立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王超群，吳保國

（北京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京100083）

0 引 言

森林立地的分類與評(píng)價(jià)是林業(yè)生產(chǎn)的一項(xiàng)基本工作，在林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營實(shí)踐中占有極為重要的地位。立地評(píng)價(jià)分為無林地評(píng)價(jià)和有林地評(píng)價(jià)。無林地評(píng)價(jià)用于指導(dǎo)造林，只有通過正確的無林地立地評(píng)價(jià)，在造林工作中才有可能貫徹 “因地制宜，適地適樹”的原則，從而確定不同立地條件下的森林培育類型，更好地發(fā)揮森林的多種效益和土地生產(chǎn)潛力［1］。有林地立地評(píng)價(jià)是通過林地上森林生長發(fā)育現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)某種立地條件是否適合于某一特定的樹種，從而制定合理可行的森林經(jīng)營作業(yè)法和收獲調(diào)整措施，并通過模型預(yù)測未來的生長收獲情況。目前無林地主要根據(jù)構(gòu)成立地質(zhì)量的因子特性進(jìn)行立地質(zhì)量的評(píng)價(jià)［2］，有林地主要是通過林地上林木生長狀況利用不同樹種的地位指數(shù)表、地位級(jí)或林分蓄積作為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)［3］。雖然使用地位指數(shù)表等對(duì)有林地質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)已被普遍接受，但很多地區(qū)沒有編制各類樹種的地位指數(shù)表或地位級(jí)表。林業(yè)用地大都位于山區(qū)，由于從事森林經(jīng)營的專業(yè)技術(shù)人員匱缺，林農(nóng)往往會(huì)因缺乏指導(dǎo)而對(duì)立地做出錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)，導(dǎo)致盲目造林和對(duì)現(xiàn)有林經(jīng)營作業(yè)的決策失誤，造成經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)無林地評(píng)價(jià)方法、有林地評(píng)價(jià)模型與評(píng)價(jià)技術(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，探討在沒有地位指數(shù)表、地位級(jí)表等數(shù)表，而只有林分生長模型的情況下，利用信息技術(shù)對(duì)無林地和有林地進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立采用瀏覽器／服務(wù)器結(jié)構(gòu)的森林立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為林農(nóng)服務(wù)。

1 評(píng)價(jià)模型與技術(shù)

1.1 無林地評(píng)價(jià)的方法

無林地是宜林荒山荒地、采伐跡地、火燒跡地、宜林沙荒地等現(xiàn)實(shí)無林，以后可能成為林地的用地［4］。無林地評(píng)價(jià)的目的在于針對(duì)不同的經(jīng)營目標(biāo)，選擇合理的造林模式。因此無林地的評(píng)價(jià)涉及到兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是根據(jù)立地條件確定立地類型；二是根據(jù)選擇的培育目標(biāo)確定造林模式，即確定造林樹種、造林密度、整地等造林與撫育作業(yè)法等。

對(duì)于無林地立地類型的劃分，林業(yè)專家通過長期的研究，編制了立地質(zhì)量等級(jí)表、立地類型表等數(shù)表來劃分立地類型，針對(duì)不同立地類型和經(jīng)營目的設(shè)計(jì)了適宜的造林樹種與造林模式。立地質(zhì)量等級(jí)表、立地類型表等數(shù)表在編制時(shí)，通常都選擇了地貌、坡向、坡度等影響林木生長的主導(dǎo)因子作為劃分立地類型的依據(jù)。本文立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的無林地評(píng)價(jià)采用地貌、坡向、坡度、坡位、土壤厚度、土壤松緊度、土壤酸堿性、土壤種類8個(gè)立地條件作為劃分立地類型的依據(jù)，根據(jù)這8個(gè)指標(biāo)來確定立地類型［5－7］。在確定了立地類型和經(jīng)營目標(biāo)之后，通過造林模式表選擇相應(yīng)的造林模式，進(jìn)而輸出該造林模式。

1.2 有林地評(píng)價(jià)模型與評(píng)價(jià)技術(shù)

