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地理信息系统在林业上的应用现状及其前景
摘要: 在概述地理信息系统(GIS) 的概念、功能、应用领域的基础上, 对GIS 在林业资源管理与动态监测、林业专题图编制、森林经营与林业工程规划、森林病虫害管理、森林防火、林地理信息系统的建立以及林业其他方面的应用现状进行了综述, 并对GIS 在林业中的应用前景进行了探讨, 指出地理信息系统在林业上应用研究的重要性。
关键词: 地理信息系统; 林业; 应用现状; 前景
　　林业具有用地广阔、生产周期长, 其所涉及的森林系统结构复杂, 森林资源附于地表等特点。而85%以上的森林管理决策与其空间位置有关, 采用传统方法制定管理决策, 缺乏直观性和决策过程的可视化, 给经营管理带来许多困难。而GIS能快速准确地获取多种组合形式的林业资源统计数据, 清晰直观地表现数据之间的联系和发展趋势, 实现数据可视化以及空间地理分析与实际应用的集成。以满足森林资源管理和领导决策的需求, 进而可以利用GIS对林业资源质和量的变化进行动态监测与规划[1]; 解决林业上长期以来经营粗放、信息技术落后的问题, 促进林业的经营管理走上可持续发展道路。
1 　地理信息系统概述
地理信息系统(Geographic Information System 简称GIS) 是以采集、存储、管理、分析、显示和应用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的计算机系统, 是分析和处理海量地理数据的通用技术[2], 是集计算机科学、空间科学、地理学、环境科学、管理科学于一体的新兴边缘学科, 是未来全球信息高速公路的组成部分[3]。地理信息系统经过近40多年的发展, 已形成较为统一的功能结构[4]。内容为: (1)数据的采集与编辑; (2)数据管理; (3)空间查询与空间分析; (4)数据输出。地理信息系统功能的不断完善, 使其越来越显示出它在应用领域中强大的生命力, 成为了地理学的“第三代语言”, 因而具有非常广阔的应用前景。地理信息系统的应用领域涉及自然资源管理、土地管理、林业管理、农业和土壤、地质水文、市政管理、社会经济、景观生态、环保、水利、军事、测绘、旅游等诸多方面[5]。
2 　地理信息系统在林业上的应用研究
211 　在林业资源管理与动态监测上的应用林业资源中的森林的面积、蓄积、类型、林种、树种的结构和分布及变动情况等森林资源信息, 过去只能从森林资源档案中的文字表格上获得了解, 缺乏直观的空间数据, 故难以分析其的变化及空间分布规律。GIS空间数据管理和分析功能弥补了这一不足, 它以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、检索查询, 做到了图上的动态管理和监测, 并以多种方式输出决策所需的地理空间信息。唐守正等人完成的林业部重点课题%森林资源经营管理系统, 设计了先进的经营管理模式, 可不断进行资源数据的更新, 实现了经营管理的动态化和现代化。牟怀义(1999)应用资源数据的图形与数据库结合查询, 分析了森林资源变化,并通过相关分析研究这种变化的空间分布规律以及对林业生产未来发展的影响[6]。在天然林和防护林应用上, 尹君等人应用GIS对天然林资源信息进行管理[7]。而林地面积、蓄积、地类、林分状态等林业资源总是处于不断的动态变化中, 及时了解和掌握这类资源的现状和变化过程, 就能有针对性地制定林业的生产方案, 林业的方针和政策等。在传统的管理数据库中, 这些变化仅从数量上反映出来, 缺乏直观的空间数据反映, 难以分析空间变化规律性,也难以预测随时间变化的趋势, 这给快捷、准确地做出决策带来困难, GIS的应用正好解决了这一困难[8]。现阶段, 在林业资源动态监测的应用研究中[9～10] , 主要是采用RS (遥感)、GPS (全球定位系统)与GIS技术手段来共同完成林业资源的动态监测。RS 为地理信息系统动态地提供和更新各种数据, 而GPS可为GIS及时采集、更新和修正数据。自20世纪80年代起, 林业部门已利用地理信息系统技术结合遥感等方法对我国森林资源进行清查和监测; 对自然条件恶劣的西藏全区进行了森林资源清查, 填补了国家空白; 对我国“三北”防护林等林业工程进行了生态功能评价。
