森林小班經營方案編制輔助決策支持技術

王建明，吳保國

（北京林業大學 信 息學院，北京100083）

森林小班經營方案編制輔助決策支持技術

王建明，吳保國

（北京林業大學 信 息學院，北京100083）

森林經營方案是森林經營的核心，主要對象是縣或林場，實施時分解到年度、落實到小班，可在操作過程中，很難細化到小班。針對人工林經營小班選擇和小班經營方案輔助編制問題，研究了編制經營方案的小班的智能選擇、小班適宜性評價與小班經營方案推理生成方法，設計并實現了基于小班的經營方案編制輔助決策支持系統。通過森林經營專家對森林經營方案的知識分析，構建了經營決策支持系統的知識庫和推理機，采用產生式規則表示法表示根據林分狀態、立地條件和經營目標等條件確定經營類型的知識；設計了 “智能設計”和 “手動輔助設計”2種編案方式，并以Visual Studio 2008和ArcGISEngine 9.3為開發工具，Access為數據庫引擎，完成了系統的構建，解決了森林經營小班有效選擇和小班經營方案輔助編制問題，有效提高了森林經營的數字化水平。圖6表1參15

森林經理學；小班經營方案；決策支持系統；小班選擇；經營方案輔助編制

森林經營是維持森林資源可持續發展、提高森林質量和林地生產力的保障，編制和實施森林經營方案是森林經營的核心。目前，中國森林經營方案編制對象主要是縣和林場，以5 a或10 a為1個規劃期，實施時分解到年度、落實到小班［1］，但操作過程卻很難細化到小班。近年來，森林經營理論不斷發展，各種科學有效的工具不斷應用于森林經營實踐中。決策支持系統和專家系統作為必要的工具，在森林資源管理、林火、生態保護、引種輔助決策、森林培育（造林）輔助決策等方面得到廣泛應用［2］。在經營方案輔助編制系統方面，信息技術和地理信息系統（GIS）應用較多［3－7］。同時，決策論和空間規劃也廣泛應用于造林樹種選擇、收獲調整等方面，以輔助森林經營方案的編制［8－13］。特別是 “十一五”期間，吳保國等［14］研究了從造林生產到管護等森林培育整個階段相關的方法與技術，設計開發了基于Web的森林培育專家咨詢系統，為森林培育全過程提供了專業的技術支持。目前，以小班為單位的森林經營方案輔助編制的決策支持系統研究鮮有報道。鑒于此，本研究以人工林為對象，嘗試解決森林經營小班選擇和小班經營方案編制問題，重點研究森林經營小班選擇方法、小班適宜性評價方法、經營類型推理規則知識庫、經營方案推理流程與生成算法，實現一個以小班為對象的森林經營方案編制輔助決策支持系統。經營者可根據經營任務，智能選擇經營小班，結合立地質量評價、適宜性評價、生長收獲預估、經營類型推理等過程輔助小班進行經營方案編制。

1 系統設計

1.1 系統目標

系統的研建目標是實現一個森林小班經營方案編制輔助決策支持系統。經營者可根據經營任務，通過空間分析，從森林資源數據庫中選擇符合條件的小班，并保存為一個單獨的圖層；用戶加載圖層后，對每個小班進行立地質量評價、樹種適宜性評價和收獲預估，并作出經營類型推理，輔助用戶編制每個小班的經營方案并輸出。所有經營小班設計完成后，生成經營方案設計報告。

1.2 系統功能結構設計

根據系統設計的目標，對小班經營方案編制的整個過程進行分解。根據經營任務，合理選擇小班并保存為一個新的圖層，用戶加載經營小班圖層以后，可對每個小班進行立地質量評價、生長收獲預估、適宜性評價和經營方案輔助編制。系統的主要功能模塊包括經營小班選擇模塊、立地質量評價模塊、小班適宜性評價模塊、生長收獲預估模塊和小班經營方案輔助編制模塊。