有林地評(píng)價(jià)的目的在于針對(duì)已有的森林經(jīng)營目的，確定立地上林木生長的好壞，進(jìn)而更好地根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)營目的制定和調(diào)整經(jīng)營作業(yè)方案。對(duì)有林地的立地評(píng)價(jià)，最常用地位指數(shù)來評(píng)定立地的好壞，然而在基層林業(yè)實(shí)際工作中往往缺少滿足地域要求和樹種要求的地位指數(shù)表。為便于林農(nóng)在實(shí)際生產(chǎn)中快速劃分立地的好壞以及方便使用，本文采用好、中、差3個(gè)基本等級(jí)來評(píng)價(jià)立地質(zhì)量［2］。

由于樹高易于測定，而且受林分密度影響較小，能直觀反映立地質(zhì)量，并且隨著林分年齡的增大，立地質(zhì)量對(duì)林分樹高生長的影響逐漸明顯。因此，本文利用林分平均高生長模型評(píng)價(jià)有林地立地質(zhì)量。使用該方法來評(píng)定立地質(zhì)量的前提是有為所評(píng)價(jià)樹種分別建立的好、中、差3種林分平均高生長模型。如果只有分樹種建立的一種林分平均高生長模型，則可以利用該模型以及各齡階樹高標(biāo)準(zhǔn)差Hi±2σi，確定林分平均高生長曲線的上、下限曲線，根據(jù)上下限曲線所夾的面積，采用等分方法確定好、中、差立地等級(jí)的上下限，判定當(dāng)前林分立地所屬等級(jí)［2］。

例如，選擇Richards方程作為基本模型［8］，立地條件為好 （式 （1））、中 （式 （2））、差 （式 （3））3種情況下的杉木人工林林分平均高生長模型［9］如下

式中：H——平均樹高，A——林分年齡。

利用定距等分法［10］對(duì)現(xiàn)有林的林分平均高與好中差3種立地條件下的林分平均高作對(duì)比，定距等分法評(píng)價(jià)立地質(zhì)量的算法流程如圖1所示。以林分年齡等于10年為例，如圖2所示杉木的林分平均高生長曲線被分成三類：好（H1）、中 （H2）、差 （H3）。

圖1 定距等分法評(píng)價(jià)立地質(zhì)量算法流程

圖2 不同立地質(zhì)量杉木的林分平均高生長曲線

評(píng)價(jià)立地質(zhì)量等級(jí)算法步驟如下。

輸入：現(xiàn)有林林分年齡和林分平均高；

輸出：林地立地質(zhì)量等級(jí)。

（1）若現(xiàn)有林林分平均高位于好、中、差三條曲線之間，則：

假定輸入的現(xiàn)有杉木林分平均高為6米，在圖中用紅點(diǎn)K （a0，h0）表示，即a0＝10a、h0＝6m；

1）將A＝10代入好、中、差3種立地條件下的樹高生長模型H3、H2、H1，得到林齡為10a時(shí)3種立地條件所對(duì)應(yīng)的林分平均高分別是h1＝8.79m、h2＝7.17m、h3＝4.35m；

2）比較現(xiàn)有林分平均高與好、中、差三類林分平均高之間的大小關(guān)系。本例中h3＜h0＜h2，判定K點(diǎn)介于H3與H2林分平均高生長曲線之間。因此指定長度d與h2和h3有關(guān)；

3）計(jì)算長度d。d＝ （h2－h(huán)3）／2＝ （7.17m－4.35 m）／2，為1.41m；

4）指定端點(diǎn)與直線。因?yàn)楸容^的是林分平均高的大小，所以指定端點(diǎn)為H，測量直線為a＝10；

5）尋找標(biāo)記點(diǎn)。利用定距等分法，在直線a＝10上從指定端點(diǎn)H按長度d＝1.41標(biāo)記出點(diǎn)M；

6）比較K （10，6）點(diǎn)與 M （10，5.76）點(diǎn)的h值大小。得出K點(diǎn)在M點(diǎn)上方，因此代表現(xiàn)有林狀況的K點(diǎn)與立地條件為中等的林分樹高生長曲線H2最接近，得出結(jié)論是現(xiàn)有林林地立地質(zhì)量等級(jí)為中等；

