基于WebGIS的多目标森林经营决策系统的研究和实现1)

高心丹 赵 明

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

异龄林是由不同年龄、不同径级和不同树种的林木组成的一个生态系统［1］。由于森林的生长使林木径阶、年龄等发生变化，使这个生态系统总是处于一个复杂的动态变化之中。矩阵模型是异龄林生长预测重要工具，已经被广泛应用于对异龄林的动态分析［2-6］。对森林资源的不同方案进行模拟分析，并从中找出最优方案，对于指导合理的森林经营起着重要的作用。

随着科学技术的不断发展，信息技术和地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)、全球定位系统(GPS)在林业方面广泛应用，通过3S综合集成，为林业系统管理提供一体化的服务，已成为一种必然的趋势。传统的森林经营管理系统功能有限，无法更有效地对森林进行经营管理。但是，通过对森林数据进行统计，并利用森林经理理论中关于森林经营方案的专业的分析算法和专业模型，对各种基础数据进行较深层次分析，建立一个辅助森林经营系统，可以更好地满足当前的需要。同时，基于WebGIS的多目标森林经营决策系统的建立，可以有效地对森林林分信息进行统计。通过对统计的数据进行分析和模拟，可以辅助政府对林业生产经营规划，增强林业生产经营的科学性，减少由于人为因素而造成的决策失误，为促进林业的可持续发展提供科学的基础。系统是在研究多目标经营决策方法的基础上，利用ArcGIS Server9.2和J2EE技术实现的。

1 多目标经营与林木生长模型

森林经营与多目标决策理论相结合的多目标经营方法，其目标是以森林可持续发展为总体目标，其下层目标分为经济目标和生态目标。

经济目标，即以木材收获量为目标。本文的森林采伐方式采用择伐，择伐作业后对整体的林分龄级结构的破坏性相对较小，有利于伐后更新，并可以提高森林的生产力，改善森林质量，增强森林抵御自然灾害的能力。

生态目标，即以林分多样性和森林顶极群落演替为目标。在以往的调查中，多个树种和多个径阶的森林对自然灾害有良好的抵抗性，并对森林群落的多样性有很大的影响作用，是衡量林分结构好坏的重要指标。原地带性顶级群落是一个相对稳定的群落阶段，它是自然界在数以万计长期自然选择和演替才形成的适应于该地区立地环境的“完美作品”，具有较强的抗自然灾害能力和自我更新能力。在保持原有的地带性森林顶级群落的基础上，加大恢复力度，才能实现良好的森林生态系统经营。森林的树种优势度可以决定森林生态系统演替趋势，是森林向顶级演替的重要参考指标。

林分多样性中采用树种多样性和径阶大小多样性两个指标，选用Shannon多样性指数表示：

式中：pi为各径级的株数占林分总株数的比例。

自然状况下，经过一定间隔期林木各径阶株数可以用以下方程描述［7-11］：

式中：n 为径阶个数(i=1、2、…、n);t为分期数;yi，t(yi，t+1)是 t(t+1)分期第i径阶的株数;ai，t为第i径阶在第t分期末保留在原径阶内的概率;bi-1，t为第i-1径阶在第t分期末向上生长一个径阶的概率;ci-2，t为第i-1径阶在第t分期末向上生长两个径阶的概率;It为第t分期的进界生长量。上述方程可以综合为下面一个阵模型来描述：

进界生长方程为：

It=［β0，β1，…，βn］T，d1=β0+β1B1+β2，di=β1Bi+β2，i=2、3、…、n。其中：Bi为第i径阶林木的平均胸高断面积;St为t分期林分总断面积;Nt为t分期林分总株数。

树种枯损率：树种枯损率与胸径关系拟合公式为：

式中：P为森林中林木各胸径的枯死率;D为胸径。

多树种林木生长模型是由矩阵模型演变而来。在考虑采伐和多树种的情况下，并且不考虑择伐对向上生长、进界生长和枯损的影响，可以得到多树种择伐状态下的矩阵模型：

式中：s=1、…、m，m 为树种数;i=1、…、n，n 为径阶数;Ys，i，t(Ys，i，t+1)为树种 s的第 i径阶在 t(t+1) 分期的株数;Hs，i，t为树种s的第i径阶在t分期采伐株数;Is，t为树种s在t分期进界生长量;Ms，i，t为树种 s的第 i径阶在 t分期的枯损量;Gs，t为径阶转移概率矩阵。模型中，当H=0时，是各树种的自然生长预测。

