非木材森林資源監(jiān)測管理預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計論文
非木材林產(chǎn)品是指從森林中能夠經(jīng)常獲得的除木材之外的其他可再生的生物資源[1-3],包括植物、動物、微生物資源等。具有可再生性、生產(chǎn)周期短等特點,對人類的日常生活有很大的幫助。非木材林業(yè)資源既包括非木材產(chǎn)品,還包括森林景觀等旅游資源等[4-5]。非木材森林資源監(jiān)測的目的主要是通過科學(xué)的手段,方便建立資源調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,為國家林業(yè)政策的不斷完善和改進提供必要的科學(xué)依據(jù);其次,定期或不定期、定點或不定點的監(jiān)測工作,也是一種必要監(jiān)督過程,可為國家穩(wěn)定非木材森林資源市場供求提供依據(jù)。劉學(xué)林、劉寧、淮虎銀等[6-8]人對森林資源調(diào)查方法等進行研究,為掌握非木材森林資源數(shù)量及變化提供了途徑,有利于非木材森林資源研究的深化和拓展[9-10]。
1 系統(tǒng)需求分析
1.1 系統(tǒng)目標(biāo)
開發(fā)一套“非木材森林資源監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)”,系統(tǒng)包括非木材森林資源數(shù)據(jù)庫建立,產(chǎn)量、質(zhì)量等的相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)和預(yù)警指標(biāo)、預(yù)警模型、監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入、存儲、顯示、查詢、分析,以及發(fā)布預(yù)警信號和提供輔助決策等功能,最終實現(xiàn)非木材森林資源可持續(xù)利用的目的。
1.2 運行環(huán)境
1.2.1 硬件環(huán)境。Pentium4 1.4 GHz或更高處理器的IBM PC或兼容機,至少256 M內(nèi)存,至少剩余500 M以上硬盤空間,Microsoft兼容鼠標(biāo),1 024×768或更高分辨率的監(jiān)視器,1個光驅(qū)。打印機:可選。
1.2.2 軟件環(huán)境。Windows XP及其以后的視窗系列操作系統(tǒng);MapObjects 2.2;Sybase公司的ASA 7.0(Adaptive Server Anywhere)。
1.3 功能需求
根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)要求,系統(tǒng)應(yīng)包含非木材森林資源數(shù)據(jù)庫維護模塊、圖形編輯和瀏覽模塊、查詢模塊、統(tǒng)計分析及輸出打印功能、預(yù)警模型應(yīng)用和決策支持模塊及系統(tǒng)維護模塊。
1.4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)功能需求分析,非木材森林資源監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)維護、非木材森林資源地理分布區(qū)瀏覽、預(yù)警指標(biāo)與預(yù)警模型、查詢統(tǒng)計與分析、系統(tǒng)維護等模塊,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。
數(shù)據(jù)維護:主要是對非木材森林資源的各類數(shù)據(jù)進行管理,可以這些數(shù)據(jù)進行添加、修改、刪除等操作,包含非木材森林資源基本信息維護、非木材森林資源分類信息維護、非木材森林資源地理分布維護、非木材森林資源監(jiān)測指標(biāo)維護、非木材森林資源監(jiān)測數(shù)據(jù)維護等5個子模塊。
非木材森林資源地理分布區(qū)瀏覽:主要用于對數(shù)字地圖進行操作,包含“放大顯示”、“縮小顯示”、“全體顯示”、“自由瀏覽”、“地圖標(biāo)注”、“疊加分析”等功能。
預(yù)警指標(biāo)與預(yù)警模型:主要用于設(shè)計預(yù)警指標(biāo)體系和維護預(yù)警模型,包含“預(yù)警指標(biāo)設(shè)計”和“預(yù)警模型維護”2個子模塊。其中,預(yù)警指標(biāo)體系為部分或全部監(jiān)測指標(biāo)的有機組合,根據(jù)其重要性為每個指標(biāo)賦予一定的權(quán)重;預(yù)警模型中定義了包含預(yù)警指標(biāo)的計算公式和預(yù)警閾值,供預(yù)警分析模塊使用。
查詢、統(tǒng)計與分析:主要用于圖文查詢、統(tǒng)計及預(yù)警分析、預(yù)警信號發(fā)布、輔助決策等,包含“由圖查文”、“由文查圖”、“數(shù)據(jù)分析”、“預(yù)警分析”、“報表維護”等5個子模塊。其中,由圖查文提供了鼠標(biāo)單擊選擇、鼠標(biāo)拖畫矩形框選擇和鼠標(biāo)多次點擊生成多邊形選擇等3種方式;由文查圖通過設(shè)置組合條件,在數(shù)字地圖上顯示符合條件的記錄;數(shù)據(jù)分析提供了描述性分析、方差分析和回歸分析等3種功能;預(yù)警分析通過計算預(yù)警模型中定義的公式的值,將之與預(yù)警閾值比對,如果超出安全范圍則調(diào)用預(yù)警信號發(fā)布模塊和輔助決策模塊;報表維護可以對系統(tǒng)中已定義的統(tǒng)計圖表進行修改、刪除等操作,也可以設(shè)計新的統(tǒng)計圖表。