7）算法終止。

當(dāng)輸入的林分平均高介于H1與H2兩條曲線之間時(shí)，方法與之類似。

（2）若現(xiàn)有林生長狀況位于好、中、差三條曲線之外，則：

1）將A＝10代入好、中、差3種立地條件下的樹高生長模型H1、H2、H3，得到林齡為10a時(shí)3種立地條件所對(duì)應(yīng)的林分平均高分別是h1＝8.79m、h2＝7.17m、h3＝4.35m；

2）比較現(xiàn)有林分平均高h(yuǎn)0與好、中、差三類林分平均高之間的大小關(guān)系。若h0＞h1，則立地質(zhì)量等級(jí)為好；

3）若h0＜h3，則立地質(zhì)量等級(jí)為差；

4）算法終止。

2 立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程

立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)工作流程如圖3所示。主要流程如下：

（1）判斷有林地還是無林地。通過用戶在客戶端所做的選擇，系統(tǒng)做出判斷；

（2）無林地評(píng)價(jià)。客戶端設(shè)置了各個(gè)立地條件的選項(xiàng)，根據(jù)用戶輸入的立地條件，系統(tǒng)判斷當(dāng)前立地類型。根據(jù)用戶輸入的培育目標(biāo)，系統(tǒng)向用戶提供適宜的造林模式；

（3）有林地評(píng)價(jià)。從客戶端獲得現(xiàn)有林年齡和林分平均高，經(jīng)過與已有的好、中、差三類林分平均高生長模型計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，評(píng)價(jià)當(dāng)前林分生長的好壞，輸出立地質(zhì)量等級(jí)；

（4）生長預(yù)測。用戶在客戶端提供現(xiàn)有林保留密度，系統(tǒng)向用戶提供林分樹高生長預(yù)測曲線、林分胸徑生長預(yù)測曲線、林分蓄積生長預(yù)測曲線。

圖3 立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)工作流程

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用瀏覽器／服務(wù)器 （B／S）體系結(jié)構(gòu)，以便廣大用戶可以通過瀏覽器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問。系統(tǒng)針對(duì)無林地，采用地形和土壤等主導(dǎo)因子作為評(píng)價(jià)輸入?yún)?shù)評(píng)價(jià)立地類型，根據(jù)培育目標(biāo)確定造林模式；針對(duì)有林地，通過現(xiàn)有林地上的林分年齡和林分平均高，利用生長模型對(duì)該林分進(jìn)行評(píng)價(jià)，用于確定該林分的生長狀況，然后給出建議的經(jīng)營作業(yè)法。

立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

用戶向立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)提交立地條件，“確定立地類型”處理邏輯根據(jù)用戶輸入的立地條件，調(diào)用推理規(guī)則表，確定立地類型；傳遞當(dāng)前立地類型與培育目標(biāo)到 “推薦造林模式”處理邏輯，從造林模式表中選擇與培育目標(biāo)匹配的造林模式，并將該造林模式的詳細(xì)信息反饋給用戶。

用戶向立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)提交現(xiàn)有林樹種、林齡與林分平均高，“確定立地質(zhì)量等級(jí)”處理邏輯調(diào)用林分生長模型表中該樹種的好、中、差三類林分平均高生長模型確定現(xiàn)有林立地質(zhì)量等級(jí)；“林分生長預(yù)測”處理邏輯利用現(xiàn)有林所對(duì)應(yīng)的林分生長模型預(yù)測林分平均高、平均胸徑生長與蓄積量變化；“提供林分最優(yōu)經(jīng)營作業(yè)方案”調(diào)用林分經(jīng)營知識(shí)表，將最優(yōu)撫育間伐作業(yè)方案反饋給用戶。

圖4 立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

圖5 立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)

