ArcGIS在通州區(qū)平原生態(tài)林經(jīng)營管理中的應(yīng)用分析

李廣會,王 凱，盛 莉，代賀然

(北京市通州區(qū)林業(yè)工作總站，北京 101100)

自2012年以來，北京市通州區(qū)相繼啟動實施了第一輪百萬畝造林工程、完善政策生態(tài)林、新一輪百萬畝造林工程以及其他綠化建設(shè)工程，平原生態(tài)林面積逐年增加，有效改善了城鄉(xiāng)人居環(huán)境，極大滿足了百姓生態(tài)休閑游憩需求。隨著北京市集體林權(quán)制度改革深入發(fā)展，北京市園林綠化局啟動了新型集體林場試點建設(shè)工作，通州區(qū)組織轄區(qū)內(nèi)全部涉農(nóng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位逐年分批建成新型集體林場試點。自2021年，通州區(qū)155 km2范圍外9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)全面進(jìn)入了新型集體林場經(jīng)營管理模式，如何推動實現(xiàn)綠化成果鞏固、森林質(zhì)量提升、功能效益增加，平原生態(tài)林資源經(jīng)營管理工作已成為園林部門長期面臨的一項重大挑戰(zhàn)與任務(wù)。隨著北京城市副中心定位通州區(qū)，各項工程建設(shè)進(jìn)程迅速加快，為及時掌握更完整的生態(tài)林資源變化情況，推動實現(xiàn)精細(xì)化養(yǎng)護(hù)經(jīng)營管理，利用現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)為平原生態(tài)林養(yǎng)護(hù)經(jīng)營管理工作服務(wù)是解決園林部門所面臨困境的重要途徑之一。

1 ArcGIS特點

ArcGIS是由Esri開發(fā)和維護(hù)的一系列客戶端軟件、服務(wù)器軟件和在線地理信息系統(tǒng)(GIS)服務(wù)。ArcGIS于1999年首次發(fā)布，最初作為ARC/INFO發(fā)布，是一個基于命令行的用于操作數(shù)據(jù)的GIS系統(tǒng)。ARC/INFO后來被合并到ArcGIS Desktop，最終在2015年被ArcGIS Pro取代。ArcGIS Pro可用于2D和3D制圖和可視化，并包括人工智能(AI)。ArcGIS產(chǎn)品不僅使用方便，功能強(qiáng)大，而且能夠支持超大數(shù)據(jù)量的存儲和用戶對響應(yīng)效率的需求，為系統(tǒng)資源的共享、系統(tǒng)的無縫升級、數(shù)據(jù)和應(yīng)用功能的平滑移植提供了有力保障。全新ArcGIS系列軟件不僅有完善的可擴(kuò)展體系結(jié)構(gòu)，在保留原來強(qiáng)大功能的基礎(chǔ)上，界面風(fēng)格更加簡單友好且易于使用。ArcGIS作為一個可伸縮的平臺，無論是在桌面、服務(wù)器，還是在野外還是通過Web，為個人用戶和群體用戶提供完備的GIS功能[1]。通過對可編程組件的合理利用，能夠從多個角度出發(fā)，實現(xiàn)對調(diào)查對象的全面分析，涉及面比較廣泛，能夠滿足各方面提出的數(shù)據(jù)信息需求，目前已在我國科研、規(guī)劃、生態(tài)修復(fù)與治理、森林資源管理等眾多領(lǐng)域中得到大范圍使用。

2 ArcGIS技術(shù)與森林資源管理

從資源管理的角度理解，森林資源是一種包含地理坐標(biāo)、樹種組成、面積等大量復(fù)雜信息的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，是陸地上最大的動態(tài)變化生態(tài)系統(tǒng)，對社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展及人類生存與人類活動具有重要意義。森林資源具有分布的遼闊性、功能的多樣性、經(jīng)營的永續(xù)性、再生的長期性等特點，因此森林資源管理工作艱巨。ArcGIS技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為森林資源有效管理提供了強(qiáng)有力的工具[2]。近年來，該技術(shù)已在森林資源的調(diào)查測繪[3]、規(guī)劃設(shè)計、地圖制圖[4]、病蟲害監(jiān)測、撫育經(jīng)營、森林防火[5]等方面得到廣泛應(yīng)用，為林業(yè)管理和決策提供了參考，信息化已成為我國林業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是實現(xiàn)森林資源精細(xì)化管理的重要技術(shù)手段之一[6]。

