水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)研發(fā)

夏春園, 饒良懿?，夏靜芳

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京；3.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，100038，北京)

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)研發(fā)

夏春園1,2, 饒良懿1,2?，夏靜芳3

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京；2.水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京；3.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心，100038，北京)

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)已成為當(dāng)前水土保持研究的熱點(diǎn)。水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)的目的是通過對(duì)水土保持各類單項(xiàng)或綜合治理措施生態(tài)效應(yīng)的評(píng)價(jià)，為政府部門決策提供依據(jù)。目前,亟需研發(fā)專門的水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)對(duì)這一領(lǐng)域積累的大量的專家知識(shí)進(jìn)行快速、智能評(píng)價(jià)。本文在收集整理大量領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)的基礎(chǔ)上，采用產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)建了水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)，并利用可視化開發(fā)程序語言VC++將專家系統(tǒng)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相互集成，研制開發(fā)了一個(gè)界面友好、操作簡(jiǎn)單的水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)，旨在為水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)提供高效、智能的決策工具。

水土保持； 生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)； 知識(shí)庫(kù)； 專家系統(tǒng)； 地理信息系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)促進(jìn)了水土保持工作信息化的發(fā)展。目前，我國(guó)水土保持信息化工作主要從標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、信息分類與傳輸體系建設(shè)、提高保障水平等幾個(gè)方面展開，已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的加速期，也取得了很好的成績(jī)，但其與行業(yè)發(fā)展形勢(shì)、社會(huì)需求及國(guó)家整體的信息化戰(zhàn)略布局的要求仍有較大差距：存在水土流失數(shù)據(jù)未能定期獲取、水土保持信息化基礎(chǔ)設(shè)施不完善、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)滯后及信息技術(shù)應(yīng)用與信息化發(fā)展不同步等問題[1]。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)作為水土保持信息化工作的一部分一直以來都備受領(lǐng)域?qū)W者的青睞。1972年加拿大建立了世界上第1個(gè)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)信息系統(tǒng)，從此各國(guó)相繼研發(fā)了土壤退化評(píng)價(jià)、水土流失預(yù)測(cè)及水土保持管理等方面的信息系統(tǒng)，為水土保持措施的科學(xué)配置提供了參考，并提高了其針對(duì)性和防治效果[2]。1986年，北京大學(xué)遙感中心等單位建立的區(qū)域侵蝕信息系統(tǒng)是我國(guó)較早、較成熟的水土保持信息系統(tǒng)[2]。早期研發(fā)的水土保持信息系統(tǒng)主要用于水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水土保持監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息采集、淤地壩管理、滑坡泥石流預(yù)警、小流域管理等領(lǐng)域[3]。近些年則集中在水土保持管理上，例如趙永軍等[4]研發(fā)的水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)、謝紅霞等[5]研發(fā)的延河流域水土保持管理信息系統(tǒng)，以及程瑞芳[6]研發(fā)的三維可視化的河南省水土保持管理信息系統(tǒng)等。專家系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)，早在20世紀(jì)90年代，專家系統(tǒng)技術(shù)就已經(jīng)被應(yīng)用于水土保持信息管理領(lǐng)域。例如早期的馬藹乃等[7]開發(fā)的微機(jī)地理專家系統(tǒng)MCGES，傅煒[8]提出的黃土地區(qū)土壤侵蝕專家系統(tǒng)，張曉萍等[9]提出的基于GIS的水土保持林草措施專家系統(tǒng)，饒良懿等[10]對(duì)我國(guó)早期水土保持專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀做了綜述和總結(jié)。近些年來水土保持專家系統(tǒng)的研發(fā)較少，近期涌現(xiàn)的僅有柳禮奎等[11]針對(duì)農(nóng)村居民點(diǎn)水土保持要素創(chuàng)建的專家決策系統(tǒng)，文東新等[12]構(gòu)建的基于Google Earth的大圍山水土保持信息系統(tǒng)，匡星等[13]建立的鐵路工程水土流失預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)等。

