ArcGIS在通州區(qū)平原生態(tài)林經(jīng)營管理中的應用分析

李廣會,王 凱，盛 莉，代賀然

(北京市通州區(qū)林業(yè)工作總站，北京 101100)

自2012年以來，北京市通州區(qū)相繼啟動實施了第一輪百萬畝造林工程、完善政策生態(tài)林、新一輪百萬畝造林工程以及其他綠化建設工程，平原生態(tài)林面積逐年增加，有效改善了城鄉(xiāng)人居環(huán)境，極大滿足了百姓生態(tài)休閑游憩需求。隨著北京市集體林權制度改革深入發(fā)展，北京市園林綠化局啟動了新型集體林場試點建設工作，通州區(qū)組織轄區(qū)內(nèi)全部涉農(nóng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位逐年分批建成新型集體林場試點。自2021年，通州區(qū)155 km2范圍外9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)全面進入了新型集體林場經(jīng)營管理模式，如何推動實現(xiàn)綠化成果鞏固、森林質(zhì)量提升、功能效益增加，平原生態(tài)林資源經(jīng)營管理工作已成為園林部門長期面臨的一項重大挑戰(zhàn)與任務。隨著北京城市副中心定位通州區(qū)，各項工程建設進程迅速加快，為及時掌握更完整的生態(tài)林資源變化情況，推動實現(xiàn)精細化養(yǎng)護經(jīng)營管理，利用現(xiàn)代化先進技術為平原生態(tài)林養(yǎng)護經(jīng)營管理工作服務是解決園林部門所面臨困境的重要途徑之一。

1 ArcGIS特點

ArcGIS是由Esri開發(fā)和維護的一系列客戶端軟件、服務器軟件和在線地理信息系統(tǒng)(GIS)服務。ArcGIS于1999年首次發(fā)布，最初作為ARC/INFO發(fā)布，是一個基于命令行的用于操作數(shù)據(jù)的GIS系統(tǒng)。ARC/INFO后來被合并到ArcGIS Desktop，最終在2015年被ArcGIS Pro取代。ArcGIS Pro可用于2D和3D制圖和可視化，并包括人工智能(AI)。ArcGIS產(chǎn)品不僅使用方便，功能強大，而且能夠支持超大數(shù)據(jù)量的存儲和用戶對響應效率的需求，為系統(tǒng)資源的共享、系統(tǒng)的無縫升級、數(shù)據(jù)和應用功能的平滑移植提供了有力保障。全新ArcGIS系列軟件不僅有完善的可擴展體系結構，在保留原來強大功能的基礎上，界面風格更加簡單友好且易于使用。ArcGIS作為一個可伸縮的平臺，無論是在桌面、服務器，還是在野外還是通過Web，為個人用戶和群體用戶提供完備的GIS功能[1]。通過對可編程組件的合理利用，能夠從多個角度出發(fā)，實現(xiàn)對調(diào)查對象的全面分析，涉及面比較廣泛，能夠滿足各方面提出的數(shù)據(jù)信息需求，目前已在我國科研、規(guī)劃、生態(tài)修復與治理、森林資源管理等眾多領域中得到大范圍使用。

2 ArcGIS技術與森林資源管理

從資源管理的角度理解，森林資源是一種包含地理坐標、樹種組成、面積等大量復雜信息的基礎地理數(shù)據(jù)，是陸地上最大的動態(tài)變化生態(tài)系統(tǒng)，對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展及人類生存與人類活動具有重要意義。森林資源具有分布的遼闊性、功能的多樣性、經(jīng)營的永續(xù)性、再生的長期性等特點，因此森林資源管理工作艱巨。ArcGIS技術的出現(xiàn)和發(fā)展為森林資源有效管理提供了強有力的工具[2]。近年來，該技術已在森林資源的調(diào)查測繪[3]、規(guī)劃設計、地圖制圖[4]、病蟲害監(jiān)測、撫育經(jīng)營、森林防火[5]等方面得到廣泛應用，為林業(yè)管理和決策提供了參考，信息化已成為我國林業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是實現(xiàn)森林資源精細化管理的重要技術手段之一[6]。

