基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)設(shè)計

羅子淇，潘志華， 劉陳林

(貴州大學(xué)林學(xué)院,貴州貴陽 550025)

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基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)設(shè)計

羅子淇，潘志華， 劉陳林

(貴州大學(xué)林學(xué)院,貴州貴陽 550025)

將森林采伐知識、地理信息系統(tǒng)(GIS)、智能決策支持系統(tǒng)(IDSS)等集成在一起，設(shè)計開發(fā)基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄入、存儲、查詢、分析、輸出等功能。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、方法庫系統(tǒng)以及人機交互界面等5個模塊。根據(jù)用戶需求，通過各個模塊協(xié)同作用，實現(xiàn)森林采伐決策的可視化和數(shù)字化，為森林采伐規(guī)劃設(shè)計提供決策支持，提高森林經(jīng)營管理水平。

森林采伐；地理信息系統(tǒng)；決策；支持；系統(tǒng)；智能；森林經(jīng)營

森林是人類的資源寶庫，能夠提供大量的木材和其他林產(chǎn)品，森林中有著極其豐富的物質(zhì)資源，這些資源為人類的生存發(fā)展提供必要的物質(zhì)條件。通過森林采伐可以調(diào)整森林結(jié)構(gòu)、改善森林質(zhì)量、提高森林整體水平。在森林資源的經(jīng)營管理決策中，采伐前的規(guī)劃設(shè)計是森林采伐的重要依據(jù)[1]，合理的森林采伐不僅能獲得人類所需要的木材資源，還能夠調(diào)整森林狀況，有效改善森林的生態(tài)環(huán)境，增強森林的生態(tài)效益和環(huán)境服務(wù)功能，實現(xiàn)森林資源的可持續(xù)利用[2-4]。

基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)借助于數(shù)學(xué)方法在森林采伐設(shè)計過程中構(gòu)建林分生長和收獲模型以及樹木生長理論方程，結(jié)合RS數(shù)據(jù)，利用GIS等計算機技術(shù)對樹木生長和林分進行模擬和預(yù)測，能夠使決策者對伐區(qū)林分和樹木的生長狀況有一個比較全面的了解，并在林分辨別、異齡林辨別、小班查詢、樹種查詢等方面提供參考依據(jù)，依托GIS強大的空間數(shù)據(jù)處理能力能夠及時發(fā)現(xiàn)采伐過程中遇到的問題，隨時調(diào)整采伐方案，實現(xiàn)森林采伐決策分析的可視化和智能化，為人們采伐森林資源提供決策依據(jù)，極大地方便采伐作業(yè)。筆者將森林采伐知識、地理信息系統(tǒng)(GIS)、智能決策支持系統(tǒng)(IDSS)等集成在一起，設(shè)計開發(fā)基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄入、存儲、查詢、分析、輸出等功能。

1 森林采伐、GIS、IDSS

1.1 森林采伐 森林采伐是對森林和林木所進行的根據(jù)生產(chǎn)需要和樹木生長特性，將森林中的林木伐倒和集運出伐區(qū)，并清理和恢復(fù)森林的一項經(jīng)營活動。森林采伐是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要措施與有效手段，是調(diào)整森林結(jié)構(gòu)、改善森林質(zhì)量、提高森林整體水平的關(guān)鍵措施。森林采伐作為森林可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對提高林分質(zhì)量、增加林分產(chǎn)出、保護天然林資源和實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[5]。

1.2 GIS GIS是信息技術(shù)、空間技術(shù)和地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科,是利用現(xiàn)代計算機圖形處理和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對空間信息及其屬性數(shù)據(jù)進行采集、存儲管理、分析處理與顯示輸出的集成技術(shù)[6]?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、電力、水利、旅游、城市規(guī)劃管理、企業(yè)管理等領(lǐng)域。

1.3 IDSS IDSS最早由Bonczek等于20世紀(jì)80年代提出，是在決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，DSS)的基礎(chǔ)上集成人工智能(Artificial Intelligent，AI)和專家系統(tǒng)(Expert System，ES)而形成的。IDSS的核心思想是將人工智能技術(shù)和其他相關(guān)學(xué)科的成果及技術(shù)相結(jié)合，使DSS具有人工智能的行為[7]。應(yīng)用ES技術(shù)，使得DSS能夠更充分地應(yīng)用人類專家的知識，通過邏輯推理來幫助解決復(fù)雜的決策問題[8]。

