GIS在国内林业监测和管理中的应用综述

蒋启国，刘雅芹，许 斌，许定富

(l.广安区龙滩林业技术推广站，四川广安 638020;2.内江师范学院地理与资源环境学院，四川内江 64l l l2;

3.华蓥市工业发展区管理委员会，四川 华蓥 638600;4.华蓥中学，四川 华蓥 638600)

林业自身有诸如森林生长的长期性、森林资源分布的地域辽阔性、森林资源的再生性、森林成熟的不确定性、存在森林火险隐患等特点。因而森林资源信息具以下几个显著特点:森林资源信息具有区域分布性、数据量大，既有空间定位特征，又有属性特征，森林的生长又是随时间的变化而发生变化。森林资源传统管理模式为文字表格等记录方式，在信息化快速发展的今天，传统的管理模式在数据更新等方面问题突出，对森林动态变化监测和趋势的预测表达也存在很大的困难，同时，在森林防灾特别是森林火险的灭火及救援方面也难以满足时间的需求。因此，在《2008-2009林业科学学科发展报告》中将包括信息技术和生物技术的高新技术的应用与生态脆弱区退化生态系统形成机理与恢复重建领域，成为今后我国林业科学学科的重点发展十二个领域之一［l，2］。本文通过搜集GIS在国内林业监测和管理中的应用的相关资料和文献，在此基础上对GIS在国内林业监测和管理中的应用进行综述。

l 地理信息系统及

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术［3］。广泛应用于测绘、地图制图、资源管理、灾害监测、国土规划管理、国防、医疗卫生等领域。

2 GIS在森林监测中的应用

2.l 森林资源调查与评估

要实现对森林资源的管理，需要获取有用的森林资源基础数据。运用GIS数据获取功能，可以通过把不同历史时期的森林资源分布图进行矢量化，也可以通过与RS综合应用，解译遥感图像，获取森林资源分布现状。

2.2 植被监测

森林信息诸如面积、蓄积、类型、林种、树种的结构和分布及变动情况等，在很长一段时间内只能通过文字和表格记录在森林资源档案中，在信息更新很快和提出低碳经济保护林业资源的今天，显然在很大程度上与主流的经济取向相违背。通过信息网络和新的管理系统，可以实现森林信息的无纸化管理和方便快捷的查询、更新。上述森林信息是处于不断的动态变化中，传统的林业管理方式在数据更新方面需要耗费大量的人力物力和财力，该方法不能对变更的数据及时更新，也不利于数据的传递。亦或是传统的管理数据库能够比较快速的更新数据，但这也仅仅是反映在数量上，而未反映在空间上，难以分析林业空间变化规律和预测变化趋势，也给林业管理层面决策带来一定的影响。GIS具有较强的空间数据管理和分析功能，弥补了这一不足，它以有效地对森林空间数据进行组织和管理，提供数据查询、数据分析、成图输出，进行数据库管理、更新、维护等功能，辅助管理层决策。

2.2.l 森林景观监测方面

GIS在描述景观特征方面具有:节省时间和费用、处理较大的信息量、可以对景观进行多层面分析、数据补充和更新快捷等特点［4-5］。在森林景观管理中应用GIS技术，可以简化管理程序，促进管理信息化和规范化。曹辉［6］以GIS技术为平台，将福州国家森林公园的森林景观资源进行划分，并评价了景观生态质量。杨珍珍等［7］以大兴安岭呼中林场调查数据为基本资料，利用GIS技术对图形、数据进行处理分析，并结合景观生态学的原理和方法，按用地类型和优势树种划分研究区森林景观要素类型组，选取多项景观格局指标，对林场森林景观的结构分布和空间格局特征进行了系统的分析研究，为森林景观的优化配置、林业可持续经营、规划发展及森林景观恢复提供决策依据。付春风［8］依据广州市数字化林相图和土地利用图等资料，通过景观组成要素分析，拟定了广州市流溪河国家森林公园森林景观分类系统，利用GIS与数字制图手段编制了流溪河国家森林公园森林景观类型图，为该森林公园森林景观的规划、管理及生态恢复提供理论支持。罗龙海等［9］以l999年沐川县森林资源分布图和DEM数据为信息源，利用ArcGIS的空间分析功能，用坡度、距离两个分量对沐川林场主要观景线路上森林景观斑块类型进行了景观敏感度评价，并基于评价结果，提出了沐川林场森林景观开发利用建议。夏伟伟等［l0］以2004年SPOTS卫星影像数据为基础资料，应用遥感技术、地理信息系统技术和多种森林景观结构分析指标，对庞泉沟自然保护区的森林景观结构类型和异质性进行分析。孙玉军等［ll］以吉林省汪清林业局金沟岭林场为例，以电子林相图和森林资源二类调查资料为基础，运用GIS技术和景观生态学原理和方法，对林场的景观格局进行了分析;同时采用类平均聚类法，选取景观类型特征指数，定量地划分森林类型，为优化景观水平配置、制定生态采伐规程、编制森林经营方案提供理论基础。