3 通州區(qū)生態(tài)林資源現(xiàn)狀

由于通州區(qū)已定位為北京城市副中心，京津冀協(xié)同發(fā)展的橋頭堡，同時通州區(qū)也正在全力構建北京平原地區(qū)首個國家森林城市，以“兩帶一環(huán)一心”為綠色布局，第一條綠帶是沿潮白河的東部綠帶，第二條綠帶是沿著中心城區(qū)在西部的一條綠帶；“一環(huán)”是圍繞城市副中心155 km2形成的一個環(huán)城綠色休閑游憩環(huán)；“一心”是指城市綠心。通過大尺度建綠、大密度增綠，有效地彌補了首都東南部生態(tài)短板，展現(xiàn)了北京平原地區(qū)森林城市的獨特風貌。近年來，通州區(qū)努力實踐副中心控規(guī)要求，突出“藍綠交織”建設理念，構建大尺度城市水綠空間格局，形成東郊森林公園組團、大運河城市森林組團、城市綠心森林組團、潮白河森林景觀帶組團、東南郊濕地森林組團、臺湖萬畝游憩園森林組團等多個萬畝森林斑塊。

通州區(qū)平原生態(tài)林主要是指納入北京市財政補助范圍的生態(tài)林，包括第一輪百萬畝平原造林、完善政策生態(tài)林、新一輪百萬畝造林等。2021年，通州區(qū)155 km2范圍外平原生態(tài)林已全部移交至新型集體林場養(yǎng)護經(jīng)營，達到1.4萬hm2，均享受市、區(qū)養(yǎng)護補助資金。隨著園林綠化建養(yǎng)移交工作的推進，通州區(qū)平原生態(tài)林面積將不斷增加。為貫徹落實北京市平原生態(tài)林高質(zhì)量發(fā)展理念，鞏固平原生態(tài)林建設成果，培育健康、穩(wěn)定、安全、高效、多功能的森林生態(tài)系統(tǒng)，通州區(qū)平原生態(tài)林已由傳統(tǒng)養(yǎng)護向養(yǎng)護經(jīng)營方向轉(zhuǎn)變，依托新型集體林場體制和ArcGIS技術，以森林資源管理為基礎，實行區(qū)域資金統(tǒng)籌、差異化管理、分類分級精準化養(yǎng)護，突出重點、定向培育。通過開展森林撫育、林分改造、采伐更新、護林防火、林業(yè)有害生物防控、野生動植物資源保護、豐富生物多樣性和園林廢棄物綜合利用等工作，促進森林生態(tài)效益持久發(fā)揮及森林資源永續(xù)利用，實現(xiàn)人與自然和諧共生。

4 具體應用

4.1 建立資源數(shù)據(jù)庫準確的資源數(shù)據(jù)是資源工作的最重要基礎之一，只有在完整準確的數(shù)據(jù)基礎上才能開展一系列養(yǎng)護經(jīng)營管理工作。ArcGIS技術下的數(shù)據(jù)庫是組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的有效有段，具有較高的數(shù)據(jù)獨立性，同時有很強的數(shù)據(jù)控制功能。通州區(qū)通過整合全區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)林矢量數(shù)據(jù)，形成平原生態(tài)林資源“一張圖”，并在圖層屬性表中設置小班編號、區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、面積、主管部門、養(yǎng)護單位、經(jīng)營類型、養(yǎng)護等級等多個字段，其中小班編號是按照行政區(qū)劃代碼創(chuàng)建的小班唯一標識(小班編號=區(qū)+鄉(xiāng)鎮(zhèn)+村+小班號)。通過建立生態(tài)林資源管理數(shù)據(jù)庫(圖1)，能夠及時掌握資源的動態(tài)變化，便于進行信息查詢、統(tǒng)計匯總、專題制圖、在線更新等。

圖1 通州區(qū)平原生態(tài)林資源數(shù)據(jù)庫Fig.1 Plain ecological forest resource database of Tongzhou

4.2 動態(tài)監(jiān)測與預算管理隨著北京城市副中心基礎設施建設和園林綠化建設的同步推進，通州區(qū)平原生態(tài)林始終處于動態(tài)變化之中。為實現(xiàn)生態(tài)林資源的精細化管理，在已建立的平原生態(tài)林資源“一張圖”的基礎上，定期開展資源動態(tài)監(jiān)測工作，對于園林綠化工程建設形成的新增資源，及時納入資源“一張圖”數(shù)據(jù)庫管理，并輸入詳細的屬性信息；對于其他建設工程占用的平原生態(tài)林，及時調(diào)減資源面積，確保實時掌握生態(tài)林資源現(xiàn)狀和變化情況。此外，結合動態(tài)監(jiān)測工作，嚴格對圖對表，每年能夠準確核算養(yǎng)護補助資金實際需求，提高預算編制的準確性。

