基于GIS的森林采伐智能決策支持系統設計

羅子淇，潘志華， 劉陳林

(貴州大學林學院,貴州貴陽 550025)

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基于GIS的森林采伐智能決策支持系統設計

羅子淇，潘志華， 劉陳林

(貴州大學林學院,貴州貴陽 550025)

將森林采伐知識、地理信息系統(GIS)、智能決策支持系統(IDSS)等集成在一起，設計開發基于GIS的森林采伐智能決策支持系統，實現數據采集、錄入、存儲、查詢、分析、輸出等功能。系統主要包括數據庫系統、知識庫系統、模型庫系統、方法庫系統以及人機交互界面等5個模塊。根據用戶需求，通過各個模塊協同作用，實現森林采伐決策的可視化和數字化，為森林采伐規劃設計提供決策支持，提高森林經營管理水平。

森林采伐；地理信息系統；決策；支持；系統；智能；森林經營

森林是人類的資源寶庫，能夠提供大量的木材和其他林產品，森林中有著極其豐富的物質資源，這些資源為人類的生存發展提供必要的物質條件。通過森林采伐可以調整森林結構、改善森林質量、提高森林整體水平。在森林資源的經營管理決策中，采伐前的規劃設計是森林采伐的重要依據[1]，合理的森林采伐不僅能獲得人類所需要的木材資源，還能夠調整森林狀況，有效改善森林的生態環境，增強森林的生態效益和環境服務功能，實現森林資源的可持續利用[2-4]。

基于GIS的森林采伐智能決策支持系統借助于數學方法在森林采伐設計過程中構建林分生長和收獲模型以及樹木生長理論方程，結合RS數據，利用GIS等計算機技術對樹木生長和林分進行模擬和預測，能夠使決策者對伐區林分和樹木的生長狀況有一個比較全面的了解，并在林分辨別、異齡林辨別、小班查詢、樹種查詢等方面提供參考依據，依托GIS強大的空間數據處理能力能夠及時發現采伐過程中遇到的問題，隨時調整采伐方案，實現森林采伐決策分析的可視化和智能化，為人們采伐森林資源提供決策依據，極大地方便采伐作業。筆者將森林采伐知識、地理信息系統(GIS)、智能決策支持系統(IDSS)等集成在一起，設計開發基于GIS的森林采伐智能決策支持系統，實現數據采集、錄入、存儲、查詢、分析、輸出等功能。

1 森林采伐、GIS、IDSS

1.1 森林采伐 森林采伐是對森林和林木所進行的根據生產需要和樹木生長特性，將森林中的林木伐倒和集運出伐區，并清理和恢復森林的一項經營活動。森林采伐是森林可持續經營的重要措施與有效手段，是調整森林結構、改善森林質量、提高森林整體水平的關鍵措施。森林采伐作為森林可持續經營的關鍵環節，對提高林分質量、增加林分產出、保護天然林資源和實現森林可持續發展起著至關重要的作用[5]。

1.2 GIS GIS是信息技術、空間技術和地球科學之間的交叉學科,是利用現代計算機圖形處理和數據庫技術對空間信息及其屬性數據進行采集、存儲管理、分析處理與顯示輸出的集成技術[6]?，F已廣泛應用于農業、林業、環保、電力、水利、旅游、城市規劃管理、企業管理等領域。

1.3 IDSS IDSS最早由Bonczek等于20世紀80年代提出，是在決策支持系統(Decision Support System，DSS)的基礎上集成人工智能(Artificial Intelligent，AI)和專家系統(Expert System，ES)而形成的。IDSS的核心思想是將人工智能技術和其他相關學科的成果及技術相結合，使DSS具有人工智能的行為[7]。應用ES技術，使得DSS能夠更充分地應用人類專家的知識，通過邏輯推理來幫助解決復雜的決策問題[8]。

2 基于GIS的森林采伐智能決策支持系統設計

該系統構建主要是利用GIS、數據庫技術對數據進行處理，結合森林采伐相關知識及模型，在GIS的強大空間分析及計算能力的支持下，實現小班號、樹種、樹高、胸徑等林地基本信息查詢以及伐區選址、楞場選址、集材道路選取等功能，為森林經營決策者在森林采伐時提供信息和決策分析。

2.1 系統總體結構 C/S(客戶端/服務器)模式結構以服務器作為數據存儲和處理平臺，在終端設計有專門的應用程序進行數據采集和初次處理，再將數據傳遞到服務器端?？蛻舳素撠煷蟛糠止ぷ骱凸δ?，服務器只承載小部分的任務，這樣使得整個系統的運行速度更快，數據儲存和處理能力更強。C/S模式具有交互性強、存取模式安全、響應速度較快等特點。結合GIS的強大空間分析與運算能力，采用C/S模式，設計此森林采伐智能決策支持系統(圖1)。

圖1 基于GIS的森林采伐智能決策支持系統設計Fig.1 Design of intelligent decision support system for forest harvesting based on GIS