我國(guó)實(shí)施了長(zhǎng)期的水土流失綜合治理，水土保持工作取得了重大進(jìn)展和顯著成效。水土保持生態(tài)效應(yīng)的評(píng)價(jià)一直以來是人們關(guān)注的重點(diǎn)，通過對(duì)各類單項(xiàng)或綜合治理措施的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)與估算，監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)水土保持規(guī)劃實(shí)施的進(jìn)度與質(zhì)量，其目的是定量標(biāo)識(shí)水土保持措施影響的方式、程度和范圍，為水土保持措施配置和科學(xué)決策提供依據(jù)，是水土保持研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容[14]。目前這一領(lǐng)域積累了大量的專家知識(shí)，但還沒有一個(gè)專門的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)進(jìn)行水土保持生態(tài)效應(yīng)的快速、智能評(píng)價(jià)，而這正是水土保持行政管理部門所亟需的高效決策工具。筆者在搜集、整理我國(guó)多年積累的水土保持生態(tài)治理數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，采用產(chǎn)生式知識(shí)表達(dá)方法構(gòu)建了水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，利用可視化開發(fā)程序語言VC++，將專家系統(tǒng)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相互集成，研制和開發(fā)一個(gè)界面友好、功能完善的水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)，以為我國(guó)水土保持生態(tài)工程的效應(yīng)評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的決策工具。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)由人機(jī)接口、專家系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)組成。專家系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)采取松耦合的結(jié)合方式——兩者是通過中間數(shù)據(jù)接口文件相互連接，專家系統(tǒng)用來產(chǎn)生水土保持領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)(專家知識(shí))，并用其推理機(jī)進(jìn)行啟發(fā)式推理，而地理信息系統(tǒng)則為專家系統(tǒng)提供支撐，用來管理空間數(shù)據(jù)并可作空間信息分析和顯示[15]。專家系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)、知識(shí)獲取與管理系統(tǒng)、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、模型庫(kù)及其管理系統(tǒng)、圖形庫(kù)及其管理系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of the expert system (ES) for ecological effect evaluation of soil and water conservation

人機(jī)接口作為用戶與系統(tǒng)之間的媒介[16]，可把用戶輸入的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和參數(shù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)部可以識(shí)別的表達(dá)形式，然后將其交給相應(yīng)的模塊去處理，最后把評(píng)價(jià)結(jié)果反饋給用戶；知識(shí)庫(kù)則是系統(tǒng)的核心組成，用于存放大量水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)知識(shí)(規(guī)則)，這些知識(shí)包括調(diào)水、保土、生物多樣性維持以及固碳等4個(gè)方面，涉及坡面、小流域和區(qū)域3個(gè)尺度(表1)。在進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，將每個(gè)尺度的每個(gè)方面知識(shí)單獨(dú)存儲(chǔ)在1個(gè)子庫(kù)中，即本系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)包括12個(gè)子庫(kù)，在進(jìn)行生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)，推理機(jī)可根據(jù)用戶需求去相應(yīng)的子庫(kù)進(jìn)行匹配；因此，提升了推理機(jī)的匹配速度和系統(tǒng)的工作效率。知識(shí)獲取采用主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的方式，增加了規(guī)則的獲取途徑；推理機(jī)是系統(tǒng)的又一核心組成[17]，其工作原理是針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息，利用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，按一定的推理方法和搜索策略進(jìn)行推理，并得出結(jié)論。本系統(tǒng)，在進(jìn)行生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)推理機(jī)采用產(chǎn)生式推理策略和不精確性推理策略適時(shí)地決定知識(shí)的選擇和運(yùn)用，為用戶提供效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果；本系統(tǒng)為了便于管理，將數(shù)據(jù)、模型以及圖形分開存放，形成了不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，提供系統(tǒng)內(nèi)各模型間數(shù)據(jù)共享[9]。模型庫(kù)包括基礎(chǔ)模型庫(kù)和專業(yè)模型庫(kù)。圖形庫(kù)則用于存儲(chǔ)該評(píng)價(jià)系統(tǒng)的各類圖形。

2 知識(shí)庫(kù)建立

知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心組成，是推理機(jī)正常運(yùn)作的前提，也是專家系統(tǒng)有別于其他計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的重要標(biāo)志[18]。知識(shí)庫(kù)也被稱為規(guī)則庫(kù)，根據(jù)相應(yīng)原則和格式，把水土保持專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)及專家知識(shí)進(jìn)行有效處理和編寫，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識(shí)別的知識(shí)形式存放到知識(shí)庫(kù)中。由于專家系統(tǒng)是整合領(lǐng)域的專家知識(shí)模擬專家的思維方式來進(jìn)行問題的求解，因此知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的數(shù)量是否豐富、知識(shí)的整理是否合理，是此類系統(tǒng)能否進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

