基于GIS的森林采伐智能决策支持系统设计

罗子淇，潘志华， 刘陈林

(贵州大学林学院,贵州贵阳 550025)



基于GIS的森林采伐智能决策支持系统设计

罗子淇，潘志华， 刘陈林

(贵州大学林学院,贵州贵阳 550025)

将森林采伐知识、地理信息系统(GIS)、智能决策支持系统(IDSS)等集成在一起，设计开发基于GIS的森林采伐智能决策支持系统，实现数据采集、录入、存储、查询、分析、输出等功能。系统主要包括数据库系统、知识库系统、模型库系统、方法库系统以及人机交互界面等5个模块。根据用户需求，通过各个模块协同作用，实现森林采伐决策的可视化和数字化，为森林采伐规划设计提供决策支持，提高森林经营管理水平。

森林采伐；地理信息系统；决策；支持；系统；智能；森林经营

森林是人类的资源宝库，能够提供大量的木材和其他林产品，森林中有着极其丰富的物质资源，这些资源为人类的生存发展提供必要的物质条件。通过森林采伐可以调整森林结构、改善森林质量、提高森林整体水平。在森林资源的经营管理决策中，采伐前的规划设计是森林采伐的重要依据[1]，合理的森林采伐不仅能获得人类所需要的木材资源，还能够调整森林状况，有效改善森林的生态环境，增强森林的生态效益和环境服务功能，实现森林资源的可持续利用[2-4]。

基于GIS的森林采伐智能决策支持系统借助于数学方法在森林采伐设计过程中构建林分生长和收获模型以及树木生长理论方程，结合RS数据，利用GIS等计算机技术对树木生长和林分进行模拟和预测，能够使决策者对伐区林分和树木的生长状况有一个比较全面的了解，并在林分辨别、异龄林辨别、小班查询、树种查询等方面提供参考依据，依托GIS强大的空间数据处理能力能够及时发现采伐过程中遇到的问题，随时调整采伐方案，实现森林采伐决策分析的可视化和智能化，为人们采伐森林资源提供决策依据，极大地方便采伐作业。笔者将森林采伐知识、地理信息系统(GIS)、智能决策支持系统(IDSS)等集成在一起，设计开发基于GIS的森林采伐智能决策支持系统，实现数据采集、录入、存储、查询、分析、输出等功能。

1 森林采伐、GIS、IDSS

1.1 森林采伐 森林采伐是对森林和林木所进行的根据生产需要和树木生长特性，将森林中的林木伐倒和集运出伐区，并清理和恢复森林的一项经营活动。森林采伐是森林可持续经营的重要措施与有效手段，是调整森林结构、改善森林质量、提高森林整体水平的关键措施。森林采伐作为森林可持续经营的关键环节，对提高林分质量、增加林分产出、保护天然林资源和实现森林可持续发展起着至关重要的作用[5]。

1.2 GIS GIS是信息技术、空间技术和地球科学之间的交叉学科,是利用现代计算机图形处理和数据库技术对空间信息及其属性数据进行采集、存储管理、分析处理与显示输出的集成技术[6]。现已广泛应用于农业、林业、环保、电力、水利、旅游、城市规划管理、企业管理等领域。

1.3 IDSS IDSS最早由Bonczek等于20世纪80年代提出，是在决策支持系统(Decision Support System，DSS)的基础上集成人工智能(Artificial Intelligent，AI)和专家系统(Expert System，ES)而形成的。IDSS的核心思想是将人工智能技术和其他相关学科的成果及技术相结合，使DSS具有人工智能的行为[7]。应用ES技术，使得DSS能够更充分地应用人类专家的知识，通过逻辑推理来帮助解决复杂的决策问题[8]。

2 基于GIS的森林采伐智能决策支持系统设计

该系统构建主要是利用GIS、数据库技术对数据进行处理，结合森林采伐相关知识及模型，在GIS的强大空间分析及计算能力的支持下，实现小班号、树种、树高、胸径等林地基本信息查询以及伐区选址、楞场选址、集材道路选取等功能，为森林经营决策者在森林采伐时提供信息和决策分析。

2.1 系统总体结构 C/S(客户端/服务器)模式结构以服务器作为数据存储和处理平台，在终端设计有专门的应用程序进行数据采集和初次处理，再将数据传递到服务器端。客户端负责大部分工作和功能，服务器只承载小部分的任务，这样使得整个系统的运行速度更快，数据储存和处理能力更强。C/S模式具有交互性强、存取模式安全、响应速度较快等特点。结合GIS的强大空间分析与运算能力，采用C/S模式，设计此森林采伐智能决策支持系统(图1)。

