彭彥霖 吳風華

(華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063200)

引言

林業(yè)資源是林業(yè)保護發(fā)展的重要物質基礎，林業(yè)資源的有效評估和保護對于遏制林業(yè)資源的衰退，實現林業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。塞罕壩機械林場是現在河北省最大的人工林林場，森林資源非常豐富，森林覆蓋率在80.0%以上[1]。塞罕壩機械林場具備多樣性的功能特點，發(fā)揮著不可替代的作用。塞罕壩機械林場地處高原地區(qū)，與荒漠相鄰地區(qū)相近，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受到天氣與社會因素的影響。利用GIS技術與互聯(lián)網技術實現對塞罕壩地區(qū)林業(yè)資源的信息化管理可以更好地對該地區(qū)的林業(yè)資源進行整合，從而達到保護和發(fā)展的作用[2]。

目前，GIS在林業(yè)應用方面發(fā)揮越來越重要的作用。國際上，加拿大森林資源數據庫系統(tǒng)CFRDS是一個集成化的森林資源信息庫，存儲著森林蓄積量、運輸途徑、木材需求等信息?？商峁┲付謪^(qū)現有的鐵路、公路和水路運輸途徑、森林蓄積圖表和需材企業(yè)圖表，有力地支持了森林經營規(guī)劃設計[3-6]。美國林務局的STUMP軟件是一個森林利用分析系統(tǒng)，可分析計算森林蓄積量、林木價格、貯木場庫存和木材規(guī)格等級，預測最終木材產量。在國內，李超和羅傳文等研究實現了基于ArcGIS Engine的森林資源管理系統(tǒng)，實現了帽兒山林場森林資源的信息化管理；趙穎慧運用“3S”技術、數字化技術、網絡技術、計算機可視化技術以大興安嶺示范區(qū)——塔河林業(yè)局為例，采用森林資源調查數據和各種圖面資料(包括地形圖、林相圖)，結合多種軟件，對數字林業(yè)的關鍵技術進行了研究[7-9]。

目前而言，國內GIS在林業(yè)方面對塞罕壩地區(qū)森林公園研究相對較少，在技術方面多偏向于傳統(tǒng)GIS，較少涉及到WebGIS的功能。針對以上情況，開發(fā)一個集林業(yè)資源管理功能、森林保護功能、綠化造林功能為一體的林業(yè)資源管理系統(tǒng)，更有利于對塞罕壩地區(qū)林業(yè)進行綜合管理，更有利于提高對該地區(qū)的災害保護措施，更有利于該地區(qū)林場的穩(wěn)定，對林業(yè)資源發(fā)展具有重大意義。

1 相關理論與技術描述

1.1 核密度分析技術

密度分析通常情況下用于計算測量一塊區(qū)域的單位密度，尤其是點要素以及線要素的測量。通常來講，核密度分析的結果能夠表現出離散測量值在連續(xù)區(qū)域內的變化情況。其結果是平滑的曲面數據[12]。本系統(tǒng)森林保護功能中有森林火災熱力圖，運用了核密度分析技術，密度分析使用的核函數：

其中，r為查找半徑；scale為柵格中心點到點、線對象的距離與查找半徑相比。

1.2 對迪杰斯特拉算法改進的多旅行商算法

在本系統(tǒng)中護林人員最佳巡邏路線功能中，在人工林場內有多個護林基站，護林人員從基站出發(fā)，如果只是簡單的迪杰斯特拉算法的話，一個護林人員只能對一個地方進行巡邏維護，不能對多個地點進行巡邏維護，因此本文在此基礎上對Dijkstra算法進行改進，實現一個護林基站對人工林場多個地點進行巡邏的最佳路徑選擇[13]，這就是多旅行商算法。

旅行商問題是一個經典的組合優(yōu)化問題。應如何選擇行進路線，以使總的行程最短。從某角度來看，該問題實質是在一個帶權完全無向圖中，找一個權值最小的Hamilton回路。此算法在交通運輸、電路板線路設計以及物流配送等領域內有著廣泛的應用，國內外學者對其進行了大量的研究。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