4.3 資源保護通州區(qū)地處北京平原地區(qū)，社會群體活動對平原生態(tài)林的干擾相對嚴重，資源保護工作面臨嚴峻挑戰(zhàn)。森林火災是世界性林業(yè)重要災害之一，具有突發(fā)性、隨機性、在較短時間內(nèi)能造成較大損失等特點。應用ArcGIS技術和火情識別系統(tǒng)，通州區(qū)建立森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng),對數(shù)公里范圍內(nèi)的森林資源進行監(jiān)測，不僅可以實時監(jiān)看和記錄森林資源情況，而且通過智能化設備自動完成對森林資源的火災監(jiān)測和報警，輔助森林防火監(jiān)測人員完成對森林資源的自動監(jiān)測。森林病蟲害，又稱無煙森林火災，是危害森林健康的重大隱患。通過ArcGIS技術，在數(shù)據(jù)庫的基礎上全面分析主要樹種的分布與面積，根據(jù)有害生物的危害規(guī)律，形成以美國白蛾、國槐尺蠖、白蠟窄吉丁等為主的有害生物監(jiān)測與防治方案，實現(xiàn)了精準監(jiān)測與防治。此外，人為非法侵占林地也是毀損生態(tài)林的因素之一，通過ArcGIS技術比對多時相、多源遙感數(shù)據(jù)，快速發(fā)現(xiàn)并提取疑似圖斑(圖2)，并根據(jù)審批材料篩選出違法占地與違法建設圖斑[7-9]，達到保護森林資源的目標。

圖2 2020和2021林地遙感影像判讀Fig.2 Interpretation of forest land remote sensing images in 2020 and 2021

4.4 分級分類養(yǎng)護經(jīng)營在養(yǎng)護經(jīng)營中開展分級分類是精準提升森林質(zhì)量的重要措施。通州平原生態(tài)林已全面實行分級分類養(yǎng)護經(jīng)營管理。在ArcGIS技術應用下，將數(shù)據(jù)庫加載至ArcGIS軟件中，并導入最新的遙感影像，直觀地將平原生態(tài)林每個小班呈現(xiàn)在地圖上；根據(jù)小班的區(qū)域位置和主導功能，將平原生態(tài)林細分為生態(tài)涵養(yǎng)型、生態(tài)廊道型、景觀游憩型(表1)。根據(jù)林分結構配置、林相效果、養(yǎng)護經(jīng)營強度或者相關政策標準，將不同類型平原生態(tài)林劃分為不同養(yǎng)護經(jīng)營等級，實行1、2、3級差異化投入，2級養(yǎng)護總面積約占60%(表2)。通過平衡區(qū)域內(nèi)1級、3級養(yǎng)護資金，建立資金統(tǒng)籌平衡機制，提高1級養(yǎng)護經(jīng)營強度，確保村頭片林、困難立地、重要位置節(jié)點、特殊林種等重點地塊養(yǎng)護資金得到保證，同時每年可對養(yǎng)護經(jīng)營等級進行動態(tài)調(diào)整。

表1 2021年通州區(qū)平原生態(tài)林分類情況Table 1 Classification of plain ecological forest of Tongzhou District in 2021 單位：hm2

表2 2021年通州區(qū)平原生態(tài)林分級情況Table 2 Rank of plain ecological forest of Tongzhou District in 2021 單位：hm2