2.1 知識(shí)的獲取

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)知識(shí)的獲取是解決以何種方式從水土保持領(lǐng)域中已有的大量數(shù)據(jù)資料(包括口述或文字、研究成果、報(bào)告或?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)等)中提取出該專家系統(tǒng)所需的知識(shí)，因此，要求所取得的知識(shí)內(nèi)容應(yīng)具備準(zhǔn)確、客觀的特點(diǎn)[19]。知識(shí)獲取的方法分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2類[20]：主動(dòng)式知識(shí)獲取，反映的是系統(tǒng)根據(jù)用戶操作過程中輸入的基本信息和產(chǎn)生的評(píng)價(jià)結(jié)果，通過知識(shí)獲取系統(tǒng)自動(dòng)地獲取或產(chǎn)生知識(shí)并轉(zhuǎn)入系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中；而被動(dòng)式知識(shí)獲取，指的是由知識(shí)工程師按照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)水土保持領(lǐng)域的某些知識(shí)源(如專家、書本或?qū)＜姨幚淼膶?shí)例等)挖掘出有關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，并通過知識(shí)編輯器等類似的工具，將收集的這些知識(shí)以計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式裝入知識(shí)庫(kù)。在本系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建中，知識(shí)的獲取主要采取主動(dòng)式與被動(dòng)式相結(jié)合的方法。被動(dòng)式知識(shí)獲取包括3方面內(nèi)容：1)通過閱讀和分析已有的專業(yè)文獻(xiàn)和研究成果、報(bào)告獲?。?)通過與水土保持領(lǐng)域?qū)＜颐鎸?duì)面交流獲?。?)通過對(duì)水土保持領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行問卷調(diào)查獲取。所有獲取的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)都要反復(fù)詢問領(lǐng)域?qū)＜襾泶_定，然后整理為若干規(guī)則，并依據(jù)評(píng)價(jià)尺度和評(píng)價(jià)內(nèi)容的不同，組建相應(yīng)的規(guī)則集(知識(shí)庫(kù)的子庫(kù))。

表1不同尺度水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Tab.1Evaluation index system of ecological effect of soil and water conservation at different scales

分類Sort坡面尺度Slopescale小流域尺度Smallwatershedscale區(qū)域尺度Regionalscale內(nèi)容Content指標(biāo)Index內(nèi)容Content指標(biāo)Index內(nèi)容Content指標(biāo)Index調(diào)水Watertransfer地表徑流Surfacerunoff徑流模數(shù)Modulusofrunoff徑流量Runoff攔蓄徑流Runoffintercep-tion年/旱季徑流量、(非)汛期流量、洪峰流量Annual/Dryrunoff,(Non-flood)Floodflow,andfloodpeakdischarge地表徑流Surfacerunoff徑流量Runoff水質(zhì)調(diào)控Waterqualitycontrol總氮,總磷及化學(xué)需氮量TN,TP,andCOD水質(zhì)調(diào)控WaterqualitycontrolTN,TP,andCOD水質(zhì)調(diào)控WaterqualitycontrolTN,TP,andCOD改善土壤物理質(zhì)量Soilqualityimprovement機(jī)械組成、密度Soil-mechanicalcomposi-tion,andbulkdensity蓄水保土Soilandwatercon-servation土壤有效含水量、土壤儲(chǔ)水量Availablewatercontentofsoil,andsoilwaterstorage保土Soilconservation土壤侵蝕Soilerosion土壤侵蝕模數(shù)Soilerosionmodulus土壤侵蝕Soile-rosion土壤侵蝕模數(shù)Soile-rosionmodulus土壤侵蝕Soile-rosion土壤侵蝕模數(shù)Soile-rosionmodulus泥沙量Sediment輸沙量,輸沙模數(shù)Sedimentdischarge/transportmodulus泥沙量Sediment輸沙量Sedimentdis-charge生物多樣性維持Biodi-versitycon-servation植被覆蓋率Veg-etationcoverage植被蓋度Vegetationcoverage生物多樣性Biodiversity多樣性指數(shù)Diversityindex植被覆蓋率Veg-etationcoverage植被蓋度Vegetationcoverage植被覆蓋率Veg-etationcoverage植被蓋度Vegetationcoverage土地利用Landuse土地利用結(jié)構(gòu)Landusestructure土地利用Landuse土地利用結(jié)構(gòu)Landusestructure景觀多樣性Landscapediver-sity景觀多樣性指數(shù),班塊數(shù)量Landscapedi-versityindex,andnumberofpatches景觀多樣性Landscapediver-sity景觀多樣性指數(shù)Landscapediversity固碳Carbonfixation土壤有機(jī)碳Soilorganiccarbon土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Soilorganiccarbonstor-age土壤有機(jī)碳Soilorganiccarbon土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Soilorganiccarbonstor-age土壤有機(jī)碳Soilorganiccarbon土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Soilorganiccarbonstor-age植物碳儲(chǔ)量Plantcarbonstorage植物碳儲(chǔ)量Plantcar-bonstorage植物碳儲(chǔ)量Plantcarbonstorage植物碳儲(chǔ)量Plantcar-bonstorage植物碳儲(chǔ)量Plantcarbonstorage地上部碳儲(chǔ)量Abovegroundcarbonstorage

