基于ArcGIS Engine的森林健康評價輔助系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

朱 宇，劉兆剛

（東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱 150040）

森林健康評價是開展森林健康經(jīng)營的前提和理論基礎。近年來，國內(nèi)外諸多研究機構(gòu)和學者對森林健康評價方面做了大量研究。健康評價中所涉及的評價尺度［1－4］、評價指標體系、賦權方法［5－6］、評價模型［7－8］及獲取調(diào)查數(shù)據(jù)的方式［9－10］各有不同。但是，這些研究往往關注于上述評價中所涉及的各個具體過程，而評價結(jié)果的可視化效果明顯不夠理想;并且森林健康評價是一個復雜的過程，涉及到多種數(shù)學模型的運算，當數(shù)據(jù)量較大時，往往會消耗過多的時間，降低了工作效率。如何快速有效的進行森林健康評價工作并將評價結(jié)果直觀的展示給用戶是森林健康評價研究中一項急需解決的問題。

森林資源管理信息系統(tǒng)是林業(yè)信息化的重要組成部分［11－14］。基于地理信息系統(tǒng)技術，尤其是借助于ArcGIS Engine組件的森林資源管理信息系統(tǒng)的研建在我國林業(yè)部門已得到廣泛應用，技術日臻成熟。

本文利用C#語言在借助ArcGIS Engine組件的基礎上，將森林健康評價過程中所涉及的算法及模型與地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)技術有機的結(jié)合起來，設計和開發(fā)了森林健康評價輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了兩種原始數(shù)據(jù)格式（多邊形Shape文件和Excel表格文件）、3種賦權方式（層次分析法、熵值法及手動賦權）、兩種評價模型（模糊綜合評價法和綜合指數(shù)法）及4種分級標準技術（自然斷裂點、等距劃分及自設閾值）以供用戶根據(jù)具體情況加以合理選擇。最后以盤古林場和固定樣地數(shù)據(jù)為例進行了森林健康輔助評價演示操作。以期為森林健康評價的自動化、評價結(jié)果的可視化和制定森林健康經(jīng)營關鍵技術提供新的思路和理論支撐。

1 森林健康評價指標體系與綜合評價技術

1.1 森林健康評價指標體系

森林健康評價指標體系是對森林健康進行評價的度量依據(jù)，有了完整科學的評價指標體系，才能依據(jù)森林健康評價指標對森林健康狀況做出全面、科學的診斷和評價［15］。本系統(tǒng)可輔助實現(xiàn)兩種情況下的森林健康評價:一種是利用已有的二類調(diào)查小班多邊形Shape數(shù)據(jù);另一種是以Excel格式存貯的帶有樣地中心點坐標和評價指標字段的固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。本文以現(xiàn)代系統(tǒng)科學的耗散理論、協(xié)同理論和漸進突變理論為依據(jù)，從完整性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性3個方面選取森林健康評價指標［16］。其中，前者評價指標體系包括下木覆蓋度、每公頃蓄積、土壤侵蝕度、林火等級、土壤厚度、地被物蓋度、葉面積指數(shù)、腐殖質(zhì)層厚和地位級;后者含土壤厚度、地位級、每公頃蓄積、林火等級、下木覆蓋度、土壤侵蝕度、單木健康度、枯枝落葉厚、病蟲害程度、近自然度及群落結(jié)構(gòu)等指標。這些指標是在科學性、針對性、可操作性及相對對立性原則的基礎上構(gòu)建的，并且在構(gòu)建指標體系之前刪除了一些相關性較大的指標，以確保指標間的信息重疊盡量小。用戶需要嚴格按照表1中的說明來設置Excel或Shape文件的字段信息，以保證系統(tǒng)正常運作。

1.2 賦權方法

不同的評價指標對森林健康的作用機理和效果不同，因此需要考慮到指標權重。目前，權重的確定一般分為主觀賦權和客觀賦權兩種方式。主觀賦權法中，基于功能驅(qū)動的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是使用最為廣泛的方法;在客觀賦權法中，基于差異驅(qū)動的熵值法（Entropy Method）也越來越多的被學者所引用。層次分析法的優(yōu)點是不依賴任何數(shù)據(jù)，主要由眾多專家進行每兩個指標間的相對重要性打分，經(jīng)相關公式簡單處理，即可求出權重;不足之處是需要依賴權威專家，得出的權重多少帶有一部分主觀成分，且需要通過一致性檢驗方能使用。熵值法的優(yōu)勢是沒有任何人為主觀臆斷的影響，得出的權重值最為客觀，因此其使用也愈加廣泛;缺點是必須依賴樣本數(shù)據(jù)，其準確性隨著數(shù)據(jù)量的增大而提高，在缺乏指標數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)量過少的情況下，則不宜采用此法賦權。

