夏春園, 饒良懿?，夏靜芳

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京；3.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，100038，北京)

水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)研發(fā)

夏春園1,2, 饒良懿1,2?，夏靜芳3

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京；2.水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京；3.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，100038，北京)

水土保持生態(tài)效應評價已成為當前水土保持研究的熱點。水土保持生態(tài)效應評價的目的是通過對水土保持各類單項或綜合治理措施生態(tài)效應的評價，為政府部門決策提供依據(jù)。目前,亟需研發(fā)專門的水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)對這一領域積累的大量的專家知識進行快速、智能評價。本文在收集整理大量領域?qū)＜抑R的基礎上，采用產(chǎn)生式規(guī)則構建了水土保持生態(tài)效應評價知識庫，并利用可視化開發(fā)程序語言VC++將專家系統(tǒng)技術與地理信息系統(tǒng)技術相互集成，研制開發(fā)了一個界面友好、操作簡單的水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)，旨在為水土保持生態(tài)效應評價提供高效、智能的決策工具。

水土保持； 生態(tài)效應評價； 知識庫； 專家系統(tǒng)； 地理信息系統(tǒng)

計算機技術的突飛猛進促進了水土保持工作信息化的發(fā)展。目前，我國水土保持信息化工作主要從標準體系建設、基礎設施建設、數(shù)據(jù)庫建設、業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)、信息分類與傳輸體系建設、提高保障水平等幾個方面展開，已經(jīng)進入了發(fā)展的加速期，也取得了很好的成績，但其與行業(yè)發(fā)展形勢、社會需求及國家整體的信息化戰(zhàn)略布局的要求仍有較大差距：存在水土流失數(shù)據(jù)未能定期獲取、水土保持信息化基礎設施不完善、技術標準建設滯后及信息技術應用與信息化發(fā)展不同步等問題[1]。業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)作為水土保持信息化工作的一部分一直以來都備受領域?qū)W者的青睞。1972年加拿大建立了世界上第1個土壤數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)，從此各國相繼研發(fā)了土壤退化評價、水土流失預測及水土保持管理等方面的信息系統(tǒng)，為水土保持措施的科學配置提供了參考，并提高了其針對性和防治效果[2]。1986年，北京大學遙感中心等單位建立的區(qū)域侵蝕信息系統(tǒng)是我國較早、較成熟的水土保持信息系統(tǒng)[2]。早期研發(fā)的水土保持信息系統(tǒng)主要用于水土流失預測預報、水土保持監(jiān)測評價、監(jiān)測點信息采集、淤地壩管理、滑坡泥石流預警、小流域管理等領域[3]。近些年則集中在水土保持管理上，例如趙永軍等[4]研發(fā)的水土保持重點工程項目管理信息系統(tǒng)、謝紅霞等[5]研發(fā)的延河流域水土保持管理信息系統(tǒng)，以及程瑞芳[6]研發(fā)的三維可視化的河南省水土保持管理信息系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)是人工智能領域最具發(fā)展前景的技術，早在20世紀90年代，專家系統(tǒng)技術就已經(jīng)被應用于水土保持信息管理領域。例如早期的馬藹乃等[7]開發(fā)的微機地理專家系統(tǒng)MCGES，傅煒[8]提出的黃土地區(qū)土壤侵蝕專家系統(tǒng)，張曉萍等[9]提出的基于GIS的水土保持林草措施專家系統(tǒng)，饒良懿等[10]對我國早期水土保持專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀做了綜述和總結。近些年來水土保持專家系統(tǒng)的研發(fā)較少，近期涌現(xiàn)的僅有柳禮奎等[11]針對農(nóng)村居民點水土保持要素創(chuàng)建的專家決策系統(tǒng)，文東新等[12]構建的基于Google Earth的大圍山水土保持信息系統(tǒng)，匡星等[13]建立的鐵路工程水土流失預測評價專家系統(tǒng)等。