2 基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)構(gòu)建主要是利用GIS、數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合森林采伐相關(guān)知識及模型，在GIS的強大空間分析及計算能力的支持下，實現(xiàn)小班號、樹種、樹高、胸徑等林地基本信息查詢以及伐區(qū)選址、楞場選址、集材道路選取等功能，為森林經(jīng)營決策者在森林采伐時提供信息和決策分析。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) C/S(客戶端/服務(wù)器)模式結(jié)構(gòu)以服務(wù)器作為數(shù)據(jù)存儲和處理平臺，在終端設(shè)計有專門的應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)采集和初次處理，再將數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器端?？蛻舳素?fù)責(zé)大部分工作和功能，服務(wù)器只承載小部分的任務(wù)，這樣使得整個系統(tǒng)的運行速度更快，數(shù)據(jù)儲存和處理能力更強。C/S模式具有交互性強、存取模式安全、響應(yīng)速度較快等特點。結(jié)合GIS的強大空間分析與運算能力，采用C/S模式，設(shè)計此森林采伐智能決策支持系統(tǒng)(圖1)。

圖1 基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)設(shè)計Fig.1 Design of intelligent decision support system for forest harvesting based on GIS

2.2 平臺構(gòu)建 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2012，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2012，開發(fā)語言為C#語言，開發(fā)工具采用ESRI公司的Arcgis Engine 10.2組件，通過對Arcgis Engine 10.2進行GIS二次開發(fā)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)、方法庫系統(tǒng)以及人機交互界面5部分。

2.2.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該研究數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)庫又分為屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫，主要是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、管理、維護、輸入、查詢、修改、輸出等功能。數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運行時調(diào)入或?qū)С?，?shù)據(jù)庫與模型庫的數(shù)據(jù)交換通過數(shù)據(jù)文件實現(xiàn)，用戶根據(jù)需求從數(shù)據(jù)庫中選擇需要的信息，經(jīng)過模型運行、用戶編輯后生成新的數(shù)據(jù)文件，再保存到數(shù)據(jù)庫中[9]。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行管理和維護，可以實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)文件的編輯、修改等功能，同時也支持模型運算及統(tǒng)計分析。該系統(tǒng)同時也借助GIS的對空間信息的強大的分析處理能力來對森林采伐的伐區(qū)選擇、楞場選定、交通狀況等進行空間分析，并將結(jié)果以圖形格式輸出，供決策者對森林采伐進行分析和制訂采伐方案。

2.2.2 知識庫系統(tǒng)。該研究知識庫系統(tǒng)包括知識庫和知識庫管理系統(tǒng)。系統(tǒng)知識庫中存放著森林采伐相關(guān)法律法規(guī)、森林采伐更新管理辦法、森林采伐規(guī)程、森林采伐流程、森林采伐作業(yè)設(shè)計等森林采伐相關(guān)知識以及模型參數(shù)說明。知識庫管理模塊主要用于知識的獲取、存儲、調(diào)用、推理和擴充，實現(xiàn)對知識庫的使用和維護。

2.2.3 模型庫系統(tǒng)。該研究模型庫系統(tǒng)包括模型庫和模型庫管理模塊，模型庫分為數(shù)學(xué)模型和空間模型，數(shù)學(xué)模型包括林分生長和收獲模型、樹木生長理論方程等，空間模型包括圖形疊加分析、專題圖制作等。用戶根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)姆椒ú⑤斎肽Ｐ蛥?shù)，模型運行結(jié)果以數(shù)據(jù)文件的形式保存到數(shù)據(jù)庫[9]。模型庫管理模塊主要對模型庫及模型庫文件進行管理，主要實現(xiàn)模型構(gòu)建、調(diào)用、運行、輸出等功能。

2.2.4 方法庫系統(tǒng)。方法庫在該系統(tǒng)中起著極其重要的作用，為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型運行提供計算方法。該研究方法庫系統(tǒng)包括方法庫和方法庫管理系統(tǒng)，方法庫中主要存放有蓄積量、材積的計算方法。方法庫管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對伐后的林木材積進行計算以及實現(xiàn)方法的調(diào)用。

