GIS在退耕還林工程中的應(yīng)用

[摘 要] GIS（Geographical Information System，地理信息系統(tǒng)）是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理地質(zhì)學(xué)、測(cè)繪科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)等為一體的多學(xué)科結(jié)合的新興邊緣科學(xué)。文章針對(duì)GIS在退耕還林工程管理中的建立和應(yīng)用作一些探討，旨在提高退耕還林工程管理質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] GIS；地理信息系統(tǒng)；退耕還林；應(yīng)用

[作者簡介] 黃寶珍，平果縣林業(yè)技術(shù)推廣站站長、林業(yè)工程師，研究方向：“3S”技術(shù)應(yīng)用和推廣，廣西 平果，531400

[中圖分類號(hào)] P208 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1004-7723（2013）06-0030-0003

GIS（Geographical Information System，地理信息系統(tǒng)） 是近十幾年發(fā)展起來的一門綜合應(yīng)用系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理地質(zhì)學(xué)、測(cè)繪科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)等為一體的多學(xué)科結(jié)合的新興邊緣科學(xué)。它是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)的支持下，采集、存儲(chǔ)、管理、分析和描述整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)。它是融合計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫于一體，用來存儲(chǔ)和處理空間信息的高新技術(shù)，它把地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)地結(jié)合起來，根據(jù)用戶的需要將空間信息及其屬性信息準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地輸出給用戶，借助其獨(dú)有的空間分析功能和可視化表達(dá)功能，進(jìn)行各種輔助決策。

一、GIS技術(shù)應(yīng)用于退耕還林工程管理的必要性

GIS應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，遍及金融、電信、交通、國土資源、電力、水利、農(nóng)林、環(huán)境保護(hù)、地礦等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。在林業(yè)領(lǐng)域可用于森林防火、資源清查、資源檔案管理、造林經(jīng)營規(guī)劃、伐區(qū)設(shè)計(jì)、林業(yè)規(guī)劃、林區(qū)道路設(shè)計(jì)、病蟲害監(jiān)測(cè)、林業(yè)測(cè)量等專題內(nèi)容。

退耕還林工程是一項(xiàng)投資大、建設(shè)周期長的生態(tài)建設(shè)系統(tǒng)工程，是國家六大林業(yè)重點(diǎn)工程之一，同時(shí)也是一項(xiàng)富民工程、德政工程。退耕還林工作涉及面廣，政策性強(qiáng)、技術(shù)要求嚴(yán)、操作程序復(fù)雜，工程數(shù)據(jù)量、信息量、工作量大和管理時(shí)間長的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的林業(yè)管理手段已不能滿足工程的管理要求。GIS技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)退耕還林工程的進(jìn)展情況實(shí)施適時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估和監(jiān)督，不僅能保證工程建設(shè)質(zhì)量，還可有力地推動(dòng)林業(yè)管理手段的現(xiàn)代化，為實(shí)現(xiàn)“數(shù)字林業(yè)”打下基礎(chǔ)。

二、退耕還林地理信息系統(tǒng)建設(shè)方法、步驟

（一）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

1. 地形圖應(yīng)用

將1∶10000地形圖原圖掃描，按地球經(jīng)緯度坐標(biāo)配準(zhǔn)，制成具有地理意義的柵格地形圖。

（1）確定地形圖掃描分辨率。如果掃描分辨率過高，占用磁盤空間太大，系統(tǒng)運(yùn)行速度慢；如果掃描分辨率過低，在輸出柵格地形底圖時(shí)，圖像模糊不清晰，地圖失量化時(shí)精度低，所以確定一個(gè)合適的掃描分辨率是很有必要的。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，掃描分辨率確定在250～300dpi即可滿足林業(yè)上的一般應(yīng)用。