2.2.2 森林动态变化监测

林木在生长各时期都会受到各种自然的或人为因素的影响而发生诸如:山体滑坡、被砍伐等，通过GIS技术以及GIS与其他技术综合应用，可以及时方便地了解各个时期的森林动态。刘常富等［l2］在RS和GIS的支持下，应用景观生态学的理论和方法，借助各种遥感影像，采用景观空间格局指标定量分析，研究了l992年～2006年沈阳城市森林景观格局的动态变化，对城市森林景观类型合理性进行了论证，通过结果分析表明，沈阳城市森林景观格局的演变过程中，政策因素起着决定性的作用。李登科等［l3］在GIS技术的支持下，利用SPOT影像数据、TM影像数据、DEM数据等，综合分析陕西省吴起县土地利用状况、植被覆盖度变化、坡耕地面积、土壤侵蚀强度等，研究其在退耕还林前后的变化，结果认为，该方法较细致地揭示该县退耕还林生态建设工程的所取得的实效。侯文良等［l4］通过对新疆维吾尔自治区巴楚县l999年、2004年两期的TM影像进行解译和判读，利用地理信息系统空间分析技术，结合野外调查，对森林资源的地类进行空间分析，从而得出l999年～2004年间巴楚县森林资源的现状及其空间变化分布状况。白艳芬等［l5］利用l995年TM影像和2000年ETM影像，分别提取了青海湖流域的植被指数，根据植被指数转化模型，计算植被覆盖度。并将植被覆盖度划分等级，根据盖度级的空间分布特征，比较分析了研究区域植被覆盖变化情况及原因。

2.2.3 在森林病虫害方面

病虫害是林业灾害之一，也是森林监测中一个重要的研究内容，在国内也有很多研究成果。黎镇湘等［l6］通过分析比较传统的森林病虫害监测技术和现代集成技术的优缺点，指出RS与GIS集成技术的优势，在监测及时、准确方面最优路径选择和缓冲区分析方面的巨大潜力，和该集成技术与三维可视化技术在森林病虫害监测中的应用前景。王蕾等［l7］通过总结3S技术在森林虫害动态监测中的应用现状，介绍了3S各层次集成在森林虫害动态监测中的应用动态，提出3S技术在虫害动态监测中的应用趋势，并在总结实际工作经验的基础上从害虫的生存环境角度构建了森林虫害动态监测3S集成技术体系。李虎［l8］等以新疆全区为研究区域，综合应用遥感与GIS技术，对l996年和200l年两期TM遥感影像进行解译，研究境内的森林资源动态变化。

3 林业管理

3.l 日常管理信息系统

传统的管理信息系统数据源主要为表格、统计数据和报表，处理属性数据和统计分析数据，输出结果为报表、报告和表格。而现实中林业分布具有区域行等特征，且林业管理受到分布区域自然条件和基础设施的限制。GIS技术以图形图像及地理特征属性为数据源，以图形图像产品、统计报表、文字报告、表格等方式为主要的输出结果，因此，GIS技术在处理空间属性数据方面具有独特优势。应用GIS技术可以给林业管理带来极大的方便。