由于森林经营的多个目标既相互依赖又可能相互排斥，要求每个目标同时达到最优是困难的。为了对各种经营方案和对各种经营目标的影响进行综合分析，本系统选择线性变换法对木材收获量、树种多样性、大小多样性和优势度指数进行规范化。为不失一般性，各目标权重为1：目标函数为：

式中：Z为规范化后的木材收获量;ΔH1为规范化后的树种大小多样性指数;ΔH2为规范化后的树种多样性指数;ΔF规范化后的树种优势度指数。

2 系统的实现

2.1 系统结构框架

系统以ArcGIS9.2为连接GIS服务器平台，ArcGIS Server作为Internet发布服务器，采用ArcGISServer Java ADF框架，Weblogic10.3为Web服务器。基于ArcGIS Server的编程实际是基于Arc Objects的编程，所以ArcGISServer可以实现多种高级功能，如制图、空间分析、多用户编辑等。ArcGISServer Java ADF由JSF框架构建，基于此平台构建的系统具有J2EE的所有特点。J2EE的固有优势，不仅使系统的各模块结构清晰，而且使系统可以在多种平台上运行，从而提供系统的可扩展性、可维护性和可移植性。

2.2 系统功能

系统功能菜单分别是区域地图及各特征显示及操作、各类专题图显示及操作、统计分析和经营辅助决策等功能［12-13］。

2.2.1 地图显示、地图基本操作和空间查询功能

地图显示功能，主要通过图层控制和鹰眼窗口显示实现。图层控制是通过用户的点击便可以打开和关闭图层;在鹰眼窗口显示当前地图窗口在全图的位置，当用户进行放大、缩小、漫游等操作时，鹰眼窗口会自动进行相应的变化。地图基本操作功能是通过工具栏中的放大、缩小、漫游、全图显示等功能按钮实现。在查询种类窗口中，可以选择所需要的查询方式，例如：通过选择图层查询属性信息，或者通过属性信息查询所在的图层等;查询属性窗口和查询属性的详细信息窗口分别显示查询的信息和查询的属性详细信息。

图1 系统结构框架

2.2.2 专题图显示和统计功能

专题图是用于分析和表现数据的有利方式。用户通过数据图形化的专题图，可以很直观地观察到林业数据在地图上表现出来。当使用专题图渲染不同的颜色来显示数据时，可以清楚地看出在数据记录中难以发现的模式和趋势。统计分析功能是对森林资源信息进行统计，并可以以饼状图的方式显示。系统中可以对各种森林面积、各类土地面积、林种、公益林、经济林等进行统计分析。

2.2.3 经营辅助决策功能

经营辅助决策功能是本系统的重点。主要功能是采用多目标经营方法和多树种林木生长模型，对森林采伐的不同方案进行模拟。通过对多个方案进行综合比较，从中找出最优方案，对于指导合理的森林经营起着重要的作用。

经营辅助决策功能主要分为两大功能：一是可以对林分数据的自然生长进行预测模拟;二是通过输入择伐周期、择伐强度和最小采伐直径参数，进行模拟预测，预测结果结合采伐蓄积量、径阶大小多样性、树种多样性和优势度得出综合分析所需要的择伐方案。

2.2.4 决策结果与分析

系统研究数据来源于帽儿山实验林场1990年、1993年和2004年3次调查的17个固定样地的森林数据，固定样地面积均为0.06 hm2，调查数据包括每木检尺记录树种和胸径、枯倒木树种和枯倒木检尺等。帽儿山实验林场的17个固定样地中的落叶松的自然生长数据见表1。

表1 落叶松树种在未干扰下各个径阶株数的变化

经营辅助决策功能主要分为两方面，一是可以对林分数据的自然生长进行预测模拟;二是通过输入择伐周期、择伐强度和最小采伐直径参数，进行模拟预测，预测结果结合采伐蓄积量、径阶大小多样性、树种多样性和优势度得出综合分析所需要的择伐方案。

一般当H＞0时，是对有采伐状态下的各树种生长模拟，通过计算模拟数据的采伐量、林分树种多样性、径阶大小多样性和优势度，得到各指标的变化量，综合分析评价各个采伐方案。

3 结束语

随着信息技术的发展，信息技术与其他技术的融合已经发挥巨大的作用。WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物。基于WebGIS的多目标森林经营决策系统，实现了相关信息专题表达、查询、统计等功能，并通过矩阵模型和多个经营目标分析得出由各种树种的木材收获量、林木大小多样性、树种多样性和树种优势度指标组成的采伐方案，决策者在选择合理的采伐方案执行之后，不仅可以改善森林资源结构，逐渐达到森林树种、林龄和径级结构的合理化，以及森林向地带性顶极群落演替，还可以在此基础上得到最大的木材收获量。

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