2.2 知識(shí)的表示

知識(shí)表示就是知識(shí)的符號(hào)化和形式化的過程[21]。通過某種特定的表達(dá)方式把水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的各種知識(shí)整合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)過程中[20]。目前知識(shí)的表示方法有多種，本系統(tǒng)采用了IF A THEN B的產(chǎn)生式知識(shí)表達(dá)方式。

產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式：

RULE n

IF A THEN B

Certainty Factor m

Photo Graph None

Reference None

END RULE

格式說明：n為規(guī)則號(hào)(整數(shù))；A條件判斷語句；B結(jié)果語句；m為可信度值(用0～100之間的整數(shù)來表示)；Photo Graph為圖片或圖形，缺省時(shí)默認(rèn)值為None；Reference為參考文獻(xiàn)，缺省時(shí)默認(rèn)值為None。以北方土石山區(qū)坡面尺度減流減沙效應(yīng)為例，其規(guī)則如下(此部分共梳理了476條規(guī)則)：

RULE 1

IF 省份=北京

地點(diǎn)=延慶

多年平均降雨量=475 mm

土壤類型=褐土

坡長(zhǎng)=10 m

坡向=陰坡

坡度=15°

土地利用方式=板栗樹盤

排列方式=“田”字形

THEN 減流效應(yīng)82%

減沙效應(yīng)95%

可信度值95

Photo Graph None

Reference None

END RULE

3 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用應(yīng)用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方式Microsoft Visual C++(VC++)[22]作為系統(tǒng)開發(fā)工具，應(yīng)用面向?qū)ο箝_發(fā)方式設(shè)計(jì)推理機(jī)并開發(fā)專家系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)的重構(gòu)和擴(kuò)充，且操作簡(jiǎn)單、適宜推廣。水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)由6個(gè)功能模塊組成，包括信息管理模塊、知識(shí)庫(kù)管理模塊、文獻(xiàn)管理模塊、水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)模塊、GIS管理模塊以及輸出模塊。進(jìn)入本系統(tǒng)首先需要注冊(cè)、登錄，以便進(jìn)行安全管理。

3.1 信息管理模塊

能夠完成對(duì)屬性數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的基本操作，包括輸入、查詢、添加、修改和刪除等功能，亦可稱為數(shù)據(jù)管理。

3.1.1 屬性數(shù)據(jù)管理 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)用來存放系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括中間推理結(jié)果、求解狀態(tài)及最終結(jié)果等；靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)則用來存放系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)，包括土壤數(shù)據(jù)、多年平均降雨量數(shù)據(jù)、徑流和泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)、水土保持措施數(shù)據(jù)、植被類型數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)等。屬性數(shù)據(jù)管理就是對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)的管理，完善和修改屬性數(shù)據(jù)可以幫助用戶全面準(zhǔn)確的了解研究地狀況。