我國實施了長期的水土流失綜合治理，水土保持工作取得了重大進展和顯著成效。水土保持生態(tài)效應的評價一直以來是人們關注的重點，通過對各類單項或綜合治理措施的生態(tài)效應進行評價與估算，監(jiān)測與評價水土保持規(guī)劃實施的進度與質(zhì)量，其目的是定量標識水土保持措施影響的方式、程度和范圍，為水土保持措施配置和科學決策提供依據(jù)，是水土保持研究的一項重要內(nèi)容[14]。目前這一領域積累了大量的專家知識，但還沒有一個專門的生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)進行水土保持生態(tài)效應的快速、智能評價，而這正是水土保持行政管理部門所亟需的高效決策工具。筆者在搜集、整理我國多年積累的水土保持生態(tài)治理數(shù)據(jù)資料的基礎上，采用產(chǎn)生式知識表達方法構建了水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)知識庫，利用可視化開發(fā)程序語言VC++，將專家系統(tǒng)技術與地理信息系統(tǒng)技術相互集成，研制和開發(fā)一個界面友好、功能完善的水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)，以為我國水土保持生態(tài)工程的效應評價提供強有力的決策工具。

1 系統(tǒng)總體結構

水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)由人機接口、專家系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)組成。專家系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)采取松耦合的結合方式——兩者是通過中間數(shù)據(jù)接口文件相互連接，專家系統(tǒng)用來產(chǎn)生水土保持領域的知識庫(專家知識)，并用其推理機進行啟發(fā)式推理，而地理信息系統(tǒng)則為專家系統(tǒng)提供支撐，用來管理空間數(shù)據(jù)并可作空間信息分析和顯示[15]。專家系統(tǒng)包括知識庫、知識獲取與管理系統(tǒng)、推理機、數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、模型庫及其管理系統(tǒng)、圖形庫及其管理系統(tǒng)。具體結構如圖1所示。

圖1 水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)總體結構Fig.1 General structure of the expert system (ES) for ecological effect evaluation of soil and water conservation

人機接口作為用戶與系統(tǒng)之間的媒介[16]，可把用戶輸入的生態(tài)效應評價指標和參數(shù)轉換成系統(tǒng)內(nèi)部可以識別的表達形式，然后將其交給相應的模塊去處理，最后把評價結果反饋給用戶；知識庫則是系統(tǒng)的核心組成，用于存放大量水土保持生態(tài)效應評價知識(規(guī)則)，這些知識包括調(diào)水、保土、生物多樣性維持以及固碳等4個方面，涉及坡面、小流域和區(qū)域3個尺度(表1)。在進行模塊設計時，將每個尺度的每個方面知識單獨存儲在1個子庫中，即本系統(tǒng)的知識庫包括12個子庫，在進行生態(tài)效應評價時，推理機可根據(jù)用戶需求去相應的子庫進行匹配；因此，提升了推理機的匹配速度和系統(tǒng)的工作效率。知識獲取采用主動與被動相結合的方式，增加了規(guī)則的獲取途徑；推理機是系統(tǒng)的又一核心組成[17]，其工作原理是針對數(shù)據(jù)庫中的當前數(shù)據(jù)信息，利用知識庫中的知識，按一定的推理方法和搜索策略進行推理，并得出結論。本系統(tǒng)，在進行生態(tài)效應評價時推理機采用產(chǎn)生式推理策略和不精確性推理策略適時地決定知識的選擇和運用，為用戶提供效應評價結果；本系統(tǒng)為了便于管理，將數(shù)據(jù)、模型以及圖形分開存放，形成了不同類型的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫負責接收系統(tǒng)的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫，提供系統(tǒng)內(nèi)各模型間數(shù)據(jù)共享[9]。模型庫包括基礎模型庫和專業(yè)模型庫。圖形庫則用于存儲該評價系統(tǒng)的各類圖形。

2 知識庫建立

知識庫是專家系統(tǒng)的核心組成，是推理機正常運作的前提，也是專家系統(tǒng)有別于其他計算機軟件系統(tǒng)的重要標志[18]。知識庫也被稱為規(guī)則庫，根據(jù)相應原則和格式，把水土保持專業(yè)領域內(nèi)的知識及專家知識進行有效處理和編寫，轉換成計算機識別的知識形式存放到知識庫中。由于專家系統(tǒng)是整合領域的專家知識模擬專家的思維方式來進行問題的求解，因此知識庫中知識的數(shù)量是否豐富、知識的整理是否合理，是此類系統(tǒng)能否進行科學、準確評價的關鍵。

