塞罕壩林業(yè)資源管理系統(tǒng)

彭彥霖 吳風(fēng)華

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063200)

引言

林業(yè)資源是林業(yè)保護(hù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，林業(yè)資源的有效評(píng)估和保護(hù)對(duì)于遏制林業(yè)資源的衰退，實(shí)現(xiàn)林業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)是現(xiàn)在河北省最大的人工林林場(chǎng)，森林資源非常豐富，森林覆蓋率在80.0%以上[1]。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)具備多樣性的功能特點(diǎn)，發(fā)揮著不可替代的作用。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)地處高原地區(qū)，與荒漠相鄰地區(qū)相近，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受到天氣與社會(huì)因素的影響。利用GIS技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)塞罕壩地區(qū)林業(yè)資源的信息化管理可以更好地對(duì)該地區(qū)的林業(yè)資源進(jìn)行整合，從而達(dá)到保護(hù)和發(fā)展的作用[2]。

目前，GIS在林業(yè)應(yīng)用方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。國(guó)際上，加拿大森林資源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)CFRDS是一個(gè)集成化的森林資源信息庫(kù)，存儲(chǔ)著森林蓄積量、運(yùn)輸途徑、木材需求等信息?？商峁┲付謪^(qū)現(xiàn)有的鐵路、公路和水路運(yùn)輸途徑、森林蓄積圖表和需材企業(yè)圖表，有力地支持了森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃設(shè)計(jì)[3-6]。美國(guó)林務(wù)局的STUMP軟件是一個(gè)森林利用分析系統(tǒng)，可分析計(jì)算森林蓄積量、林木價(jià)格、貯木場(chǎng)庫(kù)存和木材規(guī)格等級(jí)，預(yù)測(cè)最終木材產(chǎn)量。在國(guó)內(nèi)，李超和羅傳文等研究實(shí)現(xiàn)了基于ArcGIS Engine的森林資源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了帽兒山林場(chǎng)森林資源的信息化管理；趙穎慧運(yùn)用“3S”技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)以大興安嶺示范區(qū)——塔河林業(yè)局為例，采用森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和各種圖面資料(包括地形圖、林相圖)，結(jié)合多種軟件，對(duì)數(shù)字林業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[7-9]。

目前而言，國(guó)內(nèi)GIS在林業(yè)方面對(duì)塞罕壩地區(qū)森林公園研究相對(duì)較少，在技術(shù)方面多偏向于傳統(tǒng)GIS，較少涉及到WebGIS的功能。針對(duì)以上情況，開(kāi)發(fā)一個(gè)集林業(yè)資源管理功能、森林保護(hù)功能、綠化造林功能為一體的林業(yè)資源管理系統(tǒng)，更有利于對(duì)塞罕壩地區(qū)林業(yè)進(jìn)行綜合管理，更有利于提高對(duì)該地區(qū)的災(zāi)害保護(hù)措施，更有利于該地區(qū)林場(chǎng)的穩(wěn)定，對(duì)林業(yè)資源發(fā)展具有重大意義。

1 相關(guān)理論與技術(shù)描述

1.1 核密度分析技術(shù)

密度分析通常情況下用于計(jì)算測(cè)量一塊區(qū)域的單位密度，尤其是點(diǎn)要素以及線要素的測(cè)量。通常來(lái)講，核密度分析的結(jié)果能夠表現(xiàn)出離散測(cè)量值在連續(xù)區(qū)域內(nèi)的變化情況。其結(jié)果是平滑的曲面數(shù)據(jù)[12]。本系統(tǒng)森林保護(hù)功能中有森林火災(zāi)熱力圖，運(yùn)用了核密度分析技術(shù)，密度分析使用的核函數(shù)：

其中，r為查找半徑；scale為柵格中心點(diǎn)到點(diǎn)、線對(duì)象的距離與查找半徑相比。

1.2 對(duì)迪杰斯特拉算法改進(jìn)的多旅行商算法

在本系統(tǒng)中護(hù)林人員最佳巡邏路線功能中，在人工林場(chǎng)內(nèi)有多個(gè)護(hù)林基站，護(hù)林人員從基站出發(fā)，如果只是簡(jiǎn)單的迪杰斯特拉算法的話，一個(gè)護(hù)林人員只能對(duì)一個(gè)地方進(jìn)行巡邏維護(hù)，不能對(duì)多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行巡邏維護(hù)，因此本文在此基礎(chǔ)上對(duì)Dijkstra算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)護(hù)林基站對(duì)人工林場(chǎng)多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行巡邏的最佳路徑選擇[13]，這就是多旅行商算法。

旅行商問(wèn)題是一個(gè)經(jīng)典的組合優(yōu)化問(wèn)題。應(yīng)如何選擇行進(jìn)路線，以使總的行程最短。從某角度來(lái)看，該問(wèn)題實(shí)質(zhì)是在一個(gè)帶權(quán)完全無(wú)向圖中，找一個(gè)權(quán)值最小的Hamilton回路。此算法在交通運(yùn)輸、電路板線路設(shè)計(jì)以及物流配送等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

