森林生态服务功能评价智能系统开发

罗鹏飞， 冯 强， 边更战， 吕飞舟

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

森林生态服务功能评价智能系统开发

罗鹏飞， 冯 强， 边更战， 吕飞舟

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

依据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)，从涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护等6项指标出发，应用高级编程语言Java，在Eclipse平台上设计和开发了森林生态服务功能评价智能系统，并利用攸县2013年森林资源规划设计调查数据对整个系统进行调试运行；经调试，该系统能稳定、高效、精确的评价森林生态服务功能。

森林生态服务功能； 智能系统； 数据库； 知识库

森林生态服务功能评价是当前生态经济学和环境经济学的研究热点[1-3]。在实际生产中，各领域方向都要求对一个地区的森林生态服务功能进行评价。目前对森林生态服务功能的评价，多运用实际市场法、替代市场法和假想市场法对其空气净化、固碳释氧、水土保持、维持生物多样性等功能指标进行价值计量[4-5]。森林生态服务功能评价涉及到多个学科领域，评价指标非常多且专业性较强，传统的评价工作量较大，而且精度不高误差也比较大。因此，科学的、专业性强的、精确的评价系统有待开发。随着计算机技术的飞速发展，使森林生态服务功能评价智能系统开发与实现成为可能[6-15]。

1 研究概况

森林生态系统服务功能价值的研究，始于20世纪50年代，当时主要计算其直接经济价值和森林游憩价值等；60年代专家们采用能值分析法，使得评估方法进一步完善；进入90年代，林业科学家们继续进行以市场价值法、旅行费用法和意愿调查法等为主的森林生态系统服务功能研究。

国内对森林生态系统服务功能的研究是从20世纪80年代开始，主要是对森林固持土壤、涵养水源等价值进行估算；之后，很多学者对森林生态服务功能进行了深入的研究；2000年以后，森林生态系统服务功能价值评估研究已初有成效。

就科学性而言，以往的评估方法、技术体系并不完善，很难广泛地运用。2008年以后，森林生态系统服务功能的评估工作取得重大突破，评估结果也越来越精确。这得益于《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T1721-2008)》标准的制定和森林生态系统定位研究网络(CFERN)台站数量在全国范围内的大幅增加。

2 开发环境与开发工具

森林生态服务功能评价智能系统主要是采用Java语言以及SQL语言，基于面向对象的设计思想，在Eclipse平台上开发实现的。主要运用的技术方法有：MySQL数据库、SQL语言、JDBC接口、以及Java中集合、数组等技术。

3 系统设计

3.1 森林生态服务功能价值智能系统总体设计

森林生态服务功能评价智能系统主要包含三个部分，分别为数据库、知识库以及系统主界面。系统从数据库读取数据，然后利用知识库中的原则对一个单位的森林生态服务功能进行评价(见图1)。

3.1.1 数据库设计

(1) 创建数据库。数据库是森林生态服务功能评价智能系统的数据集合，是系统开发的首要环节。数据结构设计的好坏直接影响着系统的效率和性能。森林生态服务功能智能系统的数据库，主要是应用系统读取森林资源规划设计调查数据库，再使用SQL言语，智能的在MySQL数据库中创建对应的数据库文件。

图1 森林生态服务功能评价智能系统总体设计图Fig.1 Evaluation intelligent system of service function of forest eco-system overall design

(2) 创建数据表。数据表是数据库中一个非常重要的对象，是其他对象的基础。森林生态服务功能评价智能系统的数据库中最主要的表是“森林资源规划设计调查”数据表。森林生态服务功能评价智能系统数据表的创建，主要是通过系统读取“森林资源规划设计调查”数据库中的数据表，再通过SQL语言，在MySQL数据库文件中创建对应的表和对应的字段(见表1)。

(3)数据库连接。森林生态服务功能智能系统主要是连接两个数据库，一个是森林资源设计规划调查数据，该数据库为Access数据库；另一个是系统的数据库，该数据库为MySQL数据库。整个系统最主要的功能就是对两个数据进行读取操作，这就需要数据库JDBC连接池来将森林生态服务功能智能系统与这个两个数据库进行连接。

