李 洪,涂宏涛,姚兴博,马国强,张 蓉,杨书宇

(国家林业和草原局西南调查规划院,昆明 650216)

目前,我国对森林资源的监测和评估主要是通过实地调查数据和遥感技术来实现[1-4],各类调查数据种类繁多,各成体系,互不兼容,而且调查工作费时费力,调查结果对于未来的资源消长情况缺乏系统的预估；在森林经营管理上,传统的森林经营方案在编写和施行的过程中缺乏直观性和决策过程的可视化,与经营区域实际情况、经营目标等匹配度低,可操作性不强,给管理者决策带来诸多困难,从而不能充分发挥森林经营方案的引领作用[5-6]。

本研究综合“第九次全国森林资源清查”建立的各优势树种,各龄组的生长率、消耗率,基于森林资源“一张图”年度更新数据,分析和预测经营单位内森林资源的发展变化规律,并科学评估森林培育、采伐、非木质资源利用与游憩和森林健康与保护等经营情况。系统开发基于.NET平台,应用C#为二次开发语言,SQL Server作为后台数据库存储平台,设计上采用模型—视图—控制器设计模式,业务与逻辑分开,系统结构清晰。通过对经营单位区域内森林资源的动态监测和评估,主要解决经营单位快速、直观的森林资源动态管理需求,并根据森林资源消长情况和经营目标导出可视化成果,指导制定经营措施,以便经营单位及时掌握区域内森林资源动态变化情况和经营目标评估分析结果。通过本文的研究,以期为科学合理地开展森林经营管理提供有价值的参考。

通过实践应用可知,本文所建立的森林资源动态监测评估系统具有很好的经济性、实用性和可操作性。通过对森林资源的动态管理和评估,可使经营单位系统、深入地掌握森林资源分布特征、更新演替规律及其与所处环境之间的相互关系,进而反映经营单位与国家层面在森林经营方向及森林类型选择上的需求差异。因此,本文可为经营单位制定具有针对性的森林多功能经营管理与调控措施提供数据支撑与理论指导。

1 监测评估系统建立基础

1.1 森林资源动态变化监测

森林资源动态监测可获得与森林有关的各方面内容的长期序列信息,从而对森林经营实施情况进行了解与评价,进而指导森林经营实践[7]。目前,我国已建立了全国森林资源清查、森林资源规划设计调查和作业设计调查等调查制度,引进了“3S”、数学模型等高新技术手段,基本形成了国家和地方森林资源监测体系,初步形成森林资源和生态状况监测基本框架[8-9]。经过多年的实践和发展,综合应用多阶遥感监测、模型技术和现地变更调查,建立了森林资源连续清查数据库、二类调查数据库、“一张图”年度变更数据库以及其他专项监测数据库,形成了大批连续多年的林业专题数据,为各级林业部门的生产和管理提供了大量的数据服务,为继续实施经营单位森林资源动态变化监测奠定了坚实的基础。本文基于目前森林资源监测体系,综合采用“第九次全国森林资源清查”数据[10]和历年森林资源“一张图”年度更新的立体监测数据(1)国家林业和草原局.森林资源“一张图”年度更新.2014—2021年.,整合其他更为翔实、有效和有针对性的森林资源专项监测成果(各省林业和草原局2016年以来不定期开展的生态公益林监测、森林火灾监测、植物病虫害监测、森林督查等),动态分析经营单位内森林资源的空间分布特征及发展变化规律。

1.2 森林多功能经营评估分析

森林是一种多资源、多功能、多效益的综合体,具有净化空气、改善林区小气候、涵养水源、净化水质、保持水土、观赏游憩和碳汇等多种功能[11]。在森林经营的整个过程中,应根据生态系统的特点、经营单位的情况及当地社会、经济条件,注重森林多种功能的发挥,以实现森林生态、经济和社会多种效益的最大化[12]。森林多功能评价是为了描述森林资源的现状,科学计量和评价森林的多种功能及效益发挥,进而更加全面地认识森林并且科学合理地实施经营。随着森林可持续发展思想的普及,森林多功能综合评价问题也逐渐成为研究热点。目前,多采用定量模型、经济价值法、层次分析法等综合评价方法对森林多种功能进行定性和定量评价[12-15]。本文以森林经营方案编制要求为目标导向,将森林多功能评价和森林资源监测紧密结合起来,综合采用数学模型分析和数理统计方法,对森林多功能经营的各个方面进行全面、客观地分析和评估,从而为经营单位提供科学可行的森林经营方案及数据支撑。