塞罕壩位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣境內，內蒙古高原的東南緣，地處內蒙古高原與河北北部山地的交接處，地貌上界于內蒙古熔巖高原和冀北山地之間，主要是高原臺地。東西長51.46km，南北寬17.84km。區(qū)域海拔高度1500～1939.6m，面積20029hm2。塞罕壩機械林場地處高原地區(qū)，與荒漠相鄰地區(qū)相近，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受到天氣與社會因素的影響。

2.2 數據來源

本系統(tǒng)中的樹種及其相關信息、病蟲害信息以及藥物信息等來源于政府網站；地圖下載來源于水經注；如10a賽罕壩地區(qū)植被覆蓋變化需要用到遙感信息來源于Landsat，數據精度較高。塞罕壩區(qū)域圖如圖1所示。

圖1 塞罕壩區(qū)域概括圖

2.3 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)功能設計包括森林保護功能模塊，其中森林保護功能模塊包括森林防火、樹種、病蟲害信息查詢、護林人員巡邏路線等功能，林業(yè)資源可視化分析模塊包括林分專題圖、不同林分覆蓋區(qū)塊查詢、小班調查因子查詢、近10a塞罕壩地區(qū)植被覆蓋查詢等功能。綠化造林模塊功能中有養(yǎng)護地的查看以及樹種養(yǎng)護記錄，并根據養(yǎng)護信息在該功能模塊中畫出相應的計劃圖。系統(tǒng)技術路線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術路線圖

森林保護功能模塊中該模塊包括森林防火、樹種、病蟲害信息查詢、護林人員巡邏路線，其基本功能包括系統(tǒng)用戶可以對樹種、病蟲害歐諾以及殺蟲藥物的信息進行查詢。系統(tǒng)可以根據往年火災發(fā)生數據進行分析，制作出相應的火災熱力圖，構成森林防火功能。最短路徑分析，選出所要巡邏的地點，進行相應分析，系統(tǒng)會根據最短路徑選出離該目標點最近的護林站，并派出工作人員進行巡邏查詢。林業(yè)資源可視化分析包含不同林分區(qū)塊覆蓋區(qū)域信息查詢功能、近10a賽罕壩地區(qū)森林覆蓋變化。不同林分專題圖可以清楚地看到不同林分在賽罕壩地區(qū)的分布；近10a賽罕壩地區(qū)植被覆蓋變化點擊不同年份即可得到當年植被覆蓋比，進而出現當年植被覆蓋區(qū)域圖。小班調查因子將塞罕壩林場劃分成不同區(qū)塊并對每個區(qū)塊進行編號，顯示出不同區(qū)塊的樹種年份、地類、林種、地形因子、平均樹齡、更新度等。給管理人員提供更好的思路，便于決策的下達。綠化造林功能中有養(yǎng)護地的查看以及樹種養(yǎng)護記錄，并根據一些養(yǎng)護信息在該功能模塊中畫出相應的計劃圖，便于護林人員更好工作。該功能打破了常規(guī)計劃發(fā)布方式，將GIS功能與實際相結合，實現了政府人員可以直接通過平臺發(fā)布造林計劃，簡單且高效。

2.4 系統(tǒng)實現

2.4.1 查詢功能的實現

2.4.1.1 不同林分覆蓋區(qū)塊查詢功能

該功能屬于區(qū)塊查詢功能，根據不同林分覆蓋地方做成相應區(qū)塊，實現區(qū)塊查詢功能。不同林分用不同顏色表示，并且每個區(qū)域分別給出了編號、植被類型以及占地面積，使政府管理員更加清晰地識別不同林分所覆蓋區(qū)域。便于政府管理人員對不同林分、不同地點更加因地制宜，賽罕壩地區(qū)不同林分覆蓋區(qū)塊信息查詢功能圖如圖3所示。

