基于GIS的专家系统和决策支持系统在林业中的应用研究综述

王建明，张 雁，尹继庭，赵 南

(1.西南林业大学林学院，昆明 650224 ； 2.西南林业大学计算机与信息学院，昆明 650224)

基于GIS的专家系统和决策支持系统在林业中的应用研究综述

王建明1，张 雁2，尹继庭1，赵 南1

(1.西南林业大学林学院，昆明 650224 ； 2.西南林业大学计算机与信息学院，昆明 650224)

基于GIS的专家系统和决策支持系统应用研究，极大地提高了数字林业信息化水平。介绍和评述了当前地理信息系统(GIS)、专家系统(ES)、决策支持系统(DSS)在森林防火、营造林、森林病虫害防治和森林资源管理等领域的应用；分析了GIS，ES和DSS在林业中应用所存在或面临的主要问题；提出了在林业应用中的发展前景。

地理信息系统;专家系统;决策支持系统;林业

引言

随着全球信息化的发展，各行各业都不可避免地面临数字化问题。同样，在林业上也提出了数字化林业的概念。林业数字化是将各行业、各领域以及林业系统各部门的信息通过数字化、计算机处理和网络传输，最大限度地集成和利用各类信息源，快速、完整、便捷地提供各种信息服务，实现林业系统内部之间及其他部门行业之间经济、管理和社会信息的互通与共享，为林业及整个社会的发展建设提供理论依据和决策基础[1]。随着林业和计算机技术的发展，地理信息系统(GIS)、专家系统(ES)、决策支持系统(DSS)在林业上的应用研究也正在兴起。

1 GIS，ES和DSS概述

1.1 相关概念

GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统用于支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。它把地理位置及其相关属性有机地结合起来，可以根据用户的需要，将空间及其属性信息准确地、真实地、图文并茂地输出给用户，以满足城市建设、企业管理、居民生活等对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策[2]。

ES是人工智能的重要分支，其最重要的目的是使计算机在各个领域中起到人类专家的作用。它是一种智能程序子系统，具有大量专家水平的专业知识和经验，能利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决某一领域的问题。其本质是一种结合专家水平、实际知识和经验来完成模仿人类的、一般的解题策略的计算机程序。

DSS是以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础，以计算机技术、模拟技术和信息技术为手段，面对半结构化的决策问题，支持决策活动的具有智能作用的人机系统。它能为决策者提供决策所需要的数据、信息和背景资料，帮助明确决策目标和进行问题的识别，建立或修改决策模型，提供各种备选方案，并对各种方案进行评价和优选，通过人机对话进行分析、比较和判断，为正确决策提供有益帮助[3]。

1.2 三者关系概述

GIS与ES的结合，实际上是ES在GIS 中的一种应用：一是ES为GIS 提供智能型界面，即按功能需要，设计有效的操作程序，以驱动GIS进行空间分析[4]；二是ES主要负责系统的启发式推理分析和控制整个系统的运行；三是GIS主要负责空间信息操作，管理和提供空间分析功能。二者的结合能够加强和完善GIS及ES的系统功能，拓宽GIS 的适用范围，即为 GIS 的应用提供科学的决策和咨询，也为 ES 的应用提供完善的空间数据信息。

GIS和DSS都基于数据库原理，相同点是数据处理过程相近，设计方法近似；不同点是应用层次、对应对象不同。具体不同表现为以下几个方面：一是信息处理功能的侧重面不同。GIS处理空间数据能力较强，但数据的组织应用能力较差；DSS不但可处理空间信息，还可处理各种数值信息，具有较强的数据组织应用能力。二是应用范围不同。DSS的应用范围较GIS更为广泛，凡是与信息处理技术有关的各种行业部门均不同程度地使用了DSS。三是发展程度不同。GIS目前发展较为成熟，特别是3S集成已经成为目前发展的一大热点[5]。GIS与DSS的结合使得决策向空间信息处理发展，在林业中的应用更加实用、智能和高效，提高了林业现代化的科学性和工作效益。

DSS与ES的结合形成智能决策系统(IDSS)，综合了ES以知识推理形式定性分析问题以及DSS以模型计算为核心的定量分析问题两大特点，提高和扩大了解决问题的能力和范围[6]。基于GIS的DSS和ES应用研究，将极大地提高了我国林业信息化水平。

