全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (4) : 429～435
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008) 0420429207
基于 GIS建模技术的县级林业区划方法研究
张　超 1 , 黄清麟 13 , 张晓红 1 , 涂年旺 2
(1. 中国林业科学研究院资源信息研究所 ,国家林业局林业遥感与信息技术重点实验室 , 北京　100091;
2. 福建省永安市林业局 ,福建 永安　366000)
摘要 :提出了基于 GIS的县级林业区划方法框架 ;建立了永安市林业区划因素体系 ,并运用空间分析方法对各因子
进行了提取 ;探讨了基于 GIS建模技术的县级林业区划方法。通过主成分分析、建立综合模型、判别分析、确定合理
分区个数和清除细小多边形等过程 ,最终得到的区划结果能够将各相对优势区域合理分开 ,分区林业生产状况统计
数据能较清晰地反映各分区的资源状况和相对优势 ,林业建设发展方向较为明确。
关键词 :地理信息系统 ;林业区划 ;县级 ;主成分分析 ;判别分析
中图分类号 : S757. 4　　　　　文献标识码 : A
收稿日期 : 2007210225
基金项目 : 国家林业局“948”项目“森林经营单位水平森林可持续经营技术引进 (200624223) ”
作者简介 : 张超 (1980—) ,男 ,河北丰南人 ,中国林业科学研究院在读博士 ,主要从事森林可持续经营研究.3 通讯作者 :黄清麟 (1967—) ,男 ,福建莆田人 ,研究员 ,博士 ,博士生导师 ,主要从事森林经理学研究 ,主要研究方向为森林可持续经营
理论与技术.
Study on Forestry D iv ision M ethod a t Coun ty L evel Ba sed on
G IS w ith In tegra ted M odeling
ZHANG Chao1 , HUANG Q ing2lin13 , ZHANG X iao2hong1 , TU N ian2wang2
( 1. Research Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF; Key Laboratory of Forestry
Remote Sensing and Information Technology, State Forestry Adm inistration, Beijing　100091, China;
2. Yongpian Forestry Bureau, Fujian Province, Yongpian　366000, Fujian, China )
Abstract: Forestry division has been discussed rarely since 1995 in China. The growing interest in forestry p rovides
an opportunity to imp rove the research tools and app roaches that can help achieve a broad understanding of forestry
division. Based on the research in Yongpian, Fujian Province of China, a framework that may be useful in correlative
forestry division study was put forward: (1) The factor2system of Yongpian forestry division was established; (2) The
factors were extracted with the spatial analysis; (3) The forestry division method of integrated modeling at county
level based on GIS was p rocessed. The method was taken through Principal Components Analysis, building the
integrated model, D iscrim inate Analysis, seeking the ideal number of divisions and elim inating the scrappy
polygons. The outcome showed that the method based on GIS with integrated modeling can reflect the p resent
situation of the forestry development. The relative dom inant subdivisions were distinguished reasonably, and a
specific direction in forestry developmentwas given. According to the statistics of the subdivisionspistate, the relative
dom inant subdivisions were showed obviously.
