楊雪春，劉東蘭，鄭小賢

（北京林業(yè)大學 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)營的實踐促進了森林采伐方式和技術的發(fā)展。森林資源的管理決策中，采伐前的規(guī)劃設計是森林采伐作業(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)設計數(shù)據(jù)進行空間管理，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)被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、資源調查、災害預測、環(huán)境評估、國土管理、交通運輸、城市規(guī)劃、軍事等領域［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)及采伐進程，為森林采伐決策提供現(xiàn)代方法和技術。

1 系統(tǒng)目標與說明

1.1 系統(tǒng)構建目標

系統(tǒng)構建的最終目標是為林場采伐決策提供技術支持。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 系構建說明

該輔助決策系統(tǒng)以GIS技術為基礎，結合森林經(jīng)理學科相關理論，將林場森林采伐方案的確定通過程序實現(xiàn)，達到傳統(tǒng)的實地勘察決策轉變?yōu)橄到y(tǒng)自動計算與分析的目的，同時，系統(tǒng)具備良好的擴展性和穩(wěn)定性，保證了分析結果的科學性［9-11］。

2 系統(tǒng)設計

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層結構：管理層、分析層和應用層。系統(tǒng)框架3層結構為：管理層主要利用與森林采伐相關的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)庫引擎技術，通過物理或網(wǎng)絡存儲設備統(tǒng)一進行存儲與管理，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)的技術支撐；應用層主要是融合構成統(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)建設前需要進行原始數(shù)據(jù)采集及預處理。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)后進行數(shù)據(jù)預處理是對獲得的多源異構數(shù)據(jù)進行編輯與審核，再進行分類加工，最后進行編碼。

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、發(fā)布和共享的功能，是信息集成化的地理平臺。該系統(tǒng)應具有分析森林資源生長、變化（種植、采伐、自然災害影響等）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，查詢方式有算術表達式、函數(shù)表達式、邏輯表達式等，可滿足用戶對所需小班信息快速準確查詢的需求；可利用工具欄中的查詢圖標，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）按照采伐設計和伐后驗收進行數(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）是為保護研究區(qū)內溪流、湖泊、濕地、道路等環(huán)境而在周邊劃定的禁止采伐、機械進入的森林地段。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)空間分析擴大了林場森林資源數(shù)據(jù)庫的應用范圍。根據(jù)屬性將數(shù)據(jù)庫內容進行轉換與處理，結合柵格數(shù)據(jù)，主要是數(shù)字高程模型圖（DEM），進行柵格數(shù)據(jù)分析，可以完成森林采伐相關內容因素的提取，實現(xiàn)GIS、遙感技術與林學知識的進一步關聯(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、屬性檢查等內容。

2.2.5 圖表生成 圖表是數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結果顯示，是對采伐作業(yè)進行定量分析的基礎以及實施定量考核以及制定相應政策的重要參考。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、圖例等地圖要素進行編輯。

2.2.6 其他 主要功能包括：1）系統(tǒng)維護：包括數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復等功能，以及系統(tǒng)網(wǎng)絡運行環(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)結構如圖4。

2.3 主要模型設計

2.3.1 林分因子提取模型 森林采伐主要空間技術指標（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，更新造林樹種結構，小班面積，樹種的比例等多種因素綜合進行考慮，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)結構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性指標，即林地可以達到的最大坡度；

2）確定同類林地多種集材方式排序的臨界技術經(jīng)濟指標。如按集材過程總成本大小為標準進行排序，集材成本Y的表達式為：

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)庫設計

本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)包括了基礎地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、森林資源調查數(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、動態(tài)變化、分布式存儲等特點?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)主要通過圖片矢量化、相關部門統(tǒng)計調查、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)進行存儲。根據(jù)森林分布狀況、森林采伐規(guī)劃設計對數(shù)據(jù)的要求以及系統(tǒng)管理需要，從數(shù)據(jù)庫的結構和內容上分析，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括了基礎地理信息庫、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)庫構成［16-17］。

2.4.1 基礎地理信息數(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）。林場及相關部門提供的相關統(tǒng)計報表及文檔數(shù)據(jù)（合理年伐量、采伐限額等）。GIS側重中間數(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)設計中采用基于文件的存儲機制，將影像數(shù)據(jù)文件的內容存儲在數(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)庫設計中采用面向數(shù)據(jù)的存儲機制，按照類型為表格及報表設計數(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)有機結合，建設出既可以實現(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，將結果以各種直觀的圖形、表格等形式表達出來，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲、管理一體化，達到了系統(tǒng)通用提高工作效率的目的。

