退耕还林工程我国从1999年开始试点实施, 2002年在全国范围内正式启动, 是我国林业史上涉及面最广、政策性最强、任务最重、群众参与度最高的生态工程(林震等, 2003)。工程的实施有利于减少水土流失、改善生态环境, 还能调整农村产业结构、促进地方经济发展, 有生态、经济、社会等多方面的效益(朱春全等, 2003)。工程的顺利实施至少需要2方面保障:一是国家政策支持, 二是科学技术支撑。近年来国家采取了多种优惠政策, 并制定了一系列标准和规范, 为退耕还林指明了方向, 但是要取得预期成效还必须有正确的技术指导。我国国土面积广袤, 自然条件地区差异大, 技术指导尤其要有区域针对性。通过卫星遥感能够获得各地区的空间数据, 数字图像处理软件能够通过特征提取和统计比较准确地得到各类属性数据, 林业上广泛使用的地理信息系统(GIS)能够对这些空间和非空间的信息进行分析处理(邱荣祖等, 2005)。

开发基于GIS的退耕还林造林决策支持系统能够为退耕还林工程的顺利实施提供技术支持。系统根据国家退耕还林指标和当地的立地因子确定适宜退耕地区; 再根据这些地区的立地因子确定该地的立地类型, 将其与知识库、专家库进行匹配选择出造林模式、技术和树种; 然后调用模型库中的植被生长模型来计算各地可能产生的生态效益与经济效益, 参照此结果可对退耕地的选择和造林模式等进行适当修改。该系统以科学的规划方法为指导, 综合应用造林知识、GIS技术、数据库技术, 能够在工程开展初期做出合理规划, 工程实施中及时地进行技术调整, 在确保退耕还林工程顺利实施的基础上, 取得最佳的生态、经济和社会效益。

1 技术基础

退耕还林造林决策支持系统的开发采用的主要计算机技术是组件式GIS (COMGIS)技术和数据库技术。COMGIS主要针对空间数据的管理, 数据库技术用于数据库的建立、访问等方面。

1.1 组件式GIS

组件式GIS是面向对象技术和组件式软件在GIS软件开发中的应用。基本思想是按照GIS的各大功能模块将其划分为能够完成不同功能的几个控件, 这些GIS控件及其他非GIS控件之间能够方便地通过可视化软件开发工具集成为GIS应用系统。属性、方法和事件是控件的通用标准接口, 能够用于任何作为ActiveX包容器的开发语言当中(宋关福等, 1998; 陆守一, 2004)。

COMGIS的特点包括:不依赖开发语言, 直接嵌入开发工具, 实现高效无缝的系统集成; 开发比较简单, 不需要专门的GIS开发语言; 开发集成GIS应用系统大众化; 各组件之间功能相对独立, 有选择的购买能降低成本; 强大的GIS功能(徐爱萍等, 2001)。

ArcGIS Engine就是客户化GIS应用提供的嵌入式开发组件。

1.2 数据库技术

在系统中访问数据库主要使用ADO对象, 它是微软提供的数据库访问组件, 系统通过对ADO中Connection对象层次赋予不同的ConnectionString属性值, 创建专门针对空间数据或非空间属性数据的连接(潘爱民, 1999; 叶良等, 2002)。空间数据的连接(由ArcGIS Engine提供)支持对图形空间要素相应编号(Object ID)的查询, 非空间数据的连接支持对数据表的链表、排序等特殊查询。

通过普通ADO对象创建与数据库连接, 能对一般数据库进行记录、字段以及表的添加、删除, 也可以对图形文件对应的属性数据库进行操作, 但是这样添加的记录没有图形要素与之对应, 因此最好是通过与数据表关联的图层上添加、删除图形要素, 自动更新其对应的属性信息。

针对带空间信息的数据表添加、删除字段和表, 都采用ESRI公司提供的组件式开发工具ArcGIS Engine中的库函数。其中对数据表的操作主要集中在ITable对象中, 用它的AddField和DeleteField方法操作字段, 使用IFeatureWorkspace对象的CreateTable方法新建表。当新创建的表是某图形文件对应的属性表时, 应该添加类型为esriFieldTypeGeometry的字段, 这样将创建图形文件、属性数据表文件和索引文件, 而通过该字段的GeometryType种类能够定义创建的图形文件类型是点、线, 还是面。通过ArcGIS Engine实现了对空间数据以及某些属性数据的操作。

2 系统开发运行环境 2.1 系统开发环境

基于GIS的退耕还林造林决策支持系统采用的是ESRI公司的ArcGIS 9.0中提供的组件式开发工具ArcGIS Engine, 开发语言是Visual Basic, 数据库为Visual FoxPro与Access。