（2）地形圖掃描。1∶10000地形圖幅面較大，如有大型工程掃描儀，可整幅圖掃描錄入，然后在圖像處理軟件photoshop校正后即可使用。如果沒有大型工程掃描儀，一幅1∶10000地形圖在A3幅面的掃描儀上分成四幅掃描，形成的四幅圖像再用圖像處理軟件photoshop拼接成一幅柵格地形圖。

（3）柵格地形圖配準(zhǔn)。經(jīng)過配準(zhǔn)后的柵格圖經(jīng)保存后在下次打開時(shí)不需再配準(zhǔn)，也不宜重復(fù)修改配準(zhǔn)結(jié)果，所以柵格圖配準(zhǔn)時(shí)應(yīng)十分謹(jǐn)慎進(jìn)行。如果柵格圖配準(zhǔn)不準(zhǔn)確，會(huì)在這些柵格地形圖基礎(chǔ)上形成的矢量對(duì)象難以定位，造成無法應(yīng)用或給空間分析帶來不能反映真實(shí)情況的后果。配準(zhǔn)一幅柵格地形圖很重要的一點(diǎn)是提供準(zhǔn)確的控制點(diǎn)地理坐標(biāo)信息。控制點(diǎn)坐標(biāo)信息可從地形圖圖框上獲得，也可以用GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）實(shí)地定位獲得。每一幅圖像最基本的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)一般選取四個(gè)，但為了提高配準(zhǔn)精度，可以適當(dāng)增加控制點(diǎn)，一般來說，控制點(diǎn)越多，圖像配準(zhǔn)精度愈高。

（4）柵格地形圖數(shù)字化?，F(xiàn)有的GIS系統(tǒng)都具有圖形矢量化（又稱數(shù)字化）功能，可在屏幕上依配準(zhǔn)好的柵格地形圖采用人工描繪、人機(jī)交互矢量化、自動(dòng)矢量化等方法，創(chuàng)建數(shù)字化地形圖。

2. 行政區(qū)域界線錄入

將近期的行政區(qū)劃界線即縣界線、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線、村界線等在配準(zhǔn)好的柵格地形圖基礎(chǔ)上繪入成數(shù)字圖，縣、鄉(xiāng)、村界線分別建立相應(yīng)的圖層文件進(jìn)行保存，對(duì)應(yīng)的線形狀、大小按有關(guān)制圖標(biāo)準(zhǔn)輸入。

3. 林業(yè)區(qū)劃界線錄入

縣級(jí)林業(yè)的區(qū)劃一般為縣-鄉(xiāng)-村-林班（-經(jīng)營班）-小班五級(jí)區(qū)劃，在縣、鄉(xiāng)、村行政區(qū)劃界線的基礎(chǔ)上，建立林班圖層文件，將區(qū)劃的林班、經(jīng)營班界線繪入、保存。區(qū)劃的林班、經(jīng)營班應(yīng)和近期的“二類”調(diào)查相一致。建立“二類”調(diào)查小班圖層文件?！岸悺闭{(diào)查小班數(shù)量多，小班界線的錄入應(yīng)采用掃描錄入，經(jīng)配準(zhǔn)、矢量化并通過拓?fù)湓靺^(qū)的方法生成各個(gè)小班區(qū)域后制成數(shù)字圖。

4. 退耕小班設(shè)計(jì)圖錄入

建立退耕小班設(shè)計(jì)圖層文件，圖層文件的字段結(jié)構(gòu)與《廣西退耕還林工程信息管理系統(tǒng)》的作業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表的字段結(jié)構(gòu)相一致。退耕小班設(shè)計(jì)圖錄入有兩種方法：一是采用掃描錄入辦法，即把退耕還林工作圖上的小班描繪到干凈的繪圖紙上，通過掃描把小班圖形錄入計(jì)算機(jī)，經(jīng)配準(zhǔn)、矢量化后制成數(shù)字圖，適于退耕小班數(shù)量多的情況下使用，但工序多，易造成配準(zhǔn)不正確而產(chǎn)生人為誤差；二是直接在計(jì)算機(jī)上根據(jù)配準(zhǔn)后的柵格地形底圖繪制成數(shù)字圖，適于退耕還林小班數(shù)量較少的情況下使用，精度取決于操作員的繪圖水平，發(fā)現(xiàn)小班形狀、界線有偏差可及時(shí)糾正。將GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）測(cè)量的數(shù)據(jù)信息輸入成為小班圖，實(shí)現(xiàn)退耕還林小班設(shè)計(jì)圖的準(zhǔn)確錄入。