3.1 GIS與RS的集成技術

遙感是森林采伐中重要的技術支撐之一，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)的復雜性，提高系統(tǒng)的決策支持功能。

3.2 動態(tài)監(jiān)測技術

動態(tài)監(jiān)測是指對林場森林資源進行綜合的數(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)用戶可結合相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)和野外調查數(shù)據(jù)，選擇應用模型及參數(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)定性及較強的可擴展性，用戶界面友好，易于操作，實現(xiàn)伐區(qū)設計、伐區(qū)設計管理，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)。

［1］ 金廣超，鄭文秀.淺談地理信息系統(tǒng)技術在伐區(qū)采伐作業(yè)調查設計中的應用［J］.林業(yè)勘察設計，2006（1）：83.

［2］ 杜海梅.3S技術在森林采伐管理中的應用及展望［J］.林業(yè)勘察設計，2005（4）：65-66.

［3］ 李閩麗.城市園林綠化調查中RS和GIS技術的應用［J］.中南林學院學報，2006，26（4）：141-146.

［4］ 李德仁.論RS、GPS與GIS集成的定義、理論與關鍵技術［J］.遙感學報，1997，1（1）：64-68.

［5］ 李貴榮，郭建平.地理信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.南方冶金學院學報，2003，24（2）：10-14.

［6］ 亢新剛等.森林資源經(jīng)營管理［M］.北京：中國林業(yè)出版社2001.

［7］ 謝偉，劉金川，謝敏，等.3S技術在林業(yè)中的應用［J］.科技信息：學術研究，2007（26）：309-310.

［8］ 溫小榮，彭世揆，佘光輝，等.地理信息系統(tǒng)在我國林業(yè)上應用的進展［J］.南京林業(yè)大學學報：自然科學版，2006，29（2）：73-78.WEN X R，PENG S K，SHE G H，et al.Current development and application of GIS in forestry of China［J］.Journal of Nanjing Forestry University：Natural Science Edition，2006，29（2）：73-78.（in Chinese）

［9］ 馬勝利.基于3S技術的森林防火輔助決策系統(tǒng)研建［J］.西北林學院學報，2010，25（5）：112-116.MA S L.Establishment of forest fire prevention assistant decisionmaking system based on 3STechnique［J］.Journal of Northwest Forestry University，2010，25（5）：112-116.（in Chinese）

［10］ 吳建強，王懿祥，楊峪，等.基于GIS技術的林木競爭指數(shù)計算系統(tǒng)的設計與開發(fā)［J］.西北林學院學報，2014，29（4）：175-181.WU J Q，WANG Y X，YANG Y，et al.Design and development of competition index calculation system based on GIS technology［J］.Journal of Northwest Forestry University，2014，29（4）：175-181.（in Chinese）

［11］ 孫興兵，王飛，燕慧婷.基于分布式的湖南省林權證管理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.西北林學院學報，2013，28（6）：230-236.SUN X B，WANG F，YAN H T.Distribution based design and implementation of forestry rights certificate management information system in Hunan province［J］.Journal of Northwest Forestry University，2013，28（6）：230-236.（in Chinese）

［12］ 牟乃夏，劉文寶，等.地理信息系統(tǒng)教程［M］.北京：測繪出版社，2012：311-319.

［13］ 邱榮祖，周新年.基于GIS的優(yōu)選作業(yè)伐區(qū)決策支持系統(tǒng)［J］.遙感信息，2001（3）：37-40.

［14］ 周新年.林業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃［M］.北京：北京科學技術出版社，1994：60-93.

［15］ 邱榮祖.基于GIS的木材運輸計劃決策支持系統(tǒng)［J］.林業(yè)科學，2002，38（1）：116-121.QIU R Z.GIS-Based design support system for wood transporeation planning［J］.Scientia Silvae Sinicae，2002，38（1）：116-121.（in Chinese）

［16］ 周永望，公茂玉，吳超輝.基于GIS的科普資源信息發(fā)布系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（3）：26-30.ZHOU Y W，GONG M Y，WU C H.Design and realization of the popular science resource publishing system based on Web GIS［J］.Geomatics &Spatial Information Technology，2014，37（3）：26-30.（in Chinese）

［17］ 張恒，劉群，于洋.基于GIS和RS的林業(yè)資源管理系統(tǒng)設計［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2009（10）：30-33.

［18］ 孟憲宇.測樹學［M］.北京：中國林業(yè)出版社，1996：10.