3 通州區(qū)生態(tài)林資源現(xiàn)狀

由于通州區(qū)已定位為北京城市副中心，京津冀協(xié)同發(fā)展的橋頭堡，同時通州區(qū)也正在全力構(gòu)建北京平原地區(qū)首個國家森林城市，以“兩帶一環(huán)一心”為綠色布局，第一條綠帶是沿潮白河的東部綠帶，第二條綠帶是沿著中心城區(qū)在西部的一條綠帶；“一環(huán)”是圍繞城市副中心155 km2形成的一個環(huán)城綠色休閑游憩環(huán)；“一心”是指城市綠心。通過大尺度建綠、大密度增綠，有效地彌補(bǔ)了首都東南部生態(tài)短板，展現(xiàn)了北京平原地區(qū)森林城市的獨特風(fēng)貌。近年來，通州區(qū)努力實踐副中心控規(guī)要求，突出“藍(lán)綠交織”建設(shè)理念，構(gòu)建大尺度城市水綠空間格局，形成東郊森林公園組團(tuán)、大運(yùn)河城市森林組團(tuán)、城市綠心森林組團(tuán)、潮白河森林景觀帶組團(tuán)、東南郊濕地森林組團(tuán)、臺湖萬畝游憩園森林組團(tuán)等多個萬畝森林斑塊。

通州區(qū)平原生態(tài)林主要是指納入北京市財政補(bǔ)助范圍的生態(tài)林，包括第一輪百萬畝平原造林、完善政策生態(tài)林、新一輪百萬畝造林等。2021年，通州區(qū)155 km2范圍外平原生態(tài)林已全部移交至新型集體林場養(yǎng)護(hù)經(jīng)營，達(dá)到1.4萬hm2，均享受市、區(qū)養(yǎng)護(hù)補(bǔ)助資金。隨著園林綠化建養(yǎng)移交工作的推進(jìn)，通州區(qū)平原生態(tài)林面積將不斷增加。為貫徹落實北京市平原生態(tài)林高質(zhì)量發(fā)展理念，鞏固平原生態(tài)林建設(shè)成果，培育健康、穩(wěn)定、安全、高效、多功能的森林生態(tài)系統(tǒng)，通州區(qū)平原生態(tài)林已由傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)向養(yǎng)護(hù)經(jīng)營方向轉(zhuǎn)變，依托新型集體林場體制和ArcGIS技術(shù)，以森林資源管理為基礎(chǔ)，實行區(qū)域資金統(tǒng)籌、差異化管理、分類分級精準(zhǔn)化養(yǎng)護(hù)，突出重點、定向培育。通過開展森林撫育、林分改造、采伐更新、護(hù)林防火、林業(yè)有害生物防控、野生動植物資源保護(hù)、豐富生物多樣性和園林廢棄物綜合利用等工作，促進(jìn)森林生態(tài)效益持久發(fā)揮及森林資源永續(xù)利用，實現(xiàn)人與自然和諧共生。

4 具體應(yīng)用

4.1 建立資源數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)確的資源數(shù)據(jù)是資源工作的最重要基礎(chǔ)之一，只有在完整準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上才能開展一系列養(yǎng)護(hù)經(jīng)營管理工作。ArcGIS技術(shù)下的數(shù)據(jù)庫是組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的有效有段，具有較高的數(shù)據(jù)獨立性，同時有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)控制功能。通州區(qū)通過整合全區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)林矢量數(shù)據(jù)，形成平原生態(tài)林資源“一張圖”，并在圖層屬性表中設(shè)置小班編號、區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、面積、主管部門、養(yǎng)護(hù)單位、經(jīng)營類型、養(yǎng)護(hù)等級等多個字段，其中小班編號是按照行政區(qū)劃代碼創(chuàng)建的小班唯一標(biāo)識(小班編號=區(qū)+鄉(xiāng)鎮(zhèn)+村+小班號)。通過建立生態(tài)林資源管理數(shù)據(jù)庫(圖1)，能夠及時掌握資源的動態(tài)變化，便于進(jìn)行信息查詢、統(tǒng)計匯總、專題制圖、在線更新等。

圖1 通州區(qū)平原生態(tài)林資源數(shù)據(jù)庫Fig.1 Plain ecological forest resource database of Tongzhou

4.2 動態(tài)監(jiān)測與預(yù)算管理隨著北京城市副中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和園林綠化建設(shè)的同步推進(jìn)，通州區(qū)平原生態(tài)林始終處于動態(tài)變化之中。為實現(xiàn)生態(tài)林資源的精細(xì)化管理，在已建立的平原生態(tài)林資源“一張圖”的基礎(chǔ)上，定期開展資源動態(tài)監(jiān)測工作，對于園林綠化工程建設(shè)形成的新增資源，及時納入資源“一張圖”數(shù)據(jù)庫管理，并輸入詳細(xì)的屬性信息；對于其他建設(shè)工程占用的平原生態(tài)林，及時調(diào)減資源面積，確保實時掌握生態(tài)林資源現(xiàn)狀和變化情況。此外，結(jié)合動態(tài)監(jiān)測工作，嚴(yán)格對圖對表，每年能夠準(zhǔn)確核算養(yǎng)護(hù)補(bǔ)助資金實際需求，提高預(yù)算編制的準(zhǔn)確性。

