基于GIS的專家系統和決策支持系統在林業中的應用研究綜述

王建明，張 雁，尹繼庭，趙 南

(1.西南林業大學林學院，昆明 650224 ； 2.西南林業大學計算機與信息學院，昆明 650224)

基于GIS的專家系統和決策支持系統在林業中的應用研究綜述

王建明1，張 雁2，尹繼庭1，趙 南1

(1.西南林業大學林學院，昆明 650224 ； 2.西南林業大學計算機與信息學院，昆明 650224)

基于GIS的專家系統和決策支持系統應用研究，極大地提高了數字林業信息化水平。介紹和評述了當前地理信息系統(GIS)、專家系統(ES)、決策支持系統(DSS)在森林防火、營造林、森林病蟲害防治和森林資源管理等領域的應用；分析了GIS，ES和DSS在林業中應用所存在或面臨的主要問題；提出了在林業應用中的發展前景。

地理信息系統;專家系統;決策支持系統;林業

引言

隨著全球信息化的發展，各行各業都不可避免地面臨數字化問題。同樣，在林業上也提出了數字化林業的概念。林業數字化是將各行業、各領域以及林業系統各部門的信息通過數字化、計算機處理和網絡傳輸，最大限度地集成和利用各類信息源，快速、完整、便捷地提供各種信息服務，實現林業系統內部之間及其他部門行業之間經濟、管理和社會信息的互通與共享，為林業及整個社會的發展建設提供理論依據和決策基礎[1]。隨著林業和計算機技術的發展，地理信息系統(GIS)、專家系統(ES)、決策支持系統(DSS)在林業上的應用研究也正在興起。

1 GIS，ES和DSS概述

1.1 相關概念

GIS是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，該系統用于支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。它把地理位置及其相關屬性有機地結合起來，可以根據用戶的需要，將空間及其屬性信息準確地、真實地、圖文并茂地輸出給用戶，以滿足城市建設、企業管理、居民生活等對空間信息的要求，借助其獨有的空間分析功能和可視化表達功能，進行各種輔助決策[2]。

ES是人工智能的重要分支，其最重要的目的是使計算機在各個領域中起到人類專家的作用。它是一種智能程序子系統，具有大量專家水平的專業知識和經驗，能利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決某一領域的問題。其本質是一種結合專家水平、實際知識和經驗來完成模仿人類的、一般的解題策略的計算機程序。

DSS是以管理科學、運籌學、控制論和行為科學為基礎，以計算機技術、模擬技術和信息技術為手段，面對半結構化的決策問題，支持決策活動的具有智能作用的人機系統。它能為決策者提供決策所需要的數據、信息和背景資料，幫助明確決策目標和進行問題的識別，建立或修改決策模型，提供各種備選方案，并對各種方案進行評價和優選，通過人機對話進行分析、比較和判斷，為正確決策提供有益幫助[3]。

1.2 三者關系概述

GIS與ES的結合，實際上是ES在GIS 中的一種應用：一是ES為GIS 提供智能型界面，即按功能需要，設計有效的操作程序，以驅動GIS進行空間分析[4]；二是ES主要負責系統的啟發式推理分析和控制整個系統的運行；三是GIS主要負責空間信息操作，管理和提供空間分析功能。二者的結合能夠加強和完善GIS及ES的系統功能，拓寬GIS 的適用范圍，即為 GIS 的應用提供科學的決策和咨詢，也為 ES 的應用提供完善的空間數據信息。

GIS和DSS都基于數據庫原理，相同點是數據處理過程相近，設計方法近似；不同點是應用層次、對應對象不同。具體不同表現為以下幾個方面：一是信息處理功能的側重面不同。GIS處理空間數據能力較強，但數據的組織應用能力較差；DSS不但可處理空間信息，還可處理各種數值信息，具有較強的數據組織應用能力。二是應用范圍不同。DSS的應用范圍較GIS更為廣泛，凡是與信息處理技術有關的各種行業部門均不同程度地使用了DSS。三是發展程度不同。GIS目前發展較為成熟，特別是3S集成已經成為目前發展的一大熱點[5]。GIS與DSS的結合使得決策向空間信息處理發展，在林業中的應用更加實用、智能和高效，提高了林業現代化的科學性和工作效益。

DSS與ES的結合形成智能決策系統(IDSS)，綜合了ES以知識推理形式定性分析問題以及DSS以模型計算為核心的定量分析問題兩大特點，提高和擴大了解決問題的能力和范圍[6]。基于GIS的DSS和ES應用研究，將極大地提高了我國林業信息化水平。

