地理信息系统在林业上的应用现状及其前景.pdf

第 33 卷 第 2期 2004年 6 月 西 部 林 业 科 学 Journal of West China Forestry Science Vol 33 No 2 June 2004 地理信息系统在林业上的应用现状及其前景 胡文英 赵 耘 1 云南师范大学旅游与地理科学学院 云南 昆明 650092 2 西南林学院 云南 昆明 650224 摘要 在概述地理信息系统 GIS 的概念 功能 应用领域的基础上 对 GIS 在林业资源管理与动态监测 林 业专题图编制 森林经营与林业工程规划 森林病虫害管理 森林防火 林业地理信息系统的建立以及林业其 他方面的应用现状进行了综述 并对GIS 在林业中的应用前景进行了探讨 指出地理信息系统在林业上应用研 究的重要性 关键词 地理信息系统 林业 应用现状 前景 中图分类号 S 757 文献标识码 A 文章编号 1672 8246 2004 02 0099 05 林业具有用地广阔 生产周期长 其所涉及的森 林系统结构复杂 森林资源附于地表等特点 而 85 以上的森林管理决策与其空间位置有关 采用传统 方法制定管理决策 缺乏直观性和决策过程的可视 化 给经营管理带来许多困难 而 GIS 能快速准确地 获取多种组合形式的林业资源统计数据 清晰直观地 表现数据之间的联系和发展趋势 实现数据可视化 以及空间地理分析与实际应用的集成 以满足森林 资源管理和领导决策的需求 进而可以利用 GIS 对 林业资源质和量的变化进行动态监测与规划 1 解 决林业上长期以来经营粗放 信息技术落后的问 题 促进林业的经营管理走上可持续发展道路 1 地理信息系统概述 地理信息系统 Geographic Information System 简 称GIS 是以采集 存储 管理 分析 显示和应 用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数 据的计算机系统 是分析和处理海量地理数据的通 用技术 2 是集计算机科学 空间科学 地理学 环境科学 管理科学于一体的新兴边缘学科 是未 来全球信息高速公路的组成部分 3 地理信息系统 经过近 40 多年的发展 已形成较为统一的功能结 构 4 内容为 1 数据的采集与编辑 2 数据 管理 3 空间查询与空间分析 4 数据输出 地理信息系统功能的不断完善 使其越来越显 示出它在应用领域中强大的生命力 成为了地理学 的 第三代语言 因而具有非常广阔的应用前景 地理信息系统的应用领域涉及自然资源管理 土地 管理 林业管理 农业和土壤 地质水文 市政管 理 社会经济 景观生态 环保 水利 军事 测 绘 旅游等诸多方面 5 2 地理信息系统在林业上的应用研究 2 1 在林业资源管理与动态监测上的应用 林业资源中的森林的面积 蓄积 类型 林 种 树种的结构和分布及变动情况等森林资源信 息 过去只能从森林资源档案中的文字表格上获得 了解 缺乏直观的空间数据 故难以分析其的变化 及空间分布规律 GIS 空间数据管理和分析功能弥 补了这一不足 它以有效的数据组织形式进行数据 库管理 更新 维护 检索查询 做到了图上的动 态管理和监测 并以多种方式输出决策所需的地理 空间信息 唐守正等人完成的林业部重点课题 森 林资源经营管理系统 设计了先进的经营管理模 式 可不断进行资源数据的更新 实现了经营管理 的动态化和现代化 牟怀义 1999 应用资源数据 的图形与数据库结合查询 分析了森林资源变化 并通过相关分析研究这种变化的空间分布规律以及 对林业生产未来发展的影响 6 在天然林和防护林 应用上 尹君等人应用 GIS 对天然林资源信息进行 管理 7 而林地面积 蓄积 地类 林分状态等林业资 源总是处于不断的动态变化中 及时了解和掌握这 类资源的现状和变化过程 就能有针对性地制定林 收稿日期 2004 01 20 第一作者简介 胡文英 1971 女 重庆合川人 讲师 主要从事遥感和地理信息系统的教学与科研工作 业的生产方案 林业的方针和政策等 在传统的管 理数据库中 这些变化仅从数量上反映出来 缺乏 直观的空间数据反映 难以分析空间变化规律性 