洪军等［l9］人以研究区域森林资源调查资料为数据源，结合区内地形地势，应用地理信息系统，按照森林的功能类型，将研究区域的森林进行了划分。张超等［20］利用福建省永安市2003森林资源基础地理信息数据，在充分考虑到区域生态、经济、市场、自然环境、生物物候等原则的情况下，应用地理信息系统建模技术，建立了县级林业区划模型，并对该模型进行了检验。对林业有害生物进行管理，建立相应的管理信息系统，掌握其生物学、生态学、发生规律、并进行准确地预测预报，将会给林业日常管理带来极大的便利。李新贵等［2l］对贵州省林业有害生物管理地理信息系统的内业和外业系统部分设计提出了初步构架。曹庆先等［22］以ArcView为平台，根据林业有害生物信息管理的实际工作流程，设计开发了“基于GIS的天津市林业有害生物管理信息系统”，通过测试与实际应用表明，该系统可为用户提供可视化查询、专题图输出，将林业有害生物的管理水平由目前的乡镇级别提升到村级别，使管理更进一步精细化，具有较高实用性。郭志华等［23］详细介绍了仁寿县森林资源管理地理信息系统(RSForest-GIS)的体系结构、主要功能、数据库、模块功能等，以火源定点为例介绍了RSForestGIS的部分功能。该信息系统是根据县级林业管理现状开发的一套针对性强软件系统，已应用在仁寿县森林分类区划界定、集体林权改革、林业血防等工作中，为森林经营和决策的科学化和数字化提供坚实的基础，为林业资源简洁高效管理提供了技术手段，为林业的数字化发展奠定了基础。冯仲科等［24］针对我国森林资源经营管理还处于比较粗放的水平，把现代测绘科学应用于林业研究中，构建基于广义3S技术的森林资源经营管理系统，并分别对该系统的框架与特点，造林决策支持系统，森林空间格局配置生态化，林火防扑实现一体化设计做了相关分析和介绍，同事也展望基于广义3S技术的森林资源经营管理系统。

3.2 应急管理

森林应急管理主要为损害损毁林木生长等突发事件，难以预测和控制。森林火险是其中之一，应用GIS技术，可以加强森林火险的预防监控、着火点定位、火势分析、灭火路径及灾后评估自救等。

唐季林等［25］以甘肃省迭部县为例，应用TM影像，结合地面调查和实验，在综合分析评价的基础上模拟森林火险领域，以各自然沟系作为总体评价单元，用小班火险等级加权平均计算面积、沟系的平均火险等级及迭部县平均火险等级。朱煌武等［26］选取一实际林区，收集与森林防火相关的地理信息资料，建立地理信息系统，结合火蔓延数学模型，设计并实现了对复杂条件下林火蔓延的计算机模拟预测，完成森林火灾扑救辅助决策系统的建设，并在预测结果的基础上提出了合理、优化的防火道开设方案。胡林等［27］通过收集北京市房山区l987年～2003年林火历史和现实数据，运用GIS和通信技术，建立数学模型，实现房山区森林火险动态区划。

沙宗尧等［28］以湖北森林防火系统为例，应用ArcSDE引擎和Oracle数据库管理系统管理空间数据，采用ArcIMS发布，实现了C/S与B/S相混合的森林防火信息监测模式，建立了湖北省森林防火地理信息系统。为实现基于GIS的森林防火系统提供参考，通过系统运行过程中的数据采集、历史数据累积，实现森林防火数据的分析、挖掘，为有效防治森林火灾提供重要途径。王攀［29］对移动GIS在森林抢先过程中的实际应用作了简要分析和介绍。李元鸿［30］以祁连山自然保护区资源管理和森林防火管理为目标，通过收集整理数据，利用SuperMap作为GIS开发平台，以.NET为开发工具，建立了祁连山自然保护区森林防火地理信息系统，为祁连山自然保护区森林资源的数字化管理和森林防火的科学化管理提供支持。何全军［3l］在VB环境下利用Map Objects控件开发广东省林火监测地理信息系统的，该系统看提供防火信息查询，实现对森林火灾发生地点的快速定位，及时了解详实的火场及周边环境信息，为防火部门提供详细的地理信息和资源分布信息，辅助火灾扑救决策。况代智［32］利用基础地理数据和气象卫星遥感数据以及气象资料，借助GIS组件，设计并实现了了一个集空间定位、空间分析、火险预警预测、损失评估等功能于一体的森林防火信息系统，结果显示，该系统可以为现代森林防火提供一些比较实用的功能。张玉红［33］等在VB环境下，基于AO技术，设计并实现了哈尔滨市森林防火地理信息系统。在地形复杂的林区，监测林火定位、测距等受到极大的影响，李龙国等［34］研究设计了与视频监控技术结合的GIS系统，实现了二维平面地图、三维立体场景和监控画面三者所显示区域的一致和相互间的联动控制功能，该系统设计开发完成后，应用在内蒙古白狼林区，给森林防火提供了有效的管理平台。