立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括無林地造林決策、有林地立地評(píng)價(jià)與生長收獲預(yù)估兩大功能模塊：無林地造林決策可以提供當(dāng)前立地類型下符合培育目標(biāo)的造林模式；有林地立地評(píng)價(jià)與生長收獲預(yù)估首先經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有林情況與不同立地等級(jí)下的林分生長模型進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)現(xiàn)有林立地質(zhì)量等級(jí)。然后根據(jù)用戶輸入的現(xiàn)有林保留株數(shù)，選用模型庫中對(duì)應(yīng)立地條件下的林分生長模型，預(yù)估林分的胸徑、樹高生長以及材積收獲。在這兩部分功能中，每一部分都需要與用戶進(jìn)行交互，以獲得用戶實(shí)際狀況數(shù)據(jù)。在用戶操作的過程中，可以回到前面的步驟中，修改部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再重新進(jìn)入下一步業(yè)務(wù)，并且在任何時(shí)候，系統(tǒng)都允許用戶退出系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 無林地評(píng)價(jià)模塊實(shí)現(xiàn)

無林地評(píng)價(jià)在 “十一五”速生豐產(chǎn)林生產(chǎn)經(jīng)營過程信息化關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用課題中已經(jīng)做了系統(tǒng)研究［5－7］。該系統(tǒng)根據(jù)造林推理規(guī)則表向用戶逐步提出造林地的地貌、坡度、坡位、坡向、土壤厚度、土壤松緊度、土壤酸堿度、土壤種類等8個(gè)立地條件問題，系統(tǒng)根據(jù)用戶對(duì)各項(xiàng)立地條件所做出的選擇對(duì)立地類型進(jìn)行推理，即由立地條件推導(dǎo)出立地類型；再根據(jù)用戶輸入的培育目標(biāo)，從造林模式推薦表表中選擇出既滿足培育目標(biāo)，又適宜當(dāng)前立地類型的造林模式。造林模式主要包括林種、樹種、整地、造林方法、造林密度等。

3.2 有林地評(píng)價(jià)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

有林地評(píng)價(jià)功能是用戶進(jìn)入系統(tǒng)有林地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊后，首先選擇現(xiàn)有林樹種，然后按照系統(tǒng)要求輸入林齡和林分平均高，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中此樹種在各種立地條件下的生長模型和用戶輸入的林分?jǐn)?shù)據(jù)，通過定距等分?jǐn)?shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算和比較，得到現(xiàn)有林地的立地質(zhì)量等級(jí)。

有林地評(píng)價(jià)功能模塊工作流程圖如圖6所示。有林地評(píng)價(jià)過程描述如下：

圖6 有林地評(píng)價(jià)功能模塊工作流程

在取得有林地立地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果后，系統(tǒng)根據(jù)該立地條件利用另一個(gè)模塊向林農(nóng)提供撫育間伐作業(yè)方案，確定撫育采伐的開始期、撫育采伐的強(qiáng)度、撫育采伐的間隔期。如立地條件好的林分，林木自然分化來得早，宜采用早間伐、強(qiáng)度小、間隔期短的撫育間伐措施；如立地條件差的林地，盡量采用保護(hù)措施，而少加以干擾。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與模型解析

3.3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

無論是有林地的立地質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)還是林分生長收獲預(yù)測，都必須借助于林分生長模型。不同地區(qū)、不同樹種的生長模型的建模方法不同、方程形式各異，模型的形式還可能隨著生產(chǎn)實(shí)踐不斷進(jìn)行修正，為適應(yīng)這種模型的變化，需要考慮模型的存儲(chǔ)與解析的問題［11］。在本文中，生長模型表按照關(guān)系數(shù)據(jù)庫的組織形式存放，每個(gè)模型是一個(gè)記錄，每個(gè)記錄中含模型的編號(hào)、類型等數(shù)據(jù)項(xiàng)。其關(guān)系模式如下：