系統采用C/S結構，基于.NET平臺，使用C#語言，結合ArcGISEngine（AE）9.3組件開發包進行組件式開發，實現可擴展、易維護的決策支持系統［2］。系統自底向上分為數據層、服務層、人機交互層和用戶。如圖1所示：數據層使用Personal Geodatabase空間數據模型，包括空間數據庫、屬性數據庫、知識庫、模型庫等。服務層包括基本的信息服務、地圖服務和小班經營方案編制輔助決策等。

圖1 決策支持系統結構圖Figure 1 System structure diagram of decision support system（DSS）

2 系統實現的關鍵技術

2.1 小班選擇技術

森林資源數據庫存儲了所有小班的空間數據和屬性數據，小班選擇主要通過GIS空間分析實現。選擇流程如圖2所示。

圖2 小班選擇流程Figure 2 Flow chart of subcompartments selection

對于空間定位選擇，AE提供了ISpatialFilter接口，設置Geometry屬性為空間二維目標幾何體（圓、矩形或多邊形等），設置WhereClause為基本屬性過濾條件，基本屬性條件通過XML文件進行讀寫。對于空間屬性選擇，則忽略Geometry屬性，直接設置WhereClause屬性。關鍵代碼如下所示。

ISpatialFilter conditionFilter=new SpatialFilterClass（）;//定義ISpatialFilter

IGeometrymyGeometry=this._mapControl.TrackCircle（）;//定義并獲取幾何體

conditionFilter.Geometry=myGeometry;//賦值空間屬性條件

conditionFilter.WhereClause=CurLayerTypeOper.GetXMLConditions（）;//讀XML文件并賦值

對于智能選擇，采用面積或蓄積進行控制。先使用空間定位選擇或點緩沖區分析方式選擇出滿足基本條件的小班，構成初始小班集合，然后計算這些符合條件的小班總面積或總蓄積，并以指定的目標總面積或總蓄積指標值和上限值進行控制；若累加的小班總面積或總蓄積大于指標值且小于上限值，則選擇為目標小班，否則自動調整空間大小，重新選擇生成初始小班集合，計算所有符合條件的小班總面積或總蓄積，再次與目標面積或蓄積進行比較，如此自動進行運算，直到選擇出符合目標條件的小班集合為止。對于空間幾何體或緩沖區調整算法如下：以面積控制為例，先計算出林場單位面積小班數和小班平均面積，再計算初始小班集合總面積與指標值的差值，然后通過差值與單位面積小班數量和小班平均面積間的換算即可確定空間幾何體或緩沖區調整的大小。蓄積控制方法類似。

選擇的小班集合保存為一個單獨的經營小班圖層，保存時使用IFeatureDataConverter2接口的ConvertFeatureClass方法進行；復制原小班的所有字段和屬性值到新的圖層，并增加類型為esriFieldTypeInteger的字段IsManageEdit，默認賦值屬性值0，用于標識是否已對小班進行經營設計；新圖層以經營任務年份＋任務編號命名。

2.2 小班經營方案輔助編制

小班經營方案主要內容包括小班基本情況、地類、林種、立地類型、經營目標、經營措施、經營投資與效益分析、地點與責任單位、經營措施作業類型與作業時間、設計單位與設計人等內容［1,13］。小班經營方案輔助編制主要有2種方式：①智能設計。根據小班林分狀態、立地情況和經營目標等條件，利用專家知識進行推理，推薦多個合適的經營方案，用戶根據經營目標和林分實際條件從推薦的方案中選擇；然后由用戶通過收獲預估、適宜性評價等過程對選擇的方案進行修改完善后直接生成為小班的經營方案。智能設計的核心是利用專家知識構建知識庫，通過推理機進行方案推薦。②手動輔助設計。用戶通過用戶界面（UI），從經營知識庫中選擇經營目標、經營技術措施等內容，系統利用經營方案模板自動根據用戶的選擇內容生成小班經營方案初稿；用戶在小班經營方案初稿的基礎上，根據立地質量評價、收獲預估、適宜性評價等結果，修改完善小班經營方案初稿形成正式方案。小班經營方案推理流程如圖3所示。