塞罕壩位于河北省承德市圍場(chǎng)滿(mǎn)族蒙古族自治縣境內(nèi)，內(nèi)蒙古高原的東南緣，地處內(nèi)蒙古高原與河北北部山地的交接處，地貌上界于內(nèi)蒙古熔巖高原和冀北山地之間，主要是高原臺(tái)地。東西長(zhǎng)51.46km，南北寬17.84km。區(qū)域海拔高度1500～1939.6m，面積20029hm2。塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)地處高原地區(qū)，與荒漠相鄰地區(qū)相近，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受到天氣與社會(huì)因素的影響。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本系統(tǒng)中的樹(shù)種及其相關(guān)信息、病蟲(chóng)害信息以及藥物信息等來(lái)源于政府網(wǎng)站；地圖下載來(lái)源于水經(jīng)注；如10a賽罕壩地區(qū)植被覆蓋變化需要用到遙感信息來(lái)源于Landsat，數(shù)據(jù)精度較高。塞罕壩區(qū)域圖如圖1所示。

圖1 塞罕壩區(qū)域概括圖

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括森林保護(hù)功能模塊，其中森林保護(hù)功能模塊包括森林防火、樹(shù)種、病蟲(chóng)害信息查詢(xún)、護(hù)林人員巡邏路線等功能，林業(yè)資源可視化分析模塊包括林分專(zhuān)題圖、不同林分覆蓋區(qū)塊查詢(xún)、小班調(diào)查因子查詢(xún)、近10a塞罕壩地區(qū)植被覆蓋查詢(xún)等功能。綠化造林模塊功能中有養(yǎng)護(hù)地的查看以及樹(shù)種養(yǎng)護(hù)記錄，并根據(jù)養(yǎng)護(hù)信息在該功能模塊中畫(huà)出相應(yīng)的計(jì)劃圖。系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

森林保護(hù)功能模塊中該模塊包括森林防火、樹(shù)種、病蟲(chóng)害信息查詢(xún)、護(hù)林人員巡邏路線，其基本功能包括系統(tǒng)用戶(hù)可以對(duì)樹(shù)種、病蟲(chóng)害歐諾以及殺蟲(chóng)藥物的信息進(jìn)行查詢(xún)。系統(tǒng)可以根據(jù)往年火災(zāi)發(fā)生數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制作出相應(yīng)的火災(zāi)熱力圖，構(gòu)成森林防火功能。最短路徑分析，選出所要巡邏的地點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)分析，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)最短路徑選出離該目標(biāo)點(diǎn)最近的護(hù)林站，并派出工作人員進(jìn)行巡邏查詢(xún)。林業(yè)資源可視化分析包含不同林分區(qū)塊覆蓋區(qū)域信息查詢(xún)功能、近10a賽罕壩地區(qū)森林覆蓋變化。不同林分專(zhuān)題圖可以清楚地看到不同林分在賽罕壩地區(qū)的分布；近10a賽罕壩地區(qū)植被覆蓋變化點(diǎn)擊不同年份即可得到當(dāng)年植被覆蓋比，進(jìn)而出現(xiàn)當(dāng)年植被覆蓋區(qū)域圖。小班調(diào)查因子將塞罕壩林場(chǎng)劃分成不同區(qū)塊并對(duì)每個(gè)區(qū)塊進(jìn)行編號(hào)，顯示出不同區(qū)塊的樹(shù)種年份、地類(lèi)、林種、地形因子、平均樹(shù)齡、更新度等。給管理人員提供更好的思路，便于決策的下達(dá)。綠化造林功能中有養(yǎng)護(hù)地的查看以及樹(shù)種養(yǎng)護(hù)記錄，并根據(jù)一些養(yǎng)護(hù)信息在該功能模塊中畫(huà)出相應(yīng)的計(jì)劃圖，便于護(hù)林人員更好工作。該功能打破了常規(guī)計(jì)劃發(fā)布方式，將GIS功能與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了政府人員可以直接通過(guò)平臺(tái)發(fā)布造林計(jì)劃，簡(jiǎn)單且高效。

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.4.1 查詢(xún)功能的實(shí)現(xiàn)

2.4.1.1 不同林分覆蓋區(qū)塊查詢(xún)功能

該功能屬于區(qū)塊查詢(xún)功能，根據(jù)不同林分覆蓋地方做成相應(yīng)區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊查詢(xún)功能。不同林分用不同顏色表示，并且每個(gè)區(qū)域分別給出了編號(hào)、植被類(lèi)型以及占地面積，使政府管理員更加清晰地識(shí)別不同林分所覆蓋區(qū)域。便于政府管理人員對(duì)不同林分、不同地點(diǎn)更加因地制宜，賽罕壩地區(qū)不同林分覆蓋區(qū)塊信息查詢(xún)功能圖如圖3所示。

圖3 不同林分覆蓋區(qū)塊查詢(xún)