4.3 資源保護(hù)通州區(qū)地處北京平原地區(qū)，社會群體活動對平原生態(tài)林的干擾相對嚴(yán)重，資源保護(hù)工作面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。森林火災(zāi)是世界性林業(yè)重要災(zāi)害之一，具有突發(fā)性、隨機(jī)性、在較短時間內(nèi)能造成較大損失等特點。應(yīng)用ArcGIS技術(shù)和火情識別系統(tǒng)，通州區(qū)建立森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng),對數(shù)公里范圍內(nèi)的森林資源進(jìn)行監(jiān)測，不僅可以實時監(jiān)看和記錄森林資源情況，而且通過智能化設(shè)備自動完成對森林資源的火災(zāi)監(jiān)測和報警，輔助森林防火監(jiān)測人員完成對森林資源的自動監(jiān)測。森林病蟲害，又稱無煙森林火災(zāi)，是危害森林健康的重大隱患。通過ArcGIS技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上全面分析主要樹種的分布與面積，根據(jù)有害生物的危害規(guī)律，形成以美國白蛾、國槐尺蠖、白蠟窄吉丁等為主的有害生物監(jiān)測與防治方案，實現(xiàn)了精準(zhǔn)監(jiān)測與防治。此外，人為非法侵占林地也是毀損生態(tài)林的因素之一，通過ArcGIS技術(shù)比對多時相、多源遙感數(shù)據(jù)，快速發(fā)現(xiàn)并提取疑似圖斑(圖2)，并根據(jù)審批材料篩選出違法占地與違法建設(shè)圖斑[7-9]，達(dá)到保護(hù)森林資源的目標(biāo)。

圖2 2020和2021林地遙感影像判讀Fig.2 Interpretation of forest land remote sensing images in 2020 and 2021

4.4 分級分類養(yǎng)護(hù)經(jīng)營在養(yǎng)護(hù)經(jīng)營中開展分級分類是精準(zhǔn)提升森林質(zhì)量的重要措施。通州平原生態(tài)林已全面實行分級分類養(yǎng)護(hù)經(jīng)營管理。在ArcGIS技術(shù)應(yīng)用下，將數(shù)據(jù)庫加載至ArcGIS軟件中，并導(dǎo)入最新的遙感影像，直觀地將平原生態(tài)林每個小班呈現(xiàn)在地圖上；根據(jù)小班的區(qū)域位置和主導(dǎo)功能，將平原生態(tài)林細(xì)分為生態(tài)涵養(yǎng)型、生態(tài)廊道型、景觀游憩型(表1)。根據(jù)林分結(jié)構(gòu)配置、林相效果、養(yǎng)護(hù)經(jīng)營強(qiáng)度或者相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)，將不同類型平原生態(tài)林劃分為不同養(yǎng)護(hù)經(jīng)營等級，實行1、2、3級差異化投入，2級養(yǎng)護(hù)總面積約占60%(表2)。通過平衡區(qū)域內(nèi)1級、3級養(yǎng)護(hù)資金，建立資金統(tǒng)籌平衡機(jī)制，提高1級養(yǎng)護(hù)經(jīng)營強(qiáng)度，確保村頭片林、困難立地、重要位置節(jié)點、特殊林種等重點地塊養(yǎng)護(hù)資金得到保證，同時每年可對養(yǎng)護(hù)經(jīng)營等級進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

表1 2021年通州區(qū)平原生態(tài)林分類情況Table 1 Classification of plain ecological forest of Tongzhou District in 2021 單位：hm2

表2 2021年通州區(qū)平原生態(tài)林分級情況Table 2 Rank of plain ecological forest of Tongzhou District in 2021 單位：hm2

4.5 編制中長期森林經(jīng)營方案科學(xué)的中長期森林經(jīng)營方案是實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，在森林經(jīng)營中起著至關(guān)重要的作用，也是實現(xiàn)森林認(rèn)證的前提[10]，可為森林經(jīng)營相關(guān)措施辦法實行提供有力指導(dǎo)，也為森林經(jīng)營單位每年制訂經(jīng)營計劃提供可靠依據(jù)[11]。當(dāng)前，通州區(qū)新型集體林場正在編制平原生態(tài)林中長期森林經(jīng)營方案，包括基本情況、林木資源、生物多樣性、經(jīng)營管理等現(xiàn)狀情況；經(jīng)營原則、經(jīng)營目標(biāo)、功能區(qū)劃、經(jīng)營類型與措施等經(jīng)營方向；土壤管理、森林培育、林分結(jié)構(gòu)調(diào)整、林木移伐、改造提升、林下經(jīng)濟(jì)與園林廢棄物綜合利用、森林管護(hù)、森林防火、林業(yè)有害生物防治、生物多樣性恢復(fù)與保護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與維護(hù)等實施措施；投資估算、效益分析等資金管理；組織制度、技術(shù)支撐、監(jiān)督管理等保障措施。因此，編制中長期森林經(jīng)營方案是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，需要全面調(diào)查并處理大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在ArcGIS技術(shù)應(yīng)用下可快速實現(xiàn)森林資源的功能區(qū)劃，根據(jù)林分現(xiàn)狀、立地條件、目標(biāo)林相、功能需求明確經(jīng)營方向、培育目標(biāo)、年度任務(wù)措施和工作量[12]，顯著提升森林經(jīng)營方案編制的效率與質(zhì)量。