212 　在编制各类林业专题图上的应用地理信息系统在林业制图上的应用具有强大的生命力。以往我国通过“二类调查”获取森林资源数据, 建立小班档案及绘制林相图等林业用图。这些工作要花费大量的时间、人力和财力, 并且图面材料和小班数据库资料是分离的, 难以长期有效地重复利用。GIS强大的空间数据分析和制图功能简化了林业专题图的制作过程, 经过收集整理制图信息, 经数字化处理, 建立坐标投影和拓扑关系, 作编辑修改, 建立图形与属性的关联, 最终完成多种林业专题图的编制, 达到一次投入、多次产出的效果。它不仅可以为用户输出全要素森林资源信息图, 而且可以根据用户需要分层输出各种专题图(如林相图、土壤图、森林立地类型图、植被分布图等) 。这在林业生产实践中已有广泛应用。如龙新毛等人(2000年)采用MAPGIS建立了湖南省有关森林分布的各种图形数据库及其属性数据库文件, 编制了符合专业要求的省图以及各种序列图[11]。袁亚东利用GIS进行等高线三维分析, 用其产生的地表模型编绘出人工林和天然林鸟瞰图[12]。赵鹏祥等利用Grid和Tin模型制作了陕西省千阳造林示范区空间分析专题图, 为采取有效的造林工程措施提供了依据[13]。
213 　在森林经营与林业工程规划上的应用GIS借助其建立的数字地面模型, 可从中提取多种地形地貌因子, 然后结合土壤、气象和自然经济调查因子, 生成各种派生图(如: 海拔高度分布图、土层厚度图、以及坡形坡度图) , 以此可以实现地形与造林类型的配准、叠置; 直观逼真地显示地形地貌及其造林现状, 反映造林后的林地空间分布状况。臧淑英、张冬有等在ARC/ INFO和AR2CVIEW支持下, 通过空间迭代分析来获取森林资源的最优持续利用规划方案[14]。张军等利用GIS技术, 对云南省龙川江流域进行科学、定量的退耕还林规划, 将工程实施落实到可操作的山头地块,为县级退耕还林提供了成功的范例[15]。洪军等在GIS的支持下, 对帽儿山实验林场进行森林分类经营区划, 将研究区域划分为2 个经营区, 4个一级林种和16个二级林种, 实现森林分类经营区划的自动化、可视化及图形化。森林工程上GIS 的应用, 通常是把森林工程信息通过数据输入、处理、编辑和转换, 以此建立森林工程地理信息系统基本图库和属性库。应用叠加和缓冲区生成技术, 形成专题图; 利用GIS的空间分析功能, 结合数学模型和算法, 解决木材运输最佳运行线路、木材合理流向。在伐区调查设计上应用GIS的叠加、缓冲区、裁剪等空间分析功能, 制定解决在多种空间约束下的伐区采伐顺序、皆伐面积形状与大小、木材流向划分等问题的最优决策,以确保森林生态系统综合功能的发挥[16]。20世纪80年代末90年代初, 我国开始在林业工程上应用GIS技术。潘晓东(1989)通过计算地形指数, 为林道网规划提供地形地貌定量评价指标, 从而提高了林道网的配置效果。在采运规划设计上, 应用GIS空间分析产生地形网络图、林价重心图, 以两图为约束条件, 进行通径分析, 制定林道网规划图; 通过对专题图的森林龄级结构、蓄积量分布、森林类型等的非空间属性分析, 来布设伐区; 利用GIS进行索道集材分析设计, 解决集材作业区划分、集材林场选设以及集材线路划分等问题, 为伐区工艺设计提供强有力的手段[17]。
214 　在林业病虫害管理中的应用林业病虫害是林业生产中极具破坏性的生物自然灾害, 它们的发生和影响总是与一定的地理空间相关。因此需要对调查所获的病虫害发生及生态因子等数据进行分析和管理, 以便对林业病虫害的控制管理活动作出正确的决策。利用GIS结合生物地
理统计学可以进行害虫空间分布和空间相关分析;对害虫发生动态的时空进行模拟并作大尺度数据库的管理。其应用潜力十分巨大。如我国昆虫学工作者利用GIS对马尾松毛虫( Dendrolimus punctatus) 、棉铃虫( Helicoverpa armigera) 等分别进行了比较深入的研究, 组建了综合管理信息系统或专门的地理信息系统[18]。曹文田等将MIS与GIS的相结合,建立了森林病虫害防治信息系统[19]。
215 　在森林防火上的应用森林火灾是林业生产的重大灾害之一, 及时的
火险预警在林业生产中具有十分重大的意义。随着现代计算机网络和“3S”等技术的不断发展, 其应用的日趋广泛, 使森林防火的方法和所采用的技术手段发生了深刻变化。10多年来, 在森林防火决策支持系统领域内, 开展了诸如大区域范围系统的建立, 自适应显示分辨率的处理, 图形图像的有关处理技术, 基于Web 的信息发布, “3S” ( GIS、RS、GPS) 与DSS技术的应用等研究。国家林业局林业规划院于20世纪90年代就研制出了“林火管理GIS”, 各个省、市也着手构建森林防火GIS。李土生等通过综合运用“3S”技术、数据库技术、网络技术及森林防火专业技术, 设计和开发了浙江省森林防火地理信息指挥系统[20]。中日信息化合作项目( IMITT21) 所建立的《防灾/ 森林防火信息系统》采用了C/ S 数据库技术、WWW技术、地理信息技术和遥感技术, 使之具有火点定位、火险预报、林火行为预报、林火信息发布等功能。东北林业大学王霓虹等自1989年起对黑龙江大兴安岭地区的森林防火工作做了比较系统的分析研究,开发了基于GIS 的“林火数据库与辅助决策系统”,目前正在大兴安岭应用。