2.2 平臺構建 系統數據庫采用SQL Server 2012，開發環境為Visual Studio 2012，開發語言為C#語言，開發工具采用ESRI公司的Arcgis Engine 10.2組件，通過對Arcgis Engine 10.2進行GIS二次開發實現對數據的處理。系統主要包括數據庫系統、知識庫系統、模型庫系統、方法庫系統以及人機交互界面5部分。

2.2.1 數據庫系統。該研究數據庫系統包括數據庫和數據庫管理系統，其中數據庫又分為屬性數據庫和空間數據庫，主要是實現對數據的存儲、管理、維護、輸入、查詢、修改、輸出等功能。數據在系統運行時調入或導出，數據庫與模型庫的數據交換通過數據文件實現，用戶根據需求從數據庫中選擇需要的信息，經過模型運行、用戶編輯后生成新的數據文件，再保存到數據庫中[9]。數據庫管理系統對空間數據和屬性數據進行管理和維護，可以實現對各種數據文件的編輯、修改等功能，同時也支持模型運算及統計分析。該系統同時也借助GIS的對空間信息的強大的分析處理能力來對森林采伐的伐區選擇、楞場選定、交通狀況等進行空間分析，并將結果以圖形格式輸出，供決策者對森林采伐進行分析和制訂采伐方案。

2.2.2 知識庫系統。該研究知識庫系統包括知識庫和知識庫管理系統。系統知識庫中存放著森林采伐相關法律法規、森林采伐更新管理辦法、森林采伐規程、森林采伐流程、森林采伐作業設計等森林采伐相關知識以及模型參數說明。知識庫管理模塊主要用于知識的獲取、存儲、調用、推理和擴充，實現對知識庫的使用和維護。

2.2.3 模型庫系統。該研究模型庫系統包括模型庫和模型庫管理模塊，模型庫分為數學模型和空間模型，數學模型包括林分生長和收獲模型、樹木生長理論方程等，空間模型包括圖形疊加分析、專題圖制作等。用戶根據需求選擇適當的方法并輸入模型參數，模型運行結果以數據文件的形式保存到數據庫[9]。模型庫管理模塊主要對模型庫及模型庫文件進行管理，主要實現模型構建、調用、運行、輸出等功能。

2.2.4 方法庫系統。方法庫在該系統中起著極其重要的作用，為系統數學模型運行提供計算方法。該研究方法庫系統包括方法庫和方法庫管理系統，方法庫中主要存放有蓄積量、材積的計算方法。方法庫管理系統主要實現對伐后的林木材積進行計算以及實現方法的調用。

2.2.5 人機交互界面。人機交互界面為用戶和計算機提供一個交流平臺，是系統的一個重要組成部分，有效地將數據庫系統、方法庫系統以及模型庫系統集成在一起。界面提供多種人機交互方式，包括菜單欄、工具欄、編輯框、窗口等。用戶可以根據需求方便快捷地調用和查詢數據庫中的各種數據和模型，并且可以提供或修改一些參數的取值，這樣能夠充分利用使用者的專業經驗知識或者意見，更好地輔助工作的完成[10]。

3 基于GIS的森林采伐智能決策支持系統功能實現

該系統以實現合理采伐為目的，集成了數據采集、錄入、存儲、查詢、分析、輸出等功能，為森林采伐決策提供支持平臺，主要實現以下功能(圖2)。

圖2 基于GIS森林采伐智能決策支持系統各模塊功能設計Fig.2 Functional design of each module of the intelligent decision support system for forest cutting based on GIS

3.1 GIS基本功能

3.1.1 數據瀏覽。通過對屬性數據的瀏覽，將伐區的信息以專題圖的形式直觀地表達出來，方便用戶對伐區信息的掌握。

3.1.2 數據查詢。在系統中通過輸入小班號或者樹種，可以查詢到小班的全部屬性或樹種信息，并以空間圖形及數據的形式表達出來。

3.1.3 圖層處理。用戶操作系統時，系統會調用相關類庫，包括添加圖層、刪除圖層、縮放地圖等，將數據以最直觀的形式表達出來，方便用戶根據需求查看相關信息。

3.2 空間分析 疊加分析是GIS中的一項非常重要的空間分析功能，是在統一空間參考系統下，通過對不同數據(圖層、屬性)進行的一系列集合運算，產生新數據的過程。為了方便森林采伐設計，需要把不同信息的數據(林班、河流、道路等)進行疊加分析，形成多重屬性的林相圖，為林分辨別以及異齡林辨別提供參考。

緩沖區是為了避免伐區內的河流、湖泊、濕地、自然保護區、道路、自然風景區、人文遺跡、野生動物棲息地等環境受到污染而在周邊劃定一定面積的、禁止采伐的區域。根據數據庫中點、線、面等建立的緩沖區內的林分不被納入森林采伐作業伐區選擇對象。

