基于WebGIS的多目標(biāo)森林經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)1)

高心丹 趙 明

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

異齡林是由不同年齡、不同徑級(jí)和不同樹(shù)種的林木組成的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)［1］。由于森林的生長(zhǎng)使林木徑階、年齡等發(fā)生變化，使這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)總是處于一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化之中。矩陣模型是異齡林生長(zhǎng)預(yù)測(cè)重要工具，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于對(duì)異齡林的動(dòng)態(tài)分析［2-6］。對(duì)森林資源的不同方案進(jìn)行模擬分析，并從中找出最優(yōu)方案，對(duì)于指導(dǎo)合理的森林經(jīng)營(yíng)起著重要的作用。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)和地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)在林業(yè)方面廣泛應(yīng)用，通過(guò)3S綜合集成，為林業(yè)系統(tǒng)管理提供一體化的服務(wù)，已成為一種必然的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的森林經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)功能有限，無(wú)法更有效地對(duì)森林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)管理。但是，通過(guò)對(duì)森林?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并利用森林經(jīng)理理論中關(guān)于森林經(jīng)營(yíng)方案的專(zhuān)業(yè)的分析算法和專(zhuān)業(yè)模型，對(duì)各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行較深層次分析，建立一個(gè)輔助森林經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)，可以更好地滿足當(dāng)前的需要。同時(shí)，基于WebGIS的多目標(biāo)森林經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)的建立，可以有效地對(duì)森林林分信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模擬，可以輔助政府對(duì)林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)劃，增強(qiáng)林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的科學(xué)性，減少由于人為因素而造成的決策失誤，為促進(jìn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)是在研究多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)決策方法的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS Server9.2和J2EE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

1 多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)與林木生長(zhǎng)模型

森林經(jīng)營(yíng)與多目標(biāo)決策理論相結(jié)合的多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)方法，其目標(biāo)是以森林可持續(xù)發(fā)展為總體目標(biāo)，其下層目標(biāo)分為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)。

經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，即以木材收獲量為目標(biāo)。本文的森林采伐方式采用擇伐，擇伐作業(yè)后對(duì)整體的林分齡級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞性相對(duì)較小，有利于伐后更新，并可以提高森林的生產(chǎn)力，改善森林質(zhì)量，增強(qiáng)森林抵御自然災(zāi)害的能力。

生態(tài)目標(biāo)，即以林分多樣性和森林頂極群落演替為目標(biāo)。在以往的調(diào)查中，多個(gè)樹(shù)種和多個(gè)徑階的森林對(duì)自然災(zāi)害有良好的抵抗性，并對(duì)森林群落的多樣性有很大的影響作用，是衡量林分結(jié)構(gòu)好壞的重要指標(biāo)。原地帶性頂級(jí)群落是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的群落階段，它是自然界在數(shù)以萬(wàn)計(jì)長(zhǎng)期自然選擇和演替才形成的適應(yīng)于該地區(qū)立地環(huán)境的“完美作品”，具有較強(qiáng)的抗自然災(zāi)害能力和自我更新能力。在保持原有的地帶性森林頂級(jí)群落的基礎(chǔ)上，加大恢復(fù)力度，才能實(shí)現(xiàn)良好的森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)。森林的樹(shù)種優(yōu)勢(shì)度可以決定森林生態(tài)系統(tǒng)演替趨勢(shì)，是森林向頂級(jí)演替的重要參考指標(biāo)。

林分多樣性中采用樹(shù)種多樣性和徑階大小多樣性兩個(gè)指標(biāo)，選用Shannon多樣性指數(shù)表示：

式中：pi為各徑級(jí)的株數(shù)占林分總株數(shù)的比例。

自然狀況下，經(jīng)過(guò)一定間隔期林木各徑階株數(shù)可以用以下方程描述［7-11］：

式中：n 為徑階個(gè)數(shù)(i=1、2、…、n);t為分期數(shù);yi，t(yi，t+1)是 t(t+1)分期第i徑階的株數(shù);ai，t為第i徑階在第t分期末保留在原徑階內(nèi)的概率;bi-1，t為第i-1徑階在第t分期末向上生長(zhǎng)一個(gè)徑階的概率;ci-2，t為第i-1徑階在第t分期末向上生長(zhǎng)兩個(gè)徑階的概率;It為第t分期的進(jìn)界生長(zhǎng)量。上述方程可以綜合為下面一個(gè)陣模型來(lái)描述：