2 GIS，ES和DSS在林业中的应用

针对我国林业的特点，GIS，ES和DSS在林业中的综合应用主要从森林防火、营造林、森林病虫害防治和森林资源管理四个方面进行阐述。

2.1 森林防火

随着世界各国对森林资源保护力度的加大，对森林火灾预防和扑救工作的重视，结合GIS，DSS和ES的森林火灾扑救指挥系统逐渐被广泛开发和应用。这些系统一方面能对可能发生火灾的时间和区域进行预测预报，另一方面能为消防指挥员作出灭火决策提供重要依据，还能为指挥员提供辅助决策支持，从而使火灾损失减到最少。

在国外，加拿大于1987年就已建立起了加拿大森林火险等级系统(Canadian Forest Fire Danger Ration System)和地理信息模拟系统(Geo-graphical Information and Modeling System)，用以实时模拟火场状况来帮助林火管理人员制定最佳灭火方案[7]。美国于1972年研制出国家级火险预报系统(NFDRS)；1988年又在微型机上研制出了野外火灾管理辅助决策系统；上世纪90年代开始推广使用森林防火高级系统技术(Forest Fire Advanced System Technology，FFAST)，取得了良好效果[8]；2003年International Fire Sciences Laboratory[9]又设计并完成了模拟林火空间蔓延动态的Farsite软件。

2010年，Kaloudis S T等[10]提出了FMP-ES(Forest Management Planning-Expert systems)。该系统使用了模糊逻辑理论和基于规则的知识库，主要应用于低地松树林，为森林管理和防火提供智能决策支持。Krishna Prasad Vadrevu等[11]针对印度热带落叶林，在GIS框架中结合模糊集合理论和决策算法，绘制森林火灾危险区域，并预测可能会发生火灾的区域，量化火灾危害等级，设计实现了能预测森林火灾“何时何地”发生的专家决策支持系统，对森林火灾预防与扑救具有重要的指导意义。2011年，美国农业部落基山研究站的Robert E. Keane等[12]在研究报告中指出，今后的森林将面临气候变化、火灾、荒漠化和城市发展等诸多因素更深远的影响，如何发现森林的潜在危险和准确预测森林的各种情况是当前研究的一大热点和难点。并成功设计出用于森林生态模拟和森林火灾预测的软件FireBGCv2。针对森林防火指挥部的选址和防火路径的最佳选择问题，Abdullah E. Akay等[13]开发了一个基于GIS的DSS系统来进行辅助决策，成功应用于土耳其地中海区域的卡拉曼马拉斯林区。

我国在建立森林防火指挥决策支持系统方面比发达国家起步晚。原林业部(现国家林业局)于20世纪90年代初与日本合作开发了一套基于GIS的全国性森林火灾管理信息系统，并应用到小兴安岭的森林防火中[14]。近年来，我国很多地区根据当地的特点也在研制各种基于GIS，ES和DSS的森林防火指挥决策支持系统，在一定程度上提高了森林防火工作水平。但是，这些系统都有很多缺陷和不足。有的系统占用计算机资源太多，运行效率低下；有的开发成本大；有的是受制于开发技术的局限，系统功能不够灵活全面[15]。

我国现有的大部分林火扑救指挥系统，没有引入机器学习、知识获取以及灭火资源合理利用等机制，这使灭火决策完全依靠程序设计，导致程序死板、扩展性差。赵刚等[16]提出了一种利用资源竞争的决策方法，通过对以往灭火案例所转化的知识的可行性评估，合理利用现有的灭火资源，达到智能化的目的。王阿川、曹琳等[17]首次将人工智能的方法应用到森林防火中，并在系统中应用了软构件等技术，实现了森林防火技术的信息化、网络化和智能化。

2.2 营造林

营造林决策不仅需要处理大量的空间数据和非空间数据，而且需要专家的技术指导和规范的造林设计方案及后期的管理措施。GIS，ES和DSS 具有这样的能力，不仅对于管理和分析地理空间信息和非空间信息方面具备非常强大的功能，而且能设计出不同需求的造林方案和进行合理的规划管理。

在国外，1987 年Reisinger T W等[18]就已利用GIS与DSS 的集成来解决木材收获规划问题；Herrington L P 等[19]研究了DSS在造林、采伐等森林管理方面的应用；Carter D R等[20]研究GIS与木材收获计划模型的集成系统；Davis R G等[21]应用DSS与GIS的结合帮助评价短期的基于立地的造林规划，并且与长期的战略规划相结合，制定整个林分可持续收获的造林、收获和更新计划。