1.3 指标体系

目前,我国的森林监测及评价指标体系,主要关注森林的资源特征和环境领域,虽然多数所建立的监测体系也采用了层级结构,但不同地域森林主导功能不同,评价指标体系构成也有较大差异。常用的评价指标有木材生产、生物多样性保护、水土保持、母树保护、护路、林产品、森林游憩等[11]。本文通过对经营单位实际情况、森林经营主要目标等进行归纳,初步建立经营单位内森林资源监测评价的指标框架,包括森林资源现状、环境状况和森林主导功能经营等主要因子。森林资源现状指标包括面积、蓄积、优势树种、起源等森林结构和生长动态指标,目的是获得经营单位的森林、林地和林木资源种类、数量、质量与分布情况等；环境状况指标包括坡度、坡向、海拔、土壤类型、林地质量等森林立地因子、区位条件和自然灾害等情况；森林多功能经营指标包括森林培育、森林采伐、非木质资源利用与游憩、森林健康与保护等森林主导功能经营指标。

森林资源监测评价指标的选择要充分考虑数据的科学性、可获得性和易量化性。森林资源现状指标主要从森林资源“一张图”中获取,环境状况和森林多功能经营评价指标主要从“一张图”、“第九次全国森林资源清查”等林业专项调查信息和林业工程建设实施,以及日常收集的各类森林经营档案等资料中获得。指标构成注重能够客观、准确地反映森林结构与主导功能,数据容易获取,并且易于量化,能够进行统计分析和定量评价。本文所选指标如图1所示。

图1 森林资源动态监测评估指标

2 系统建立目标和基本内容

2.1 系统总体目标

2.1.1实现经营单位森林资源动态管理

首先,以历年森林资源“一张图”成果数据为基础,整合其他专项监测成果,录入每年森林经营措施和自然灾害等档案信息,以小班为管理对象,实现经营单位内森林资源的动态更新。选择间隔时间,能快速查询包括森林面积变化及其空间分布情况,活立木总蓄积、森林蓄积变化情况,森林起源、龄组的面积、蓄积变化情况,营造林面积、造林方式、造林树种及成活率,森林采伐面积与采伐量,森林灾害、成灾面积、灾害类型，等等,以便及时掌握经营单位内森林资源动态变化信息。其次,结合“第九次全国森林资源清查”建立的各优势树种,各龄组的生长率、消耗率,预测未来一定时期内森林资源消长变化情况。实现森林资源长时间系列现状调查数据与资源预估相结合的动态管理,以便及时有效呈现森林资源空间分布规律、动态转变过程等情况。

2.1.2指导森林经营方案编制

科学编制森林经营方案,指导森林经营单位和广大林农有效开展森林经营、评价经营效果,都离不开及时准确并落实到山头地块的森林、林地、林木信息的支撑[8]。在对经营单位内森林资源评估分析的基础上,引入模型分析方法,充分分析立地条件、森林生长潜力和生长规律,以及适宜的经营措施等,实现区域内森林培育、森林采伐、非木质资源利用与游憩、森林健康与保护等经营措施上的适宜性评估和优先实施地块自动提取,导出森林资源数表和经营模式布局图,形成可视化的评估建议。探索从森林资源分析到经营方案编制完成的辅助支持功能和可视化流程,以便实现森林经营类型可见、经营措施可控、经营单位可用的森林经营方案。