Key words: GIS; forest division; county level; PCA; D iscrim inate Analysis
　　林业区划作为林业生产和森林经营的基础 ,在
我国 20世纪 70、80年代曾经全面研究和开展过 ,自
1995年以后研究较少。近年来 ,林业的地位和作用
得到越来越多人的重视 ,随着由传统林业向现代林
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
业的重大转变 ,原来的林业区划已难以适应全面建
设现代林业的要求 ;林业的经营管理实现手段发生
了较大变化 ,随着计算机技术、地理信息技术和航空
航天遥感等新技术在林业上的广泛应用 ,信息的获
取、处理和管理技术大大提高 ,为实现更加客观、科
学和准确的县级林业区划提供了条件。
近年来 ,地理信息系统技术在林业专业性区划
中的应用取得了较大的进展 ,用于辅助指导林业生
产 ,并已取得了较好成果。2002年 ,洪军等 [ 1 ]以东
北林业大学帽儿山实验林场为例 ,以森林资源调查
资料为数据源 ,结合帽儿山实验林场的地形与自身
特点 ,在 GIS支持下 ,按照森林的功能类型 ,将研究
区域的森林划分为商品经济林和生态公益林 2个经
营区 ,在此基础上又划分了 4个一级林种和 16个二
级林种 ; 2004年 ,曾思齐等 [ 2 ]以武冈林场 2003年森
林资源调查资料为数据源 ,结合武冈林场的地形与
区位特征 ,利用 A rc / Info的空间分析与数据管理功
能 ,按照森林的功能类型及森林区划技术标准 ,将武
冈林场的森林资源划分为商品林和生态公益林 2个
类型 ,在此基础上 ,二级区划分为 4个林种 ,三级区
划分为 9个林种。这些研究为探讨 GIS技术在林业
区划中的应用奠定了基础。
传统的县级林业区划方法有很多 ,例如多元统计
分析中的谱系图聚类法、正交函数排序法 ,模糊数学
中的直接模糊聚类法、模糊相似优先比法和模糊综合
评判法 ,灰色系统中的灰色聚类法、灰色局势决策法
等等 [ 3 ]。大多数指标只能依靠直接获取的数据 ,限制
了区划因子的选择范围 [ 4〗;数据计算过程较为复杂 ,
工作量较大 ,区划结果不直观 ,不能快速反复地调整
分区个数和分区界线。而利用 GIS的空间分析方法
可以提取到传统方法不能获取的因子信息 [ 5 - 6 ] ,生成
各种专题图 ,如地形地貌分布图、林种分布图、优势树
种分布图和社会经济因子分布图等 ,能直观反映林地
空间分布信息 ;结合数学建模原理与方法 [ 7 ] ,可直接
在图上快速进行县级林业区划工作 ,并能根据实际情
况和需要快速调整分区个数和分区界线 ,为林业规
划、管理和决策提供科学依据。本文以福建省永安市
为例 ,以村为区划基本单元 ,研究和探讨了基于 GIS
建模技术的县级林业区划方法。
1　研究区概况
永安市位于福建省中部偏西 ,地处 116°56′～
117°47′E, 25°33′～ 26°12′N, 全 市 总 面 积
2 940 km2 ,大体上是九山半水半分田。属亚热带海
洋性气候 ,年平均气温 14. 3～19. 2 ℃,年平均降水
量 1 490～2 060 mm;地貌以山地、丘陵和山间盆地
为主 ;根据福建省林地立地等级划分结果 ,永安市属
Ⅰ、Ⅱ级立地林地面积占全市林业用地面积
的 63% [ 8 ]。
永安市现有罗坊、上坪、槐南和青水 4个乡 ,小
陶、安砂、贡川、西洋、曹远、大湖和洪田 7个镇 ,燕
东、燕西、燕南和燕北 4个街道办事处 , 228个行政
村 [ 9 ]。根据永安市林业局 2003年森林资源基础地
理信息数据统计 :全市林业用地面积 25. 48万 hm2 ,
占总面积的 86. 26%。林业用地中有林地 23. 69万
hm2 ,疏林地 0. 06万 hm2 ,灌木林地 0. 20万 hm2 ,未
成林造林地 0. 65万 hm2 ,无林地 0. 88万 hm2。有林