進(jìn)界生長(zhǎng)方程為：

It=［β0，β1，…，βn］T，d1=β0+β1B1+β2，di=β1Bi+β2，i=2、3、…、n。其中：Bi為第i徑階林木的平均胸高斷面積;St為t分期林分總斷面積;Nt為t分期林分總株數(shù)。

樹(shù)種枯損率：樹(shù)種枯損率與胸徑關(guān)系擬合公式為：

式中：P為森林中林木各胸徑的枯死率;D為胸徑。

多樹(shù)種林木生長(zhǎng)模型是由矩陣模型演變而來(lái)。在考慮采伐和多樹(shù)種的情況下，并且不考慮擇伐對(duì)向上生長(zhǎng)、進(jìn)界生長(zhǎng)和枯損的影響，可以得到多樹(shù)種擇伐狀態(tài)下的矩陣模型：

式中：s=1、…、m，m 為樹(shù)種數(shù);i=1、…、n，n 為徑階數(shù);Ys，i，t(Ys，i，t+1)為樹(shù)種 s的第 i徑階在 t(t+1) 分期的株數(shù);Hs，i，t為樹(shù)種s的第i徑階在t分期采伐株數(shù);Is，t為樹(shù)種s在t分期進(jìn)界生長(zhǎng)量;Ms，i，t為樹(shù)種 s的第 i徑階在 t分期的枯損量;Gs，t為徑階轉(zhuǎn)移概率矩陣。模型中，當(dāng)H=0時(shí)，是各樹(shù)種的自然生長(zhǎng)預(yù)測(cè)。

由于森林經(jīng)營(yíng)的多個(gè)目標(biāo)既相互依賴又可能相互排斥，要求每個(gè)目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)是困難的。為了對(duì)各種經(jīng)營(yíng)方案和對(duì)各種經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的影響進(jìn)行綜合分析，本系統(tǒng)選擇線性變換法對(duì)木材收獲量、樹(shù)種多樣性、大小多樣性和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)進(jìn)行規(guī)范化。為不失一般性，各目標(biāo)權(quán)重為1：目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Z為規(guī)范化后的木材收獲量;ΔH1為規(guī)范化后的樹(shù)種大小多樣性指數(shù);ΔH2為規(guī)范化后的樹(shù)種多樣性指數(shù);ΔF規(guī)范化后的樹(shù)種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)以ArcGIS9.2為連接GIS服務(wù)器平臺(tái)，ArcGIS Server作為Internet發(fā)布服務(wù)器，采用ArcGISServer Java ADF框架，Weblogic10.3為Web服務(wù)器。基于ArcGIS Server的編程實(shí)際是基于Arc Objects的編程，所以ArcGISServer可以實(shí)現(xiàn)多種高級(jí)功能，如制圖、空間分析、多用戶編輯等。ArcGISServer Java ADF由JSF框架構(gòu)建，基于此平臺(tái)構(gòu)建的系統(tǒng)具有J2EE的所有特點(diǎn)。J2EE的固有優(yōu)勢(shì)，不僅使系統(tǒng)的各模塊結(jié)構(gòu)清晰，而且使系統(tǒng)可以在多種平臺(tái)上運(yùn)行，從而提供系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和可移植性。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能菜單分別是區(qū)域地圖及各特征顯示及操作、各類(lèi)專(zhuān)題圖顯示及操作、統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)營(yíng)輔助決策等功能［12-13］。

2.2.1 地圖顯示、地圖基本操作和空間查詢功能

地圖顯示功能，主要通過(guò)圖層控制和鷹眼窗口顯示實(shí)現(xiàn)。圖層控制是通過(guò)用戶的點(diǎn)擊便可以打開(kāi)和關(guān)閉圖層;在鷹眼窗口顯示當(dāng)前地圖窗口在全圖的位置，當(dāng)用戶進(jìn)行放大、縮小、漫游等操作時(shí)，鷹眼窗口會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的變化。地圖基本操作功能是通過(guò)工具欄中的放大、縮小、漫游、全圖顯示等功能按鈕實(shí)現(xiàn)。在查詢種類(lèi)窗口中，可以選擇所需要的查詢方式，例如：通過(guò)選擇圖層查詢屬性信息，或者通過(guò)屬性信息查詢所在的圖層等;查詢屬性窗口和查詢屬性的詳細(xì)信息窗口分別顯示查詢的信息和查詢的屬性詳細(xì)信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2.2.2 專(zhuān)題圖顯示和統(tǒng)計(jì)功能

