基于WebGIS的多目標森林經營決策系統的研究和實現1)

高心丹 趙 明

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

異齡林是由不同年齡、不同徑級和不同樹種的林木組成的一個生態系統［1］。由于森林的生長使林木徑階、年齡等發生變化，使這個生態系統總是處于一個復雜的動態變化之中。矩陣模型是異齡林生長預測重要工具，已經被廣泛應用于對異齡林的動態分析［2-6］。對森林資源的不同方案進行模擬分析，并從中找出最優方案，對于指導合理的森林經營起著重要的作用。

隨著科學技術的不斷發展，信息技術和地理信息系統(GIS)、遙感技術(RS)、全球定位系統(GPS)在林業方面廣泛應用，通過3S綜合集成，為林業系統管理提供一體化的服務，已成為一種必然的趨勢。傳統的森林經營管理系統功能有限，無法更有效地對森林進行經營管理。但是，通過對森林數據進行統計，并利用森林經理理論中關于森林經營方案的專業的分析算法和專業模型，對各種基礎數據進行較深層次分析，建立一個輔助森林經營系統，可以更好地滿足當前的需要。同時，基于WebGIS的多目標森林經營決策系統的建立，可以有效地對森林林分信息進行統計。通過對統計的數據進行分析和模擬，可以輔助政府對林業生產經營規劃，增強林業生產經營的科學性，減少由于人為因素而造成的決策失誤，為促進林業的可持續發展提供科學的基礎。系統是在研究多目標經營決策方法的基礎上，利用ArcGIS Server9.2和J2EE技術實現的。

1 多目標經營與林木生長模型

森林經營與多目標決策理論相結合的多目標經營方法，其目標是以森林可持續發展為總體目標，其下層目標分為經濟目標和生態目標。

經濟目標，即以木材收獲量為目標。本文的森林采伐方式采用擇伐，擇伐作業后對整體的林分齡級結構的破壞性相對較小，有利于伐后更新，并可以提高森林的生產力，改善森林質量，增強森林抵御自然災害的能力。

生態目標，即以林分多樣性和森林頂極群落演替為目標。在以往的調查中，多個樹種和多個徑階的森林對自然災害有良好的抵抗性，并對森林群落的多樣性有很大的影響作用，是衡量林分結構好壞的重要指標。原地帶性頂級群落是一個相對穩定的群落階段，它是自然界在數以萬計長期自然選擇和演替才形成的適應于該地區立地環境的“完美作品”，具有較強的抗自然災害能力和自我更新能力。在保持原有的地帶性森林頂級群落的基礎上，加大恢復力度，才能實現良好的森林生態系統經營。森林的樹種優勢度可以決定森林生態系統演替趨勢，是森林向頂級演替的重要參考指標。

林分多樣性中采用樹種多樣性和徑階大小多樣性兩個指標，選用Shannon多樣性指數表示：

式中：pi為各徑級的株數占林分總株數的比例。

自然狀況下，經過一定間隔期林木各徑階株數可以用以下方程描述［7-11］：

式中：n 為徑階個數(i=1、2、…、n);t為分期數;yi，t(yi，t+1)是 t(t+1)分期第i徑階的株數;ai，t為第i徑階在第t分期末保留在原徑階內的概率;bi-1，t為第i-1徑階在第t分期末向上生長一個徑階的概率;ci-2，t為第i-1徑階在第t分期末向上生長兩個徑階的概率;It為第t分期的進界生長量。上述方程可以綜合為下面一個陣模型來描述：

進界生長方程為：

It=［β0，β1，…，βn］T，d1=β0+β1B1+β2，di=β1Bi+β2，i=2、3、…、n。其中：Bi為第i徑階林木的平均胸高斷面積;St為t分期林分總斷面積;Nt為t分期林分總株數。

樹種枯損率：樹種枯損率與胸徑關系擬合公式為：

式中：P為森林中林木各胸徑的枯死率;D為胸徑。

多樹種林木生長模型是由矩陣模型演變而來。在考慮采伐和多樹種的情況下，并且不考慮擇伐對向上生長、進界生長和枯損的影響，可以得到多樹種擇伐狀態下的矩陣模型：

式中：s=1、…、m，m 為樹種數;i=1、…、n，n 為徑階數;Ys，i，t(Ys，i，t+1)為樹種 s的第 i徑階在 t(t+1) 分期的株數;Hs，i，t為樹種s的第i徑階在t分期采伐株數;Is，t為樹種s在t分期進界生長量;Ms，i，t為樹種 s的第 i徑階在 t分期的枯損量;Gs，t為徑階轉移概率矩陣。模型中，當H=0時，是各樹種的自然生長預測。

由于森林經營的多個目標既相互依賴又可能相互排斥，要求每個目標同時達到最優是困難的。為了對各種經營方案和對各種經營目標的影響進行綜合分析，本系統選擇線性變換法對木材收獲量、樹種多樣性、大小多樣性和優勢度指數進行規范化。為不失一般性，各目標權重為1：目標函數為：

