伐過后，將對林分進(jìn)行主伐，即一個輪伐期結(jié)束，開始下一個輪伐期。案例中將主伐時間設(shè)置為25年，此時馬尾松林分處于近熟林階段，樹木長勢開始呈下降趨勢，主伐將獲得大量優(yōu)良木材。到主伐時前一時刻，林分保留株樹上下限為734～1 823株，主伐前小班優(yōu)勢木平均高條件平均值為16.6 m，主伐時平均胸徑條件平均值為20.7 cm，平均樹高條件平均值為15.8 m，主伐時公頃蓄積條件平均值316.3 m3。

表4 主伐數(shù)據(jù)

對表4進(jìn)行分析可知，5201110050060017、5201110050050079、5201110050050081三個小班主伐時前一時刻保留株樹分別為1 127、1 126、1 823，平均樹高相差無幾，但平均胸徑差距巨大，保留株數(shù)多的胸徑值明顯較小，其它則無明顯差別。

4.5 結(jié)果分析

143個小班經(jīng)過一輪預(yù)估之后得出最終蓄積預(yù)估數(shù)據(jù)，通過案例中所有小班林木因子平均值的條件平均值來對預(yù)估結(jié)果作出分析，反映各個預(yù)估期林分收獲量的變化情況。對三個小班進(jìn)行定向跟蹤，所得結(jié)果也令人滿意。在獲得小班基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，預(yù)估過程主要分為三個部分，現(xiàn)實(shí)林分計算、間伐預(yù)估以及主伐預(yù)估?，F(xiàn)實(shí)林分計算是對現(xiàn)實(shí)狀況的量化，計算起來相對簡便易得，間伐則相對復(fù)雜，間伐除了要涉及間伐時間、間伐強(qiáng)度外還要考慮自然稀疏規(guī)律的作用，而在第一次間伐時甚至還需要考慮第一次間伐后林木的生長情況，這一直是林木預(yù)估的難點(diǎn)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的觀察，三次間伐的預(yù)估效果均較好，達(dá)到預(yù)估水平；主伐是林分收獲量直接體現(xiàn)，從數(shù)據(jù)上看，25年時主伐的各項(xiàng)因子正常，預(yù)估結(jié)果合理；主伐完成標(biāo)志著輪伐期結(jié)束，開始新一輪的采伐，輪伐期收獲量包括多次間伐量和主伐量，案例結(jié)果顯示，輪伐期預(yù)估數(shù)據(jù)較合理。

5 結(jié)論與討論

（1）基于ArcGiS Engine 9.3組件平臺開發(fā)的馬尾收獲預(yù)估專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地理信息功能和馬尾松收獲預(yù)估模塊的有機(jī)結(jié)合。組件GIS主要負(fù)責(zé)小班繪制、視圖瀏覽以及專題圖制作，提供小班面積等基本信息，預(yù)估模塊在GIS提供可視化界面基礎(chǔ)上對預(yù)估小班的間伐、主伐等信息進(jìn)行設(shè)計，最后得出收獲量。

（2）從預(yù)估結(jié)果看，系統(tǒng)所選用的馬尾松收獲預(yù)估各個模型函數(shù)精度較高，子模塊之間銜接良好，模塊完整統(tǒng)一，對于實(shí)際操作有一定指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義。

（3）使用幼齡林進(jìn)行分析避免了因自然災(zāi)害、人為因素以及其它不可抗力因素所引起的誤差，經(jīng)過預(yù)估多次間伐以及多次自然稀疏獲得最后得主伐因子。結(jié)果顯示，經(jīng)過2次或者3次間伐后，自然稀疏保留株樹、平均胸徑以及平均樹高數(shù)據(jù)處于合理范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)估要求。

（4）本專家系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)了地理信息的基本功能，預(yù)估模塊能夠?qū)α址中“噙M(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，如果將幾何校正、空間分析、數(shù)據(jù)字典等模塊添加進(jìn)來，程序功能將更加完整。

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