塞罕坝林业资源管理系统

彭彦霖 吴风华

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063200)

引言

林业资源是林业保护发展的重要物质基础，林业资源的有效评估和保护对于遏制林业资源的衰退，实现林业生态环境可持续发展具有重大意义。塞罕坝机械林场是现在河北省最大的人工林林场，森林资源非常丰富，森林覆盖率在80.0%以上[1]。塞罕坝机械林场具备多样性的功能特点，发挥着不可替代的作用。塞罕坝机械林场地处高原地区，与荒漠相邻地区相近，生态系统较为脆弱，易受到天气与社会因素的影响。利用GIS技术与互联网技术实现对塞罕坝地区林业资源的信息化管理可以更好地对该地区的林业资源进行整合，从而达到保护和发展的作用[2]。

目前，GIS在林业应用方面发挥越来越重要的作用。国际上，加拿大森林资源数据库系统CFRDS是一个集成化的森林资源信息库，存储着森林蓄积量、运输途径、木材需求等信息。可提供指定林区现有的铁路、公路和水路运输途径、森林蓄积图表和需材企业图表，有力地支持了森林经营规划设计[3-6]。美国林务局的STUMP软件是一个森林利用分析系统，可分析计算森林蓄积量、林木价格、贮木场库存和木材规格等级，预测最终木材产量。在国内，李超和罗传文等研究实现了基于ArcGIS Engine的森林资源管理系统，实现了帽儿山林场森林资源的信息化管理；赵颖慧运用“3S”技术、数字化技术、网络技术、计算机可视化技术以大兴安岭示范区——塔河林业局为例，采用森林资源调查数据和各种图面资料(包括地形图、林相图)，结合多种软件，对数字林业的关键技术进行了研究[7-9]。

目前而言，国内GIS在林业方面对塞罕坝地区森林公园研究相对较少，在技术方面多偏向于传统GIS，较少涉及到WebGIS的功能。针对以上情况，开发一个集林业资源管理功能、森林保护功能、绿化造林功能为一体的林业资源管理系统，更有利于对塞罕坝地区林业进行综合管理，更有利于提高对该地区的灾害保护措施，更有利于该地区林场的稳定，对林业资源发展具有重大意义。

1 相关理论与技术描述

1.1 核密度分析技术

密度分析通常情况下用于计算测量一块区域的单位密度，尤其是点要素以及线要素的测量。通常来讲，核密度分析的结果能够表现出离散测量值在连续区域内的变化情况。其结果是平滑的曲面数据[12]。本系统森林保护功能中有森林火灾热力图，运用了核密度分析技术，密度分析使用的核函数：

其中，r为查找半径；scale为栅格中心点到点、线对象的距离与查找半径相比。

1.2 对迪杰斯特拉算法改进的多旅行商算法

在本系统中护林人员最佳巡逻路线功能中，在人工林场内有多个护林基站，护林人员从基站出发，如果只是简单的迪杰斯特拉算法的话，一个护林人员只能对一个地方进行巡逻维护，不能对多个地点进行巡逻维护，因此本文在此基础上对Dijkstra算法进行改进，实现一个护林基站对人工林场多个地点进行巡逻的最佳路径选择[13]，这就是多旅行商算法。

旅行商问题是一个经典的组合优化问题。应如何选择行进路线，以使总的行程最短。从某角度来看，该问题实质是在一个带权完全无向图中，找一个权值最小的Hamilton回路。此算法在交通运输、电路板线路设计以及物流配送等领域内有着广泛的应用，国内外学者对其进行了大量的研究。

2 案例研究

2.1 研究区概况

塞罕坝位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县境内，内蒙古高原的东南缘，地处内蒙古高原与河北北部山地的交接处，地貌上界于内蒙古熔岩高原和冀北山地之间，主要是高原台地。东西长51.46km，南北宽17.84km。区域海拔高度1500～1939.6m，面积20029hm2。塞罕坝机械林场地处高原地区，与荒漠相邻地区相近，生态系统较为脆弱，易受到天气与社会因素的影响。

2.2 数据来源

本系统中的树种及其相关信息、病虫害信息以及药物信息等来源于政府网站；地图下载来源于水经注；如10a赛罕坝地区植被覆盖变化需要用到遥感信息来源于Landsat，数据精度较高。塞罕坝区域图如图1所示。

图1 塞罕坝区域概括图

2.3 系统功能设计

本系统功能设计包括森林保护功能模块，其中森林保护功能模块包括森林防火、树种、病虫害信息查询、护林人员巡逻路线等功能，林业资源可视化分析模块包括林分专题图、不同林分覆盖区块查询、小班调查因子查询、近10a塞罕坝地区植被覆盖查询等功能。绿化造林模块功能中有养护地的查看以及树种养护记录，并根据养护信息在该功能模块中画出相应的计划图。系统技术路线图如图2所示。