表1 森林资源规划设计调查数据表字段Tab.1 Fieldofforestresourcesplanninganddesigntable字段名称说明字段类型字段长度G_LINBAN林班varchar20G_XIAOBAN小班varchar20B_LINZHONG林种varchar20B_MIANJI面积varchar20F_YBD郁闭度varchar20F_FGD覆盖度varchar20F_YSSZ优势树种组varchar20F_SZZC树种组成varchar20F_PJNL平均年龄varchar20F_LINGZHU龄组varchar20F_LINGJI龄级varchar20F_PJG平均高varchar20F_PJXJ平均蓄积varchar20F_JINGJI径级varchar20F_XUJI蓄积varchar20F_DWXUJI单位蓄积varchar20F_DWZS单位株数varchar20F_ZHUSHU株数varchar20F_DMIANJI面积varchar20

3.1.2 知识库设计 森林生态服务功能评价智能系统知识库设计主要是依据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721 — 2008)，并结合文献研究法、调查法、比较研究法，从涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护6项指标，来编写森林生态服务功能评价智能系统的知识库(见表2)。

(1)涵养水源

涵养水源价值量的评价中，需要确定“水库库容造价”、“林外降水量”、“林分蒸散量”等评价参数。其中，“林分面积”从“森林资源规划设计调查”的数据库中，由系统智能读取；“林外降水量”、“林分蒸散率”(见表3)则要查找相关资料确定；“水的净化费用”则由查找相关资料获取。

(2) 保育土壤

保育土壤价值量的评价中，需要确定“有林地土壤侵蚀模数”、“无林地土壤侵蚀模数”、“有机质价格”、“林分面积”等评价参数。其中，“林分面积”从“森林资源规划设计调查”的数据库中，由系统智能读取；“挖取和运输单位体积土方所需费用”、“磷酸二铵化肥价格”等参数，则通过查找相关资料确定；其中，各主要森林类型表土层平均养分含量(见表4)。

表2 森林生态服务功能各功能评价公式Tab.2 Eachfunctionofforestecologicalservicefunctionsevaluationformula功能类别指标计算公式涵养水源调节水量U调=10C库A(P-E-C)净化水质U水质=10KA(P-E-C)保育土壤固土U固土=A·C土·(X2-X1)/ρ保肥U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+MC3)固碳释氧固碳U碳=AC碳(1.63R碳B年+F土壤碳)释氧U氧=1.19C氧AB年积累营养物质积累营养物质U营养=AB年(N营养C1/R1+P营养C1/R2+K营养C2/R3)提供负氧离子U负氧离子=5.256·1015AHK负氧离子(Q负氧离子-600)/L吸收二氧化硫U二氧化硫=K二氧化硫Q二氧化硫A净化大气环境吸收氟化物U氟化物=K氟化物Q氟化物A吸收氮氧化物U氮氧化物=K氮氧化物Q氮氧化物A滞尘U滞尘=K滞尘Q滞尘A保护生物多样性保护生物多样性U生物=S单A

表3 主要森林类型蒸散率Tab.3 Rateofmaintypesofforestevapotranspiration森林类型杉木马尾松竹林软阔硬阔灌木针阔混蒸散率(%)77.3666558.948.165.973.5

表4 主要森林类型表土层平均养分含量Tab.4 Topsoilaveragenutrientcontentofmainforesttypes(%)土壤养分杉木马尾松阔叶林柏木国外松杨树三杉N0.180.150.200.140.160.200.15P0.050.050.070.060.150.060.05K1.371.712.131.671.531.581.36有机质3.583.034.863.093.533.963.14

(3)固碳释氧

固碳释氧价值量的评价中，需要确定“林分净生产力”、“固碳价格”、“氧气价格”等评价参数。其中，“林分面积”从“森林资源规划设计调查”的数据库中，由系统智能读取；“固碳价格”、“氧气价格”等评价参数则由查找相关资料确定。其中，各主要森林类型林分净生产力(见表5)。