ArcGIS Engine是从ArcObjects中构建的, 可以创建独立的应用程序或集成到第三方软件系统中使用, 适用于各种平台, 能被各种编程环境引用, 能够读取所有支持ESRI的数据格式。通过在开发环境中添加控件、工具、菜单条和对象库, 可以在应用中嵌入GIS功能。开发人员使用集成开发环境注册ArcGIS Engine开发组件, 再建立基于窗体的应用, 添加ArcGIS Engine组件并编写相应的程序代码就可以构建自己的应用。

2.2 系统运行环境

硬件配置:CPU高于500 MHz, 内存最小128 MB, 数字化仪, VGA彩显, 彩色打印机。软件配置:Oracle和Visual FoxPro数据库, 操作系统Windows 2000以上。

3 系统设计目标和原则

系统设计目标是建立能够对退耕还林工程造林进行有效决策, 方便用户查询、输出的决策支持系统, 实现退耕还林造林的数字化、信息化、智能化, 保证信息传递及时、准确, 加强上级主管部门与下级实施部门的沟通, 根据地区实际条件变化及时传达技术调整信息, 确保工程的顺利完成。

系统设计原则是以用户为中心, 根据用户需求确定系统功能, 开发过程中与用户充分沟通, 参照用户意见完善系统功能, 做到人机界面友好, 在功能实现的前提下尽量做到系统操作和维护简单、方便。模块划分要求每个模块都由单独的能够确切定义的处理功能组成, 实现高聚合度, 同时各个模块之间的联系仅停留在数据交换, 达到低耦合度(姜同强, 2004)。

4 系统构建思路

首先, 打开原始图层, 即要进行造林决策地区的矢量图。将原图进行坐标转换, 使其坐标与中国森林立地亚区图的坐标一致。再将这2个图层同时加载到一个地图窗口里面进行叠置分析, 使得决策地区图对应的属性表中添加各地块的立地亚区字段, 而每个地块都属于一个立地亚区。然后进行立地识别, 即根据地块所处的立地亚区, 与其对应的知识库中该亚区的立地因子进行匹配, 确定地块的立地类型。

其次, 将原图中各地块的立地因子同当地相关指标、生态经济状况进行匹配选择出适宜的退耕地, 决策人员能够再根据某些特殊情况对结果适当修改。将适宜退耕地的立地类型与造林模式等造林知识库进行匹配, 确定该地造林的模式、技术以及树种等。

最后, 通过植被生长模型计算在适宜的退耕地上采用初步决策结果中的造林模式、技术和树种等造林方法将会产生的生态经济效益, 然后与退耕前的生态经济效益进行比较, 并依据国家和地方规定的验收指标对适宜退耕地和适宜的造林模式等进行适当修改。见图 1。

5 系统结构和功能 5.1 系统结构

系统结构可分为3个部分:数据输入、数据处理与分析、数据输出。数据输入的主要功能是图形和属性数据输入; 数据处理和分析主要功能有属性数据管理和专业分析; 数据输出的功能有表输出、图形输出以及查询显示。退耕还林造林决策支持系统数据流程, 如图 2。

5.2 系统功能 5.2.1 数据输入

系统内数据主要包括图形数据和属性数据。图形数据是经过处理转换的遥感图像(包括各种空间信息)或数字化的地形图和专题图, 主要以Shapefile文件类型(ArcView中图形文件的保存格式)存储, 也可以自己创建新的图形文件并添加图形要素, 修改已有的图形文件; 属性数据包括带空间特征的属性数据(如各地人口), 各种造林知识库、模型库, 国家关于退耕还林的政策指标以及统计调查数据等, 系统提供记录添加、删除和修改功能。

5.2.2 属性数据管理

该模块实现的功能有字段内容修改, 字段的添加、删除, 建立、删除数据表, 拷贝表结构, 以及按字段联结表、排列表中记录的顺序。即实现对属性数据表的各种操作。

5.2.3 专业分析

专业分析是退耕还林造林决策支持系统的核心, 需要调用空间数据和属性数据。首先将决策地区的图层与中国森林立地亚区图层进行叠加得出地块的立地亚区。其次进行立地识别, 即连接知识库中依据不同的立地亚区划分的中国森林立地类型, 确定各地区的立地类型。然后根据退耕还林的相关指标与当地的立地因子进行分析, 找出适宜退耕地, 再将这些地区的立地因子与造林知识库匹配, 得出适合的造林模式、技术和树种。调用模型库中的植物生长模型进行生态经济效益预算, 并结合验收指标修正选择的退耕地和造林方法。