也难以预测随时间变化的趋势 这给快捷 准确地 做出决策带来困难 GIS 的应用正好解决了这一困 难 8 现阶段 在林业资源动态监测的应用研究 中 9 10 主要是采用 RS 遥感 GPS 全球定位 系统 与 GIS 技术手段来共同完成林业资源的动态 监测 RS 为地理信息系统动态地提供和更新各种 数据 而 GPS 可为 GIS 及时采集 更新和修正数 据 自20 世纪 80 年代起 林业部门已利用地理信 息系统技术结合遥感等方法对我国森林资源进行清 查和监测 对自然条件恶劣的西藏全区进行了森林 资源清查 填补了国家空白 对我国 三北 防护 林等林业工程进行了生态功能评价 2 2 在编制各类林业专题图上的应用 地理信息系统在林业制图上的应用具有强大的 生命力 以往我国通过 二类调查 获取森林资源 数据 建立小班档案及绘制林相图等林业用图 这 些工作要花费大量的时间 人力和财力 并且图面 材料和小班数据库资料是分离的 难以长期有效地 重复利用 GIS 强大的空间数据分析和制图功能简 化了林业专题图的制作过程 经过收集整理制图信 息 经数字化处理 建立坐标投影和拓扑关系 作 编辑修改 建立图形与属性的关联 最终完成多种 林业专题图的编制 达到一次投入 多次产出的效 果 它不仅可以为用户输出全要素森林资源信息 图 而且可以根据用户需要分层输出各种专题图 如林相图 土壤图 森林立地类型图 植被分布 图等 这在林业生产实践中已有广泛应用 如龙 新毛等人 2000 年 采用 MAPGIS 建立了湖南省有 关森林分布的各种图形数据库及其属性数据库文 件 编制了符合专业要求的省图以及各种序列 图 11 袁亚东利用 GIS 进行等高线三维分析 用 其产生的地表模型编绘出人工林和天然林鸟瞰 图 12 赵鹏祥等利用 Grid 和 Tin 模型制作了陕西 省千阳造林示范区空间分析专题图 为采取有效的 造林工程措施提供了依据 13 2 3 在森林经营与林业工程规划上的应用 GIS 借助其建立的数字地面模型 可从中提取 多种地形地貌因子 然后结合土壤 气象和自然经 济调查因子 生成各种派生图 如 海拔高度分布 图 土层厚度图 以及坡形坡度图 以此可以实 现地形与造林类型的配准 叠置 直观逼真地显示 地形地貌及其造林现状 反映造林后的林地空间分 布状况 臧淑英 张冬有等在 ARC INFO 和 AR CVIEW支持下 通过空间迭代分析来获取森林资 源的最优持续利用规划方案 14 张军等利用 GIS 技术 对云南省龙川江流域进行科学 定量的退耕 还林规划 将工程实施落实到可操作的山头地块 为县级退耕还林提供了成功的范例 15 洪军等在 GIS 的支持下 对帽儿山实验林场进行森林分类经 营区划 将研究区域划分为 2 个经营区 4 个一级 林种和 16个二级林种 实现森林分类经营区划的 自动化 可视化及图形化 森林工程上 GIS 的应用 通常是把森林工程信 息通过数据输入 处理 编辑和转换 以此建立森 林工程地理信息系统基本图库和属性库 应用叠加 和缓冲区生成技术 形成专题图 利用 GIS 的空间 分析功能 结合数学模型和算法 解决木材运输最 佳运行线路 木材合理流向 在伐区调查设计上应 用 GIS 的叠加 缓冲区 裁剪等空间分析功能 制 定解决在多种空间约束下的伐区采伐顺序 皆伐面 积形状与大小 木材流向划分等问题的最优决策 以确保森林生态系统综合功能的发挥 16 20 世纪 80年代末 90 年代初 我国开始在林业工程上应用 GIS 技术 潘晓东 1989 通过计算地形指数 为 林道网规划提供地形地貌定量评价指标 从而提高 了林道网的配置效果 在采运规划设计上 应用 GIS 空间分析产生地形网络图 林价重心图 以两 图为约束条件 进行通径分析 制定林道网规划 图 通过对专题图的森林龄级结构 蓄积量分布 森林类型等的非空间属性分析 来布设伐区 利用 GIS 进行索道集材分析设计 解决集材作业区划 分 集材林场选设以及集材线路划分等问题 为伐 区工艺设计提供强有力的手段 17 2 4 在林业病虫害管理中的应用 林业病虫害是林业生产中极具破坏性的生物自 然灾害 它们的发生和影响总是与一定的地理空间 相关 因此需要对调查所获的病虫害发生及生态因 