(4)积累营养物质

积累营养物质价值量的评价中，需要确定“林分面积”、“林分净生产力”、“林木含N量(%)”等评价参数。其中，“林分面积”从“森林资源规划设计调查”的数据库中，由系统智能读取；由于各森林类型的“林分净生产力”、且各个树种的“林木含N量(%)”、“林木含P量(%)”、“林木含K量(%)”有很大差异，因此，森林生态服务功能评价智能系统根据不同的森林类型，智能的获取其对应的参数指标。

表5 主要森林类型林分净生产力Tab.5 Netproductivityofmaintypesofforeststand森林类型杉木马尾松阔叶混柏木针阔混竹林林分净生产力t/(hm2.a)11.235.521.896.921.8923.00

(5) 净化大气环境

净化大气环境价值量的评价中，需要确定“林分面积”、“负氧离子生产费用”、“二氧化硫的治理费用”、“单位面积林分年吸收二氧化硫量”、“氟化物的治理费用”等评价参数。其中，“林分面积”和“林分高度”从“森林资源规划设计调查”的数据库中，由系统智能读取；“负氧离子生产费用”、“林分负氧离子浓度”等参数指标，通过查阅相关资料来获取；由于各森林类型的“林分负氧离子浓度”、“单位面积林分年吸收二氧化硫量”、等参数有很大差异，因此，森林生态服务功能评价智能系统根据不同的森林类型，智能的获取其对应的参数指标。各主要森林类型单位面积林分年吸收二氧化硫量，单位面积林分年吸收氟化物量，单位面积林分年吸收氮氧化物量，单位面积林分年滞尘量(见表6)。

(6)保护生物多样性

在保护生物多样性价值量的评价中，需要确定“林分面积”、“单位面积年物种损失的机会成本”等评价参数。其中，“林分面积”从“森林资源规划设计调查”的数据库中，由系统智能读取；由

表6 主要森林类型单位面积林分年吸收二氧化硫量,单位面积林分年吸收氟化物量,单位面积林分年吸收氮氧化物量,单位面积林分年滞尘量Tab.6 Absorbingsulfurdioxidequantity,absorbingfluoridecontent,absorbingnitrogenamountanddustquantityperunitareaofmainforesttypesstand(kg/(hm2·a))森林类型阔叶林针叶林竹林单位面积林分吸收二氧化硫88.65215.6单位面积林分年吸收氟化物4.650.5单位面积林分年吸收氮氧化物66单位面积林分年滞尘量101103320060

于各森林类型的“单位面积年物种损失的机会成本元”有很大差异，因此，森林生态服务功能评价智能系统根据不同的森林类型，智能的获取其对应的参数指标。其中，单位面积年物种损失的机会成本(见表7)。

表7 单位面积年物种损失的机会成本Tab.7 Thelossofopportunitycostperunitareainspecies等级Shannon-Wiener指数单价(元/(hm2·a))Ⅰ指数≥650000Ⅱ5≤指数<640000Ⅲ4≤指数<530000Ⅳ3≤指数<420000Ⅴ2≤指数<310000Ⅵ1≤指数<25000Ⅶ指数<13000

3.1.3 系统主窗体设计 主窗体是人机交互的主体，用户通过主窗体中提供的组件进行参数指标上传、计算等操作。森林生态服务功能评价智能系统的主窗体是Swing应用程序中的JFrame。JFrame窗体是一个容器是Swing程序中各个组件的载体。森林生态服务功能评价智能系统的主窗体中，承载了JMenu、FileChooser、JScrollPane、JList、JTable、JTextArea等多个组件。这些组件和JFrame组成了系统的主窗体(见图2)，用户可以通过这个主窗体的功能对一个地区的森林生态服务功能进行高效、科学、精确的评价。

图2 森林生态服务功能评价智能系统主界面Fig.2 Main interface of forest ecological service function evaluation of intelligent system

3.2 森林生态服务功能评价智能系统的开发

森林生态服务功能评价智能系统的开发主要是根据系统的总体设计，应用Java语言在Eclipse平台上对整个系统进行编写，具体流程见图3。

图3 森林生态服务功能评价智能系统开发流程图Fig.3 Flow chart of development of forest ecological service function evaluation of intelligent system