圖3 不同林分覆蓋區(qū)塊查詢

2.4.1.2 近10a塞罕壩森林覆蓋度查詢功能

將從Landsat網站上獲取的塞罕壩森林公園遙感影像數據，在ENVI中進行數據處理，再與超圖相結合，得出近10a賽罕壩地區(qū)森林覆蓋率的查詢功能，輸入所查詢年份，系統(tǒng)會給出當年植被覆蓋指數，顯示當年植被覆蓋區(qū)域圖，并提供分析給管理人員，以便管理人員更好地為來年植樹造林、退耕還林做好規(guī)劃準備。在所選下拉框中選中所要查詢的當年森林覆蓋年份，如選中2017年，點擊分析即有窗體彈出顯示2017年塞罕壩地區(qū)森林覆蓋比為0.83548。顯示效果如圖4所示，可以分析研究時間段內每一年對應的森林覆蓋比。

圖4 近10a塞罕壩森林覆蓋率查詢

2.4.1.3 養(yǎng)護地查詢功能

該功能顯示出一些養(yǎng)護地的信息情況，屬于區(qū)塊查詢功能，對不同養(yǎng)護地區(qū)塊賦予不同的顏色，并且顯示出相應區(qū)塊的養(yǎng)護信息，便于管理人員進行相應的管理，使林業(yè)資源管理更加高效。養(yǎng)護地查詢圖如圖5所示。

2.4.2 最佳巡邏路線的實現

該功能利用最短路線分析原理，給出所需要的巡邏地點，利用迪杰斯特拉算法得出距離該區(qū)域最近的護林站點，然后給出最短路線。該功能的實現極大方便了管理人員與護林人員。通過選擇起終點位置可以進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，并可以查詢到路徑距離，簡潔方便。護林人員巡邏路線圖如圖6所示。

圖5 養(yǎng)護地查詢圖

圖6 護林人員巡邏路線圖

2.4.3 綠化造林功能的實現

綠化造林功能實現了養(yǎng)護地查詢并在該功能欄里繪制相應的計劃圖。該功能打破了常規(guī)計劃發(fā)布方式，將GIS功能與實際相結合，實現了政府人員可以直接通過平臺發(fā)布造林計劃，簡單且高效。該功能更加有利于政府管理人員與護林人員進行交互，國家每年發(fā)布計劃給政府工作人員，政府工作人員在該功能欄里進行計劃的制作，并在之后發(fā)布，使得護林人員更方便、清晰地了解政策，并更好的實施。養(yǎng)護計劃圖如圖7所示。

圖7 養(yǎng)護計劃圖

2.4.4 森林保護功能的實現

本系統(tǒng)針對森林保護功能開發(fā)了森林防火功能以及病蟲害防治功能。其中，森林防火功能是根據近些年塞罕壩地區(qū)發(fā)生森林火災情況制作成數據，生成森林火災熱力圖，顯示出塞罕壩地區(qū)哪些地方易發(fā)生火災 ，以便更好地進行相應的森林防火。病蟲害防治功能中可以查詢到塞罕壩地區(qū)種植的不同樹種以及樹種所對應的功能，如保土防沙功能等以及樹種易患的病蟲害，并給出相應病蟲害查詢、不同害蟲所需的藥物殺除以及藥物的存放站和剩余量。森林防火功能如圖8所示。

圖8 森林防火功能圖

3 結論

國家對生態(tài)環(huán)境的保護以及管理日益加深，因此需要一套比較完善的林業(yè)資源管理系統(tǒng)進行系統(tǒng)化管理。以塞罕壩國家森林公園為研究區(qū)，開發(fā)一個集林業(yè)資源管理功能、森林保護功能、綠化造林功能為一體的林業(yè)資源管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)以森林保護功能、林業(yè)資源可視化分析功能以及造林規(guī)劃為目標，實現了森林火情分析、樹種信息及相關病蟲害、病蟲害防治信息、藥物儲備信息、護林人員巡邏路線、林種分布專題圖、小班調查因子查詢分析、不同林分區(qū)塊查詢、近10a塞罕壩森林覆蓋率變化、綠化造林功能整個系統(tǒng),使森林保護、森林信息查詢、綠化造林功能融為一體，大大提高了護林人員管理工作的效率和質量，并為政府領導的決策提供科學依據。