圖3 經營方案推理流程Figure 3 Flow chart ofmanagement plan inference rules

2.2.1 知識庫 系統的知識庫由規則表和事實表組成，采用關系數據庫構建［2,14］。以森林經營專家多年經營實踐為根據預先編制若干經營方案，利用森林經營方案的知識儲備，根據小班的條件確定經營類型，得到根據該經營類型編制的經營方案。一種經營類型，可以有多個經營方案。本系統選擇產生式規則表示專家進行經營方案推理規則。產生式規則表示法適合于表示因果之間的關系，經營者根據林分狀態、立地條件和經營目標等條件判斷而確定采用的經營類型的推理思維就屬于因果關系。產生式由前件和后件構成，如 “IF（華北落葉松∧中齡林∧郁閉度∈［0.5,0.7］∧緩坡∧坡下∧……）THEN華北落葉松大徑材”，括號中內容為前件， “華北落葉松大徑材”為后件。根據前文所述，同一后件可能具有不同的前件，故本研究集成了相同后件的所有前件，采用星號分隔存儲不用的規則條件，有效地減少了規則條數［13］。這種存儲方式符合經營專家的知識構成，同時也方便對知識庫的更新。經營類型推理規則表的關系模式采用關系表進行存儲，經營類型推理規則的關系模式實例如表1所示。

表1 經營類型推理規則Table 1 Table ofmanagement type inference rules

2.2.2 推理機 推理機按圖3給出的經營方案推理流程以及經營類型推理規則，使用正向推理機來搜索匹配經營作業知識［13］。系統通過讀取小班屬性，獲取小班當前狀態，結合經營目標等條件，自動匹配知識庫并給出經營類型推薦結果。用戶還可以手動推理，與知識庫中的知識進行匹配，最終給出經營類型推理結果。推理機工作流程如圖4所示。

2.2.3 方案生成技術 通過微軟公司提供的MicrosoftWord X Object Library操作Word，進而生成經營方案文檔，其中X為版本號［15］。為了操作方便，設計了專門的Word操作類WordOperate.cs，通過實例化該類，可以實現對Word的所有操作。對于手動輔助設計模式，用戶可以通過設置的經營目標和選擇的經營技術措施，從知識庫中讀取相關數據，自動寫入文檔，生成方案；其中方案標題由 “立地類型+樹種+林種”構成，如中山華北落葉松人工防風固沙林，然后通過代碼控制寫入到Word對應位置。以方案標題寫入Word為例，主要代碼如下。

usingWord=Microsoft.Office.Interop.Word;//縮寫引用

Word.Application wordApp=new Word.ApplicationClass（）;//初始化

Word.Document wordDoc=wordApp.Documents.Add（ref Nothing,ref Nothing,ref Nothing,ref Nothing）;//實例化文檔

wordDoc.Paragraphs.Last.Range.Font.Name="黑體";//設置字體

其他Word操作方式類似。完成后用戶根據需要可適當修改立地質量評價、收獲預估等結果并保存方案。對于智能設計模式，用戶通過推理決策，得到適合當前小班、符合經營目標的一個或一組經營類型，結合立地質量評價、收獲預估等過程，選擇合適的方案并做適當修改，生成小班經營方案。小班經營方案設計完成以后，設置方案名稱為 “小班號＋經營方案名.doc”，對應小班IsManageEdit字段屬性值置為1，并用 “√”號對系統左側經營小班樹列表進行已經營標識，同時經營小班圖層中對應小班顏色修改為藍色。修改小班顏色使用IUniqueValueRendererhe和ISymbol接口實現，根據IsManageEdit字段屬性值，分別定義不同的Color對象并實例化ISymbol，最后使用IUniqueValueRendererhe對象的AddValue方法修改小班顏色。

3 系統應用

系統作為森林經營基礎平臺的子系統之一，以內蒙古赤峰市樺木溝林場小班數據為對象進行了測試。林場總經營面積為68 667 hm2，有林地面積為45 113 hm2，活立木總蓄積為186.42萬m3，灌木林面積為1 922 hm2。用材林面積為8 673 hm2，以華北落葉松Larix principis-rupprechtii為主。林場有小班2 612個，其中有林地小班2 251個；中齡林小班1 445個，幼齡林小班125個，近熟林小班143個，成熟林小班5個，過熟林小班63個，其他未標識齡組屬性的有林地小班為470個。林場所有小班的屬性數據和空間數據存儲在森林資源數據庫中。