子等数据进行分析和管理 以便对林业病虫害的控 制管理活动作出正确的决策 利用 GIS 结合生物地 理统计学可以进行害虫空间分布和空间相关分析 对害虫发生动态的时空进行模拟并作大尺度数据库 的管理 其应用潜力十分巨大 如我国昆虫学工作 者利用 GIS 对马尾松毛虫 Dendrolimus punctatus 棉铃虫 Helicoverpa armigera 等分别进行了比较深 入的研究 组建了综合管理信息系统或专门的地理 100西 部 林 业 科 学 2004 年 信息系统 18 曹文田等将 MIS 与 GIS 的相结合 建立了森林病虫害防治信息系统 19 2 5 在森林防火上的应用 森林火灾是林业生产的重大灾害之一 及时的 火险预警在林业生产中具有十分重大的意义 随着 现代计算机网络和 3S 等技术的不断发展 其应 用的日趋广泛 使森林防火的方法和所采用的技术 手段发生了深刻变化 10 多年来 在森林防火决 策支持系统领域内 开展了诸如大区域范围系统的 建立 自适应显示分辨率的处理 图形图像的有关 处理技术 基于 Web 的信息发布 3S GIS RS GPS 与 DSS 技术的应用等研究 国家林业局 林业规划院于 20世纪 90年代就研制出了 林火管 理GIS 各个省 市也着手构建森林防火 GIS 李 土生等通过综合运用 3S 技术 数据库技术 网 络技术及森林防火专业技术 设计和开发了浙江省 森林防火地理信息指挥系统 20 中日信息化合作 项目 IMITT21 所建立的 防灾 森林防火信息系 统 采用了C S 数据库技术 WWW 技术 地理信 息技术和遥感技术 使之具有火点定位 火险预 报 林火行为预报 林火信息发布等功能 17 东 北林业大学王霓虹等自 1989 年起对黑龙江大兴安 岭地区的森林防火工作做了比较系统的分析研究 开发了基于GIS 的 林火数据库与辅助决策系统 目前正在大兴安岭应用 2 6 林业地理信息系统的建立 基于 GIS 强大的空间分析能力和在林业上的良 好应用前景 各种应用型林业地理信息系统纷纷涌 现 这些林业 GIS 以林场或县为单位 通过把各种 林业图表和自然地理数据数字化进入计算机后 应 用通用的 GIS 平台或采用组件开发技术 使林业资 源信息的输入 存储 显示 处理 查询 分析和 应用等功能得以实现 通过空间信息与属性信息的 结合 为林业生产的科学规划及管理 林业资源属 性数据和空间数据的管理及信息发布 项目评估 工程规划与实施 检查验收和辅助决策的制定提供 了服务 如四川省宜宾市建立的林业管理信息系 统 可提供强大的林业专题管理集成扩展功能 为 天然林保护工程管理 退耕还林工程管理 森林防 火管理 森林病虫害管理 造林规划设计 林分经 营管理 林业分类经营 野生动物栖息地调查与变 化监测等提供了一体化解决方案 实现了 GIS 技术 在市 地 州 县 区 乡 镇 三级林业管理 上的综合应用 冯秀兰等研制开发的基于 GIS 的浙 江省淳安县大墅镇林业站集体林森林资源信息管理 系统 初步实现了适合我国南方集体林区以农户经 营为特点的森林资源管理的信息化 还有内蒙古大 兴安岭 三江县 上虞市及汪清县所建立的森林资 源地理信息系统等 在林业 GIS 网络技术应用上 武刚等人设计且实现了一个基于 GIS 面向网络的 森林资源基础信息管理系统 FRMII 2 7 GIS 在林业其他方面的应用 林业是与自然环境息息相关的产业 林业中的 许多问题都涉及到空间关系 GIS 作为解决空间关 系的一个有效工具 不仅在上述几个方面得到了较 深入的应用研究 且在林业领域的其他方面也做了 初步的探讨 石军南在 GIS 技术支持下 绘出森林 资源鸟瞰图 将其应用于张家界天门山国家森林公 园 浏阳大围山国家森林公园的规划 李芝喜等人 1999 将森林生态系统和 GIS 技术结合 建立了 西双版纳勐养保护区热带林保护 GIS 同时 以亚 洲象生境为对象 建立西双版纳勐养自然保护区亚 洲象栖息地质量评价和生境监测技术系统 预测亚 洲象的栖息范围及其相应变化等 19 在森林景观 研究方面 利用 GIS 技术快捷准确地显示森林景观 的动态变化 模拟不同管理措施和经营方案的效 