立地是造林规划设计的主要内容, 也是造林规划其他设计的基础(孙时轩, 1992)。理论上, 相同的立地应该具备相同的森林植物生长效果, 正确地划分与评价造林地的立地状况, 是保障造林树种决策和造林密度、整地技术、幼林抚育等造林技术设计的关键, 是科学、合理造林的基础。立地类型的划分与评价包括定性与定量2种方法, 如图 1所示, 定量方法有地位级和地位指数2种, 定性则存在指示植物与立地类型划分2种方法(张万儒, 1997)。无论哪一种方法都是建立在地域分异理论基础上, 按不同的尺度分级水平进行综合与分异, 从而获得对造林地小班的立地评价与类型划分。在林场范围内, 大气候和大地貌基本保持一致, 但受土壤、水文、植被及其他环境因素的影响, 使得造林地在小班水平上的立地类型不同, 在林场范围内进行人工造林规划首先需要进行立地类型划分。应用3S技术解决立地分类与立地质量评价问题, 众多学者做过不少研究(张晓丽等, 1998; 全志杰等, 1997); 在空间决策支持和智能化空间决策支持模型方面, 也有不少学者做过研究(龚敏霞等, 2002; 马爱军等, 2002)。

本文在前人研究的基础上, 以林场造林规划设计中立地类型划分为目标, 以小班为基本单元, 以获取小班的立地类型为目的, 在组件GIS的支持下, 建立立地决策支持模型, 将造林地的空间信息与属性信息结合起来, 如数字高程模型、数字地形模型、土壤分布模型、森林分布等, 运用组件GIS提供的空间分析模块, 结合SSQL查询(谭伟等, 2005), 实现小班的立地类型自动确定与决策。

1 立地类型集合

建立的模型不仅能在试验区应用, 更需要具有普遍的适用性。根据《中国森林立地类型》 (《中国森林立地类型》编写组, 1995), 建立立地类型集合ST:

(1)

式中: st_i (i=1, 2, …, n)是ST的元素, 为立地类型。如果i≠j, 则st_i≠st_j, 表示立地类型集合中每一个元素都是独立的。st_i是根据一系列标准划分的, 可以将这些标准认为是st_i的属性。可以根据立地类型的相似性, 将一些立地进行综合, 建立高一层次的立地分类, 即立地类型组。如继续向上分级, 有立地类型小区、立地类型亚区、立地类型区、立地带、立地区域等。为了管理方便和快速解算, 在立地决策支持系统中, 将立地决策分为2级:立地亚区和立地类型。如果令立地亚区集合为St, 则:

(2)

相应地有:

(3)

如果st_i∈St (i=1, 2, …, p), 则st_i∈ST, 为了区别, 将ST称为立地类型总集合。对于立地亚区可以这样理解:一方面, 它是由立地类型组成的集合; 另一方面, 它是立地类型总集合的元素。立地类型总集合由立地亚区元素组成, 即:

(4)

式中:St_i∈ST, (i=1, 2, …, m)。立地亚区集合由立地类型组成, 有:

(5)

如此, 立地决策支持模型由2个模型组成:立地区划决策支持模型和立地类型决策支持模型。

2 立地区划决策支持模型

立地区划决策支持模型建立的理论意义是:对大地域来讲, 存在着大气候、大地貌条件的差异, 也存在着土壤、植物生理、群落的差异, 这使得在大区域范围内进行立地类型划分不可能采用完全统一的标准。为了立地决策支持模型的普遍性, 即该模型不仅能够适用于某一个林场, 而且能够扩展至全国范围内的其他林场, 需要考虑不同的地理环境条件下选用不同的立地类型划分标准。因此, 建立立地区划决策支持模型是立地决策支持模型的先决条件, 是立地决策支持模型的有机组成部分。立地区划决策支持模型的解算结果是林场所属的森林立地亚区, 根据所属的森林立地亚区可以确定林场范围内小班单元的立地类型划分标准。