4.5 編制中長期森林經(jīng)營方案科學的中長期森林經(jīng)營方案是實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，在森林經(jīng)營中起著至關重要的作用，也是實現(xiàn)森林認證的前提[10]，可為森林經(jīng)營相關措施辦法實行提供有力指導，也為森林經(jīng)營單位每年制訂經(jīng)營計劃提供可靠依據(jù)[11]。當前，通州區(qū)新型集體林場正在編制平原生態(tài)林中長期森林經(jīng)營方案，包括基本情況、林木資源、生物多樣性、經(jīng)營管理等現(xiàn)狀情況；經(jīng)營原則、經(jīng)營目標、功能區(qū)劃、經(jīng)營類型與措施等經(jīng)營方向；土壤管理、森林培育、林分結構調(diào)整、林木移伐、改造提升、林下經(jīng)濟與園林廢棄物綜合利用、森林管護、森林防火、林業(yè)有害生物防治、生物多樣性恢復與保護、基礎設施建設與維護等實施措施；投資估算、效益分析等資金管理；組織制度、技術支撐、監(jiān)督管理等保障措施。因此，編制中長期森林經(jīng)營方案是一項復雜的系統(tǒng)性工作，需要全面調(diào)查并處理大量基礎數(shù)據(jù)，在ArcGIS技術應用下可快速實現(xiàn)森林資源的功能區(qū)劃，根據(jù)林分現(xiàn)狀、立地條件、目標林相、功能需求明確經(jīng)營方向、培育目標、年度任務措施和工作量[12]，顯著提升森林經(jīng)營方案編制的效率與質(zhì)量。

4.6 制訂年度養(yǎng)護經(jīng)營實施計劃北京市建立了以ArcGIS技術為主導的平原生態(tài)林養(yǎng)護管理系統(tǒng)，系統(tǒng)整合了全市平原地區(qū)生態(tài)林數(shù)據(jù)資源。依據(jù)中長期森林經(jīng)營方案，按照培育方向和全周期經(jīng)營過程表，結合工作月歷和年度氣候預測等因素，在科學分級分類的基礎上，以“調(diào)密度、補幼苗、沃土壤、防病蟲、豐物種”為重點，結合林分結構調(diào)整、櫟類等鄉(xiāng)土樹種補植、土壤質(zhì)量提升、生物多樣性保育小區(qū)和村頭片林建設等工作，相關養(yǎng)護單位在系統(tǒng)內(nèi)逐地塊填報養(yǎng)護經(jīng)營實施計劃，對各項養(yǎng)護經(jīng)營措施進行量化；系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)護措施及工作量按定額標準自動核算計劃投入的養(yǎng)護資金，后續(xù)養(yǎng)護單位利用智能手機填報養(yǎng)護日志，系統(tǒng)隨時自動統(tǒng)計養(yǎng)護進度，實行年度養(yǎng)護經(jīng)營措施與落實進度情況“一張表”清單化管理。各級生態(tài)林行業(yè)管理部門通過該系統(tǒng)進行養(yǎng)護經(jīng)營實施方案的審核與批復，實時監(jiān)控養(yǎng)護進度，全面促進養(yǎng)護管理工作精細化和各項養(yǎng)護措施精準化。

4.7 養(yǎng)護經(jīng)營監(jiān)督管理實施嚴格的養(yǎng)護經(jīng)營監(jiān)督管理是推動平原生態(tài)林質(zhì)量提升的重要保障。為確保及時發(fā)現(xiàn)并督促解決養(yǎng)護經(jīng)營過程中存在的問題，通州區(qū)依托ArcGIS技術構建了平原生態(tài)林監(jiān)督管理信息系統(tǒng)，并配置了移動端APP；將已建立的數(shù)據(jù)庫導入監(jiān)督管理信息系統(tǒng)，行業(yè)主管部門組織人員開展不間斷全覆蓋巡查檢查，對于發(fā)現(xiàn)的不達標問題下達整改通知單，并通過監(jiān)督管理系統(tǒng)直接發(fā)送至相應的森林經(jīng)營主體并要求限期整改，森林經(jīng)營主體在規(guī)定期限上傳現(xiàn)場整改情況，行業(yè)主管部門安排人員進行復核，實現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)問題—整改問題—復核檢查”閉環(huán)管理，全面提高了養(yǎng)護經(jīng)營監(jiān)督管理效率。

5 結論

經(jīng)過探索與實踐，在ArcGIS技術應用下，通州區(qū)平原生態(tài)林養(yǎng)護經(jīng)營管理工作已建立科學有效的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了森林資源管理工作在空間數(shù)據(jù)層面上的統(tǒng)計更新，提高了森林資源管理工作的準確性和效率性，為森林資源養(yǎng)護經(jīng)營管理和決策提供準確、及時、全面的信息和依據(jù)；提高了管理水平，減輕了工作強度，為森林資源信息化管理提供了科學途徑，逐步成為更多園林工作者的有力工具[13-14]，持續(xù)推動生態(tài)文明建設的高質(zhì)量發(fā)展。