5.2.4 查询

实现属性数据和图形数据互相查询。根据特定的条件使用SQL语句进行查询, 查询命中地区在地图上高亮显示; 点击图形对应的属性表高亮显示对应的地理要素; 统计某个字段的最大、最小、平均值及范围等; 根据多个字段绘出统计图(条形、饼状图等); 通过点击地图上的图斑查询该地的造林模式等专业分析产生的数据, 各模式的具体内容以及其他属性数据。

5.2.5 数据输出

分图形输出和表输出2类。图形输出是将各种图、制作的专题图全部或局部在屏幕上显示或打印输出。表输出即各种表格形式的数据, 包括查询结果显示及各类统计报表。

5.2.6 系统维护

部分数据库的结构和内容不能随便改动, 例如退耕还林的检查指标等。在系统维护中可以设置用户权限, 赋予特定用户修改数据的权力。此外还包括系统的初始化和代码维护等功能。

6 系统数据库设计

退耕还林造林决策支持系统建立的主要数据库有知识库、专家库、模型库和空间属性数据库。知识库包括:中国森林立地亚区图层以及该图层的属性表; 中国森林立地类型知识库, 库中将中国森林立地类型按照其所处的立地亚区划分为不同的表存储立地类型信息; 国家关于退耕还林中退耕地选择的各种指标, 包括生态经济状况对确定退耕地的影响; 国家针对不同条件的地区制定的验收指标; 各种造林模式、技术、树种等。专家库存储各类专家意见, 主要用来对初步决策的结果进行修正, 主要用于对特殊立地或造林情况的处理方案。模型库中主要存储植被生长模型、土壤流失方程等用于预算生态经济效益的模型。

7 系统应用范例

以山西中阳县的3个地块为例, 介绍本系统部分功能。

7.1 决策前数据库

表 1中的FID是图层中图形要素的唯一标识, 按照要素添加的次序FID的值以1累加。使用专门的数据库连接方式查看属性表时, FID字段能够通过索引文件与属性表连接并且显示出来, 每一个记录表示对应该FID值的图形要素包含的属性数据。表 2为建立不同立地类型的造林模式表, 表 3为这些造林模式的具体造林措施表。

7.2 立地亚区识别

首先将原始图层的坐标进行转化, 使用属性数据输入功能和空间分析方法输入属性数据, 即各地的立地因子等。然后把原地区的图层与中国森林立地亚区图层(詹昭宁, 1995)进行叠加, 将字段“立地亚区”和“亚区编号”加入到原图层的属性表当中, 如表 4。

7.3 立地识别

在系统知识库中, 以立地亚区为单位存储着全国各地的立地类型及其对应的立地因子。将识别出立地亚区并包含立地因子的图层与不同的立地亚区表进行匹配查询, 再把识别结果(立地类型、类型编号)加入到图层相应地块的属性当中, 结果如表 4。

7.4 决策结果

进入系统后打开需要进行决策地区的立地类型图, 然后选择专业分析的辅助决策(模式), 系统自动得出立地类型适宜的模式, 将其存储在该图层对应的数据表内, 以“Model” (造林模式)字段表示, 见表 5。

用户可选择造林模式字段进行独立值渲染, 将不同的模式用不同的颜色显示出来, 并用该字段进行标注, 把对模式的决策反映到图上, 方便查看。用户选择造林模式查询后, 在图上点击想了解的区域, 能直接获得其使用模式的信息。如果需要得到造林技术树种方面的信息, 用户可选择技术或树种的查询后, 在图上点击图斑, 系统内部就会自动根据该地的造林模式从数据库中搜索造林技术、树种的信息, 用弹出窗体显示出来。例如进行造林树种查询, 点击FID为1的图斑, 结果见表 6。

系统还能够根据属性数据库中的立地类型特征数据库, 通过链表查询的方式, 对地区的立地类型进行自动识别, 然后再与立地类型匹配, 找出适宜模式, 最后查询造林方式。

8 结论与讨论

退耕还林工程中退耕地的确定, 造林措施的选择是关系退耕还林工程能否顺利进行的关键技术因素。本研究建立的退耕还林造林决策支持系统以稳定性、可靠性和扩充性为开发原则, 以人机界面友好、模块之间的高聚合和低耦合为设计原则, 实现了数据输入、属性数据管理、专业分析、数据查询、数据输出以及系统维护功能, 为退耕还林工程的造林决策提供了科学而有效的途径。

本系统还需要进一步完善, 比如造林的模式、技术等需要扩充和修改, 除了立地条件, 还应该增加经济、生态方面的因素, 以确定造林方案。