專(zhuān)題圖是用于分析和表現(xiàn)數(shù)據(jù)的有利方式。用戶通過(guò)數(shù)據(jù)圖形化的專(zhuān)題圖，可以很直觀地觀察到林業(yè)數(shù)據(jù)在地圖上表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)使用專(zhuān)題圖渲染不同的顏色來(lái)顯示數(shù)據(jù)時(shí)，可以清楚地看出在數(shù)據(jù)記錄中難以發(fā)現(xiàn)的模式和趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)分析功能是對(duì)森林資源信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可以以餅狀圖的方式顯示。系統(tǒng)中可以對(duì)各種森林面積、各類(lèi)土地面積、林種、公益林、經(jīng)濟(jì)林等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.3 經(jīng)營(yíng)輔助決策功能

經(jīng)營(yíng)輔助決策功能是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。主要功能是采用多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)方法和多樹(shù)種林木生長(zhǎng)模型，對(duì)森林采伐的不同方案進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行綜合比較，從中找出最優(yōu)方案，對(duì)于指導(dǎo)合理的森林經(jīng)營(yíng)起著重要的作用。

經(jīng)營(yíng)輔助決策功能主要分為兩大功能：一是可以對(duì)林分?jǐn)?shù)據(jù)的自然生長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬;二是通過(guò)輸入擇伐周期、擇伐強(qiáng)度和最小采伐直徑參數(shù)，進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合采伐蓄積量、徑階大小多樣性、樹(shù)種多樣性和優(yōu)勢(shì)度得出綜合分析所需要的擇伐方案。

2.2.4 決策結(jié)果與分析

系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)來(lái)源于帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)1990年、1993年和2004年3次調(diào)查的17個(gè)固定樣地的森林?jǐn)?shù)據(jù)，固定樣地面積均為0.06 hm2，調(diào)查數(shù)據(jù)包括每木檢尺記錄樹(shù)種和胸徑、枯倒木樹(shù)種和枯倒木檢尺等。帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的17個(gè)固定樣地中的落葉松的自然生長(zhǎng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 落葉松樹(shù)種在未干擾下各個(gè)徑階株數(shù)的變化

經(jīng)營(yíng)輔助決策功能主要分為兩方面，一是可以對(duì)林分?jǐn)?shù)據(jù)的自然生長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬;二是通過(guò)輸入擇伐周期、擇伐強(qiáng)度和最小采伐直徑參數(shù)，進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合采伐蓄積量、徑階大小多樣性、樹(shù)種多樣性和優(yōu)勢(shì)度得出綜合分析所需要的擇伐方案。

一般當(dāng)H＞0時(shí)，是對(duì)有采伐狀態(tài)下的各樹(shù)種生長(zhǎng)模擬，通過(guò)計(jì)算模擬數(shù)據(jù)的采伐量、林分樹(shù)種多樣性、徑階大小多樣性和優(yōu)勢(shì)度，得到各指標(biāo)的變化量，綜合分析評(píng)價(jià)各個(gè)采伐方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)與其他技術(shù)的融合已經(jīng)發(fā)揮巨大的作用。WebGIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物。基于WebGIS的多目標(biāo)森林經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)信息專(zhuān)題表達(dá)、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能，并通過(guò)矩陣模型和多個(gè)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)分析得出由各種樹(shù)種的木材收獲量、林木大小多樣性、樹(shù)種多樣性和樹(shù)種優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)組成的采伐方案，決策者在選擇合理的采伐方案執(zhí)行之后，不僅可以改善森林資源結(jié)構(gòu)，逐漸達(dá)到森林樹(shù)種、林齡和徑級(jí)結(jié)構(gòu)的合理化，以及森林向地帶性頂極群落演替，還可以在此基礎(chǔ)上得到最大的木材收獲量。

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