2.4.1.2 近10a塞罕壩森林覆蓋度查詢(xún)功能

將從Landsat網(wǎng)站上獲取的塞罕壩森林公園遙感影像數(shù)據(jù)，在ENVI中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再與超圖相結(jié)合，得出近10a賽罕壩地區(qū)森林覆蓋率的查詢(xún)功能，輸入所查詢(xún)年份，系統(tǒng)會(huì)給出當(dāng)年植被覆蓋指數(shù)，顯示當(dāng)年植被覆蓋區(qū)域圖，并提供分析給管理人員，以便管理人員更好地為來(lái)年植樹(shù)造林、退耕還林做好規(guī)劃準(zhǔn)備。在所選下拉框中選中所要查詢(xún)的當(dāng)年森林覆蓋年份，如選中2017年，點(diǎn)擊分析即有窗體彈出顯示2017年塞罕壩地區(qū)森林覆蓋比為0.83548。顯示效果如圖4所示，可以分析研究時(shí)間段內(nèi)每一年對(duì)應(yīng)的森林覆蓋比。

圖4 近10a塞罕壩森林覆蓋率查詢(xún)

2.4.1.3 養(yǎng)護(hù)地查詢(xún)功能

該功能顯示出一些養(yǎng)護(hù)地的信息情況，屬于區(qū)塊查詢(xún)功能，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)地區(qū)塊賦予不同的顏色，并且顯示出相應(yīng)區(qū)塊的養(yǎng)護(hù)信息，便于管理人員進(jìn)行相應(yīng)的管理，使林業(yè)資源管理更加高效。養(yǎng)護(hù)地查詢(xún)圖如圖5所示。

2.4.2 最佳巡邏路線的實(shí)現(xiàn)

該功能利用最短路線分析原理，給出所需要的巡邏地點(diǎn)，利用迪杰斯特拉算法得出距離該區(qū)域最近的護(hù)林站點(diǎn)，然后給出最短路線。該功能的實(shí)現(xiàn)極大方便了管理人員與護(hù)林人員。通過(guò)選擇起終點(diǎn)位置可以進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃，并可以查詢(xún)到路徑距離，簡(jiǎn)潔方便。護(hù)林人員巡邏路線圖如圖6所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)地查詢(xún)圖

圖6 護(hù)林人員巡邏路線圖

2.4.3 綠化造林功能的實(shí)現(xiàn)

綠化造林功能實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)護(hù)地查詢(xún)并在該功能欄里繪制相應(yīng)的計(jì)劃圖。該功能打破了常規(guī)計(jì)劃發(fā)布方式，將GIS功能與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了政府人員可以直接通過(guò)平臺(tái)發(fā)布造林計(jì)劃，簡(jiǎn)單且高效。該功能更加有利于政府管理人員與護(hù)林人員進(jìn)行交互，國(guó)家每年發(fā)布計(jì)劃給政府工作人員，政府工作人員在該功能欄里進(jìn)行計(jì)劃的制作，并在之后發(fā)布，使得護(hù)林人員更方便、清晰地了解政策，并更好的實(shí)施。養(yǎng)護(hù)計(jì)劃圖如圖7所示。

圖7 養(yǎng)護(hù)計(jì)劃圖

2.4.4 森林保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)針對(duì)森林保護(hù)功能開(kāi)發(fā)了森林防火功能以及病蟲(chóng)害防治功能。其中，森林防火功能是根據(jù)近些年塞罕壩地區(qū)發(fā)生森林火災(zāi)情況制作成數(shù)據(jù)，生成森林火災(zāi)熱力圖，顯示出塞罕壩地區(qū)哪些地方易發(fā)生火災(zāi) ，以便更好地進(jìn)行相應(yīng)的森林防火。病蟲(chóng)害防治功能中可以查詢(xún)到塞罕壩地區(qū)種植的不同樹(shù)種以及樹(shù)種所對(duì)應(yīng)的功能，如保土防沙功能等以及樹(shù)種易患的病蟲(chóng)害，并給出相應(yīng)病蟲(chóng)害查詢(xún)、不同害蟲(chóng)所需的藥物殺除以及藥物的存放站和剩余量。森林防火功能如圖8所示。

圖8 森林防火功能圖

3 結(jié)論

國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及管理日益加深，因此需要一套比較完善的林業(yè)資源管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化管理。以塞罕壩國(guó)家森林公園為研究區(qū)，開(kāi)發(fā)一個(gè)集林業(yè)資源管理功能、森林保護(hù)功能、綠化造林功能為一體的林業(yè)資源管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)以森林保護(hù)功能、林業(yè)資源可視化分析功能以及造林規(guī)劃為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了森林火情分析、樹(shù)種信息及相關(guān)病蟲(chóng)害、病蟲(chóng)害防治信息、藥物儲(chǔ)備信息、護(hù)林人員巡邏路線、林種分布專(zhuān)題圖、小班調(diào)查因子查詢(xún)分析、不同林分區(qū)塊查詢(xún)、近10a塞罕壩森林覆蓋率變化、綠化造林功能整個(gè)系統(tǒng),使森林保護(hù)、森林信息查詢(xún)、綠化造林功能融為一體，大大提高了護(hù)林人員管理工作的效率和質(zhì)量，并為政府領(lǐng)導(dǎo)的決策提供科學(xué)依據(jù)。