图1 基于GIS的森林采伐智能决策支持系统设计Fig.1 Design of intelligent decision support system for forest harvesting based on GIS

2.2 平台构建 系统数据库采用SQL Server 2012，开发环境为Visual Studio 2012，开发语言为C#语言，开发工具采用ESRI公司的Arcgis Engine 10.2组件，通过对Arcgis Engine 10.2进行GIS二次开发实现对数据的处理。系统主要包括数据库系统、知识库系统、模型库系统、方法库系统以及人机交互界面5部分。

2.2.1 数据库系统。该研究数据库系统包括数据库和数据库管理系统，其中数据库又分为属性数据库和空间数据库，主要是实现对数据的存储、管理、维护、输入、查询、修改、输出等功能。数据在系统运行时调入或导出，数据库与模型库的数据交换通过数据文件实现，用户根据需求从数据库中选择需要的信息，经过模型运行、用户编辑后生成新的数据文件，再保存到数据库中[9]。数据库管理系统对空间数据和属性数据进行管理和维护，可以实现对各种数据文件的编辑、修改等功能，同时也支持模型运算及统计分析。该系统同时也借助GIS的对空间信息的强大的分析处理能力来对森林采伐的伐区选择、楞场选定、交通状况等进行空间分析，并将结果以图形格式输出，供决策者对森林采伐进行分析和制订采伐方案。

2.2.2 知识库系统。该研究知识库系统包括知识库和知识库管理系统。系统知识库中存放着森林采伐相关法律法规、森林采伐更新管理办法、森林采伐规程、森林采伐流程、森林采伐作业设计等森林采伐相关知识以及模型参数说明。知识库管理模块主要用于知识的获取、存储、调用、推理和扩充，实现对知识库的使用和维护。

2.2.3 模型库系统。该研究模型库系统包括模型库和模型库管理模块，模型库分为数学模型和空间模型，数学模型包括林分生长和收获模型、树木生长理论方程等，空间模型包括图形叠加分析、专题图制作等。用户根据需求选择适当的方法并输入模型参数，模型运行结果以数据文件的形式保存到数据库[9]。模型库管理模块主要对模型库及模型库文件进行管理，主要实现模型构建、调用、运行、输出等功能。

2.2.4 方法库系统。方法库在该系统中起着极其重要的作用，为系统数学模型运行提供计算方法。该研究方法库系统包括方法库和方法库管理系统，方法库中主要存放有蓄积量、材积的计算方法。方法库管理系统主要实现对伐后的林木材积进行计算以及实现方法的调用。

2.2.5 人机交互界面。人机交互界面为用户和计算机提供一个交流平台，是系统的一个重要组成部分，有效地将数据库系统、方法库系统以及模型库系统集成在一起。界面提供多种人机交互方式，包括菜单栏、工具栏、编辑框、窗口等。用户可以根据需求方便快捷地调用和查询数据库中的各种数据和模型，并且可以提供或修改一些参数的取值，这样能够充分利用使用者的专业经验知识或者意见，更好地辅助工作的完成[10]。

3 基于GIS的森林采伐智能决策支持系统功能实现

该系统以实现合理采伐为目的，集成了数据采集、录入、存储、查询、分析、输出等功能，为森林采伐决策提供支持平台，主要实现以下功能(图2)。

图2 基于GIS森林采伐智能决策支持系统各模块功能设计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 数据浏览。通过对属性数据的浏览，将伐区的信息以专题图的形式直观地表达出来，方便用户对伐区信息的掌握。

3.1.2 数据查询。在系统中通过输入小班号或者树种，可以查询到小班的全部属性或树种信息，并以空间图形及数据的形式表达出来。

3.1.3 图层处理。用户操作系统时，系统会调用相关类库，包括添加图层、删除图层、缩放地图等，将数据以最直观的形式表达出来，方便用户根据需求查看相关信息。

3.2 空间分析 叠加分析是GIS中的一项非常重要的空间分析功能，是在统一空间参考系统下，通过对不同数据(图层、属性)进行的一系列集合运算，产生新数据的过程。为了方便森林采伐设计，需要把不同信息的数据(林班、河流、道路等)进行叠加分析，形成多重属性的林相图，为林分辨别以及异龄林辨别提供参考。