生長模型表 （模型編號(hào)，樹種，立地等級(jí)，模型類型，模型公式）。

表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表1，存儲(chǔ)實(shí)例見表2。

表1 生長模型表

表2 MODEL TABLE

模型編號(hào)由3部分組成，如下所示：

AAABC，其中，“AAA”為樹種編碼，同國家林業(yè)局2001年6月1日公布的中華人民共和國主要林木目錄 （第一批）中的序號(hào)一致。“B”為立地等級(jí)，“1”表示好，“2”表示中，“3”表示差?！癈”為模型類型，“1”代表林分平均胸徑生長模型，“2”代表林分平均高生長模型，“3”代表林分蓄積量生長模型。例如 “00832”表示杉木在立地等級(jí)為好的情況下的林分平均高生長模型。

3.3.2 模型解析

林分生長模型以字符串?dāng)?shù)據(jù)類型存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中［12］。由于不同的數(shù)據(jù)庫中函數(shù)的表達(dá)形式不完全相同，因此模型中的數(shù)學(xué)函數(shù)需要采用依托的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持的函數(shù)形式編寫［13］。為與模型庫中的數(shù)學(xué)函數(shù)區(qū)別開，論文限定模型中的自變量均以一個(gè)大寫字母表示，數(shù)學(xué)函數(shù)均以小寫字母表示。本系統(tǒng)的模型采用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的表進(jìn)行存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)的模型解析算法與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)，使用C＃語言實(shí)現(xiàn)。模型解析流程如圖7所示。

圖7 模型解析流程

模型解析關(guān)鍵代碼如下：

4 運(yùn)行實(shí)例

系統(tǒng)主要運(yùn)行界面如圖8所示，圖8（a）為無林地造林決策界面，圖8（b）為有林地立地評(píng)價(jià)界面。

圖8 系統(tǒng)主要界面

無林地造林決策中根據(jù)用戶選擇的地貌、坡度、坡位、坡向、土壤厚度等指標(biāo)給出立地類型，下一步通過培育目標(biāo)系統(tǒng)將給出造林模式。本實(shí)例中系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的立地條件，推理出立地類型為 “低陽中堅(jiān)”，用戶在培育目標(biāo)下拉菜單中選擇 “水土保持林”，點(diǎn)擊查看造林模式按鈕，瀏覽在低陽中堅(jiān)立地類型中培育水土保持林的造林樹種、造林密度等信息。

有林地立地評(píng)價(jià)中，通過在界面中選擇現(xiàn)有林的樹種，輸入當(dāng)前林分年齡和林分的平均高，系統(tǒng)將根據(jù)模型庫中的林分生長模型進(jìn)行立地評(píng)價(jià)和生長收獲預(yù)測。本實(shí)例中用戶所選樹種為 “北京楊”，輸入林分平均年齡為10年、林分平均高為6米，點(diǎn)擊立地質(zhì)量評(píng)價(jià)按鈕，專家評(píng)價(jià)立地質(zhì)量為 “中等”，系統(tǒng)給出北京楊在中等立地質(zhì)量情況下的林分平均高生長曲線。用戶點(diǎn)擊界面下方的生長預(yù)測按鈕，查看北京楊林分平均胸徑生長曲線與林分蓄積量變化曲線。

5 結(jié)束語

根據(jù)無林地與有林地立地評(píng)價(jià)目的的不同，分別研究了無林地的評(píng)價(jià)方法與有林地的評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了森林立地評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分考慮了林農(nóng)與林場的森林經(jīng)營管理需求，可對(duì)無林地劃分立地類型、指導(dǎo)造林決策，對(duì)有林地評(píng)價(jià)立地等級(jí)、預(yù)測林分生長。無林地評(píng)價(jià)在選擇造林模式時(shí)同時(shí)考慮了立地條件與森林培育目標(biāo)；有林地評(píng)價(jià)通過現(xiàn)有林地上的林分年齡和林分平均高，利用分別樹種、分別立地條件的林分平均高生長模型，采用定距等分法確定林分生長好壞，評(píng)價(jià)立地等級(jí)，預(yù)測林分樹高、胸徑生長和蓄積量變化；模型庫采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的組織形式存放，有利于使用高級(jí)編程語言進(jìn)行模型解析。本研究的下一步工作將根據(jù)有林地立地評(píng)價(jià)結(jié)果，給出林農(nóng)合理的撫育間伐作業(yè)方案決策建議。

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