5. 設(shè)計(jì)圖與退耕還林設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫連接

在各小班的屬性因子中輸入基本的空間代碼（即鄉(xiāng)鎮(zhèn)-村-林班-小班），通過空間代碼與原有的退耕還林?jǐn)?shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)庫連接要確保圖上的小班與數(shù)據(jù)庫小班嚴(yán)格保持一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系：要求設(shè)計(jì)圖的每一個(gè)小班，退耕還林?jǐn)?shù)據(jù)庫中都有一條記錄與之對(duì)應(yīng)。反之，退耕還林?jǐn)?shù)據(jù)庫上的每一條記錄，設(shè)計(jì)圖僅有一個(gè)小班與之對(duì)應(yīng)，這種對(duì)應(yīng)具有唯一性。至此，退耕還林GIS管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、錄入基本完成。

（二）退耕還林地理信息系統(tǒng)

1. 系統(tǒng)概述

平果縣退耕還林管理信息系統(tǒng)是筆者自行研制開發(fā)的一個(gè)以退耕還林管理信息為主要管理對(duì)象的應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)，其主要目的是建立一個(gè)能快速提供實(shí)時(shí)性強(qiáng)、真實(shí)準(zhǔn)確的退耕還林工程實(shí)施信息，并能實(shí)現(xiàn)快速查詢、綜合分析等操作的系統(tǒng)，為退耕還林的各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、科學(xué)化管理和快速查詢分析的目的。該系統(tǒng)選擇美國MapInfo公司MapInfo系統(tǒng)為基本平臺(tái)，利用MapInfo的二次開發(fā)工具M(jìn)apBasic開發(fā)。

2. 系統(tǒng)各模塊功能

（1）屬性數(shù)據(jù)庫掛接模塊。第一，空間代碼數(shù)據(jù)代碼完整性檢查。檢查設(shè)計(jì)圖輸入的空間代碼即鄉(xiāng)代碼、村代碼、林班號(hào)、小班號(hào)是否漏、缺項(xiàng)，和林班區(qū)劃圖比較，設(shè)計(jì)圖的鄉(xiāng)代碼、村代碼、林班號(hào)輸入是否有誤。對(duì)檢查出錯(cuò)的小班的更正為正確的空間代碼。第二，空間代碼數(shù)據(jù)唯一性檢查。檢查在同一林班內(nèi)是否有相同的兩個(gè)或兩個(gè)以上的小班，確保設(shè)計(jì)圖的小班不重復(fù)。第三，作業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫小班完全對(duì)應(yīng)檢查。檢查作業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫小班和設(shè)計(jì)圖空間代碼是否完全一一對(duì)應(yīng)。第四，屬性數(shù)據(jù)庫掛接。經(jīng)過圖小班數(shù)據(jù)唯一性檢查和數(shù)據(jù)庫小班完全對(duì)應(yīng)檢查后，小班屬性數(shù)據(jù)庫掛接才準(zhǔn)確無誤。

（2）小班面積自動(dòng)生成模塊。根據(jù)生成的面積和小班設(shè)計(jì)面積進(jìn)行比較，可篩選出設(shè)計(jì)面積誤差偏大的小班。