2.1 知識的獲取

水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)知識的獲取是解決以何種方式從水土保持領域中已有的大量數(shù)據(jù)資料(包括口述或文字、研究成果、報告或?qū)崪y數(shù)據(jù)等)中提取出該專家系統(tǒng)所需的知識，因此，要求所取得的知識內(nèi)容應具備準確、客觀的特點[19]。知識獲取的方法分為主動式和被動式2類[20]：主動式知識獲取，反映的是系統(tǒng)根據(jù)用戶操作過程中輸入的基本信息和產(chǎn)生的評價結果，通過知識獲取系統(tǒng)自動地獲取或產(chǎn)生知識并轉入系統(tǒng)的知識庫中；而被動式知識獲取，指的是由知識工程師按照評價指標體系，根據(jù)水土保持領域的某些知識源(如專家、書本或?qū)＜姨幚淼膶嵗?挖掘出有關的領域知識，并通過知識編輯器等類似的工具，將收集的這些知識以計算機能識別的形式裝入知識庫。在本系統(tǒng)的知識庫構建中，知識的獲取主要采取主動式與被動式相結合的方法。被動式知識獲取包括3方面內(nèi)容：1)通過閱讀和分析已有的專業(yè)文獻和研究成果、報告獲??；2)通過與水土保持領域?qū)＜颐鎸γ娼涣鳙@?。?)通過對水土保持領域?qū)＜疫M行問卷調(diào)查獲取。所有獲取的知識和經(jīng)驗參數(shù)都要反復詢問領域?qū)＜襾泶_定，然后整理為若干規(guī)則，并依據(jù)評價尺度和評價內(nèi)容的不同，組建相應的規(guī)則集(知識庫的子庫)。

表1不同尺度水土保持生態(tài)效應評價指標體系

Tab.1Evaluation index system of ecological effect of soil and water conservation at different scales

分類Sort坡面尺度Slopescale小流域尺度Smallwatershedscale區(qū)域尺度Regionalscale內(nèi)容Content指標Index內(nèi)容Content指標Index內(nèi)容Content指標Index調(diào)水Watertransfer地表徑流Surfacerunoff徑流模數(shù)Modulusofrunoff徑流量Runoff攔蓄徑流Runoffintercep-tion年/旱季徑流量、(非)汛期流量、洪峰流量Annual/Dryrunoff,(Non-flood)Floodflow,andfloodpeakdischarge地表徑流Surfacerunoff徑流量Runoff水質(zhì)調(diào)控Waterqualitycontrol總氮,總磷及化學需氮量TN,TP,andCOD水質(zhì)調(diào)控WaterqualitycontrolTN,TP,andCOD水質(zhì)調(diào)控WaterqualitycontrolTN,TP,andCOD改善土壤物理質(zhì)量Soilqualityimprovement機械組成、密度Soil-mechanicalcomposi-tion,andbulkdensity蓄水保土Soilandwatercon-servation土壤有效含水量、土壤儲水量Availablewatercontentofsoil,andsoilwaterstorage保土Soilconservation土壤侵蝕Soilerosion土壤侵蝕模數(shù)Soilerosionmodulus土壤侵蝕Soile-rosion土壤侵蝕模數(shù)Soile-rosionmodulus土壤侵蝕Soile-rosion土壤侵蝕模數(shù)Soile-rosionmodulus泥沙量Sediment輸沙量,輸沙模數(shù)Sedimentdischarge/transportmodulus泥沙量Sediment輸沙量Sedimentdis-charge生物多樣性維持Biodi-versitycon-servation植被覆蓋率Veg-etationcoverage植被蓋度Vegetationcoverage生物多樣性Biodiversity多樣性指數(shù)Diversityindex植被覆蓋率Veg-etationcoverage植被蓋度Vegetationcoverage植被覆蓋率Veg-etationcoverage植被蓋度Vegetationcoverage土地利用Landuse土地利用結構Landusestructure土地利用Landuse土地利用結構Landusestructure景觀多樣性Landscapediver-sity景觀多樣性指數(shù),班塊數(shù)量Landscapedi-versityindex,andnumberofpatches景觀多樣性Landscapediver-sity景觀多樣性指數(shù)Landscapediversity固碳Carbonfixation土壤有機碳Soilorganiccarbon土壤有機碳儲量Soilorganiccarbonstor-age土壤有機碳Soilorganiccarbon土壤有機碳儲量Soilorganiccarbonstor-age土壤有機碳Soilorganiccarbon土壤有機碳儲量Soilorganiccarbonstor-age植物碳儲量Plantcarbonstorage植物碳儲量Plantcar-bonstorage植物碳儲量Plantcarbonstorage植物碳儲量Plantcar-bonstorage植物碳儲量Plantcarbonstorage地上部碳儲量Abovegroundcarbonstorage