2 GIS，ES和DSS在林業中的應用

針對我國林業的特點，GIS，ES和DSS在林業中的綜合應用主要從森林防火、營造林、森林病蟲害防治和森林資源管理四個方面進行闡述。

2.1 森林防火

隨著世界各國對森林資源保護力度的加大，對森林火災預防和撲救工作的重視，結合GIS，DSS和ES的森林火災撲救指揮系統逐漸被廣泛開發和應用。這些系統一方面能對可能發生火災的時間和區域進行預測預報，另一方面能為消防指揮員作出滅火決策提供重要依據，還能為指揮員提供輔助決策支持，從而使火災損失減到最少。

在國外，加拿大于1987年就已建立起了加拿大森林火險等級系統(Canadian Forest Fire Danger Ration System)和地理信息模擬系統(Geo-graphical Information and Modeling System)，用以實時模擬火場狀況來幫助林火管理人員制定最佳滅火方案[7]。美國于1972年研制出國家級火險預報系統(NFDRS)；1988年又在微型機上研制出了野外火災管理輔助決策系統；上世紀90年代開始推廣使用森林防火高級系統技術(Forest Fire Advanced System Technology，FFAST)，取得了良好效果[8]；2003年International Fire Sciences Laboratory[9]又設計并完成了模擬林火空間蔓延動態的Farsite軟件。

2010年，Kaloudis S T等[10]提出了FMP-ES(Forest Management Planning-Expert systems)。該系統使用了模糊邏輯理論和基于規則的知識庫，主要應用于低地松樹林，為森林管理和防火提供智能決策支持。Krishna Prasad Vadrevu等[11]針對印度熱帶落葉林，在GIS框架中結合模糊集合理論和決策算法，繪制森林火災危險區域，并預測可能會發生火災的區域，量化火災危害等級，設計實現了能預測森林火災“何時何地”發生的專家決策支持系統，對森林火災預防與撲救具有重要的指導意義。2011年，美國農業部落基山研究站的Robert E. Keane等[12]在研究報告中指出，今后的森林將面臨氣候變化、火災、荒漠化和城市發展等諸多因素更深遠的影響，如何發現森林的潛在危險和準確預測森林的各種情況是當前研究的一大熱點和難點。并成功設計出用于森林生態模擬和森林火災預測的軟件FireBGCv2。針對森林防火指揮部的選址和防火路徑的最佳選擇問題，Abdullah E. Akay等[13]開發了一個基于GIS的DSS系統來進行輔助決策，成功應用于土耳其地中海區域的卡拉曼馬拉斯林區。

我國在建立森林防火指揮決策支持系統方面比發達國家起步晚。原林業部(現國家林業局)于20世紀90年代初與日本合作開發了一套基于GIS的全國性森林火災管理信息系統，并應用到小興安嶺的森林防火中[14]。近年來，我國很多地區根據當地的特點也在研制各種基于GIS，ES和DSS的森林防火指揮決策支持系統，在一定程度上提高了森林防火工作水平。但是，這些系統都有很多缺陷和不足。有的系統占用計算機資源太多，運行效率低下；有的開發成本大；有的是受制于開發技術的局限，系統功能不夠靈活全面[15]。

我國現有的大部分林火撲救指揮系統，沒有引入機器學習、知識獲取以及滅火資源合理利用等機制，這使滅火決策完全依靠程序設計，導致程序死板、擴展性差。趙剛等[16]提出了一種利用資源競爭的決策方法，通過對以往滅火案例所轉化的知識的可行性評估，合理利用現有的滅火資源，達到智能化的目的。王阿川、曹琳等[17]首次將人工智能的方法應用到森林防火中，并在系統中應用了軟構件等技術，實現了森林防火技術的信息化、網絡化和智能化。

2.2 營造林

營造林決策不僅需要處理大量的空間數據和非空間數據，而且需要專家的技術指導和規范的造林設計方案及后期的管理措施。GIS，ES和DSS 具有這樣的能力，不僅對于管理和分析地理空間信息和非空間信息方面具備非常強大的功能，而且能設計出不同需求的造林方案和進行合理的規劃管理。

在國外，1987 年Reisinger T W等[18]就已利用GIS與DSS 的集成來解決木材收獲規劃問題；Herrington L P 等[19]研究了DSS在造林、采伐等森林管理方面的應用；Carter D R等[20]研究GIS與木材收獲計劃模型的集成系統；Davis R G等[21]應用DSS與GIS的結合幫助評價短期的基于立地的造林規劃，并且與長期的戰略規劃相結合，制定整個林分可持續收獲的造林、收獲和更新計劃。