3.1.2 模型數(shù)據(jù)管理 水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)過程會(huì)應(yīng)用許多模型，包括一些規(guī)劃模型和數(shù)學(xué)模型，例如線性規(guī)劃模型、多目標(biāo)規(guī)劃模型、多元統(tǒng)計(jì)模型、回歸分析模型等；還包括水土保持領(lǐng)域的一些專業(yè)模型，例如水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)方法模型、土壤侵蝕模型、流域產(chǎn)沙模型、水文模型、生態(tài)模型等。模型數(shù)據(jù)管理可以對(duì)以上這些模型進(jìn)行修改等操作，也可以補(bǔ)充系統(tǒng)中缺少的模型，為水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)提供更多的方法。

3.1.3 圖形數(shù)據(jù)管理 水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)過程涉及很多圖形，包括數(shù)字化地形圖、流域地塊圖和土壤圖、植被圖、坡度圖、地貌圖、土壤侵蝕類型圖、土地利用現(xiàn)狀圖及土層厚度圖等各類專題圖。通過圖形數(shù)據(jù)管理可以增加和更新不同地區(qū)的各類圖形，提升評(píng)價(jià)結(jié)果的直觀性。

3.2 知識(shí)庫(kù)管理模塊

知識(shí)庫(kù)管理模塊是對(duì)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的知識(shí)進(jìn)行編輯，主要包括知識(shí)的添加、修改、刪除、查詢等功能，使其不斷完善，提高生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。通過知識(shí)庫(kù)管理，可以向?qū)＜蚁到y(tǒng)知識(shí)庫(kù)中不斷添加新知識(shí)和修改既有知識(shí)。同時(shí)對(duì)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行一致性校驗(yàn)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行處理、對(duì)知識(shí)的語法錯(cuò)誤等進(jìn)行檢查，保證知識(shí)表示的規(guī)范性、一致性和可操作性。

3.3 文獻(xiàn)管理模塊

文獻(xiàn)管理主要包括對(duì)知識(shí)應(yīng)用文獻(xiàn)的添加、查詢、修改和刪除等功能操作。文獻(xiàn)管理功能不僅為用戶提供方便，也可以檢索規(guī)則的準(zhǔn)確性，提高評(píng)價(jià)工作的效率。

3.4 水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)模塊

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)作為本系統(tǒng)的核心功能，主要包括以下4部分。

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)輸入：用戶進(jìn)入評(píng)價(jià)界面把已有的指標(biāo)參數(shù)輸入對(duì)應(yīng)位置，包括地點(diǎn)、多年平均降雨量、坡度、坡長(zhǎng)、坡向、降雨強(qiáng)度、植被蓋度、土地利用方式和水土保持措施等。

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法選擇：評(píng)價(jià)指標(biāo)分為坡面、小流域和區(qū)域3個(gè)尺度，每個(gè)尺度包含調(diào)水、保土、生物多樣性維持以及固碳等幾類指標(biāo)，具體如表1所示；評(píng)價(jià)方法主要包括專家推理評(píng)價(jià)和模型評(píng)價(jià)，以專家推理評(píng)價(jià)為主。評(píng)價(jià)模型主要默認(rèn)層次分析法，應(yīng)用模型評(píng)價(jià)可對(duì)專家推理評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，同時(shí)在系統(tǒng)模型庫(kù)中儲(chǔ)存了幾種較成熟的評(píng)價(jià)方法，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)充與選擇。

3)水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)：系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法，運(yùn)用推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行匹配或運(yùn)用模型進(jìn)行計(jì)算。

4)評(píng)價(jià)結(jié)果輸出：系統(tǒng)根據(jù)匹配和計(jì)算的過程輸出評(píng)價(jià)結(jié)果，包括用戶輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)結(jié)果、可信度值、參考文獻(xiàn)以及各類專題圖等。

3.5 GIS管理模塊

GIS管理模塊主要是對(duì)空間數(shù)據(jù)(包括DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù))的管理以及負(fù)責(zé)與GIS系統(tǒng)形成連接，保證專家系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)的相互結(jié)合，為本系統(tǒng)提供空間數(shù)據(jù)操作的可能。

3.6 輸出功能模塊

輸出模型計(jì)算的結(jié)果或水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果，包括可信度值，參考文獻(xiàn)以及系統(tǒng)生成的各類專題圖等。

4 系統(tǒng)在白馬小流域坡面尺度保土效應(yīng)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