2.2 知識的表示

知識表示就是知識的符號化和形式化的過程[21]。通過某種特定的表達方式把水土保持生態(tài)效應評價領域的各種知識整合到計算機系統(tǒng)的程序設計過程中[20]。目前知識的表示方法有多種，本系統(tǒng)采用了IF A THEN B的產(chǎn)生式知識表達方式。

產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式：

RULE n

IF A THEN B

Certainty Factor m

Photo Graph None

Reference None

END RULE

格式說明：n為規(guī)則號(整數(shù))；A條件判斷語句；B結果語句；m為可信度值(用0～100之間的整數(shù)來表示)；Photo Graph為圖片或圖形，缺省時默認值為None；Reference為參考文獻，缺省時默認值為None。以北方土石山區(qū)坡面尺度減流減沙效應為例，其規(guī)則如下(此部分共梳理了476條規(guī)則)：

RULE 1

IF 省份=北京

地點=延慶

多年平均降雨量=475 mm

土壤類型=褐土

坡長=10 m

坡向=陰坡

坡度=15°

土地利用方式=板栗樹盤

排列方式=“田”字形

THEN 減流效應82%

減沙效應95%

可信度值95

Photo Graph None

Reference None

END RULE

3 系統(tǒng)總體功能設計

本系統(tǒng)采用應用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方式Microsoft Visual C++(VC++)[22]作為系統(tǒng)開發(fā)工具，應用面向?qū)ο箝_發(fā)方式設計推理機并開發(fā)專家系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)的重構和擴充，且操作簡單、適宜推廣。水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)由6個功能模塊組成，包括信息管理模塊、知識庫管理模塊、文獻管理模塊、水土保持生態(tài)效應評價模塊、GIS管理模塊以及輸出模塊。進入本系統(tǒng)首先需要注冊、登錄，以便進行安全管理。

3.1 信息管理模塊

能夠完成對屬性數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的基本操作，包括輸入、查詢、添加、修改和刪除等功能，亦可稱為數(shù)據(jù)管理。

3.1.1 屬性數(shù)據(jù)管理 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括動態(tài)數(shù)據(jù)庫和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫，水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫用來存放系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括中間推理結果、求解狀態(tài)及最終結果等；靜態(tài)數(shù)據(jù)庫則用來存放系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)，包括土壤數(shù)據(jù)、多年平均降雨量數(shù)據(jù)、徑流和泥沙觀測數(shù)據(jù)、水土保持措施數(shù)據(jù)、植被類型數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)等。屬性數(shù)據(jù)管理就是對靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理，完善和修改屬性數(shù)據(jù)可以幫助用戶全面準確的了解研究地狀況。

3.1.2 模型數(shù)據(jù)管理 水土保持生態(tài)效應評價過程會應用許多模型，包括一些規(guī)劃模型和數(shù)學模型，例如線性規(guī)劃模型、多目標規(guī)劃模型、多元統(tǒng)計模型、回歸分析模型等；還包括水土保持領域的一些專業(yè)模型，例如水土保持生態(tài)效應評價方法模型、土壤侵蝕模型、流域產(chǎn)沙模型、水文模型、生態(tài)模型等。模型數(shù)據(jù)管理可以對以上這些模型進行修改等操作，也可以補充系統(tǒng)中缺少的模型，為水土保持生態(tài)效應評價提供更多的方法。

3.1.3 圖形數(shù)據(jù)管理 水土保持生態(tài)效應評價過程涉及很多圖形，包括數(shù)字化地形圖、流域地塊圖和土壤圖、植被圖、坡度圖、地貌圖、土壤侵蝕類型圖、土地利用現(xiàn)狀圖及土層厚度圖等各類專題圖。通過圖形數(shù)據(jù)管理可以增加和更新不同地區(qū)的各類圖形，提升評價結果的直觀性。

3.2 知識庫管理模塊

知識庫管理模塊是對系統(tǒng)知識庫的知識進行編輯，主要包括知識的添加、修改、刪除、查詢等功能，使其不斷完善，提高生態(tài)效應評價的準確性。通過知識庫管理，可以向?qū)＜蚁到y(tǒng)知識庫中不斷添加新知識和修改既有知識。同時對知識庫中的規(guī)則進行一致性校驗，對知識進行處理、對知識的語法錯誤等進行檢查，保證知識表示的規(guī)范性、一致性和可操作性。