在國內，有不少學者也在嘗試利用相關技術解決造林問題。趙鵬祥等[22]應用Maptitude-GIS 繪制造林規劃設計數字化圖，建立造林規劃設計屬性數據庫，對造林地的相關屬性信息進行有效管理；張曉麗等[23]以RS，GIS 和ES 為技術手段，對北京市森林進行立地類型劃分以及在此基礎上的立地質量評價和多目標動態決策。吳保國等[6]利用現代信息技術，集成森林培育與管護、森林病蟲害防治、林木收獲利用等整個森林經營管理全過程的相關技術手段和知識，研建了森林培育專家決策支持系統，為森林培育全過程提供專業技術支持。海占廣[24]針對河北省楊樹速生林培育決策問題，運用數據挖掘技術對速生林培育知識規則進行提取，為決策知識的獲取提供了一種新的思路和方法。Tim R. McVicar等[25]針對中國黃土高原，設計了一款與水文學有關的植被恢復決策支持的工具ReVegIH，對植被恢復的地域和物種選擇進行輔助決策，對我國黃土高原的植被恢復有重要的促進作用。

2.3 病蟲害防治

森林病蟲害的診斷、預測工作是進行病蟲害綜合防治的必要前提。通過專家系統和決策支持系統對森林病蟲害診斷、防治、預測和預報，才能經濟有效地減少病蟲害的發生量，保證森林的高質、穩產。

美國提倡對病蟲害實施早期和現代化技術監測，利用航天遙感技術建立大范圍的森林生態圖和森林健康指數圖，對森林的生物、環境因子和森林的健康狀況進行連續、動態的研究和監測[26]。美國研制了云杉蚜蟲決策支持系統，幫助森林管理者預測病蟲害爆發的影響，預測森林長勢和可持續水平。英國利用GIS與計算機技術相結合對夜蛾進行預測和繪制地理分布圖。1989年加拿大國家森林研究所利用GIS與DSS相結合，為鐵杉尺蠖的管理提供決策支持[27]。

在國內，森林病蟲害領域的研究和應用主要集中在防治決策支持、病蟲害預測預報和輔助診斷等方面。諸如王淑芬等[28]建立的馬尾松毛蟲防治決策專家系統。王阿川等[29]結合人工智能技術、GIS技術、數據庫技術和網絡技術，開發了基于Web的森林病蟲害防治決策專家系統。王霓虹等[30]設計了一個基于WebGIS的森林病蟲害預測預報專家系統，能對森林病蟲害的發生期、發生量和發生區域進行預測預報。李龍龍等[31]首次將模糊技術和案例推理相融合，引入到蟲害診斷專家系統的設計中，開發了基于案例和模糊推理的農業蟲害專家系統。吳文浩等[32]開發了基于WebGIS的具有病蟲害信息查詢、潛在生境空間分析、病蟲害疫情上報、發生點地圖標注等交互式功能的江蘇省外來森林病蟲害基礎信息網絡平臺，為防治外來病蟲害提供數據和決策支持。吳志剛等[33]設計了一個基于多分支結構的天津植物害蟲輔助診斷專家系統TPPADS，多分支結構比二叉式結構能更精確和快速的進行輔助診斷。

2.4 森林資源管理

森林資源管理的對象是森林資源，目的是實現森林資源的可持續發展。它是對森林資源進行調查、區劃、分析、評價、決策、信息管理等一系列工作的總稱。集成領域專家知識的專家系統、支持決策系統等智能系統為資源管理提供了現代化的工具。基于GIS，ES，DSS和數據庫技術的森林資源管理系統，是當前森林資源管理決策應用需求和技術發展的要求，是森林資源管理的發展趨勢。

在國外，利用計算機和網絡技術支持的森林資源管理研究，技術發展較為成熟的主要是北美、西歐和東亞。美國在森林資源管理中，建立了大量的地理信息系統及其輔助決策系統，并已在森林資源調查和監測方面突破了傳統的范圍，滲透到全球環境變化監測和森林保健監測的研究中。加拿大林業部在上世紀90年代開始建立國家林業信息系統(National Forestry Information System，NFIS)，聯邦、省和州政府一起合作，為用戶提供基于WebGIS的森林資源信息，用戶可在授權范圍內獲取全國森林資源信息，并可以從分布式數據庫中獲取授權的信息，實現森林資源監測、綜合統計報表等功能[34]。德國利用計算機五級網絡建立了森林資源動態監測系統，在基層林場借助生長模型對未來采伐林分進行生長預測、數據更新和收集進入成林的林分，以獲得年度森林資源動態數據[35]，實現了森林資源的網絡化和信息化管理。總體來說，國外的森林資源管理主要體現為多功能、多層次的軟件包及工具的應用開發。