2.2.5 人機交互界面。人機交互界面為用戶和計算機提供一個交流平臺，是系統(tǒng)的一個重要組成部分，有效地將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、方法庫系統(tǒng)以及模型庫系統(tǒng)集成在一起。界面提供多種人機交互方式，包括菜單欄、工具欄、編輯框、窗口等。用戶可以根據(jù)需求方便快捷地調(diào)用和查詢數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)和模型，并且可以提供或修改一些參數(shù)的取值，這樣能夠充分利用使用者的專業(yè)經(jīng)驗知識或者意見，更好地輔助工作的完成[10]。

3 基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)以實現(xiàn)合理采伐為目的，集成了數(shù)據(jù)采集、錄入、存儲、查詢、分析、輸出等功能，為森林采伐決策提供支持平臺，主要實現(xiàn)以下功能(圖2)。

圖2 基于GIS森林采伐智能決策支持系統(tǒng)各模塊功能設(shè)計Fig.2 Functional design of each module of the intelligent decision support system for forest cutting based on GIS

3.1 GIS基本功能

3.1.1 數(shù)據(jù)瀏覽。通過對屬性數(shù)據(jù)的瀏覽，將伐區(qū)的信息以專題圖的形式直觀地表達(dá)出來，方便用戶對伐區(qū)信息的掌握。

3.1.2 數(shù)據(jù)查詢。在系統(tǒng)中通過輸入小班號或者樹種，可以查詢到小班的全部屬性或樹種信息，并以空間圖形及數(shù)據(jù)的形式表達(dá)出來。

3.1.3 圖層處理。用戶操作系統(tǒng)時，系統(tǒng)會調(diào)用相關(guān)類庫，包括添加圖層、刪除圖層、縮放地圖等，將數(shù)據(jù)以最直觀的形式表達(dá)出來，方便用戶根據(jù)需求查看相關(guān)信息。

3.2 空間分析 疊加分析是GIS中的一項非常重要的空間分析功能，是在統(tǒng)一空間參考系統(tǒng)下，通過對不同數(shù)據(jù)(圖層、屬性)進行的一系列集合運算，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的過程。為了方便森林采伐設(shè)計，需要把不同信息的數(shù)據(jù)(林班、河流、道路等)進行疊加分析，形成多重屬性的林相圖，為林分辨別以及異齡林辨別提供參考。

緩沖區(qū)是為了避免伐區(qū)內(nèi)的河流、湖泊、濕地、自然保護區(qū)、道路、自然風(fēng)景區(qū)、人文遺跡、野生動物棲息地等環(huán)境受到污染而在周邊劃定一定面積的、禁止采伐的區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中點、線、面等建立的緩沖區(qū)內(nèi)的林分不被納入森林采伐作業(yè)伐區(qū)選擇對象。

伐區(qū)楞場位置決定集材和運材的距離，并且影響到伐區(qū)木材生產(chǎn)成本和效益[11]。該系統(tǒng)根據(jù)研究區(qū)的遙感影像圖矢量化生成數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，運用數(shù)字地形分析法，根據(jù)相鄰網(wǎng)格坡度和坡向的關(guān)系，判斷地形的凹凸變化情況，確定溝谷線、山脊線和鞍部的位置，再綜合采伐樹種、采伐量、蓄積量、生長量、道路分布、采伐面積等森林資源狀況和作業(yè)條件，通過空間分析得出比較合理的伐區(qū)楞場位置[12-13]。由DEM提取的坡度圖和坡向圖如圖3、4所示。

圖3 順海林場坡度圖Fig.3 Slope map of Shunhai Tree Farm

圖4 順海林場坡向圖Fig.4 Aspect map of Shunhai Tree Farm

3.3 數(shù)據(jù)管理 該系統(tǒng)中包含矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、圖表數(shù)據(jù)、樹種數(shù)據(jù)、小班數(shù)據(jù)、森林采伐專業(yè)知識數(shù)據(jù)以及各種屬性數(shù)據(jù)等多種資料，為了方便對這些數(shù)據(jù)管理，防止數(shù)據(jù)冗余，實現(xiàn)森林采伐數(shù)據(jù)規(guī)范化以及森林采伐的智能化，系統(tǒng)通過小班屬性編輯、樹種屬性編輯、采伐因子數(shù)據(jù)編輯等管理模塊對數(shù)據(jù)進行分類管理。