216 　林业地理信息系统的建立基于GIS强大的空间分析能力和在林业上的良好应用前景, 各种应用型林业地理信息系统纷纷涌现。这些林业GIS以林场或县为单位, 通过把各种林业图表和自然地理数据数字化进入计算机后, 应用通用的GIS平台或采用组件开发技术, 使林业资源信息的输入、存储、显示、处理、查询、分析和应用等功能得以实现, 通过空间信息与属性信息的结合, 为林业生产的科学规划及管理, 林业资源属性数据和空间数据的管理及信息发布, 项目评估,工程规划与实施、检查验收和辅助决策的制定提供了服务。如四川省宜宾市建立的林业管理信息系统, 可提供强大的林业专题管理集成扩展功能, 为天然林保护工程管理、退耕还林工程管理、森林防火管理、森林病虫害管理、造林规划设计、林分经营管理、林业分类经营、野生动物栖息地调查与变化监测等提供了一体化解决方案; 实现了GIS技术在市(地、州)、县(区)、乡(镇)三级林业管理上的综合应用。冯秀兰等研制开发的基于GIS的浙江省淳安县大墅镇林业站集体林森林资源信息管理系统, 初步实现了适合我国南方集体林区以农户经营为特点的森林资源管理的信息化。还有内蒙古大兴安岭、三江县、上虞市及汪清县所建立的森林资源地理信息系统等。在林业GIS网络技术应用上,武刚等人设计且实现了一个基于GIS、面向网络的森林资源基础信息管理系统(FRMII)。
217 　GIS在林业其他方面的应用林业是与自然环境息息相关的产业, 林业中的许多问题都涉及到空间关系。GIS作为解决空间关系的一个有效工具, 不仅在上述几个方面得到了较深入的应用研究, 且在林业领域的其他方面也做了初步的探讨。石军南在GIS技术支持下, 绘出森林资源鸟瞰图, 将其应用于张家界天门山国家森林公园、浏阳大围山国家森林公园的规划。李芝喜等人(1999)将森林生态系统和GIS技术结合, 建立了西双版纳勐养保护区热带林保护GIS。同时, 以亚洲象生境为对象, 建立西双版纳勐养自然保护区亚洲象栖息地质量评价和生境监测技术系统, 预测亚洲象的栖息范围及其相应变化等。在森林景观研究方面, 利用GIS技术快捷准确地显示森林景观的动态变化, 模拟不同管理措施和经营方案的效果, 预测灾害因子对森林景观的影响, 为管理者提供决策方案。此外, GIS还在野生动物管理、森林生态效益、林区综合开发管理、林政管理、林区人口管理及林区建设管理等方面发挥着重要作用。
3 　地理信息系统在林业上的应用前景GIS在林业生产和经营管理决策上的广泛应用
是与林业领域各学科的发展相辅相成的。一方面,GIS在林业学科中的应用促进了学科的知识创新和理论深化研究, 促成了各学科间的相互联系, 极大地推动了林业系统科学及其分支学科的发展。另外, 随着新分支学科的建立, GIS应用越来越广泛。如有的学者提出利用GIS建立植物转基因飘流状况的国家和省级地理信息系统。另一方面,各学科的不断发展和深入反过来又需要GIS的不断完善, 并为GIS提供实验基地。如为了便于更科学合理地管理某一区域的自然资源, 就需解决GIS同GPS、RS以及与专家决策支持系统的耦合问题, 这将促进GIS技术的不断完善。GIS、RS和GPS的集成( “3S”的集成)已成为一种必然的趋势。“3S”的集成是一种利用各自的技术特点快速准确地提供所需信息的技术。基本是RS 提供最新的图像信息, GPS提供精确的位置信息, GIS为图像的存储、处理、分析及应用提供技术手段。“3S”的应用可为林业生产管理和决策者快速地提供精确的信息。森林是农业的生态屏障, 也是陆地生态系统的主体。我国森林生态功能较弱, 林业生产技术总体水平较低, 对林业生产调控能力差, 再加上林业生产的高风险性、区域性, GIS技术的发展和应用为提高林业生产的调控能力, 实现林业现代化和因地、因时的科学化管理提供了技术支持。林业生态系统是一个极其复杂的系统, 对这一系统的监测、模拟和科学管理等复杂问题应用传统的GIS是很难解决的, 因为这些问题需要大量的知识与经验, GIS与专家系统结合而成的智能GIS, 并利用神经网络模型将成为解决这些复杂问题的重要途径, 目前这方面的研究已得到了重视。另外, 随着网络GIS、虚拟GIS、开发式GIS、真3维和时空4 维数据结构等这些GIS技术研究成果的推出和不断完善, 林业作为GIS技术使用大户, 必然会受到深远的影响。
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