1.3 評價模型

目前，在森林健康評價研究文獻中，國內(nèi)外研究者提出了多種森林健康評估公式和模型。如最早的VOR模型、綜合構(gòu)成指數(shù)模型、健康評估模型、健康指數(shù)公式、綜合指數(shù)公式、健康距離公式、森林生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)公式及模糊綜合評價法等［17］。其中，綜合指數(shù)公式使用頻率最高。另一種逐漸被廣泛使用的評價模型——模糊綜合評價法也被內(nèi)置于該系統(tǒng)以供用戶選擇。

1.4 閾值確定技術

閾值確定技術很多，自定義分級法、等距分級和自然裂點法較為常見。

自定義分級法（Manual）:即自設閾值，是對一個數(shù)據(jù)集，根據(jù)研究者的應用目的設置各個等級的數(shù)值范圍來實現(xiàn)分級的方法。該閾值確定方法一般只有在權威專家的指導下才能確定合適的分級閾值，以保證能夠增強同一級別區(qū)域間的同質(zhì)性分級和分級之間的差異性。

等間距分級（Equal Interval）:是指按某個恒定間隔來對數(shù)據(jù)進行分級。當數(shù)據(jù)具有均勻變化的分布特征時（尤其是正態(tài)分布），等距分級則會凸顯出簡明實用的優(yōu)勢;然而當數(shù)據(jù)分布差異過大時該方法會影響統(tǒng)計結(jié)果的分析。由于正態(tài)分布大量存在于自然界和人類社會，因此等距劃分法的應用非常廣泛。

自然裂點法分級（Natural Breaks）:任何統(tǒng)計數(shù)列都存在一些自然轉(zhuǎn)折點和特征點，用這些點可以作為閾值把數(shù)據(jù)集劃分為性質(zhì)相似的群組。因此裂點本身就是分級的良好界限。將統(tǒng)計數(shù)據(jù)制成頻率直方圖有助于尋找數(shù)據(jù)的自然裂點。如果頻率最低點與峰值構(gòu)成一個近似正態(tài)分布曲線，可以把任意兩個正態(tài)分布曲線交點作為分級界線［18－19］。

2 森林健康評價輔助系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)研究方法

本系統(tǒng)在Visual Studio 2008.NET環(huán)境下，采用C#作為編程語言，并結(jié)合ArcGIS Engine 9.3組件和Dev Express第三方UI控件開發(fā)而成。以地理信息系統(tǒng)（GIS）、測樹學及森林經(jīng)理學等學科的理論和方法為基礎，將森林健康評價過程中所涉及的相關算法和模型，如賦權方法、評價模型及分級標準技術等內(nèi)置于評價系統(tǒng)中。

2.2 系統(tǒng)功能

采用模塊化的結(jié)構(gòu)設計思想，將系統(tǒng)主要功能拆分為“數(shù)據(jù)”和“工具”兩大模塊。系統(tǒng)數(shù)據(jù)模塊主要功能:添加各類地理數(shù)據(jù)，包括Shapefile、Image、DEM、TIN及遙感影像;根據(jù) Excel生成點狀Shapefile;生成三維林相圖及通過ArcSDE訪問外部數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)工具模塊主要功能:二維瀏覽（放大、縮小、全圖、平移及清楚要素選擇集）、三維瀏覽（導航、飛行、全圖及平移）、量算（長度、面積）、查詢（圖查屬性、屬性查圖）、要素渲染（簡單、分級、點密度、唯一值）等常見GIS功能以及森林健康評價模塊（樣地健康評價和林場小班健康評價）。

2.3 評價模塊的設計與實現(xiàn)

2.3.1 固定樣地森林健康評價

基于樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的固定樣地森林健康評價主要過程如圖1所示。首先，用戶導入Excel數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將其自動生成點狀Shape文件;然后用戶依次選擇賦權方式、評價模型及分級標準;最終將得出樣地點的森林健康等級并將其以唯一值渲染的方式呈現(xiàn)給用戶。用戶還可以選擇是否采用空間插值生成柵格數(shù)據(jù)，該柵格數(shù)據(jù)以分級渲染的方式推測樣地周圍的森林健康狀況。

2.3.2 林場小班森林健康評價

基于二類調(diào)查數(shù)據(jù)的林場小班森林健康評價主要過程如圖1所示。其主要流程與固定樣地森林健康評價類似。二類調(diào)查作為一種常規(guī)調(diào)查，調(diào)查項目范圍廣，但并非僅針對森林健康研究而實行的特定調(diào)查。雖然二類調(diào)查項目關于專門進行森林健康評價方面的不多，但其調(diào)查范圍相當廣泛涉及所有小班，可以從二類小班調(diào)查數(shù)據(jù)中重新構(gòu)建評價指標體系，因此基于二類數(shù)據(jù)的林場小班健康評價仍具有相當意義。