3.3 文獻管理模塊

文獻管理主要包括對知識應用文獻的添加、查詢、修改和刪除等功能操作。文獻管理功能不僅為用戶提供方便，也可以檢索規(guī)則的準確性，提高評價工作的效率。

3.4 水土保持生態(tài)效應評價模塊

水土保持生態(tài)效應評價作為本系統(tǒng)的核心功能，主要包括以下4部分。

1)評價指標參數(shù)輸入：用戶進入評價界面把已有的指標參數(shù)輸入對應位置，包括地點、多年平均降雨量、坡度、坡長、坡向、降雨強度、植被蓋度、土地利用方式和水土保持措施等。

2)評價指標與方法選擇：評價指標分為坡面、小流域和區(qū)域3個尺度，每個尺度包含調(diào)水、保土、生物多樣性維持以及固碳等幾類指標，具體如表1所示；評價方法主要包括專家推理評價和模型評價，以專家推理評價為主。評價模型主要默認層次分析法，應用模型評價可對專家推理評價結果進行驗證和補充，同時在系統(tǒng)模型庫中儲存了幾種較成熟的評價方法，用戶可根據(jù)需要進行補充與選擇。

3)水土保持生態(tài)效應評價：系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，選擇合適的評價指標與方法，運用推理機與知識庫中的知識進行匹配或運用模型進行計算。

4)評價結果輸出：系統(tǒng)根據(jù)匹配和計算的過程輸出評價結果，包括用戶輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)、評價結果、可信度值、參考文獻以及各類專題圖等。

3.5 GIS管理模塊

GIS管理模塊主要是對空間數(shù)據(jù)(包括DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù))的管理以及負責與GIS系統(tǒng)形成連接，保證專家系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)的相互結合，為本系統(tǒng)提供空間數(shù)據(jù)操作的可能。

3.6 輸出功能模塊

輸出模型計算的結果或水土保持生態(tài)效應評價結果，包括可信度值，參考文獻以及系統(tǒng)生成的各類專題圖等。

4 系統(tǒng)在白馬小流域坡面尺度保土效應評價中的應用

4.1 白馬小流域基本情況

白馬小流域位于山西省平順縣青羊鎮(zhèn)白馬村，距平順縣城7.0 km，總面積為4.47 km2，屬于海河流域濁漳河水系，流域為典型北方土石山區(qū)，地貌為中山類山谷地貌，土壤類型為石灰性褐土，地理位置為E 113°20′30″～113°22′11″，N 36°07′19″～36°08′52″，海拔1 303.3～1 522.5 m，平均坡度為20.56°。干旱半干旱大陸性季風氣候，多年平均降雨量為628.9 mm，其中汛期降雨量為488.96 mm，且降雨主要集中在6—9月份，年平均氣溫9.1 ℃，無霜期125 d，≥10 ℃的積溫為3 177.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 631.6 mm。該區(qū)溝壑縱橫，山高坡陡，土層厚度瘠薄，且抗蝕性差，水土流失嚴重。流域內(nèi)總人口為440人，其中勞動力259人，人均耕地0.21 hm2，糧食總產(chǎn)量35 759 kg，人均年純收入2 280.5元。水土流失面積為3.34 km2，占流域總面積的74.7%。

4.2 系統(tǒng)應用

目前，水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)已初步建立，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)和規(guī)則的基礎上對系統(tǒng)的主要功能進行驗證與應用，取得了較好的效果。由于篇幅有限，筆者僅以白馬小流域坡面尺度保土效應評價為例介紹系統(tǒng)應用。在坡度為18.2 ℃，坡長為20 m，降雨強度為1.1 mm/min，植被蓋度為40%，土地利用方式為喬木林地，水土保持措施為魚鱗坑的條件下，采用專家推理評價方法，通過推理機進行推理，得到該區(qū)坡面尺度保土效應評價結果：土壤侵蝕模數(shù)為70.35 t/(km2·a),減流效應為75%，減沙效應為80.15%。評價結果可為水土保持行政管理部門進行水土保持管理、水土保持規(guī)劃實施進度、質(zhì)量的監(jiān)督監(jiān)測以及水保措施的進一步部署和決策提供依據(jù)。