2.1.3为森林资源经营决策提供支持

通过对森林资源监测数据和各类森林经营区域进行动态管理和全面评价,使经营单位在掌握森林资源的数量和质量等特征的同时,也能及时了解森林生态环境状况、多种功能效益状况等的发展动态和变化规律；在森林经营实施过程中能全面、直观地对森林的经营水平和效果进行评价,及时总结和发现问题,从而制定具有针对性的经营策略和措施,实施符合实际、实用性和可操作性强的调控管理。

2.2 基本建设内容

2.2.1建立森林资源信息化管理系统

将经营单位内连续多年的森林资源“一张图”数据库、连续清查样地数据库以及其他专项监测数据库进行整合,统一坐标系统和数据格式,规范化入库存储,构建森林资源基础数据库管理子系统；将森林采伐、造林作业设计、自然灾害发生情况等档案资料数字化和矢量化处理,构建森林资源档案管理子系统；结合森林多功能经营模块,将森林经营措施及实施地块信息进行分类存储,建立森林经营方案管理子系统；将各子系统集成,建立一个完整的经营单位级森林资源信息化管理系统(图2)。

图2 森林资源信息化管理体系示意图

2.2.2森林资源动态更新及预测

根据各项调查监测数据和档案信息,以森林资源“一张图”数据为基础,对经营单位内的森林资源变化情况进行及时更新。全面分析现有森林资源林龄结构和生长规律,结合“第九次全国森林资源清查”建立的各优势树种,各龄组的生长率、消耗率,采用数学模型,从时间、空间二维角度预测未来经营单位内森林资源消长变化情况。初步预估未来森林资源生长潜力和发展趋势,使森林经营方案中的各项规划设计富有弹性,为森林多功能经营拟定方向和预留空间。

2.2.3森林经营优先发展区自动选取

根据经营单位的实际情况及各项专题数据库,依托GIS的空间运算功能及数据的自动重组处理技术,将森林资源监测评价指标进行模型运算和聚类分析,辅助划分森林经营类型。首先,根据森林经营方案目标,自动提取优先发展区小班,并导出经营模式分布图；其次,交互式查看森林多种功能经营适宜地块的空间位置及属性信息,将森林经营措施落实到山头地块,从而提高经营方案的可操作性。

3 监测评估系统设计

3.1 系统应用对象

系统应用对象为县级林业主管部门、国有林场等森林经营单位。主要满足经营单位对森林经营决策和森林资源信息的需求。

3.2 系统总体设计

森林资源动态监测评估系统采用C/S模式结构。以森林资源动态监测数据库为核心,运用软件开发技术,提供集成化的森林资源信息化管理系统、森林经营多功能评估信息库以及工具集。总体设计框架如图3所示。

图3 森林资源动态监测评估系统构架示意图

3.3 系统功能模块

森林资源动态监测评估系统,主要针对森林资源连续清查和森林资源年度变更所获取的立体监测数据,来进行经营单位内森林资源动态分析和多功能经营评估。系统将信息数据库管理、森林经营评估与目标提取、成果统计和可视化成果输出等技术集成一体,提供数据存储、数据管理、森林经营决策等功能。该系统软件主要功能模块包括数据上传与管理模块、森林健康与保护模块、非木质资源利用与游憩模块、森林培育模块、森林采伐利用模块、资源统计模块、专题图制作模块等(图4)。

图4 系统功能模块组成示意图

3.3.1数据上传与管理模块

数据上传与管理功能模块具有矢量数据和栅格数据的上传、存储和输出功能,包括将森林资源动态监测与评估成果输出与存储的功能。同时还具有空间和属性数据的编辑、查询、检索、图层管理等功能。

3.3.2森林健康与保护模块

森林健康与保护功能模块主要包括林地质量、森林健康等级、森林管护等的评估,可交互式显示“病虫害防治区”“火灾恢复区”“气候灾害监管区”等子模块。具有地图操作、属性数据查看、实施年度情况统计、数据查询和数据导出等功能。