2.3.3 關鍵功能的實現(xiàn)

（1）導入Excel并生成點狀Shape文件

實現(xiàn)該功能需要添加引用 System.Data.OleDb。通過OleDbConnection類中的Open（）方法打開Excel文件、通過GetOleDbSchemaTable（）方法得到Excel表格的架構(gòu)信息;利用OleDbData-Adapter類中的Fill（）方法填充數(shù)據(jù)集;通過IF-ieldEdit、IFieldsEdit、IGeometryDefEdit等接口根據(jù)Excel表的各列建立相應的字段，采用 IFeature-Workspace接口的CreateFeatureClass（）方法生成新的點狀要素類，再利用IFeature的set_Value（）和Store（）方法將Excel表中的各值賦給新建要素類的每一個要素并存儲。

圖1 森林健康評價流程圖Fig.1 Flow chart of forest health evaluation

（2）空間插值

本系統(tǒng)利用常見的反距離權重插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）實現(xiàn)空間插值操作。在該功能的實現(xiàn)過程中主要應用到了ArcGIS Engine中的 IFeatureClassDescriptor、IRaterRadius、IInterpolationOp3和IRasterAnalysisEnvironment等接口實現(xiàn)插值操作，其中IInterpolationOp3中的IDW（）方法用來生成柵格數(shù)據(jù);ISaveAs接口實現(xiàn)保存柵格數(shù)據(jù);IRasterClassifyColorRampRenderer接口實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的分級渲染，其set_Symbol（）方法用于按照索引來確定要素的符號;set_Label（）方法用于按照索引來確定圖例標簽。

（3）自然斷裂與等距劃分

當用戶選擇綜合指數(shù)法為評價模型時，會遇到如何確定分級標準的問題。自然斷裂點法及等距劃分法的閾值數(shù)組的獲取主要借用了ArcGIS Engine的ITableHistogram、IBasicHistogram和 IClassifyGEN等接口。其中，IBasicHistogram接口的GetHistogram方法用以返回值的數(shù)組及頻率數(shù)組;IClassifyGEN的Classify（）方法用來取得分級臨界值數(shù)組。

（4）唯一值渲染

評價結(jié)果的要素唯一值渲染主要用到IGeoFeatureLayer及 IUniqueValueRenderer等接口。其中，IUniqueValueRenderer的AddValue（）方法用來設定每個要素及其對應的符號。根據(jù)健康等級字段值進行渲染，“健康”設置為綠色，“亞健康”設置為淺綠色，“中健康”設置為橙黃色，“不健康”設置為紅色。

（5）評價結(jié)果立體顯示

以DEM作為表面數(shù)據(jù)用以顯示地形起伏，評價后已經(jīng)過唯一值渲染的Shapefile作為紋理，實現(xiàn)森林小班健康評價結(jié)果的立體顯示，使評價結(jié)果的展示更加直觀。該功能的實現(xiàn)主要借助于Arc-GIS Engine組件中的I3Dproperties、IlayerExtensions等接口。

3 案例分析

本文以黑龍江省塔河林業(yè)局盤古林場二類小班數(shù)據(jù)及固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)為例，對兩類森林健康輔助評價過程進行演示分析。

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源:2008年1∶50 000比例尺盤古林場地形林相圖、2009年盤古林場森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)及2011～2012年盤古林場森林健康外業(yè)固定樣地數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理:將1∶50 000地形圖掃描后，加載至ArcGIS 9.3 Desktop軟件中啟動配準和矢量化功能，生成小班和等高線等Shape數(shù)據(jù)，并將二類調(diào)查數(shù)據(jù)賦給這些要素作為其屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)等高線生成TIN，再由TIN生成研究區(qū)DEM。將2011～2012年固定樣地調(diào)查樣地數(shù)據(jù)存儲于Excel表格。

3.2 操作步驟

3.2.1 固定樣地及其周邊森林健康評價

點擊數(shù)據(jù)模塊中的Excel菜單按鈕，“Excel數(shù)據(jù)”選擇存貯樣地中心坐標及各評價指標數(shù)據(jù)的Excel表格文件;“坐標”選擇Excel表格記錄樣地中心點坐標的兩個字段;確定后生成相應的點狀Shapefile點擊工具模塊中的樣地健康菜單按鈕“樣地數(shù)據(jù)”選擇新生成的點狀Shapefile文件;“賦權方式”選擇熵值法;“評價模型”選擇綜合指數(shù)法;等距劃分法作為“分級標準”;勾選“推測樣地周邊健康”中的“插值生成柵格表面”;確定柵格文件路徑后點擊“確認”按鈕。稍后即可得出評價結(jié)果（如圖2和圖3所示）。用戶應該注意到，只有當樣地點數(shù)量充足并且分布均勻的情況下，才能保證樣地周邊的森林健康狀況取得良好的估測效果。通過雷達圖可以直觀的觀察到某個樣地單項指標的健康得分多少，多邊形面積越大說明該樣地越趨于健康，反之亦然;用柱狀圖統(tǒng)計健康等級的分布情況，有利于直觀的判別統(tǒng)計結(jié)果是否符合正態(tài)分布特征;餅狀圖用來表示各項健康指標所占據(jù)的重要性比例，即指標權重。