在国内，有不少学者也在尝试利用相关技术解决造林问题。赵鹏祥等[22]应用Maptitude-GIS 绘制造林规划设计数字化图，建立造林规划设计属性数据库，对造林地的相关属性信息进行有效管理；张晓丽等[23]以RS，GIS 和ES 为技术手段，对北京市森林进行立地类型划分以及在此基础上的立地质量评价和多目标动态决策。吴保国等[6]利用现代信息技术，集成森林培育与管护、森林病虫害防治、林木收获利用等整个森林经营管理全过程的相关技术手段和知识，研建了森林培育专家决策支持系统，为森林培育全过程提供专业技术支持。海占广[24]针对河北省杨树速生林培育决策问题，运用数据挖掘技术对速生林培育知识规则进行提取，为决策知识的获取提供了一种新的思路和方法。Tim R. McVicar等[25]针对中国黄土高原，设计了一款与水文学有关的植被恢复决策支持的工具ReVegIH，对植被恢复的地域和物种选择进行辅助决策，对我国黄土高原的植被恢复有重要的促进作用。

2.3 病虫害防治

森林病虫害的诊断、预测工作是进行病虫害综合防治的必要前提。通过专家系统和决策支持系统对森林病虫害诊断、防治、预测和预报，才能经济有效地减少病虫害的发生量，保证森林的高质、稳产。

美国提倡对病虫害实施早期和现代化技术监测，利用航天遥感技术建立大范围的森林生态图和森林健康指数图，对森林的生物、环境因子和森林的健康状况进行连续、动态的研究和监测[26]。美国研制了云杉蚜虫决策支持系统，帮助森林管理者预测病虫害爆发的影响，预测森林长势和可持续水平。英国利用GIS与计算机技术相结合对夜蛾进行预测和绘制地理分布图。1989年加拿大国家森林研究所利用GIS与DSS相结合，为铁杉尺蠖的管理提供决策支持[27]。

在国内，森林病虫害领域的研究和应用主要集中在防治决策支持、病虫害预测预报和辅助诊断等方面。诸如王淑芬等[28]建立的马尾松毛虫防治决策专家系统。王阿川等[29]结合人工智能技术、GIS技术、数据库技术和网络技术，开发了基于Web的森林病虫害防治决策专家系统。王霓虹等[30]设计了一个基于WebGIS的森林病虫害预测预报专家系统，能对森林病虫害的发生期、发生量和发生区域进行预测预报。李龙龙等[31]首次将模糊技术和案例推理相融合，引入到虫害诊断专家系统的设计中，开发了基于案例和模糊推理的农业虫害专家系统。吴文浩等[32]开发了基于WebGIS的具有病虫害信息查询、潜在生境空间分析、病虫害疫情上报、发生点地图标注等交互式功能的江苏省外来森林病虫害基础信息网络平台，为防治外来病虫害提供数据和决策支持。吴志刚等[33]设计了一个基于多分支结构的天津植物害虫辅助诊断专家系统TPPADS，多分支结构比二叉式结构能更精确和快速的进行辅助诊断。

2.4 森林资源管理

森林资源管理的对象是森林资源，目的是实现森林资源的可持续发展。它是对森林资源进行调查、区划、分析、评价、决策、信息管理等一系列工作的总称。集成领域专家知识的专家系统、支持决策系统等智能系统为资源管理提供了现代化的工具。基于GIS，ES，DSS和数据库技术的森林资源管理系统，是当前森林资源管理决策应用需求和技术发展的要求，是森林资源管理的发展趋势。

在国外，利用计算机和网络技术支持的森林资源管理研究，技术发展较为成熟的主要是北美、西欧和东亚。美国在森林资源管理中，建立了大量的地理信息系统及其辅助决策系统，并已在森林资源调查和监测方面突破了传统的范围，渗透到全球环境变化监测和森林保健监测的研究中。加拿大林业部在上世纪90年代开始建立国家林业信息系统(National Forestry Information System，NFIS)，联邦、省和州政府一起合作，为用户提供基于WebGIS的森林资源信息，用户可在授权范围内获取全国森林资源信息，并可以从分布式数据库中获取授权的信息，实现森林资源监测、综合统计报表等功能[34]。德国利用计算机五级网络建立了森林资源动态监测系统，在基层林场借助生长模型对未来采伐林分进行生长预测、数据更新和收集进入成林的林分，以获得年度森林资源动态数据[35]，实现了森林资源的网络化和信息化管理。总体来说，国外的森林资源管理主要体现为多功能、多层次的软件包及工具的应用开发。