系統(tǒng)維護:主要用于維護系統(tǒng)安全,包含系統(tǒng)設(shè)置、權(quán)限管理、用戶信息、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)等5個子模塊。其中,系統(tǒng)設(shè)置用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù);權(quán)限管理用于設(shè)置用戶對系統(tǒng)各功能模塊的使用權(quán)限,可以定義到按鈕一級;用戶信息用于顯示當(dāng)前用戶的信息,如用戶組、權(quán)限等,還包括更改當(dāng)前用戶的登錄密碼。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則
在技術(shù)上滿足一定的先進性原則的前提下,將重點考慮以下幾項原則:即實用性原則、可靠性原則、規(guī)范化原則、可擴充性原則及用戶界面良好原則。
2.2 開發(fā)工具
采用PowerBuilder 8.0(PB)和ESRI公司的MapObjects 2.2(MO)進行集成二次開發(fā)。系統(tǒng)中將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合起來管理,PB實現(xiàn)應(yīng)用界面設(shè)計、屬性數(shù)據(jù)庫維護等除GIS功能外的其他功能;MO作為組件嵌入PB中實現(xiàn)GIS相關(guān)功能,如圖層顯示、放大、縮小、漫游等。PB與MO通過COM進行通訊,建立空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián),實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能模塊。
2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立
系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)庫和柵格數(shù)據(jù)庫;非空間數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析后獲得的數(shù)據(jù)、其他文檔數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的需要和數(shù)據(jù)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求,將所收集的圖形資料通過數(shù)字化、投影變換和坐標(biāo)變換、校正處理,使它們統(tǒng)一到高斯-克里格投影中。屬性數(shù)據(jù)是與非木材森林資源緊密相關(guān)的非空間數(shù)據(jù);統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)是指對預(yù)警指標(biāo)的統(tǒng)計分析,并將其存儲于數(shù)據(jù)庫中,以進一步分析,為決策提供服務(wù);元數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)來源、精度、投影方式等,是用于對數(shù)據(jù)的說明,元數(shù)據(jù)的建立使數(shù)據(jù)共享成為可能。空間數(shù)據(jù)以多個Shape文件的形式存儲,內(nèi)部屬性數(shù)據(jù)庫以對應(yīng)的DBF文件的形式存儲,系統(tǒng)采用Sybase公司的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫ASA 7.0(Adaptive Server Anywhere)來管理外部屬性數(shù)據(jù),外部屬性數(shù)據(jù)庫以數(shù)據(jù)庫的形式存儲,并通過共同的字段值與空間數(shù)據(jù)內(nèi)部屬性表相關(guān)聯(lián)。非木材森林資源屬性數(shù)據(jù)庫的建立,可以幫助決策者和政府部門摸清全國非木材森林資源的具體分布區(qū)域,不同類型非木材森林資源的相關(guān)產(chǎn)量情況,包括數(shù)量、起源、分布、可及度及今后的變化趨勢等;評估其資源優(yōu)勢與生產(chǎn)利用情況;對非木材森林資源利用產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟和文化的作用與影響作出評估,對非木材森林資源的發(fā)展方向、目標(biāo)與前景進行分析。非木材森林資源監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)包含的主要數(shù)據(jù)表及其用途見表1。
2.4 預(yù)警功能實現(xiàn)
通過分析非木材森林資源采集、利用、流通、貿(mào)易、政策、發(fā)展等方面的影響因子確定預(yù)警指標(biāo)體系;通過參考?xì)v史數(shù)據(jù)、國際通用標(biāo)準(zhǔn)和專家意見,確定安全閾值,劃分風(fēng)險預(yù)警界限;通過回溯警情判定的過程,找出引起警情的警源,并據(jù)此提出解決方案供用戶選擇[10-12]。