缓冲区是为了避免伐区内的河流、湖泊、湿地、自然保护区、道路、自然风景区、人文遗迹、野生动物栖息地等环境受到污染而在周边划定一定面积的、禁止采伐的区域。根据数据库中点、线、面等建立的缓冲区内的林分不被纳入森林采伐作业伐区选择对象。

伐区楞场位置决定集材和运材的距离，并且影响到伐区木材生产成本和效益[11]。该系统根据研究区的遥感影像图矢量化生成数字高程模型(DEM)数据，运用数字地形分析法，根据相邻网格坡度和坡向的关系，判断地形的凹凸变化情况，确定沟谷线、山脊线和鞍部的位置，再综合采伐树种、采伐量、蓄积量、生长量、道路分布、采伐面积等森林资源状况和作业条件，通过空间分析得出比较合理的伐区楞场位置[12-13]。由DEM提取的坡度图和坡向图如图3、4所示。

图3 顺海林场坡度图Fig.3 Slope map of Shunhai Tree Farm

图4 顺海林场坡向图Fig.4 Aspect map of Shunhai Tree Farm

3.3 数据管理 该系统中包含矢量数据、栅格数据、图表数据、树种数据、小班数据、森林采伐专业知识数据以及各种属性数据等多种资料，为了方便对这些数据管理，防止数据冗余，实现森林采伐数据规范化以及森林采伐的智能化，系统通过小班属性编辑、树种属性编辑、采伐因子数据编辑等管理模块对数据进行分类管理。

3.4 采伐方式确定 根据研究区的坡度、森林起源、林分郁闭度、森林类别等条件，通过系统推理分析，可以确定合适的森林采伐方式。

3.5 材积计算 将伐区的林木伐倒后，系统可以根据模型库的树木生长模型、方法库中的二元材积表以及木材出材率，将伐后林木材积计算出来，如果材积和年伐量出入较大，可以在软件中重新调整采伐区面积，极大地方便了森林经营者进行决策。

3.6 图表生成 图表可以使森林采伐结果以一种直观形象的方式表达出来，使用户更容易理解。森林采伐会涉及采伐小班、采伐限额、采伐许可证、采伐数量以及资料整理等内容，在处理过程中有大量的文字、数据、表格等需整理，根据用户的具体需求，利用数据库技术生成图表。

在基于GIS的森林采伐智能决策支持系统中根据采伐要求会涉及各种类型的专题图，如采伐小班图、限伐小班图等。该系统提供了完备的专题地图输入、编辑、输出功能，以空间数据库和属性数据库为依托，提供各种类型的专题图制作编辑[14]。

4 系统实现过程

该系统功能的实现步骤如下：①收集研究区资料、二元材积表以及主要树种的出材率表；②建立GIS数据库，将研究区的地形图矢量化，并生成研究区DEM数据；③由DEM提取出坡度图和坡向图；④应用组件GIS以及C#语言编程，开发基于GIS的森林采伐智能决策支持系统，将森林采伐相关知识录入知识库中，形成森林采伐知识库；⑤将研究区坡度图导入软件中，结合系统的GIS空间分析功能可以得到合适的选择伐区位置、楞场位置以及集材道位置；⑥由收集的研究区资料可以知道伐区的森林林分状况，根据森林类别以及坡度、龄组、郁闭度、起源等条件，通过系统推理可以得到合适的采伐方式；⑦根据二元材积表以及树种的出材率，通过固定的计算方法可以得到木材的材积；⑧将森林采伐结果以图文结合的形式表达出来，生成报告和图表，并制作采伐区各种专题图，方便森林经营者实地指导森林采伐。

5 结语

森林采伐是森林经营活动过程中的一个重要环节，智能决策则是数字林业的重要组成部分。研究基于GIS的森林采伐智能决策支持系统，主要是以实现森林采伐决策可视化和数字化为原则，为森林采伐提供智能决策支持，方便林业工作者决策森林采伐过程的各项经营活动。该系统具有人工智能的作用，管理者在森林采伐过程当中可以根据实际要求调整森林采伐规划，提高森林采伐信息的可靠性和准确性。系统中的数据库系统对森林采伐规划、过程中的各类信息进行录入、存储和管理，方便林业工作者的数据管理。该系统界面友好、使用方便、可操作性强，极大方便了用户对森林采伐进行决策。

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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

罗子淇(1985- )，男，湖南会同人，硕士研究生，研究方向：林业“3S”与信息技术。

2016-08-12

S 771.8

A

0517-6611(2016)29-0164-03