3.4 采伐方式確定 根據(jù)研究區(qū)的坡度、森林起源、林分郁閉度、森林類別等條件，通過系統(tǒng)推理分析，可以確定合適的森林采伐方式。

3.5 材積計算 將伐區(qū)的林木伐倒后，系統(tǒng)可以根據(jù)模型庫的樹木生長模型、方法庫中的二元材積表以及木材出材率，將伐后林木材積計算出來，如果材積和年伐量出入較大，可以在軟件中重新調(diào)整采伐區(qū)面積，極大地方便了森林經(jīng)營者進行決策。

3.6 圖表生成 圖表可以使森林采伐結(jié)果以一種直觀形象的方式表達(dá)出來，使用戶更容易理解。森林采伐會涉及采伐小班、采伐限額、采伐許可證、采伐數(shù)量以及資料整理等內(nèi)容，在處理過程中有大量的文字、數(shù)據(jù)、表格等需整理，根據(jù)用戶的具體需求，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)生成圖表。

在基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)中根據(jù)采伐要求會涉及各種類型的專題圖，如采伐小班圖、限伐小班圖等。該系統(tǒng)提供了完備的專題地圖輸入、編輯、輸出功能，以空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫為依托，提供各種類型的專題圖制作編輯[14]。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

該系統(tǒng)功能的實現(xiàn)步驟如下：①收集研究區(qū)資料、二元材積表以及主要樹種的出材率表；②建立GIS數(shù)據(jù)庫，將研究區(qū)的地形圖矢量化，并生成研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)；③由DEM提取出坡度圖和坡向圖；④應(yīng)用組件GIS以及C#語言編程，開發(fā)基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)，將森林采伐相關(guān)知識錄入知識庫中，形成森林采伐知識庫；⑤將研究區(qū)坡度圖導(dǎo)入軟件中，結(jié)合系統(tǒng)的GIS空間分析功能可以得到合適的選擇伐區(qū)位置、楞場位置以及集材道位置；⑥由收集的研究區(qū)資料可以知道伐區(qū)的森林林分狀況，根據(jù)森林類別以及坡度、齡組、郁閉度、起源等條件，通過系統(tǒng)推理可以得到合適的采伐方式；⑦根據(jù)二元材積表以及樹種的出材率，通過固定的計算方法可以得到木材的材積；⑧將森林采伐結(jié)果以圖文結(jié)合的形式表達(dá)出來，生成報告和圖表，并制作采伐區(qū)各種專題圖，方便森林經(jīng)營者實地指導(dǎo)森林采伐。

5 結(jié)語

森林采伐是森林經(jīng)營活動過程中的一個重要環(huán)節(jié)，智能決策則是數(shù)字林業(yè)的重要組成部分。研究基于GIS的森林采伐智能決策支持系統(tǒng)，主要是以實現(xiàn)森林采伐決策可視化和數(shù)字化為原則，為森林采伐提供智能決策支持，方便林業(yè)工作者決策森林采伐過程的各項經(jīng)營活動。該系統(tǒng)具有人工智能的作用，管理者在森林采伐過程當(dāng)中可以根據(jù)實際要求調(diào)整森林采伐規(guī)劃，提高森林采伐信息的可靠性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對森林采伐規(guī)劃、過程中的各類信息進行錄入、存儲和管理，方便林業(yè)工作者的數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)界面友好、使用方便、可操作性強，極大方便了用戶對森林采伐進行決策。

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Design of Intelligent Decision Support System for Forest Harvesting Based on GIS

LUO Zi-qi, PAN Zhi-hua, LIU Chen-lin

(College of Forestry, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

In order to develop intelligent decision support system based on GIS and to realize the function of collecting, logging, storing, querying, analyzing and outputting data, the system integrates many discipline fields, including forest harvesting knowledge, geography information system(GIS), and intelligent decision support system(IDSS), etc. This system consists of five modules, including database system, knowledge base system, model base system, method base system and human-machine interface, which can be coordinated efficiently to meet customer requirements, so as to realize the visualization and digitization of forest harvesting decision, provide the best strategy for forest harvesting and improve the level of forest management.

Forest harvesting; Geography information system; Decision; Support; System; Intelligent; Forest management

羅子淇(1985- )，男，湖南會同人，碩士研究生，研究方向：林業(yè)“3S”與信息技術(shù)。

2016-08-12

S 771.8

A

0517-6611(2016)29-0164-03