經營任務指定面積為300 hm2。通過面積控制智能選擇得到小班40個。保存為新的圖層并加載以后，新圖層疊加到底圖上，默認填充綠色。用戶通過對小班進行立地質量評價、適宜性評價和生長收獲預估，進而進行經營方案輔助編制。系統主界面如圖5所示。

系統提供了2種編案方式。在手動輔助設計編案界面，用戶根據系統讀取到的小班信息和經營要求選擇經營目標、經營技術措施等選項并提交，系統據此生成小班的基本經營方案；用戶可再通過立地質量評價和生長收獲預估等輔助功能進一步修改完善小班經營方案。智能設計編案方式則是在系統自動獲取小班基本信息后，通過推理機推理得到多個合適的經營方案，用戶選擇其中之一并完善方案。生成小班經營方案功能如圖6所示。

圖5 系統主界面Figure 5 Main interface of system

圖6 小班經營方案生成示例Figure 6 Example formanagement plan of subcompartments

4 結論與討論

小班是森林經營措施實施的最小單元，也是森林經營方案可操作性的最終體現。精細化經營方案要求利用現代信息技術以及地理信息系統技術，針對具體的森林類型和小班微環境定制林分作業法，制定全周期森林經營方案并實施。本研究以地理信息系統（GIS）、專家系統、決策支持系統等信息技術為基礎，基于.NET平臺，使用C#語言，結合AE 9.3組件開發包，研究設計了經營方案編制推理決策流程，設計實現了面向小班的經營方案編制的輔助決策支持系統，為林場森林經營管理人員提供了森林經營管理智能決策支持平臺。系統根據經營任務選擇符合經營要求的小班集合，通過對小班的立地質量評價、適宜性評價、生長收獲預估等，結合經營方案輔助編制模塊，智能輔助生成小班的經營方案。系統的研究與應用，填補了小班級經營方案編制輔助系統的空白，有效地提高了森林經營管理的信息化和智能化水平。

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Research on technology of forest subcompartmentsmanagement plan assistant decision

WANG Jianming,WU Baoguo
（School of Information Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China）

A forestmanagement plan,the core of forestmanagement,has as itsmain object the country or forest farm.Implementation of what to factor into annual requirements with a focus on subcompartments is important for research on decision-making support systems of the forestmanagement plan;however,data based on subcompartments is rarely reported.Thus,this study determined amethod and technical route for plantation management by compiling subcompartment data to produce management plans.An intelligent selection method of subcompartments needed to establish a management plan was researched,and then a suitability evaluation method of subcompartments and amanagement plan reasoningmethod of subcompartmentswere selected.Next, a Forest Subcompartment Management Plan Assistant Decision-Making System was designed and implemented. The forestmanagement plan was analyzed by forestmanagement experts,and a knowledge base and inference engine of a decision support system were built.This system used production rules according to the state of the stand,site conditions,management objectives,and other conditions to determine management choices.From this an intelligent design and manually aided design were developed using Visual Studio 2008 and ArcGISEngine 9.3 as developing tools,and Access as the database engine to complete construction of the system.The system could help users intelligently selected management subcompartments based on management assignment, then compiled subcompartmentsmanagement plan by two ways,which were provided by the system.It could be used in forest farms,solved forestmanagement with effective choices and management plan compilation assis-tance problems and effectively improved the digital level of forestmanagement.［Ch,6 fig.1 tab.15 ref.］

forestmanagement;subcompartmentmanagement plan;decision support system;subcompartment selection;management plan compiling assistance

S757.4

A

2095-0756（2017）04-0730-07

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.04.020

2016-07-23；

2016-11-17

“十二五”國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）項目（2012AA102003）

王建明，從事森林資源管理與決策、林業信息技術研究。E-mail:wangjianming618@163.com。通信作者：吳保國，教授，博士生導師，從事森林資源管理與決策、林業信息技術研究。E-mail: wubg@bjfu.edu.cn