构建立地区划决策支持模型, 是根据林场所属的地理位置, 在立地区域分类系统中进行搜索, 获取林场的立地区划, 即获取式(4)中的St_i, 通过分析, St_i具有以下特性:

1) 唯一性  对任意一个元素St_i∈ST, 在集合中只能是唯一存在的, 不能有完全相等的另一个元素St_j∈ST (j≠i))存在, 即:St_i≠St_j。

2) 概括性和排它性  立地亚区是森林自然地理条件综合属性的一种反映, 对于造林决策支持模型的基本单元——小班来讲, 由于小班是地理属性、生态属性、生产经营方式一致的森林地块, 因此, 全国范围内任意一个小班, 必须有唯一的一个St_i元素与它相对应。

3) 多样性  对于由多个小班组成的林场或者区、县、省, 可能存在不同的立地亚区, 即会在ST集合中找到2个或2个以上的立地亚区。如本研究的试验区——北京市房山区就属于这样的情况, 它属于海河平原森林立地亚区和太行山北段山地立地亚区。

基于这些特性, 建立立地区域决策支持模型, 如式(6) :

(6)

式中:St为作业小班的立地亚区; y=a为搜索条件, y是小班单元的一个或一组地理指标, a为指标取值; f为运算法则, 是以y=a为条件在ST中搜索, 获取St的取值, 其表示的涵义是:当小班区域中的某一个地理指标或者某几个地理指标等于某一数值时, 其所处的地域是St立地亚区。

按立地区划集合的特性——多样性, 搜索的条件理论上应该是小班单元的属性指标, 但是由于立地区划的广域分布特性和地域上的连续分布特性, 使得一定区域范围内的小班集合也处于同一立地区划下。为了决策方便和解算快速, 将搜索条件扩展至林场范围, 即y是林场的一个或者一组相应的地理指标。同时, 模型解算的值也可能存在多义性, 即在林场范围内获取的立地亚区可能不只一个, 需要对这些立地亚区进行条件限定。

一般地, 林场的地理指标可以选择2个:林场所属的行政区划, 林场范围内的经纬度范围。相应地, 算法也存在2种模式:一是基于经纬度的算法模型, 可以在1:10 000地形图的基础上通过坐标变换获取地图的经纬度, 然后在知识库中查找, 从而找到林场所在位置的立地亚区; 另一种方法是直接输入林场所在的行政区划, 然后在立地区划知识库中搜索。2种方法各有优缺点, 第一种可以唯一地获取立地亚区的名称, 但增加了知识库建立的难度, 要将全国的立地亚区所在的经纬度确定下来是一个非常大的工作量, 并且经纬度所确定的范围是一个矩形区域, 而立地亚区所在的范围并不完全是这种规则的区域, 采用这种立地亚区界定的方法必然存在着立地亚区间的重叠性, 使模型运算存在多种解。采用第二种方法的缺点是如果行政区域选择大了, 模型解算将会得到几种立地区划, 而区域选择小了, 又可能无法在知识库中找到相应的地名。在《中国森林立地类型》 (《中国森林立地类型》编写组, 1995)中, 行政区划以县(区)为单位, 则y为林场所处的县一级行政区划, a为行政区划的名称。

行政区划的来源是小班森林资源数据库, 因此, 直接对小班集合操作, 获取小班集合中的县(区)行政区划名称, 然后对模型进行解算。当出现多解时, 需要增加限制条件。在对房山区进行立地区划决策支持模型演算过程中, 增加了地貌这一限制条件:当地貌为山地时, 所属的立地亚区为太行山北段山地立地亚区; 当地貌为平原时, 立地亚区为海河平原森林立地亚区。