式中：Z為規范化后的木材收獲量;ΔH1為規范化后的樹種大小多樣性指數;ΔH2為規范化后的樹種多樣性指數;ΔF規范化后的樹種優勢度指數。

2 系統的實現

2.1 系統結構框架

系統以ArcGIS9.2為連接GIS服務器平臺，ArcGIS Server作為Internet發布服務器，采用ArcGISServer Java ADF框架，Weblogic10.3為Web服務器。基于ArcGIS Server的編程實際是基于Arc Objects的編程，所以ArcGISServer可以實現多種高級功能，如制圖、空間分析、多用戶編輯等。ArcGISServer Java ADF由JSF框架構建，基于此平臺構建的系統具有J2EE的所有特點。J2EE的固有優勢，不僅使系統的各模塊結構清晰，而且使系統可以在多種平臺上運行，從而提供系統的可擴展性、可維護性和可移植性。

2.2 系統功能

系統功能菜單分別是區域地圖及各特征顯示及操作、各類專題圖顯示及操作、統計分析和經營輔助決策等功能［12-13］。

2.2.1 地圖顯示、地圖基本操作和空間查詢功能

地圖顯示功能，主要通過圖層控制和鷹眼窗口顯示實現。圖層控制是通過用戶的點擊便可以打開和關閉圖層;在鷹眼窗口顯示當前地圖窗口在全圖的位置，當用戶進行放大、縮小、漫游等操作時，鷹眼窗口會自動進行相應的變化。地圖基本操作功能是通過工具欄中的放大、縮小、漫游、全圖顯示等功能按鈕實現。在查詢種類窗口中，可以選擇所需要的查詢方式，例如：通過選擇圖層查詢屬性信息，或者通過屬性信息查詢所在的圖層等;查詢屬性窗口和查詢屬性的詳細信息窗口分別顯示查詢的信息和查詢的屬性詳細信息。

圖1 系統結構框架

2.2.2 專題圖顯示和統計功能

專題圖是用于分析和表現數據的有利方式。用戶通過數據圖形化的專題圖，可以很直觀地觀察到林業數據在地圖上表現出來。當使用專題圖渲染不同的顏色來顯示數據時，可以清楚地看出在數據記錄中難以發現的模式和趨勢。統計分析功能是對森林資源信息進行統計，并可以以餅狀圖的方式顯示。系統中可以對各種森林面積、各類土地面積、林種、公益林、經濟林等進行統計分析。

2.2.3 經營輔助決策功能

經營輔助決策功能是本系統的重點。主要功能是采用多目標經營方法和多樹種林木生長模型，對森林采伐的不同方案進行模擬。通過對多個方案進行綜合比較，從中找出最優方案，對于指導合理的森林經營起著重要的作用。

經營輔助決策功能主要分為兩大功能：一是可以對林分數據的自然生長進行預測模擬;二是通過輸入擇伐周期、擇伐強度和最小采伐直徑參數，進行模擬預測，預測結果結合采伐蓄積量、徑階大小多樣性、樹種多樣性和優勢度得出綜合分析所需要的擇伐方案。

2.2.4 決策結果與分析

系統研究數據來源于帽兒山實驗林場1990年、1993年和2004年3次調查的17個固定樣地的森林數據，固定樣地面積均為0.06 hm2，調查數據包括每木檢尺記錄樹種和胸徑、枯倒木樹種和枯倒木檢尺等。帽兒山實驗林場的17個固定樣地中的落葉松的自然生長數據見表1。

表1 落葉松樹種在未干擾下各個徑階株數的變化

經營輔助決策功能主要分為兩方面，一是可以對林分數據的自然生長進行預測模擬;二是通過輸入擇伐周期、擇伐強度和最小采伐直徑參數，進行模擬預測，預測結果結合采伐蓄積量、徑階大小多樣性、樹種多樣性和優勢度得出綜合分析所需要的擇伐方案。

一般當H＞0時，是對有采伐狀態下的各樹種生長模擬，通過計算模擬數據的采伐量、林分樹種多樣性、徑階大小多樣性和優勢度，得到各指標的變化量，綜合分析評價各個采伐方案。

3 結束語

隨著信息技術的發展，信息技術與其他技術的融合已經發揮巨大的作用。WebGIS是Internet技術應用于GIS開發的產物。基于WebGIS的多目標森林經營決策系統，實現了相關信息專題表達、查詢、統計等功能，并通過矩陣模型和多個經營目標分析得出由各種樹種的木材收獲量、林木大小多樣性、樹種多樣性和樹種優勢度指標組成的采伐方案，決策者在選擇合理的采伐方案執行之后，不僅可以改善森林資源結構，逐漸達到森林樹種、林齡和徑級結構的合理化，以及森林向地帶性頂極群落演替，還可以在此基礎上得到最大的木材收獲量。

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