4 森林生态服务功能评价智能系统

调试与运行

森林生态服务功能价值智能系统设计开发完成后，利用攸县最新一期的二类调查数据对整个系统进行调试，并对攸县森林生态服务功能进行评价。

4.1 系统的调试与运行

运行要求：

(1) 计算机硬件要求：CPU 2G，硬盘40G，内存512M；

(2) 运行环境要求：操作系统WindowsXP、WindowsVista、Windows7、Windows8。

4.2 攸县森林生态服务功能评价

在Windows7操作系统下运行森林生态服务功能智能系统，在系统界面选择攸县“2013年森林资源规划设计调查”数据库；然后，在弹出的JList组件中，选择对应的数据表；再单击“上传”按钮，攸县2013年森林资源规划设计调查的数据将会上传到系统的列表中。

确定好数据库和数据表之后，单击“计算”按钮，系统会自动弹出“参数设定”对话框(见图4)。评估人员设定输入降水量(mm)、水库库容造价(元)、水的净化费用(元)、固碳价格(元/t)、氧气价格(元/t)、挖取土方价格(元/m3)等评价森林生态服务功能的指标参数(见表8)；然后再依次单击“保存”按钮和“确定”按钮。

最后单击“输出结果”按钮，则终结果显示在系统界面的“森林生态服务功能价值量(万元)”的面板中(见图5)。

经评价，攸县森林生态服务功能总价值为1606352.02(万元/a)，其中涵养水源为608057.85(万元/a)，保育土壤为107860.14(万元/a)，固碳释氧为443752.9(万元/a)，积累营养物质为47575.08(万元/a)，净化大气为47575.08(万元/a)，生物多样性保护为350891.91(万元/a)。

图4 森林生态服务功能智能系统参数设置图Fig.4 Forest ecological service function of intelligent system parameter settings

图5 森林生态服务功能评价智能系统评价结果图Fig.5 Evaluation result of forest ecological service function evaluation of intelligent system

表8 攸县森林生态服务功能价值量Tab.8 ForestecosystemservicefunctionvalueofYouCity功能价值量(万元/a)所占比例(%)涵养水源608057.8537.85保育土壤107860.146.71固碳释氧443752.927.62积累营养物质48214.143.00净化大气47575.082.96保护生物多样性350891.9121.84合计1606352.02100.00

5 讨论

(1) 应用高级编程语言Java，在Eclipse平台上开发了森林生态服务功能评价智能系统。经调试，该系统能稳定、高效的运行。

森林生态服务功能评价智能系统是针对每一个有林地小班进行评价的，因此，评价结果的精确性和评价的效率有很大提升。

(2) 森林生态系统服务功能评价过程十分复杂，选取的评价指标不一样，得出的结果就会有一定的差异。目前虽然国家出台了森林生态服务功能评价标准体系，但是其中有部分指标尚未有一个定量的评价方法，只能采取定性的方法去进行评价，评价结果受主观因素影响较大。因此，在以后的研究工作中应该尽量选取定量的方法去进行评价，进一步完善森林生态系统服务功能评价指标体系。

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Evaluationintelligentsystemofservicefunctionofforesteco-system

LUO Pengfei, FENG Qiang, BIAN Gengzhan, LV Feizhou

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004，China)

The evaluation system of service function of forest eco-system is based on the < Standard for Assessment of Service Function of Forest Eco-system >(LY/T 1721-2008),it consists of the six parts: water conservation,soil conservation,carbon fixation and oxygen release,accumulation of nutrients,purification of atmospheric environment and the protection of biological diversity.It uses the advanced programming language Java and develops on the Eclipse platform.The paper uses the research data of forest resources in You County in 2013 for test.After debugging, the system can be stable, efficient and accurate evaluation of forest ecological service function.

service function of forest eco-system; intelligent system; data base; knowledge base

2015-08-03

湖南省株洲市林业局“株洲市森林城市建设专题研究(20148825)”

罗鹏飞(1990-)，男，湖南省株洲市人，在读硕士，研究方向：森林资源经营管理。

S 718.55+7,TP 18

A

1003 — 5710(2015)06 — 0129 — 07

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 06. 026

(文字编校：杨 骏)