5 結論與建議

水土保持生態(tài)效應評價作為水土保持工作的一項重點內(nèi)容，一直以來備受關注。筆者設計和研發(fā)的水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)，將專家系統(tǒng)技術與地理信息系統(tǒng)技術相結合，通過收集、整理、歸納和總結水土保持領域?qū)＜叶嗄甑难芯亢蛯嵺`所積累的大量、分散的數(shù)據(jù)信息，構建了水土保持生態(tài)效應評價知識庫，實現(xiàn)水土保持生態(tài)效應的高效、智能評價。評價結果不僅能為水土保持信息化管理提供科學依據(jù)，同時也為水土保持規(guī)劃實施進度、質(zhì)量的監(jiān)督監(jiān)測及水保措施的進一步部署和決策提供依據(jù)。

水土保持生態(tài)效應評價專家系統(tǒng)雖具有界面友好、操作簡單、評價快速等特點，能滿足水土保持生態(tài)效應評價工作的基本需要，但在一些方面仍有待進一步完善、加強與提升：一是系統(tǒng)的知識庫需要進一步豐富和完善，以提升評價結果的全面性和準確性；二是推理機中使用的產(chǎn)生式推理策略和不精確性推理策略算法相對簡單，還需考慮引入其他更為精確的推理策略，優(yōu)化推理機的匹配過程。

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Researchanddevelopmentontheexpertsystemforecologicaleffectevaluationofsoilandwaterconservation

XIA Chunyuan1,2, RAO Liangyi1,2, XIA Jingfang3

(1.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;2.Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;3.Soil and Water Conservation Plant Development and Management Center of Ministry of Water Resources, 100038, Beijing, China)

BackgroundMost researches paid attention to the study of comprehensive evaluation of soil and water conservation, such as evaluation of index system and evaluation methods. However, few studies on the evaluation of ecological effects of soil and water conservation have been carried out. So far a lot of expert knowledge has been accumulated in this field, which has provided basis for the development of evaluation expert system that could help quickly and intelligently evaluate the ecological effects of soil and water conservation measures. A decision-making tool for the soil and water conservation administrative department is also urgently required to meet the needs of ecological effects evaluation for soil and water conservation, which may provide the basis for government decision.MethodsBased on the summarization of the experiences and expert knowledge of soil and water conservation areas, a knowledge database was established with the production-rule method, and the expert system (ES) was integrated with geographic information system (GIS) technologies by the visual programming language VC++.ResultsA friendly interface and fully functional ecological effect evaluation expert system of soil and water conservation was developed, composing of expert system and geographic information system. The expert system includes man-machine interface, inference engine, knowledge base and acquisition and management of knowledge, database and database management, model base and model base management, graph base and graph base management. It can calculate the ecological effects of comprehensive management of soil and water conservation measures, and make a scientific evaluation of the ecological effects of soil and water conservation measures. This part is also the core function of the system. In addition, the system also includes information management, knowledge base management, document management, GIS management and output functions. After the completion of the system, the Baima small watershed was selected as a verifying example, in the slope of 18.2 degrees, 20 m slope, rainfall intensity was 1.1 mm/min, the vegetation coverage was 40%, land use was forestland, soil and water conservation measure was fish scale pit, the effect of soil conservation at the slope scale of which was evaluated as: soil erosion modulus was 70.35 t/(km2·a), flow effect reduced to 75%, the sediment reduction effect was 80.15%, which may be used for soil and water conservation management in the administrative department.ConclusionsAnalysis of soil and water conservation measures and the correct evaluation of their ecological effects may not only make people understand the effectiveness of soil erosion control, but also provide a basis for further comprehensive management and help promote soil and water conservation work scientifically and specifically. This system may meet the needs of soil and water conservation assessment of ecological effects, with the advantages of simple operation, easy to release, etc. However, further efforts should be focused on the richness of the knowledge database, which may help improve the scientificalness of evaluation results as well as the practicality of the system.

soil and water conservation; ecological effect evaluation; knowledge database; expert system; geographic information system

S157

A

2096-2673(2017)05-0142-07

10.16843/j.sswc.2017.05.018

2017-03-27

2017-09-21

項目名稱： 水利部公益性行業(yè)科研專項“水土保持生態(tài)效應監(jiān)測與評價技術研究”(201501045)

夏春園(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水土保持監(jiān)測與評價。E-mail：756361326@qq.com

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饒良懿(1976—)，女，博士，教授。主要研究方向：水土保持和生態(tài)工程。E-mail：raoliangyi@bjfu.edu.cn