果 预测灾害因子对森林景观的影响 为管理者提 供决策方案 20 此外 GIS 还在野生动物管理 森 林生态效益 林区综合开发管理 林政管理 林区 人口管理及林区建设管理等方面发挥着重要作用 3 地理信息系统在林业上的应用前景 GIS 在林业生产和经营管理决策上的广泛应用 是与林业领域各学科的发展相辅相成的 一方面 GIS 在林业学科中的应用促进了学科的知识创新和 理论深化研究 促成了各学科间的相互联系 极大 地推动了林业系统科学及其分支学科的发展 另 外 随着新分支学科的建立 GIS 应用越来越广 泛 如有的学者提出利用 GIS 建立植物转基因飘流 状况的国家和省级地理信息系统 40 另一方面 各学科的不断发展和深入反过来又需要 GIS 的不断 完善 并为 GIS 提供实验基地 如为了便于更科学 合理地管理某一区域的自然资源 就需解决 GIS 同 GPS RS 以及与专家决策支持系统的耦合问题 这 将促进 GIS 技术的不断完善 GIS RS 和 GPS 的集成 3S 的集成 已成 为一种必然的趋势 3S 的集成是一种利用各自 101 第 2期 胡文英等 地理信息系统在林业上的应用现状及其前景 的技术特点快速准确地提供所需信息的技术 基本 是RS 提供最新的图像信息 GPS 提供精确的位置 信息 GIS 为图像的存储 处理 分析及应用提供 技术手段 3S 的应用可为林业生产管理和决策 者快速地提供精确的信息 森林是农业的生态屏障 也是陆地生态系统的 主体 我国森林生态功能较弱 林业生产技术总体 水平较低 对林业生产调控能力差 再加上林业生 产的高风险性 区域性 GIS 技术的发展和应用为 提高林业生产的调控能力 实现林业现代化和因地 因时的科学化管理提供了技术支持 林业生态系统 是一个极其复杂的系统 对这一系统的监测 模拟 和科学管理等复杂问题应用传统的GIS 是很难解决 的 因为这些问题需要大量的知识与经验 GIS 与 专家系统结合而成的智能 GIS 并利用神经网络模型 将成为解决这些复杂问题的重要途径 目前这方面 的研究已得到了重视 另外 随着网络 GIS 虚拟 GIS 开发式GIS 真 3 维和时空 4 维数据结构等这 些GIS 技术研究成果的推出和不断完善 林业作为 GIS 技术使用大户 必然会受到深远的影响 参考文献 1 LinHui Peng Changhui Geographic Information System in forestry Problems and Prospects J Forestry Studies in China 2000 2 1 37 48 2 张 超 地理信息系统 M 北京 高等教育出版社 1999 3 何志文 我国制图技术发展现状 J 数字制图 1995 1 59 136 4 毋河海 龚健雅 地理信息系统 GIS 空间数据结构 与处理技术 M 北京 测绘出版社 1997 5 单艳红 王建国 地理信息系统的发展动态与应用 前景 J 山东农业大学学报 1998 29 1 125 129 6 牟怀义 GIS 在南方集体林区森林经营中的应用研 究 J 林业资源管理 1999 3 64 69 7 曹善寿 云南林业信息化建设和森林资源管理 J 云南林业科技 2003 3 59 63 8 廖顺宝 资源环境科学多维信息平台研究 J 地球 科学进展 2002 17 4 503 506 9 何楚林 计算机编绘林业地图的技术方法研究 J 热带林业 1997 25 3 118 125 10 袁亚东 GIS在森林资源现状分析中的应用 J 林 业勘查设计 2000 1 72 73 11 冯秀兰 宋铁英 姚建新 等 基于 GIS 的集体林森 林资源信息管理系统的研制与开发 J 北京林业大学学报 2001 23 3 81 85 12 郑冬梅 韩爱惠 内蒙古大兴安岭地理信息系统的 建立与应用 J 林业资源管理 2000 2 55 59 13 郑 红 三江县森林资源地理信息系统开发与应 用 J 中南林业调查规划 1998 17 2 26 28 14 潘晓东 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