3.3.3非木质资源利用与游憩模块

非木质资源利用与游憩模块主要包括“特色经济林”“林下经济”“森林游憩”等子模块,具有地图操作、属性数据查看、实施年度情况统计、查询和数据导出等功能。

3.3.4森林培育模块

森林培育模块主要包括“人工造林”“封山育林”“森林抚育-割灌除草”“森林抚育-抚育间伐”“低效林改造”“经济林提质增效”等子模块,具有地图操作、属性数据查看、实施年度情况统计、数据查询和数据导出等功能。

3.3.5森林采伐利用模块

森林采伐利用模块主要包括森林采伐区域地图和属性查看、实施年度情况统计、伐区矢量数据导出等功能。

3.3.6资源统计模块

资源统计模块主要包括“森林资源现状”“各类森林、林木面积蓄积”“有林地、疏林地、灌木林地林木林种”“经济林”等统计功能,首先,以全县、乡镇、林场等为单位进行森林资源年度变化汇总,统计输出森林资源年度监测数表；其次,结合生态建设的重点进行专题或专项分析,导出专题统计报表。

3.3.7专题图制作模块

专题图制作模块主要是设置可视化成果导出样式,快速输出经营单位区域各类森林资源空间分布图。可针对森林经营及专项工作需要,如林业有害生物防治、森林防火、天然林资源管护、人工造林等,快速制作输出林业有害生物防控图、森林火险防控图、天然林资源分布图、森林经营模式分布图等专题图。

4 成果应用分析

目前,该系统已经完成一期建设内容,取得阶段性成果。如:完成了森林资源监测评价模型,搭建了关系型数据库；完成了7个功能模块,共计56个功能点,成功获得计算机软件著作权。系统在云南省建水县森林经营方案编制中得到初步试用。通过实践应用,该系统运行稳定,数据分析高效,大大提高森林经营方案编制工作的效率。经过实践检验,该系统评估分析结论以及森林经营优先发展区选取结果与当地实际情况吻合度较高,实现了森林资源信息化管理和经营决策过程的可视化,具有较强的可靠性和实用价值。系统功能主界面如图5所示。

图5 系统功能界面示意图

5 结论与讨论

森林资源动态监测评估系统从森林资源管理和森林经营指导角度出发,有效地解决经营单位内森林资源信息分散,档案存放杂乱不全,森林经营方案指导性不强等问题。本文提出的系统设计思路集成管理了历年森林资源调查数据和不同类型的数据资料,丰富了监测信息；本文提供的空间信息展示功能,可进行空间可视化分析,实现数据可视化、地理分析与实际应用的集成,使经营单位能直观、快速地掌握森林资源空间分布规律和森林多功能经营信息,提高森林资源管理效率。

系统以森林经营方案编制为主要目标导向,将森林多功能经营评估和森林资源监测紧密结合,为森林经营决策提供专业、快速、可视的评估建议,可以大大提高森林经营方案的科学性和可操作性,为森林经营单位提供决策辅助信息,可作为制定森林经营规划和具体实施森林经营措施的基础。该系统操作方便,具有良好的可视化效果,容易维护和易扩展,满足森林资源管理和领导决策多维性的需求,是对森林资源动态管理与森林经营科学指导的有效探索。

通过系统实施,虽然积累了大量信息化实践经验,但是随着林业主管单位对森林资源属性因子及空间信息需求的日益增大,系统开发工作还需进一步的研究和完善。

1)由于森林资源影响因素较多,涉及到自然环境和人为活动等多种因素的变化,并且这些影响因素在森林资源消长过程的不同阶段产生不同的耦合作用,为森林多功能经营评估带来较多不确定因素。更加科学、可靠的评估方法是系统未来继续努力完善的方向。

2)结合森林经营总体目标和需求,完善系统输入输出和存储接口；继续入库森林资源调查监测多种数据类型的录入与统计,实现评估模型指标数据更加全面的采集；进一步完善不同源项的指标体系。

3)目前,系统能够实现森林多功能经营评估区划成图,未来将继续研究和发展,即增加基于三维的空间信息展示和模拟功能,使用户能够更加直观地感知森林资源的消长变化,辅助森林经营评估和决策。