4.1 白馬小流域基本情況

白馬小流域位于山西省平順縣青羊鎮(zhèn)白馬村，距平順縣城7.0 km，總面積為4.47 km2，屬于海河流域濁漳河水系，流域?yàn)榈湫捅狈酵潦絽^(qū)，地貌為中山類山谷地貌，土壤類型為石灰性褐土，地理位置為E 113°20′30″～113°22′11″，N 36°07′19″～36°08′52″，海拔1 303.3～1 522.5 m，平均坡度為20.56°。干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為628.9 mm，其中汛期降雨量為488.96 mm，且降雨主要集中在6—9月份，年平均氣溫9.1 ℃，無霜期125 d，≥10 ℃的積溫為3 177.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量1 631.6 mm。該區(qū)溝壑縱橫，山高坡陡，土層厚度瘠薄，且抗蝕性差，水土流失嚴(yán)重。流域內(nèi)總?cè)丝跒?40人，其中勞動(dòng)力259人，人均耕地0.21 hm2，糧食總產(chǎn)量35 759 kg，人均年純收入2 280.5元。水土流失面積為3.34 km2，占流域總面積的74.7%。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)已初步建立，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)和規(guī)則的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行驗(yàn)證與應(yīng)用，取得了較好的效果。由于篇幅有限，筆者僅以白馬小流域坡面尺度保土效應(yīng)評(píng)價(jià)為例介紹系統(tǒng)應(yīng)用。在坡度為18.2 ℃，坡長(zhǎng)為20 m，降雨強(qiáng)度為1.1 mm/min，植被蓋度為40%，土地利用方式為喬木林地，水土保持措施為魚鱗坑的條件下，采用專家推理評(píng)價(jià)方法，通過推理機(jī)進(jìn)行推理，得到該區(qū)坡面尺度保土效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果：土壤侵蝕模數(shù)為70.35 t/(km2·a),減流效應(yīng)為75%，減沙效應(yīng)為80.15%。評(píng)價(jià)結(jié)果可為水土保持行政管理部門進(jìn)行水土保持管理、水土保持規(guī)劃實(shí)施進(jìn)度、質(zhì)量的監(jiān)督監(jiān)測(cè)以及水保措施的進(jìn)一步部署和決策提供依據(jù)。

5 結(jié)論與建議

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)作為水土保持工作的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，一直以來備受關(guān)注。筆者設(shè)計(jì)和研發(fā)的水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)，將專家系統(tǒng)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，通過收集、整理、歸納和總結(jié)水土保持領(lǐng)域?qū)＜叶嗄甑难芯亢蛯?shí)踐所積累的大量、分散的數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建了水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)水土保持生態(tài)效應(yīng)的高效、智能評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果不僅能為水土保持信息化管理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為水土保持規(guī)劃實(shí)施進(jìn)度、質(zhì)量的監(jiān)督監(jiān)測(cè)及水保措施的進(jìn)一步部署和決策提供依據(jù)。

水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)雖具有界面友好、操作簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)快速等特點(diǎn)，能滿足水土保持生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)工作的基本需要，但在一些方面仍有待進(jìn)一步完善、加強(qiáng)與提升：一是系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)需要進(jìn)一步豐富和完善，以提升評(píng)價(jià)結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性；二是推理機(jī)中使用的產(chǎn)生式推理策略和不精確性推理策略算法相對(duì)簡(jiǎn)單，還需考慮引入其他更為精確的推理策略，優(yōu)化推理機(jī)的匹配過程。

[1] 王春玲,孟丹,王冬梅, 等.我國(guó)水土保持信息化建設(shè)的現(xiàn)狀與建議[J].中國(guó)水土保持,2016(3):69.

WANG Chunling, MENG Dan, WANG Dongmei,et al. Present situation and suggestions on soil and water conservation information construction in China[J]. Soil And Water Conservation in China, 2016(3):69.

[2] 褚興彬. 山東省水土保持管理信息系統(tǒng)研究[D].山東:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2009：7.

ZHU Xingbin. Study on soil and water conservation management information system for Shandong province[D]. Shandong: Shandong Agricultural University, 2009:7.

[3] 羅志東,曹文華,趙院,等.水土保持信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理探討[J].中國(guó)水土保持,2015,(3):37.

LUO Zhidong, CAO Wenhua, ZHAO Yuan, et al. Discussion on operation and maintenance management of soil and water conservation information system[J]. Soil And Water Conservation in China, 2015, (3):37.

[4] 趙永軍,馮偉,許永利.水土保持重點(diǎn)工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)建設(shè)[J].中國(guó)水土保持,2014,(10):10.