我國上世紀60年代將計算機技術引入到森林資源管理領域，但只是進行個別的科學計算研究，直到80年代初才開始了系統的應用和實踐。從90年代開始引進了GIS、網絡等技術，并將這些技術運用到了森林資源管理領域。近年來，隨著計算機和GIS技術的飛速發展，森林資源管理也得到了長足的進步[36]。李庭波[37]首次把本體概念引入森林資源經營決策知識庫技術研究中，分析了本體在森林資源經營決策知識庫中的意義，首次提出從森林資源數據結構中獲取森林資源核心本體的本體學習方法。張茂震等[38]提出了基于網絡和數據共享的森林資源信息系統構架和基于數據庫技術的資源整合的綜合模型。郭振等[39]針對傳統森林資源調查周期長、精度低、工作量大問題，提出一種基于PDA 的嵌入式地理信息系統解決方案，對森林資源調查進行嵌入式GIS研究與開發，實現了外業數據采集和內業數據處理的無紙化和一體化。謝小魁等[40]在GIS平臺中集成森林動態模型，設計并實現了森林生長率模型、景觀采伐模型和矩陣模型，開發了森林經營決策支持系統，為提高我國森林可持續經營管理的數字化水平提供了一定的技術支持。

隨著我國森林資源管理及其應用系統開發的技術水平不斷提高，出現了許多功能比較完善的森林資源管理及相關的獨立業務系統。但總體上看，森林資源管理信息系統的現狀還不能適應林業戰略轉變新形勢的要求，主要表現在這些系統針對某一具體業務開發、信息共享和綜合分析能力不夠，不能充分利用當前豐富的網絡資源，實現數據資源共享和聯機分析處理等綜合管理決策[37]。

3 討論

雖然地理信息系統、專家系統和決策支持系統在林業中已成為當前信息化領域研究的熱點，但還面臨以下主要問題：一是現有的研究還不能很好地契合各領域、各學科的知識。學科交叉是創新思想的源泉，應進行多學科交叉研究，進行廣泛的多學科之間的合作。可以針對林業領域的某一個具體問題，綜合運用各學科的知識進行深入處理。如在森林病蟲害防治領域，可結合GIS方面的專家、計算機專家、森林昆蟲專家和植物病理學專家等專家知識和經驗，開發針對性的專家決策支持系統。二是現有的研究多側重于系統的設計與實現，而其中專家系統知識庫的知識來源范圍狹窄。應在注重系統的設計與實現的同時，還要注意各種先進算法、理論的研究與應用；同時需要擴大知識庫的知識來源范圍，主要包括書本、專家和國內外科學研究的成果等。正確的決策是建立在對專業知識的掌握和實踐經驗汲取的基礎之上的，掌握的知識越完整、越豐富、越可靠，構建的知識庫就越健壯，決策的正確性就越大。可以使用數據挖掘技術處理量大的信息，從中發現隱含的知識和規律，以彌補人類在大量信息處理方面的不足。三是現有的研究多是針對單一林業問題給出定性分析結果，而沒有定量分析結果，決策的科學性和準確性有待提高。定量分析是建立在定性預測基礎上的，要根據定性分析的結果進行數據行統計，建立數學模型，并用數學模型計算出分析對象的各項指標及其數值。四是現有的研究中決策結果的表達方式不夠完整、形象。比如可用虛擬現實技術模擬森林生態系統，為決策者提供更為直觀的表達，使決策者能夠對森林的各項生態指標有更準確、完整的了解。

云計算與GIS的融合已成為地理信息產業發展的趨勢，并將帶動地理信息產業的深刻變革。云GIS將實現地理空間信息和非空間信息的全面整合，而結合了云GIS、遙感(RS)、全球定位系統(GPS)、決策支持系統(DSS)、專家系統(ES)的新的“5S”體系將是未來主要的多學科交叉支柱概念。在林火、造林、森林病蟲和森林資源管理領域，集成新的“5S”體系的各類決策，將以云服務的方式提供，能夠把相關平臺、軟件和地理空間信息方便、高效地部署到“云”基礎設施之上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于 Web 的服務。在林業中，新的“5S”概念體系必將是新的研究熱點。

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SurveyofExpertSystemandDecisionSupportSysteminForestryBasedonGIS

WANG Jianming1,ZHANG Yan2,YIN Jiting1,ZHAO Nan1

(1.Forestry College, Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China； 2.Computer and Information College，Southwest Forestry University,Kunming 650224, Yunnan,China)

The application research of Expert System and Decision Support System in forestry based on GIS has greatly improved the development level of digital forestry. This paper introduces the Geographic Information System(GIS)，Expert System(ES), Decision Support System(DSS), and analyzes their application in four aspects such as forest fire, afforestation, forest pest and forest resources management. The paper also discusses the main problems faced by or existing in the application of the system in the forestry and prospects on the application are made as well.

GIS(Geographic Information System);ES(Expert System);DSS(Decision Support System);forest

2012-04-23

2012-05-14

王建明(1986-)，男，云南大理人，碩士研究生，研究方向：地理信息系統。

TP 39

A

1003-6075(2012)03-0034-05