我国上世纪60年代将计算机技术引入到森林资源管理领域，但只是进行个别的科学计算研究，直到80年代初才开始了系统的应用和实践。从90年代开始引进了GIS、网络等技术，并将这些技术运用到了森林资源管理领域。近年来，随着计算机和GIS技术的飞速发展，森林资源管理也得到了长足的进步[36]。李庭波[37]首次把本体概念引入森林资源经营决策知识库技术研究中，分析了本体在森林资源经营决策知识库中的意义，首次提出从森林资源数据结构中获取森林资源核心本体的本体学习方法。张茂震等[38]提出了基于网络和数据共享的森林资源信息系统构架和基于数据库技术的资源整合的综合模型。郭振等[39]针对传统森林资源调查周期长、精度低、工作量大问题，提出一种基于PDA 的嵌入式地理信息系统解决方案，对森林资源调查进行嵌入式GIS研究与开发，实现了外业数据采集和内业数据处理的无纸化和一体化。谢小魁等[40]在GIS平台中集成森林动态模型，设计并实现了森林生长率模型、景观采伐模型和矩阵模型，开发了森林经营决策支持系统，为提高我国森林可持续经营管理的数字化水平提供了一定的技术支持。

随着我国森林资源管理及其应用系统开发的技术水平不断提高，出现了许多功能比较完善的森林资源管理及相关的独立业务系统。但总体上看，森林资源管理信息系统的现状还不能适应林业战略转变新形势的要求，主要表现在这些系统针对某一具体业务开发、信息共享和综合分析能力不够，不能充分利用当前丰富的网络资源，实现数据资源共享和联机分析处理等综合管理决策[37]。

3 讨论

虽然地理信息系统、专家系统和决策支持系统在林业中已成为当前信息化领域研究的热点，但还面临以下主要问题：一是现有的研究还不能很好地契合各领域、各学科的知识。学科交叉是创新思想的源泉，应进行多学科交叉研究，进行广泛的多学科之间的合作。可以针对林业领域的某一个具体问题，综合运用各学科的知识进行深入处理。如在森林病虫害防治领域，可结合GIS方面的专家、计算机专家、森林昆虫专家和植物病理学专家等专家知识和经验，开发针对性的专家决策支持系统。二是现有的研究多侧重于系统的设计与实现，而其中专家系统知识库的知识来源范围狭窄。应在注重系统的设计与实现的同时，还要注意各种先进算法、理论的研究与应用；同时需要扩大知识库的知识来源范围，主要包括书本、专家和国内外科学研究的成果等。正确的决策是建立在对专业知识的掌握和实践经验汲取的基础之上的，掌握的知识越完整、越丰富、越可靠，构建的知识库就越健壮，决策的正确性就越大。可以使用数据挖掘技术处理量大的信息，从中发现隐含的知识和规律，以弥补人类在大量信息处理方面的不足。三是现有的研究多是针对单一林业问题给出定性分析结果，而没有定量分析结果，决策的科学性和准确性有待提高。定量分析是建立在定性预测基础上的，要根据定性分析的结果进行数据行统计，建立数学模型，并用数学模型计算出分析对象的各项指标及其数值。四是现有的研究中决策结果的表达方式不够完整、形象。比如可用虚拟现实技术模拟森林生态系统，为决策者提供更为直观的表达，使决策者能够对森林的各项生态指标有更准确、完整的了解。

云计算与GIS的融合已成为地理信息产业发展的趋势，并将带动地理信息产业的深刻变革。云GIS将实现地理空间信息和非空间信息的全面整合，而结合了云GIS、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、决策支持系统(DSS)、专家系统(ES)的新的“5S”体系将是未来主要的多学科交叉支柱概念。在林火、造林、森林病虫和森林资源管理领域，集成新的“5S”体系的各类决策，将以云服务的方式提供，能够把相关平台、软件和地理空间信息方便、高效地部署到“云”基础设施之上，能够以弹性的、按需获取的方式提供最广泛的基于 Web 的服务。在林业中，新的“5S”概念体系必将是新的研究热点。

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SurveyofExpertSystemandDecisionSupportSysteminForestryBasedonGIS

WANG Jianming1,ZHANG Yan2,YIN Jiting1,ZHAO Nan1

(1.Forestry College, Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China； 2.Computer and Information College，Southwest Forestry University,Kunming 650224, Yunnan,China)

The application research of Expert System and Decision Support System in forestry based on GIS has greatly improved the development level of digital forestry. This paper introduces the Geographic Information System(GIS)，Expert System(ES), Decision Support System(DSS), and analyzes their application in four aspects such as forest fire, afforestation, forest pest and forest resources management. The paper also discusses the main problems faced by or existing in the application of the system in the forestry and prospects on the application are made as well.

GIS(Geographic Information System);ES(Expert System);DSS(Decision Support System);forest

2012-04-23

2012-05-14

王建明(1986-)，男，云南大理人，硕士研究生，研究方向：地理信息系统。

TP 39

A

1003-6075(2012)03-0034-05