图 2所示为房山区蒲洼乡立地区划解算示意图, 根据蒲洼乡的区县级行政区划以及地貌形态, 解算出来其所在的立地亚区为太行山北段山地立地亚区, 其立地类型划分指标有地貌、地形部位、海拔、坡向、土层厚度、土壤质地。将该指标保存到立地分类图.shp中, 就可以对蒲洼乡各小班进行立地类型划分了。

3 立地类型决策支持模型

立地亚区确定后, 立地类型划分的标准就确定了, 可以在林场范围内进行立地类型划分。立地类型决策支持模型的基本操作模式是:首先获取小班相应立地指标的属性数据, 然后根据立地分类标准, 解算立地类型。由于数据源不一样, 可以将立地属性数据获取分为2种情况:一种是根据林相图获取小班立地各指标的属性, 另一种是根据地形单元模型和土壤单元模型进行实时解算。

3.1 林相图

近期的森林资源二类调查已经调查了林场范围内的小班立地情况, 并且保存在林相图中, 采用这种方法是一种直接的搜索算法。如式(7) :

(7)

式中:f是运算法则, 是按x=a在小班记录集合中进行搜索, 取x=a的小班, 并将其立地属性各指标对应的数据取出; Lc为林相图小班记录集合; x为林相图小班记录集合中小班编号的字段名, a为小班编号, Si为小班立地属性的取值, 也是一个集合:

(8)

需要说明的是, 由于林相图建立的非规范性, 使得立地属性数据指标在林相图小班数据库中相应的字段名也不一致, 因此, 需要建立一个字段名匹配对话框, 将需要解算的立地属性指标与林相图小班数据集中的字段名相匹配, 如图 3所示。字段匹配后, 点击确定即可从立地因子数据库中获取各因子数据, 完成解算。

3.2 根据单元模型进行解算

单元模型是立地类型决策支持模型的基本构成, 为立地类型决策支持模型提供立地类型划分所依赖的地形、土壤、生态等信息, 根据单元模型解算立地属性参数是在获取小班对象的几何形状和空间地理位置后, 调用单元模型对地形图层、土壤图层与小班图层进行叠置分析, 获取小班单元各立地属性参数。如图 4地形各因子解算对话框图, 用户也可根据需要自行选择相应立地属性参数。

3.3 立地类型决策支持模型

通过式(6)获取了造林作业小班立地类型划分的标准, 通过式(7)从林相图获取小班的立地属性或者通过单元模型解算出来各立地属性, 便可以进行立地类型模型的解算了。模型的基本结构同立地区划决策支持模型一样(式(6))。

在进行模型解算时可能存在指标表示形式的不一致, 如土壤厚度, 在有的分类体系中直接采用数值(如 < 30 cm)方法表示, 有的则用厚、中、薄来表示, 在进行解算时, 有时需要进行类型转换。

图 5为房山区蒲洼乡某一作业区小班(11060200241)的立地因子数据和解算出来的相应立地类型(土石山低中山阳坡薄土立地类型)。解算出各数据后, 将各参数数据添加至立地类型数据库中, 并按立地类型进行渲染。图 6为按立地决策支持模型解算出来的试验区立地分类渲染图。

4 结论与讨论

1) 在组件GIS的支持下, 根据空间叠置分析的基本原理和集合论的基本思想, 建立作业区立地决策支持模型, 通过对立地区划的指定获取立地类型划分指标, 在地形单元模型、土壤单元模型或者基于林相小班资源数据集的搜索模型的支持下, 进行小班立地因子各指标的解算, 得出小班的立地类型, 为树种规划及造林技术措施的决策提供数据支持。

2) 立地决策支持模型为人机交互式立地类型划分提供理论支持, 将立地分类系统存储在知识库中, 在进行模型解算时通过调用立地分类知识库既解放了人的记忆限制, 又促进了立地分类的标准化, 造林决策规划自动化具有广阔的应用前景。

3) 运用集合论的思想进行立地类型划分, 为运用空间数据分析的专业决策规划提供了基本思路。