（3）設(shè)計(jì)圖輸入修改模塊。增加、刪除、修改、編輯退耕還林小班設(shè)計(jì)圖。

（4）查詢模塊。使用MapBasic結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）select命令開發(fā)，除具有SQL強(qiáng)大的數(shù)據(jù)查詢功能外，還具有很強(qiáng)的地理信息查詢功能。第一，鄉(xiāng)鎮(zhèn)定位查詢。輸入鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼或鄉(xiāng)鎮(zhèn)名即可漫游到相應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。第二，村級(jí)定位查詢。輸入鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼、村代碼或鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、村名即可漫游到相應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的村。第三，組定位查詢。輸入鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼、村代碼或鄉(xiāng)鎮(zhèn)名、村名即可漫游到相應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的村。依此相應(yīng)實(shí)現(xiàn)林班查詢、小班查詢、作業(yè)小班查詢、農(nóng)戶查詢等查詢內(nèi)容。第四，選圖查詢。選擇設(shè)計(jì)圖的一個(gè)或多個(gè)小班，可查詢相應(yīng)的農(nóng)戶名、退耕面積、造林樹種、退耕年度等相關(guān)信息。

（5）林班設(shè)計(jì)圖打印模塊。第一，打開設(shè)計(jì)圖及地形圖底圖。預(yù)先打開林班設(shè)計(jì)圖所要使用的地形圖、林班界線、林班標(biāo)注、設(shè)計(jì)圖。第二，林班圖打印。輸入要打印的林班號(hào)即由系統(tǒng)自動(dòng)生成帶相關(guān)信息圖表的退耕還林作業(yè)設(shè)計(jì)圖，打印即可輸出相應(yīng)的林班設(shè)計(jì)圖。

（6）林權(quán)證簽發(fā)模塊。第一，自動(dòng)生成小班四至經(jīng)緯度子模塊。根據(jù)系統(tǒng)生成的小班四至經(jīng)緯度坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系），或根據(jù)小班和鄰近小班的拓?fù)潢P(guān)系，以小班鄰近的農(nóng)戶退耕地塊為四至界限的表述，更新數(shù)據(jù)庫的小班四至范圍，在確權(quán)發(fā)證中應(yīng)用，提高位置表述的精度和準(zhǔn)確度。第二，林權(quán)圖打印子模塊。根據(jù)退耕還林驗(yàn)收結(jié)果和林權(quán)證的發(fā)放程序，對(duì)可簽發(fā)林權(quán)證的農(nóng)戶，只需在本模塊界面中輸入相應(yīng)的農(nóng)戶名，該農(nóng)戶所有各年度的退耕地塊就能按林權(quán)所要求的樣式打印輸出。然后用國家林業(yè)局中南院編制的《林權(quán)證管理信息系統(tǒng)》簽發(fā)林權(quán)證。

三、退耕還林GIS管理系統(tǒng)應(yīng)用效益評(píng)價(jià)

建立了退耕還林GIS管理系統(tǒng)后，可產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）小班面積求算很容易

面積求算是GIS的一個(gè)基本功能，由于GIS所使用的地圖投影和紙質(zhì)地圖的投影相同，一幅地形圖在GIS系統(tǒng)中經(jīng)配準(zhǔn)后，用GIS計(jì)算的圖幅面積和圖幅理論面積應(yīng)相同或者有極小的誤差（這個(gè)誤差是柵格圖配準(zhǔn)有誤差、地形圖掃描前已變形、掃描儀掃描誤差、失量化誤差、操作誤差等造成的），所以用GIS求算的小班面積不經(jīng)小班面積平差即可使用。只要小班區(qū)域界線繪制好，就可用GIS求算小班面積，這比傳統(tǒng)的小班面積求算方法快了許多倍。GIS計(jì)算面積的誤差只是小班的勾繪描圖這環(huán)節(jié)，還可避免常規(guī)面積計(jì)算中人為計(jì)算誤差、圖紙變形等造成的誤差。