ZHAO Yongjun, FENG Wei, XU Yongli. Construction of management information system for key project of soil and water conservation[J]. Soil And Water Conservation in China, 2014, (10):10.

[5] 謝紅霞,段建南,王改蘭,等.延河流域水土保持信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].土壤通報(bào),2015,46(3):539.

XIE Hongxia, DUAN Jiannan, WANG Gailan, et al. Design and implementation of soil and water conservation information system in yanhe River Basin [J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(3): 539.

[6] 程瑞芳.河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)的研發(fā)[J].中國(guó)水土保持,2015,(3):40.

CHENG Ruifang. Research and development of 3D visualization management information system for soil and water conservation in Henan Province[J]. Soil And Water Conservation in China, 2015, (3):40.

[7] 馬藹乃, 周長(zhǎng)發(fā). 地理專家系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J].地理學(xué)報(bào),1992,47(3):252.

MA Ainai, ZHOU Changfa. A study of geographical expert system[J]. Acta Geographical Sinica, 1992, 47(3): 252.

[8] 傅煒.黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕專家系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),1993,2(1): 62.

FU Wei. A test research for forming soil erosion expert system in loess hills and gullies[J]. Journal of Natural Disasters, 1993, 2(1): 62.

[9] 張曉萍,李銳,趙永安.基于GIS的水土保持林草措施“專家”系統(tǒng)研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào), 1998, 4(4):77.

ZHANG Xiaoping, LI Rui, ZHAO Yongan. Study on GIS-based expert system of biological practice for soil and water conservation[J]. Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation, 1998, 4(4):77.

[10] 饒良懿,余新曉,謝寶元,等.我國(guó)水土保持專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].水土保持學(xué)報(bào),2002,16(3): 68.

RAO Liangyi, YU Xinxiao, XIE Baoyuan, et al. Review and perspective of soil and water conservation expert system in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2002, 16(3): 68.

[11] 柳禮奎,路紫.石家莊市農(nóng)村居民點(diǎn)水土保持專家決策系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)施[J].水土保持研究,2007, 14(6): 134.

LIU Likui, LU Zi. The construction and implementation of soil and water conservation expert-policy-making system inShijiazhuang rural residential areas[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2007, 14(6): 134.

[12] 文東新,余定椿.基于Google Earth的大圍山水土保持信息系統(tǒng)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,30(5):40.

WEN Dongxin, YU Dingchun. Study on information system for soil and water conservation in Daweishan based on Google Earth[J]. Journal of Central South University of Forestry&Technology, 2010, 30(5):40.

[13] 匡星,白明洲,于會(huì)濱.鐵路工程環(huán)境評(píng)價(jià)中專家系統(tǒng)的應(yīng)用探討[J].山西建筑,2013,39(26):213.

KUANG Xing, BAI Mingzhou, YU Huibin. The application discussion on expert system of railway project environmental assessment[J]. Shanxi Architecture, 2013, 39(26):213.

[14] 李靜.基于組件式GIS的水土保持效益評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)初步研究：以延河流域?yàn)槔齕D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2008：2.

LI Jing. A preliminary study on information system based on comGIS for soil and water conservation evaluation: a case study on Yan He river basin[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2008:2.

[15] 饒良懿,謝寶元,余新曉,等.北京山區(qū)小流域綜合治理智能決策信息管理系統(tǒng)的研制和開發(fā)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,2(1):43.

RAO Liangyi, XIE Baoyuan, YU Xinxiao, et al. Intelligent decision support system for small watershed management in Beijing mountain areas[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2003, 2(1):43.

[16] 李雷.基于產(chǎn)生式規(guī)則的變壓器故障診斷專家系統(tǒng)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008:3.

LI Lei. A fault diagnosis expert system based on production rule for power transformers[D]. Xi′an: Xi'an University of Electronic Science and Technology, 2008:3.

[17] 李秀霞.基于案例推理技術(shù)的數(shù)控機(jī)床故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2016(1):238.

LI Xiuxia. Structure design of NC machine fault diagnosis expert system based on case-based reasoning technology[J]. Mechanical Engineers, 2016(1):238.

[18] 潘文聰,郭志民,陳永寶.水土保持規(guī)劃專家系統(tǒng)初探[J].福建水土保持,2010,14(4):29.

