森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的規(guī)劃決策技術

劉延利 陳健 陳麗

摘 要：支撐森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的規(guī)劃決策技術方法主要包括：計算機和“3S”技術、檢査法、森林類型多樣性最大覆蓋模型、森林多目標經(jīng)營規(guī)劃和林分擇伐空間結構優(yōu)化分析等方法和技術。本文將介紹各項技術方法的內(nèi)容和討論其在森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營中的支撐作用。

關鍵詞：森林;生態(tài)系統(tǒng);經(jīng)營;規(guī)劃;決策;技術

一、計算機和“3S”技術

“3S”是遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）的總稱。它們是隨著電子、通信和計算機等尖端學科的發(fā)展而迅速崛起的一批高新技術，三者有著緊密的聯(lián)系在林業(yè)以及森林采伐規(guī)劃設計上有著廣泛的應用。

遙感是通過航空或航天傳感器來獲取信息的技術手段。利用遙感可以快速、廉價地得到地面物體的空間位置和屬性數(shù)據(jù)。近年來，隨著各種新型傳感器的研制和應用，使得遙感特別是航天遙感有了飛速發(fā)展。遙感影像的分辨率大幅度提高，渡譜范圍不斷擴大，特別是星載和機載成像雷達的出現(xiàn)，使遙感具有了多功能、多時相、全天候能力。在森林經(jīng)營作業(yè)中，遙感技術主要用于作業(yè)區(qū)區(qū)劃、景觀分類和規(guī)劃以及大范圍的經(jīng)營活動的動態(tài)監(jiān)測中。

地理信息系統(tǒng)是以地理坐標為控制點，對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行管理和分析的技術工具。它的特點是，可以將空間特征和屬性特征緊密地聯(lián)系起來，進行交互方式的處理，結合各種地理分析模型，進行區(qū)域分析和評價。森林經(jīng)營作業(yè)中，地理信息系統(tǒng)能夠提供各種基礎信息（地形、河流、道路等）和專業(yè)信息的空間分布，利用它的分析功能可以進行作業(yè)區(qū)劃、道路、集運材、伐區(qū)作業(yè)、更新等的設計和決策。

目前，計算機和“3S”技術的研究十分活躍，它的應用也已產(chǎn)生非常顯著的效益。顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著計算機軟硬件技術水平的不斷提高，“3S”技術將不斷完善，并與決策支持系統(tǒng)、人工智能技術、多媒體等技術相結合，成為一門高度集成的綜合技術，將在森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營中開辟更廣闊的應用領域。

二、檢查法

檢査法是一種集約經(jīng)營的方法，它是通過定期的森林調查，觀察森林結構、蓄積量和生長量的變化作為確定下一個經(jīng)理期采伐量的依據(jù)。通過擇伐作業(yè)使林分保持穩(wěn)定、復雜的結構。最早提出檢查法的是法國林學家顧爾諾，他于1863～1875年在朱羅村有林地中進行了檢查法試驗。后來又經(jīng)瑞士林學家畢奧萊在瑞士納沙臺爾州的特拉威爾峽谷的公有林中，對檢查法進行了畢生試驗。在瑞士和北歐許多地方一直持續(xù)至今，森林資源的連續(xù)清查和其他定期調查都是在此基礎上發(fā)展起來的。它的經(jīng)營思想目前仍有較高的指導意義。

一般認為，生物多樣性包括基因多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性4個層次。究竟從哪個層次上來保護生物多樣性才更有效，這是擺在我們面前的問題。傳統(tǒng)的方法是保護稀有種和瀕危種。但是，單純保護某一個物種的作用是十分有限的。生物多樣性保護最有效的途徑不是對單個物種的保護，而是把生物多樣性保護的空間尺度放在生態(tài)系統(tǒng)和景觀水平。因為，在生物多樣性保護中，較髙等級層次能兼容和限制低等級層次的行為。只有在位于高層次的整個生態(tài)系統(tǒng)和景觀得以保護后，那些“不起眼”的物種才能得到保護。也就是說，生物多樣性保護應當從高等級層次入手。

三、森林多目標經(jīng)營規(guī)劃技術

森林可持續(xù)經(jīng)營要求實現(xiàn)森林經(jīng)營的多個目標，但這些目標常常是相互沖突的，因此需要通過多目標規(guī)劃來實現(xiàn)。森林經(jīng)營規(guī)劃主要在三個層次上進行：戰(zhàn)略、戰(zhàn)術和作業(yè)規(guī)劃。在戰(zhàn)略規(guī)劃中確定長遠的目標，側重于實現(xiàn)超過十年的長期目標，景觀規(guī)劃主要在這個層次。如野生動植物棲息地，荒野保護，或木材采伐量指標。在這個水平上的主要決策，與大面積土地上較長規(guī)劃期內(nèi)的土地利用分配和投入產(chǎn)出的目標累計有關。當戰(zhàn)略規(guī)劃層次的可選經(jīng)營方案很多時，經(jīng)營決策者就會做出相關的所謂中間或戰(zhàn)術計劃。在這個層面的決策包括：規(guī)劃詳細的經(jīng)營區(qū)或經(jīng)營單位、道路建設、采運以及為縮短規(guī)劃時限確定一個最優(yōu)計劃第三個層面是所謂的作業(yè)層次，涉及確定一個區(qū)域的森林土地利用計劃，代表著短期的森林作業(yè)的問題，如采集、生產(chǎn)、采運、種植、病蟲害防治、林火管理、以及道路建設和維護。