圖2 固定樣地森林健康評價模塊與評價結(jié)果Fig.2 Fixed plot forest health assessment module and assessment result

3.2.2 林場小班森林健康評價

點擊工具模塊中的林場健康菜單按鈕（如圖4所示），“小班數(shù)據(jù)”添加具有二類調(diào)查數(shù)據(jù)的盤古林場小班多邊形Shapefile文件;“地形數(shù)據(jù)”選擇盤古林場DEM;采用熵值法作為“賦權方式”;“評價模型”選擇綜合指數(shù)法，自然裂點法作為“分級標準”，點擊“確認”按鈕，稍等片刻即可得出評價結(jié)果（如圖4～圖6所示）。評價結(jié)果可以以二維及三維方式展現(xiàn)給用戶，用戶同樣可以獲知評價結(jié)果的基本統(tǒng)計情況，與固定樣地健康評價類似。

3.3 評價結(jié)果

固定樣地森林健康評價結(jié)果:44塊固定樣地中，僅有2塊樣地屬健康等級;13塊樣地屬亞健康等級;中健康樣地21塊;不健康樣地有8塊。通過IDW插值法可推算樣地周圍的健康狀況，當樣地點數(shù)量足夠多且分布較均勻時推算精度更高。

盤古林場小班森林健康評價結(jié)果:在盤古林場4 474塊數(shù)據(jù)完整的小班當中，健康的小班有964個，面積為23 086 hm2，占林場總面積的20.6%;亞健康小班共有1 391個，面積為35 199 hm2，占林場總面積的31.4%;中健康小班數(shù)量為1 439塊，面積為36 179 hm2，占林場總面積的32.3%;不健康小班有680塊，面積達17 601 hm2，占林場總面積的15.7%。從圖5中可以初步斷定，道路兩旁的小班健康狀況往往不佳，不健康小班多沿道路兩旁分布。因此，有關部門應加強道路兩旁禁伐區(qū)的監(jiān)管力度，以期這些不健康小班的健康狀況得以逐漸改善。

圖3 固定樣地及其周邊森林健康評價結(jié)果Fig.3 Fixed plot and its surrounding health assessment result

圖4 林場小班森林健康評價模塊及評價結(jié)果Fig.4 Subcompartment forest health assessment module and result

圖5 林場小班森林健康評價結(jié)果二維顯示Fig.5 2D display of subcompartment health assessment result

圖6 林場小班森林健康評價結(jié)果三維顯示Fig.6 3D display of subcompartment health assessment result

4 結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

本系統(tǒng)是在總結(jié)以往森林健康評價研究中所用到的常見算法和模型，包括評價指標體系、指標權重的確定技術、森林健康評價模型及其分級標準技術的基礎上，結(jié)合地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)技術和森林資源管理信息系統(tǒng)的特點，采用C#語言開發(fā)而成的。該系統(tǒng)是森林健康評價自動化和評價結(jié)果可視化的一種新的探索和新的思路。并以盤古林場小班二類調(diào)查數(shù)據(jù)和固定樣地外業(yè)數(shù)據(jù)為例進行了森林健康評價過程的演示。實際上，該系統(tǒng)適用于任意某個林場任何小班尺度和樣地調(diào)查點及其周圍的森林健康評價工作，具有一定實用性和通用性。

4.2建議

隨著森林健康得到國內(nèi)外的進一步重視，森林健康評價研究將進一步得到發(fā)展和完善。包括評價指標體系、賦權方法和各指標閾值的確定技術等會隨著研究的深入推進而不斷得到改良，以使森林健康評價結(jié)果更加接近真實狀態(tài)。近年來，森林健康預警及森林可視化經(jīng)營研究逐漸得到人們的重視，未來的系統(tǒng)可適當?shù)募尤肷纸】殿A警、森林健康可視化經(jīng)營等內(nèi)容并朝向網(wǎng)絡化方向發(fā)展以滿足未來需求。因此，本系統(tǒng)應隨著森林健康評價研究的深入發(fā)展而進一步升級，擴充更多更合理的評價模塊以適應未來的需要。

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