塞罕壩林業資源管理系統

彭彥霖 吳風華

(華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063200)

引言

林業資源是林業保護發展的重要物質基礎，林業資源的有效評估和保護對于遏制林業資源的衰退，實現林業生態環境可持續發展具有重大意義。塞罕壩機械林場是現在河北省最大的人工林林場，森林資源非常豐富，森林覆蓋率在80.0%以上[1]。塞罕壩機械林場具備多樣性的功能特點，發揮著不可替代的作用。塞罕壩機械林場地處高原地區，與荒漠相鄰地區相近，生態系統較為脆弱，易受到天氣與社會因素的影響。利用GIS技術與互聯網技術實現對塞罕壩地區林業資源的信息化管理可以更好地對該地區的林業資源進行整合，從而達到保護和發展的作用[2]。

目前，GIS在林業應用方面發揮越來越重要的作用。國際上，加拿大森林資源數據庫系統CFRDS是一個集成化的森林資源信息庫，存儲著森林蓄積量、運輸途徑、木材需求等信息。可提供指定林區現有的鐵路、公路和水路運輸途徑、森林蓄積圖表和需材企業圖表，有力地支持了森林經營規劃設計[3-6]。美國林務局的STUMP軟件是一個森林利用分析系統，可分析計算森林蓄積量、林木價格、貯木場庫存和木材規格等級，預測最終木材產量。在國內，李超和羅傳文等研究實現了基于ArcGIS Engine的森林資源管理系統，實現了帽兒山林場森林資源的信息化管理；趙穎慧運用“3S”技術、數字化技術、網絡技術、計算機可視化技術以大興安嶺示范區——塔河林業局為例，采用森林資源調查數據和各種圖面資料(包括地形圖、林相圖)，結合多種軟件，對數字林業的關鍵技術進行了研究[7-9]。

目前而言，國內GIS在林業方面對塞罕壩地區森林公園研究相對較少，在技術方面多偏向于傳統GIS，較少涉及到WebGIS的功能。針對以上情況，開發一個集林業資源管理功能、森林保護功能、綠化造林功能為一體的林業資源管理系統，更有利于對塞罕壩地區林業進行綜合管理，更有利于提高對該地區的災害保護措施，更有利于該地區林場的穩定，對林業資源發展具有重大意義。

1 相關理論與技術描述

1.1 核密度分析技術

密度分析通常情況下用于計算測量一塊區域的單位密度，尤其是點要素以及線要素的測量。通常來講，核密度分析的結果能夠表現出離散測量值在連續區域內的變化情況。其結果是平滑的曲面數據[12]。本系統森林保護功能中有森林火災熱力圖，運用了核密度分析技術，密度分析使用的核函數：

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

1.2 對迪杰斯特拉算法改進的多旅行商算法

在本系統中護林人員最佳巡邏路線功能中，在人工林場內有多個護林基站，護林人員從基站出發，如果只是簡單的迪杰斯特拉算法的話，一個護林人員只能對一個地方進行巡邏維護，不能對多個地點進行巡邏維護，因此本文在此基礎上對Dijkstra算法進行改進，實現一個護林基站對人工林場多個地點進行巡邏的最佳路徑選擇[13]，這就是多旅行商算法。

旅行商問題是一個經典的組合優化問題。應如何選擇行進路線，以使總的行程最短。從某角度來看，該問題實質是在一個帶權完全無向圖中，找一個權值最小的Hamilton回路。此算法在交通運輸、電路板線路設計以及物流配送等領域內有著廣泛的應用，國內外學者對其進行了大量的研究。

2 案例研究

2.1 研究區概況

塞罕壩位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣境內，內蒙古高原的東南緣，地處內蒙古高原與河北北部山地的交接處，地貌上界于內蒙古熔巖高原和冀北山地之間，主要是高原臺地。東西長51.46km，南北寬17.84km。區域海拔高度1500～1939.6m，面積20029hm2。塞罕壩機械林場地處高原地區，與荒漠相鄰地區相近，生態系統較為脆弱，易受到天氣與社會因素的影響。

2.2 數據來源

本系統中的樹種及其相關信息、病蟲害信息以及藥物信息等來源于政府網站；地圖下載來源于水經注；如10a賽罕壩地區植被覆蓋變化需要用到遙感信息來源于Landsat，數據精度較高。塞罕壩區域圖如圖1所示。

圖1 塞罕壩區域概括圖

2.3 系統功能設計

本系統功能設計包括森林保護功能模塊，其中森林保護功能模塊包括森林防火、樹種、病蟲害信息查詢、護林人員巡邏路線等功能，林業資源可視化分析模塊包括林分專題圖、不同林分覆蓋區塊查詢、小班調查因子查詢、近10a塞罕壩地區植被覆蓋查詢等功能。綠化造林模塊功能中有養護地的查看以及樹種養護記錄，并根據養護信息在該功能模塊中畫出相應的計劃圖。系統技術路線圖如圖2所示。