（二）制作精美地圖

地圖制作是GIS最原始的應(yīng)用。退耕還林工程作業(yè)設(shè)計(jì)圖、驗(yàn)收?qǐng)D、分布圖等管理圖件，如果用傳統(tǒng)的手工制作，很難達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。而使用GIS制作，不僅制作的地圖精美，而且比手工制作快得多。特別是分布圖的制作，輸入所有的小班后，關(guān)閉林班界線等不需要顯示的信息，疊加需要表現(xiàn)的圖層，經(jīng)縮小到合適的比例后，可做成相應(yīng)的分布圖。

（三）查詢功能強(qiáng)大

GIS都可以實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的雙向查詢和同步更新。在顯示的圖形上，可對(duì)感興趣的某一部分區(qū)域進(jìn)行查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)庫信息，圖、表并茂輸出給用戶，即某退耕農(nóng)戶的退耕地所在位置、范圍和該地塊的退耕地面積、造林樹種、退耕造林年度、檢查驗(yàn)收成活率等各種信息都能以圖形和表格的形式輸出，查詢方式直觀而便捷。

（四）數(shù)據(jù)更新容易，工作效率顯著提高，節(jié)約時(shí)間和經(jīng)費(fèi)

由于常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)僅能進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，無法反映實(shí)際空間位置信息，如果數(shù)據(jù)的錄入產(chǎn)生錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)檢查又沒有發(fā)現(xiàn)，造成在北方甲鄉(xiāng)的某農(nóng)戶在作業(yè)設(shè)計(jì)錄入中把其空間代碼填在南方的乙鄉(xiāng)等不符合實(shí)際的結(jié)果。而利用GIS規(guī)劃設(shè)計(jì)可以很容易對(duì)這些空間數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)信息不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

退耕還林工程的管理基本要求是每年都要進(jìn)行一次檢查驗(yàn)收，如果在檢查中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的某個(gè)小班的邊界不符合實(shí)地，則要重新勾繪該小班，對(duì)該小班的邊界線進(jìn)行調(diào)整，并重新計(jì)算該小班面積。地圖的更新比紙質(zhì)地圖的更新更加容易。利用GIS面積計(jì)算功能，可容易地對(duì)變動(dòng)的小班面積進(jìn)行自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)退耕還林工程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（五）地理空間數(shù)據(jù)可自由地共享和交換

地理空間數(shù)據(jù)量大，管理海量數(shù)據(jù)是GIS的基本特點(diǎn)，在GIS系統(tǒng)中建立的地理空間數(shù)據(jù)，可在各個(gè)用戶中自由地共享和交換。而這些數(shù)據(jù)只要在一臺(tái)計(jì)算機(jī)生成，就可在其他計(jì)算機(jī)上使用，數(shù)據(jù)并未受損失。經(jīng)建立起的退耕還林地理信息系統(tǒng)，可共享使用原始的數(shù)據(jù)資源，如地圖數(shù)據(jù)、區(qū)劃界線等基礎(chǔ)信息，從而可輕易地建立其他專題的地理信息管理系統(tǒng)，如森林資源管理信息系統(tǒng)、森林防火信息系統(tǒng)、森林病蟲害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)等；也可供林業(yè)部門外的行業(yè)建立其需要的地理信息系統(tǒng)。

（六）防止造林地塊重疊

將各個(gè)年度的退耕還林作業(yè)設(shè)計(jì)小班全部在一個(gè)圖層文件進(jìn)行管理，通過GIS系統(tǒng)具有的區(qū)域重疊檢查功能，可以自動(dòng)檢查設(shè)計(jì)的造林地塊有無交叉重疊，防止重報(bào)、冒報(bào)退耕還林面積。利用此功能發(fā)放林權(quán)證，能夠直觀反映出已發(fā)證的地塊和未發(fā)證的地塊，確保發(fā)證地塊不重疊。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐祖艦.GIS入門與提高[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001.

[2]羅云啟，羅毅.數(shù)字化地理信息系統(tǒng)MapInfo應(yīng)用大全[M].北京：北京希望電子工業(yè)出版社，2001.