于文华等［35］根据森林防火管理的实际需求，以瞭望塔视频监控设备为硬件基础，提出了双点定位方法与单点定位方法相结合的综合方案，综合运用组件GIS、ArcSDE引擎、NET为卡发工具，设计开发了鹫峰国家森林公园森林火灾定位系统，解决了目前森林防火着火点现场定位问题。朱启疆等［36］分析了森林火灾的发生发展有内在和外在因素，应用地理信息系统和遥感技术，利用生成的植被起火概率图控制像元是否起火，在火场扩展中将Rothermel模型和经验模型结合使用，并考虑了坡度和风向带方向因素的影响。最后利用迷宫算法在计算机上实现了火场在地理信息系统支持下的空间蔓延动态模拟。黄作维等［37］综合分析了林火蔓延的影响因子，借助基于GIS的林火蔓延模型结合林火蔓延算法并考虑到环境因素的影响，进行了火场空间蔓延计算机模拟和火行为的时空格局分析。宋丽艳等［38］利用GIS软件建立林火蔓延模拟的空间背景，运用林火蔓延模型且综合考虑火场地形、气象及可燃物类型等因子，采用点到点的传播方式，用VB开发软件，实现林火蔓延的动态模拟。模拟的结果表明，在地形条件一定的情况下，林火的初始蔓延速度和风速的大小对林火蔓延有明显的影响，不同的初始蔓延速度会导致不同的蔓延结果，不同的风速形成的火场面积不同但形状相似，随着风速的增大，蔓延面积也相应增加，但火场的形状相似;不同的坡向和坡位也会影响林火的蔓延速度。毛学刚等［39］在GIS技术的支持下，建立林火蔓延的空间背景数据库，采用王正非林火蔓延模型和遍历算法，用VC开发工具和Map Objects控件技术进行林火蔓延的动态模拟，设计并实现了任意地点、任意气象条件下的林火蔓延动态仿真模拟，直观林火的发生、发展和蔓延的过程。

王明玉等［40］以河北省张家口地区为例，将GIS中网络分析的最短路径问题与GIS中栅格分析的成本路径分析相结合，以地形数据、网络数据、植被数据等作为基本数据，基于ArcGIS的内置数据库Geo-Database构建森林火灾扑救网络数据库，用ArcObjects编程实现最优路径的确定。

4 结语

GIS技术是目前能够很好的解决空间属性数据分析与表达的技术，也是目前公认的高新技术之一，在分析和处理空间属性数据方面有着独特的优势，应用领域非常广阔。林业具有生长的长期性、资源分布区域性，人为因素影响较大、存在火险隐患等特性，给林业管理、研究和应急救援等都带来很大的不便，GIS技术具有空间分析功能，能够直观地再现不同时期森林特征，并预测森林发展的趋势，方便了日常管理，GIS森林火险分析也为森林防火灭火争取时间。

GIS在我国虽然有了很大的发展，取得了可喜的成绩，由于多种限制，GIS在林业管理中没有充分发挥其潜力。

(l)基于GIS的林业防火救火系统研发的较少，该系统收到诸如地形、地貌、坡度、风向、气候、水系、道路设施、救援力量等的限制，需要根据各地具体情况，结合GIS网络分析功能综合分析。在运用GIS模拟林火蔓延方面，同样受到地形、地貌、坡度、风向、气候、附近着火物等的影响，在火场模拟方面需要将GIS与RS、GPS相结合，才能更好的发挥高新技术在林业防火救火中的潜力。

(2)基于GIS的林业管理系统目前为数较少，虽然建立了信息化管理系统，但多数为文件式的管理系统。数据共享机制尚未完成，林业管理系统重复建设现象严重。以县级林业管理单位为例，各县都设有林业管理机构，很多地方以山岭为界，而在各自的林业管理系统中，并未将临近的林业纳入管理和分析范围，在森林火险应急处理中会存在因信息不畅通而滞后现象。

(3)各级林业管理单位应加强相关技术人员的新技术应用培训等，了解并掌握新技术，转变管理观念，使用符合信息化技术下的管理信息系统。

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