圖2 系統技術路線圖

森林保護功能模塊中該模塊包括森林防火、樹種、病蟲害信息查詢、護林人員巡邏路線，其基本功能包括系統用戶可以對樹種、病蟲害歐諾以及殺蟲藥物的信息進行查詢。系統可以根據往年火災發生數據進行分析，制作出相應的火災熱力圖，構成森林防火功能。最短路徑分析，選出所要巡邏的地點，進行相應分析，系統會根據最短路徑選出離該目標點最近的護林站，并派出工作人員進行巡邏查詢。林業資源可視化分析包含不同林分區塊覆蓋區域信息查詢功能、近10a賽罕壩地區森林覆蓋變化。不同林分專題圖可以清楚地看到不同林分在賽罕壩地區的分布；近10a賽罕壩地區植被覆蓋變化點擊不同年份即可得到當年植被覆蓋比，進而出現當年植被覆蓋區域圖。小班調查因子將塞罕壩林場劃分成不同區塊并對每個區塊進行編號，顯示出不同區塊的樹種年份、地類、林種、地形因子、平均樹齡、更新度等。給管理人員提供更好的思路，便于決策的下達。綠化造林功能中有養護地的查看以及樹種養護記錄，并根據一些養護信息在該功能模塊中畫出相應的計劃圖，便于護林人員更好工作。該功能打破了常規計劃發布方式，將GIS功能與實際相結合，實現了政府人員可以直接通過平臺發布造林計劃，簡單且高效。

2.4 系統實現

2.4.1 查詢功能的實現

2.4.1.1 不同林分覆蓋區塊查詢功能

該功能屬于區塊查詢功能，根據不同林分覆蓋地方做成相應區塊，實現區塊查詢功能。不同林分用不同顏色表示，并且每個區域分別給出了編號、植被類型以及占地面積，使政府管理員更加清晰地識別不同林分所覆蓋區域。便于政府管理人員對不同林分、不同地點更加因地制宜，賽罕壩地區不同林分覆蓋區塊信息查詢功能圖如圖3所示。

圖3 不同林分覆蓋區塊查詢

2.4.1.2 近10a塞罕壩森林覆蓋度查詢功能

將從Landsat網站上獲取的塞罕壩森林公園遙感影像數據，在ENVI中進行數據處理，再與超圖相結合，得出近10a賽罕壩地區森林覆蓋率的查詢功能，輸入所查詢年份，系統會給出當年植被覆蓋指數，顯示當年植被覆蓋區域圖，并提供分析給管理人員，以便管理人員更好地為來年植樹造林、退耕還林做好規劃準備。在所選下拉框中選中所要查詢的當年森林覆蓋年份，如選中2017年，點擊分析即有窗體彈出顯示2017年塞罕壩地區森林覆蓋比為0.83548。顯示效果如圖4所示，可以分析研究時間段內每一年對應的森林覆蓋比。

圖4 近10a塞罕壩森林覆蓋率查詢

2.4.1.3 養護地查詢功能

該功能顯示出一些養護地的信息情況，屬于區塊查詢功能，對不同養護地區塊賦予不同的顏色，并且顯示出相應區塊的養護信息，便于管理人員進行相應的管理，使林業資源管理更加高效。養護地查詢圖如圖5所示。

2.4.2 最佳巡邏路線的實現

該功能利用最短路線分析原理，給出所需要的巡邏地點，利用迪杰斯特拉算法得出距離該區域最近的護林站點，然后給出最短路線。該功能的實現極大方便了管理人員與護林人員。通過選擇起終點位置可以進行最優路徑規劃，并可以查詢到路徑距離，簡潔方便。護林人員巡邏路線圖如圖6所示。

圖5 養護地查詢圖

圖6 護林人員巡邏路線圖

2.4.3 綠化造林功能的實現

綠化造林功能實現了養護地查詢并在該功能欄里繪制相應的計劃圖。該功能打破了常規計劃發布方式，將GIS功能與實際相結合，實現了政府人員可以直接通過平臺發布造林計劃，簡單且高效。該功能更加有利于政府管理人員與護林人員進行交互，國家每年發布計劃給政府工作人員，政府工作人員在該功能欄里進行計劃的制作，并在之后發布，使得護林人員更方便、清晰地了解政策，并更好的實施。養護計劃圖如圖7所示。

圖7 養護計劃圖

2.4.4 森林保護功能的實現

本系統針對森林保護功能開發了森林防火功能以及病蟲害防治功能。其中，森林防火功能是根據近些年塞罕壩地區發生森林火災情況制作成數據，生成森林火災熱力圖，顯示出塞罕壩地區哪些地方易發生火災 ，以便更好地進行相應的森林防火。病蟲害防治功能中可以查詢到塞罕壩地區種植的不同樹種以及樹種所對應的功能，如保土防沙功能等以及樹種易患的病蟲害，并給出相應病蟲害查詢、不同害蟲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 結論

國家對生態環境的保護以及管理日益加深，因此需要一套比較完善的林業資源管理系統進行系統化管理。以塞罕壩國家森林公園為研究區，開發一個集林業資源管理功能、森林保護功能、綠化造林功能為一體的林業資源管理系統，本系統以森林保護功能、林業資源可視化分析功能以及造林規劃為目標，實現了森林火情分析、樹種信息及相關病蟲害、病蟲害防治信息、藥物儲備信息、護林人員巡邏路線、林種分布專題圖、小班調查因子查詢分析、不同林分區塊查詢、近10a塞罕壩森林覆蓋率變化、綠化造林功能整個系統,使森林保護、森林信息查詢、綠化造林功能融為一體，大大提高了護林人員管理工作的效率和質量，并為政府領導的決策提供科學依據。