2.4.1 預(yù)警指標(biāo)設(shè)計。預(yù)警指標(biāo)設(shè)計包括指標(biāo)體系的輸入、編輯、刪除及賦予權(quán)重等功能。預(yù)警指標(biāo)體系是預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ),根據(jù)指標(biāo)體系,才能確定需要收集哪些信息。構(gòu)建指標(biāo)體系必須遵循指標(biāo)入選原則和指標(biāo)體系的設(shè)計準(zhǔn)則,入選原則包括指標(biāo)含義的重要性、指標(biāo)反映目標(biāo)變動的可靠靈敏性、指標(biāo)與目標(biāo)變量的協(xié)調(diào)性、指標(biāo)刻畫目標(biāo)變動的代表性、指標(biāo)的超前性、指標(biāo)數(shù)據(jù)收集的及時性等。
指標(biāo)體系構(gòu)建一般按照以下4個步驟進行:理論準(zhǔn)備、指標(biāo)體系初選、指標(biāo)體系測驗及指標(biāo)體系應(yīng)用,具體流程見圖2。
2.4.2 預(yù)警模型維護。預(yù)警模型維護包括模型的輸入、編輯、刪除及預(yù)警臨界值的確定、預(yù)警區(qū)間的劃分等功能。預(yù)警方法是預(yù)警系統(tǒng)的核心成分,指導(dǎo)著預(yù)警指標(biāo)選擇、構(gòu)成及預(yù)警模型的創(chuàng)建,不同的預(yù)警方法衍生出不同的預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警模型。
系統(tǒng)采用統(tǒng)計預(yù)警和回歸預(yù)警2種預(yù)警方法。統(tǒng)計預(yù)警方式是對警兆與警情的相關(guān)關(guān)系進行統(tǒng)計處理,然后根據(jù)警兆的警級預(yù)測警情的警度。具體過程是:首先對警兆和警情進行時差分析,確定其先導(dǎo)長度,相關(guān)程度,然后依據(jù)警兆變動情況,運用區(qū)間分析確定警兆的警級,結(jié)合警兆的重要性進行警級綜合,最后預(yù)報警度。因為在預(yù)警過程中,用的.是統(tǒng)計方法確定諸多參數(shù),所以說統(tǒng)計預(yù)警方法是指標(biāo)預(yù)警方法合乎邏輯的精確和深化。回歸預(yù)警方式是在統(tǒng)計預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)上對預(yù)警的進一步分析,是對統(tǒng)計預(yù)警系統(tǒng)的一種補充,其實質(zhì)是建立模型之后進行回歸預(yù)測。具體而言,可以建立以下2個模型:①直接建立預(yù)警模型Ye=F(Xe),其中X為警兆變量的警度值,Y為警情變量的警度值,該模型的建立可以采用回歸分析方法;②建立預(yù)測模型Y=F(X),其中X為警兆變量的實際值,在得到Y(jié)的預(yù)測值后,再參照Y的警限,將其轉(zhuǎn)化為警度。
2.4.3 預(yù)警分析。預(yù)警分析就是警情判定的過程。通過計算預(yù)警模型中定義的公式的值,將之與預(yù)警臨界值比較,確定所處的預(yù)警區(qū)間,如果超出安全范圍則調(diào)用預(yù)警信號發(fā)布模塊和輔助決策模塊。預(yù)警臨界值的確定首先要參照已有的國際、國內(nèi)或地方標(biāo)準(zhǔn),其次可采用專家評估、系統(tǒng)模擬仿真等方法確定。不管采取何種方法確定警度區(qū)都要注重分析其發(fā)展動態(tài),在掌握較長時段發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上應(yīng)用層次聚類分析法對發(fā)展動態(tài)進行歸類是一種有借鑒意義的方法。此外,警區(qū)臨界值是靜態(tài)和動態(tài)發(fā)展的統(tǒng)一,在一定時間段內(nèi)它是一個相對穩(wěn)定的值,經(jīng)充分發(fā)展后需考慮根據(jù)實際情況重新確定臨界值。
2.4.4 輔助決策。輔助決策就是通過回溯警情判定的過程,找出引起警情的警源,根據(jù)專家知識庫中的相關(guān)知識提出相應(yīng)的解決方案供用戶選擇,以便及時排除警情。用戶最終的解決方案反饋回專家知識庫中,以進一步完善專家知識庫,使之更加智能。
3 結(jié)語
非木材森林資源從人類誕生以來就一直為人類提供必要的生活資料,在社會生活中發(fā)揮著巨大的作用。當(dāng)前,世界各國都對其進行了深入的研究,使其能夠最大限度的為人類今后的生存發(fā)展服務(wù)。現(xiàn)在的林業(yè)資源調(diào)查調(diào)查方向?qū)䴘M足社會對森林的多種要求而多樣化、多目的體系。對于非木材森林資源的調(diào)查監(jiān)測,數(shù)據(jù)的多樣性就更為突出,管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建立,既提高了非木材森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的利用率,高效評價森林效能,也在森林資源資產(chǎn)經(jīng)營評估方面起著重要的作用。非木材森林資源的開發(fā)利用應(yīng)重點進行分類經(jīng)營和資源現(xiàn)狀的調(diào)查監(jiān)測,使其在自然狀態(tài)或稍加人工干預(yù)的情況下就能快速再生,能夠較大程度滿足人類不斷增長的物質(zhì)需求[13-15]。
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