PAN Wencong, GUO Zhimin, CHEN Yongbao. Preliminary study on expert system of soil and water conservation planning[J]. Fujian Soil And Water Conservation, 2010, 14(4):29.

[19] 張清清.鐵路信號(hào)設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2016,3(9):28.

ZHANG Qingqing. Research on fault diagnosis expert system design of railway signal equipment[J]. Technology Development of Enterprise, 2016, 3(9):28.

[20] 齊俊鵬.基于產(chǎn)生式規(guī)則的信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專家系統(tǒng)研究[D].北京:北京信息控制研究所,2008：14.

QI Junpeng. Study of an expert system based on production rules for information security risk assessment [D]. Beijing: Beijing Information Control Institute, 2008：14.

[21] 孔繁勝.知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)原理[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2002.

KONG Fansheng. Knowledge base system principle[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2002.

[22] 李鐵軍,唐慶華,王潔.專家系統(tǒng)及其常用開發(fā)語言[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(3): 147.

LI Teijun, TANG Qinghua, WANG Jie. Expert system and its developed languages[J]. Journal of Liaoning University of Technology, 2010, 30(3): 147.

Researchanddevelopmentontheexpertsystemforecologicaleffectevaluationofsoilandwaterconservation

XIA Chunyuan1,2, RAO Liangyi1,2, XIA Jingfang3

(1.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;2.Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;3.Soil and Water Conservation Plant Development and Management Center of Ministry of Water Resources, 100038, Beijing, China)

BackgroundMost researches paid attention to the study of comprehensive evaluation of soil and water conservation, such as evaluation of index system and evaluation methods. However, few studies on the evaluation of ecological effects of soil and water conservation have been carried out. So far a lot of expert knowledge has been accumulated in this field, which has provided basis for the development of evaluation expert system that could help quickly and intelligently evaluate the ecological effects of soil and water conservation measures. A decision-making tool for the soil and water conservation administrative department is also urgently required to meet the needs of ecological effects evaluation for soil and water conservation, which may provide the basis for government decision.MethodsBased on the summarization of the experiences and expert knowledge of soil and water conservation areas, a knowledge database was established with the production-rule method, and the expert system (ES) was integrated with geographic information system (GIS) technologies by the visual programming language VC++.ResultsA friendly interface and fully functional ecological effect evaluation expert system of soil and water conservation was developed, composing of expert system and geographic information system. The expert system includes man-machine interface, inference engine, knowledge base and acquisition and management of knowledge, database and database management, model base and model base management, graph base and graph base management. It can calculate the ecological effects of comprehensive management of soil and water conservation measures, and make a scientific evaluation of the ecological effects of soil and water conservation measures. This part is also the core function of the system. In addition, the system also includes information management, knowledge base management, document management, GIS management and output functions. After the completion of the system, the Baima small watershed was selected as a verifying example, in the slope of 18.2 degrees, 20 m slope, rainfall intensity was 1.1 mm/min, the vegetation coverage was 40%, land use was forestland, soil and water conservation measure was fish scale pit, the effect of soil conservation at the slope scale of which was evaluated as: soil erosion modulus was 70.35 t/(km2·a), flow effect reduced to 75%, the sediment reduction effect was 80.15%, which may be used for soil and water conservation management in the administrative department.ConclusionsAnalysis of soil and water conservation measures and the correct evaluation of their ecological effects may not only make people understand the effectiveness of soil erosion control, but also provide a basis for further comprehensive management and help promote soil and water conservation work scientifically and specifically. This system may meet the needs of soil and water conservation assessment of ecological effects, with the advantages of simple operation, easy to release, etc. However, further efforts should be focused on the richness of the knowledge database, which may help improve the scientificalness of evaluation results as well as the practicality of the system.

soil and water conservation; ecological effect evaluation; knowledge database; expert system; geographic information system

S157

A

2096-2673(2017)05-0142-07

10.16843/j.sswc.2017.05.018

2017-03-27

2017-09-21

項(xiàng)目名稱： 水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“水土保持生態(tài)效應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)研究”(201501045)

夏春園(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：水土保持監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。E-mail：756361326@qq.com

?

饒良懿(1976—)，女，博士，教授。主要研究方向：水土保持和生態(tài)工程。E-mail：raoliangyi@bjfu.edu.cn