伐區楞場位置決定集材和運材的距離，并且影響到伐區木材生產成本和效益[11]。該系統根據研究區的遙感影像圖矢量化生成數字高程模型(DEM)數據，運用數字地形分析法，根據相鄰網格坡度和坡向的關系，判斷地形的凹凸變化情況，確定溝谷線、山脊線和鞍部的位置，再綜合采伐樹種、采伐量、蓄積量、生長量、道路分布、采伐面積等森林資源狀況和作業條件，通過空間分析得出比較合理的伐區楞場位置[12-13]。由DEM提取的坡度圖和坡向圖如圖3、4所示。

圖3 順海林場坡度圖Fig.3 Slope map of Shunhai Tree Farm

圖4 順海林場坡向圖Fig.4 Aspect map of Shunhai Tree Farm

3.3 數據管理 該系統中包含矢量數據、柵格數據、圖表數據、樹種數據、小班數據、森林采伐專業知識數據以及各種屬性數據等多種資料，為了方便對這些數據管理，防止數據冗余，實現森林采伐數據規范化以及森林采伐的智能化，系統通過小班屬性編輯、樹種屬性編輯、采伐因子數據編輯等管理模塊對數據進行分類管理。

3.4 采伐方式確定 根據研究區的坡度、森林起源、林分郁閉度、森林類別等條件，通過系統推理分析，可以確定合適的森林采伐方式。

3.5 材積計算 將伐區的林木伐倒后，系統可以根據模型庫的樹木生長模型、方法庫中的二元材積表以及木材出材率，將伐后林木材積計算出來，如果材積和年伐量出入較大，可以在軟件中重新調整采伐區面積，極大地方便了森林經營者進行決策。

3.6 圖表生成 圖表可以使森林采伐結果以一種直觀形象的方式表達出來，使用戶更容易理解。森林采伐會涉及采伐小班、采伐限額、采伐許可證、采伐數量以及資料整理等內容，在處理過程中有大量的文字、數據、表格等需整理，根據用戶的具體需求，利用數據庫技術生成圖表。

在基于GIS的森林采伐智能決策支持系統中根據采伐要求會涉及各種類型的專題圖，如采伐小班圖、限伐小班圖等。該系統提供了完備的專題地圖輸入、編輯、輸出功能，以空間數據庫和屬性數據庫為依托，提供各種類型的專題圖制作編輯[14]。

4 系統實現過程

該系統功能的實現步驟如下：①收集研究區資料、二元材積表以及主要樹種的出材率表；②建立GIS數據庫，將研究區的地形圖矢量化，并生成研究區DEM數據；③由DEM提取出坡度圖和坡向圖；④應用組件GIS以及C#語言編程，開發基于GIS的森林采伐智能決策支持系統，將森林采伐相關知識錄入知識庫中，形成森林采伐知識庫；⑤將研究區坡度圖導入軟件中，結合系統的GIS空間分析功能可以得到合適的選擇伐區位置、楞場位置以及集材道位置；⑥由收集的研究區資料可以知道伐區的森林林分狀況，根據森林類別以及坡度、齡組、郁閉度、起源等條件，通過系統推理可以得到合適的采伐方式；⑦根據二元材積表以及樹種的出材率，通過固定的計算方法可以得到木材的材積；⑧將森林采伐結果以圖文結合的形式表達出來，生成報告和圖表，并制作采伐區各種專題圖，方便森林經營者實地指導森林采伐。

5 結語

森林采伐是森林經營活動過程中的一個重要環節，智能決策則是數字林業的重要組成部分。研究基于GIS的森林采伐智能決策支持系統，主要是以實現森林采伐決策可視化和數字化為原則，為森林采伐提供智能決策支持，方便林業工作者決策森林采伐過程的各項經營活動。該系統具有人工智能的作用，管理者在森林采伐過程當中可以根據實際要求調整森林采伐規劃，提高森林采伐信息的可靠性和準確性。系統中的數據庫系統對森林采伐規劃、過程中的各類信息進行錄入、存儲和管理，方便林業工作者的數據管理。該系統界面友好、使用方便、可操作性強，極大方便了用戶對森林采伐進行決策。

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Design of Intelligent Decision Support System for Forest Harvesting Based on GIS

LUO Zi-qi, PAN Zhi-hua, LIU Chen-lin

(College of Forestry, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

In order to develop intelligent decision support system based on GIS and to realize the function of collecting, logging, storing, querying, analyzing and outputting data, the system integrates many discipline fields, including forest harvesting knowledge, geography information system(GIS), and intelligent decision support system(IDSS), etc. This system consists of five modules, including database system, knowledge base system, model base system, method base system and human-machine interface, which can be coordinated efficiently to meet customer requirements, so as to realize the visualization and digitization of forest harvesting decision, provide the best strategy for forest harvesting and improve the level of forest management.

Forest harvesting; Geography information system; Decision; Support; System; Intelligent; Forest management

羅子淇(1985- )，男，湖南會同人，碩士研究生，研究方向：林業“3S”與信息技術。

2016-08-12

S 771.8

A

0517-6611(2016)29-0164-03