图2 系统技术路线图

森林保护功能模块中该模块包括森林防火、树种、病虫害信息查询、护林人员巡逻路线，其基本功能包括系统用户可以对树种、病虫害欧诺以及杀虫药物的信息进行查询。系统可以根据往年火灾发生数据进行分析，制作出相应的火灾热力图，构成森林防火功能。最短路径分析，选出所要巡逻的地点，进行相应分析，系统会根据最短路径选出离该目标点最近的护林站，并派出工作人员进行巡逻查询。林业资源可视化分析包含不同林分区块覆盖区域信息查询功能、近10a赛罕坝地区森林覆盖变化。不同林分专题图可以清楚地看到不同林分在赛罕坝地区的分布；近10a赛罕坝地区植被覆盖变化点击不同年份即可得到当年植被覆盖比，进而出现当年植被覆盖区域图。小班调查因子将塞罕坝林场划分成不同区块并对每个区块进行编号，显示出不同区块的树种年份、地类、林种、地形因子、平均树龄、更新度等。给管理人员提供更好的思路，便于决策的下达。绿化造林功能中有养护地的查看以及树种养护记录，并根据一些养护信息在该功能模块中画出相应的计划图，便于护林人员更好工作。该功能打破了常规计划发布方式，将GIS功能与实际相结合，实现了政府人员可以直接通过平台发布造林计划，简单且高效。

2.4 系统实现

2.4.1 查询功能的实现

2.4.1.1 不同林分覆盖区块查询功能

该功能属于区块查询功能，根据不同林分覆盖地方做成相应区块，实现区块查询功能。不同林分用不同颜色表示，并且每个区域分别给出了编号、植被类型以及占地面积，使政府管理员更加清晰地识别不同林分所覆盖区域。便于政府管理人员对不同林分、不同地点更加因地制宜，赛罕坝地区不同林分覆盖区块信息查询功能图如图3所示。

图3 不同林分覆盖区块查询

2.4.1.2 近10a塞罕坝森林覆盖度查询功能

将从Landsat网站上获取的塞罕坝森林公园遥感影像数据，在ENVI中进行数据处理，再与超图相结合，得出近10a赛罕坝地区森林覆盖率的查询功能，输入所查询年份，系统会给出当年植被覆盖指数，显示当年植被覆盖区域图，并提供分析给管理人员，以便管理人员更好地为来年植树造林、退耕还林做好规划准备。在所选下拉框中选中所要查询的当年森林覆盖年份，如选中2017年，点击分析即有窗体弹出显示2017年塞罕坝地区森林覆盖比为0.83548。显示效果如图4所示，可以分析研究时间段内每一年对应的森林覆盖比。

图4 近10a塞罕坝森林覆盖率查询

2.4.1.3 养护地查询功能

该功能显示出一些养护地的信息情况，属于区块查询功能，对不同养护地区块赋予不同的颜色，并且显示出相应区块的养护信息，便于管理人员进行相应的管理，使林业资源管理更加高效。养护地查询图如图5所示。

2.4.2 最佳巡逻路线的实现

该功能利用最短路线分析原理，给出所需要的巡逻地点，利用迪杰斯特拉算法得出距离该区域最近的护林站点，然后给出最短路线。该功能的实现极大方便了管理人员与护林人员。通过选择起终点位置可以进行最优路径规划，并可以查询到路径距离，简洁方便。护林人员巡逻路线图如图6所示。

图5 养护地查询图

图6 护林人员巡逻路线图

2.4.3 绿化造林功能的实现

绿化造林功能实现了养护地查询并在该功能栏里绘制相应的计划图。该功能打破了常规计划发布方式，将GIS功能与实际相结合，实现了政府人员可以直接通过平台发布造林计划，简单且高效。该功能更加有利于政府管理人员与护林人员进行交互，国家每年发布计划给政府工作人员，政府工作人员在该功能栏里进行计划的制作，并在之后发布，使得护林人员更方便、清晰地了解政策，并更好的实施。养护计划图如图7所示。

图7 养护计划图

2.4.4 森林保护功能的实现

本系统针对森林保护功能开发了森林防火功能以及病虫害防治功能。其中，森林防火功能是根据近些年塞罕坝地区发生森林火灾情况制作成数据，生成森林火灾热力图，显示出塞罕坝地区哪些地方易发生火灾 ，以便更好地进行相应的森林防火。病虫害防治功能中可以查询到塞罕坝地区种植的不同树种以及树种所对应的功能，如保土防沙功能等以及树种易患的病虫害，并给出相应病虫害查询、不同害虫所需的药物杀除以及药物的存放站和剩余量。森林防火功能如图8所示。

图8 森林防火功能图

3 结论

国家对生态环境的保护以及管理日益加深，因此需要一套比较完善的林业资源管理系统进行系统化管理。以塞罕坝国家森林公园为研究区，开发一个集林业资源管理功能、森林保护功能、绿化造林功能为一体的林业资源管理系统，本系统以森林保护功能、林业资源可视化分析功能以及造林规划为目标，实现了森林火情分析、树种信息及相关病虫害、病虫害防治信息、药物储备信息、护林人员巡逻路线、林种分布专题图、小班调查因子查询分析、不同林分区块查询、近10a塞罕坝森林覆盖率变化、绿化造林功能整个系统,使森林保护、森林信息查询、绿化造林功能融为一体，大大提高了护林人员管理工作的效率和质量，并为政府领导的决策提供科学依据。