4.6 制訂年度養(yǎng)護(hù)經(jīng)營實施計劃北京市建立了以ArcGIS技術(shù)為主導(dǎo)的平原生態(tài)林養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)整合了全市平原地區(qū)生態(tài)林?jǐn)?shù)據(jù)資源。依據(jù)中長期森林經(jīng)營方案，按照培育方向和全周期經(jīng)營過程表，結(jié)合工作月歷和年度氣候預(yù)測等因素，在科學(xué)分級分類的基礎(chǔ)上，以“調(diào)密度、補(bǔ)幼苗、沃土壤、防病蟲、豐物種”為重點，結(jié)合林分結(jié)構(gòu)調(diào)整、櫟類等鄉(xiāng)土樹種補(bǔ)植、土壤質(zhì)量提升、生物多樣性保育小區(qū)和村頭片林建設(shè)等工作，相關(guān)養(yǎng)護(hù)單位在系統(tǒng)內(nèi)逐地塊填報養(yǎng)護(hù)經(jīng)營實施計劃，對各項養(yǎng)護(hù)經(jīng)營措施進(jìn)行量化；系統(tǒng)根據(jù)養(yǎng)護(hù)措施及工作量按定額標(biāo)準(zhǔn)自動核算計劃投入的養(yǎng)護(hù)資金，后續(xù)養(yǎng)護(hù)單位利用智能手機(jī)填報養(yǎng)護(hù)日志，系統(tǒng)隨時自動統(tǒng)計養(yǎng)護(hù)進(jìn)度，實行年度養(yǎng)護(hù)經(jīng)營措施與落實進(jìn)度情況“一張表”清單化管理。各級生態(tài)林行業(yè)管理部門通過該系統(tǒng)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)經(jīng)營實施方案的審核與批復(fù)，實時監(jiān)控養(yǎng)護(hù)進(jìn)度，全面促進(jìn)養(yǎng)護(hù)管理工作精細(xì)化和各項養(yǎng)護(hù)措施精準(zhǔn)化。

4.7 養(yǎng)護(hù)經(jīng)營監(jiān)督管理實施嚴(yán)格的養(yǎng)護(hù)經(jīng)營監(jiān)督管理是推動平原生態(tài)林質(zhì)量提升的重要保障。為確保及時發(fā)現(xiàn)并督促解決養(yǎng)護(hù)經(jīng)營過程中存在的問題，通州區(qū)依托ArcGIS技術(shù)構(gòu)建了平原生態(tài)林監(jiān)督管理信息系統(tǒng)，并配置了移動端APP；將已建立的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入監(jiān)督管理信息系統(tǒng)，行業(yè)主管部門組織人員開展不間斷全覆蓋巡查檢查，對于發(fā)現(xiàn)的不達(dá)標(biāo)問題下達(dá)整改通知單，并通過監(jiān)督管理系統(tǒng)直接發(fā)送至相應(yīng)的森林經(jīng)營主體并要求限期整改，森林經(jīng)營主體在規(guī)定期限上傳現(xiàn)場整改情況，行業(yè)主管部門安排人員進(jìn)行復(fù)核，實現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)問題—整改問題—復(fù)核檢查”閉環(huán)管理，全面提高了養(yǎng)護(hù)經(jīng)營監(jiān)督管理效率。

5 結(jié)論

經(jīng)過探索與實踐，在ArcGIS技術(shù)應(yīng)用下，通州區(qū)平原生態(tài)林養(yǎng)護(hù)經(jīng)營管理工作已建立科學(xué)有效的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了森林資源管理工作在空間數(shù)據(jù)層面上的統(tǒng)計更新，提高了森林資源管理工作的準(zhǔn)確性和效率性，為森林資源養(yǎng)護(hù)經(jīng)營管理和決策提供準(zhǔn)確、及時、全面的信息和依據(jù)；提高了管理水平，減輕了工作強(qiáng)度，為森林資源信息化管理提供了科學(xué)途徑，逐步成為更多園林工作者的有力工具[13-14]，持續(xù)推動生態(tài)文明建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。