森林多目標規(guī)劃問題通常包括建立目標函數(shù)、確定約束條件和利用優(yōu)化算法求解結果三個步驟。森林多目標函數(shù)主要包括經(jīng)濟和商品生產(chǎn)、野生動植物生境、生物多樣性、娛樂游憩和其他目標五大類別。森林多目標規(guī)劃約束包括經(jīng)濟和商品生產(chǎn)、水流、碳貯存、森林結構、野生動植物、最大最小收獲年齡和其他約束六大類別。優(yōu)化方法已經(jīng)成功應用到森林規(guī)劃方面，使用優(yōu)化方法建立模型可以得到森林可持續(xù)經(jīng)營的最佳決策方案。線性規(guī)劃方程巳經(jīng)無力處理空間約束和理想空間條件問題。現(xiàn)在應用比較廣泛的箅法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌優(yōu)化、蒙特卡洛整數(shù)規(guī)劃、模擬退火算法、遺傳箅法、禁忌搜索算法等。

四、林分結構化經(jīng)營技術

結構化森林經(jīng)營是一套完整的、新的森林可持續(xù)經(jīng)營體系，包括經(jīng)營目標、理論基礎、經(jīng)營原則和經(jīng)營方法與技術。之所以在“森林經(jīng)營”前面冠以“結構化”，其用意在于強調“結構優(yōu)化”，以區(qū)別于傳統(tǒng)的森林經(jīng)營。結構化森林經(jīng)營在總結國際上現(xiàn)有森林經(jīng)營理論與方法的基礎上，汲取了德國近自然森林經(jīng)營的原則，將培育健康穩(wěn)定森林作為終極目標，創(chuàng)造性地以優(yōu)化空間結構為手段，按照林分自然度和經(jīng)營迫切性確定經(jīng)營方向，對建群種競爭、林木格局、樹種混交等進行有的放矢的調整。結構的重要性、可解析性和健康森林結構特征構成了結構化森林經(jīng)營的理論基礎。

五、林分擇伐空間優(yōu)化系統(tǒng)

林分空間結構決定了樹木之間的競爭優(yōu)勢及其空間生態(tài)位，在很大程度上影響著林分生長、發(fā)育與穩(wěn)定性。林分空間結構被認為是決定生境和物種多樣性的重要因子。目前，林分空間結構分析已成為國際上天然林經(jīng)營模擬技術的主要研究內(nèi)容。

林分結構包括空間結構和非空間結構?？臻g結構主要包括：混交、競爭和林木空間分布格局3個方面。非空間結構包括：徑級結構、生長量和樹種多樣性等。生態(tài)過程和干擾都影響林分結構。疏伐是對實施經(jīng)營的林地最重要的干擾。采伐直接影響林分的空間結構和非空間結構，而空間結構的變化又產(chǎn)生對非空間結構的影響。合理的擇伐是調整林分空間結構的手段，以便充分發(fā)揮森林的功能。

因此，在林分擇伐規(guī)劃中引入林分空間結構，建立林分擇伐空間優(yōu)化模型，旨在為林分擇伐提供決策依據(jù)，以便在確定是否采伐某一空間位置上的林木時有充分的理由。由于林分空間結構包括多個方面。所以，擇伐規(guī)劃必然是多目標規(guī)劃。在最優(yōu)結構決定最優(yōu)功能的假設前提下，采用非線性多目標整數(shù)規(guī)劃建立模型。模型以林分空間結構為目標，以非空間結構（林分結構多樣性、生態(tài)系統(tǒng)進展演替和采伐量不超過生長量為主要約束條件，使林分空間結構達到最優(yōu)狀態(tài)，以便最大限度地保持系統(tǒng)的結構完整性，充分發(fā)揮森林的多種功能。求解此模型可以獲得最優(yōu)采伐方案，包括最優(yōu)采伐木信息和采伐前后森林結構的變化。從而為生態(tài)采伐中采伐木的選擇提供了具有科學性和可操作性的技術和方法。

結 語

將以上思想和模型，采用面向對象程序設計方法，結合計算機技術，研制成林分擇伐空間優(yōu)化系統(tǒng)軟件，成為擇伐設計的有力工具。使用該軟件，可以實現(xiàn)林分采伐方案的優(yōu)化設計，提高采伐規(guī)劃設計的科學性和技術水平。

參考文獻

[1] 郭明、郭大有，森林分類經(jīng)營的戰(zhàn)略研究.林業(yè)勘查設計.2016.7

[2] 郭熙得主編，發(fā)展經(jīng)濟學經(jīng)典論著選.中國經(jīng)濟出版社.2010.6。