地中用材林面积 12. 94万 hm2 ,蓄积 1 541. 99万
m
3 ;防护林面积 4. 60万 hm2 ,蓄积 548. 74万 m3 ;特
用林面积 0. 37万 hm2 ,蓄积 50. 42万 m3。
2　研究方法
2. 1　基于 G IS的县级林业区划方法框架
空间分析是对分析空间数据有关技术的统
称 [ 10 - 11 ]。空间分析方法包括各种几何或逻辑运算、
数理统计分析和代数运算等数学手段。GIS的空间
分析方法主要有空间查询与量算、叠置分析、缓冲区
分析、表面分析、邻域分析和空间统计分类分
析等 [ 12 ]。
本文将 GIS的空间分析技术应用于县级林业区
划方法中 ,提出了基于 GIS的县级林业区划方法框
架 ,如图 1所示。
首先 ,遵循县级林业区划的原则和依据 ,并在对
区划影响因素进行综合分析的基础上 ,分别从当地
自然条件、社会经济和林业状况等方面构建县级林
业区划的指标体系 ,运用 GIS的空间分析技术对各
指标的数据进行提取 ,建立包含各指标数据的综合
数据库。然后 ,应用空间统计分类分析方法对综合
数据库中各指标的数据进行综合分类 (分区 ) ,同时
辅以专家评判分级和决策支持 ,最终形成县级林业
区划结果和林业区划图 ,同时建立了县级林业区划
的基础数据资源库 ,在此基础上可进一步开展各种
专业性区划工作 ,并得到各类区划专题图。通过对
各指标数据的不断更新 ,能够及时得到调整后的县
级林业区划结果 ,为林业生产和森林经营提供科学
的依据。
034
第 4期 张 　超等 :基于 GIS建模技术的县级林业区划方法研究
图 1　基于 GIS的县级林业区划方法框架
2. 2　分区依据
(1)以整个区域生态、经济和社会可持续发展
为指导原则 [ 13 ] ;
(2)考虑社会、市场发展的需求。全面了解和
研究社会、市场对林业发展和布局的要求 ;
(3)考虑自然环境因子 [ 14 ]。自然条件 ,如地形
地貌、水分、温度和土壤等 ,是县级林业区划确定分
区林业发展方向的限制因素 ;
(4 ) 考虑生物生长规律 , 遵循适地适树的
原则 [ 15 ] ;
(5)考虑地区经济发展水平、林业所占地位、林
业科技及应用水平 [ 16 ]等。
2. 3　永安市林业区划因素体系
县级林业区划因素体系的建立需要充分考虑区
域林业发展条件与优势、发展方向和水平等的相似
性和差异性 ,同时考虑林业发展的主要矛盾 ,并依据
区域发展水平进行 [ 17 - 19 ]。本文通过综合分析永安
市自然条件、社会经济条件和林业生产条件对全市
林业区划的影响 ,遵循县级林业区划因素体系的建
立原则 [ 3 ] ,主要选取平均海拔、年均降水、年均温度、
≥10 ℃活动积温、农民人均纯收入、人均林业产值、
人均林地面积、林业产值占工业、农业、林业总产值
比重、林地面积比重、森林覆盖率、天然林面积比重、
生态公益林面积比重和竹林面积比重 13项指标作
为永安市林业区划因子。
2. 4　基于 GIS建模技术的县级林业区划方法
基于 GIS建模技术 [ 20 ]的县级林业区划方法的
基本思路 :利用数理统计分析中的主成分分析法 ,把
原来的多个指标化为少数几个相互独立的综合指
标 ,建立综合模型 ;对综合值 Y按其一维分布划定若
干区间 ,对各分区结果进行判别分析得到修正后的
预测分区结果 ,确定合理分区个数 ;对各区间按综合
值 Y融合 ,生成初步分类结果 ,在此基础上清除细小
多边形 ,最终生成县级林业区划图和区划结果。主
要步骤如下 :
(1)分别提取各指标的数据 ,进行主成分分析 ;
(2)根据各主成分的贡献率确定主成分个数 m ,
按照因子负荷量对各主成分命名 ;
(3)确定各主成分方程 Y1 , Y2 , . . . , Ym ;
(4)建立综合模型 [ 21 - 24 ] :
Y =
λ1
λ1 +λ2 + ⋯ +λm
Y1 +
λ2
λ1 +λ2 + ⋯ +λm
Y2 + ⋯
+
λm
λ1 +λ2 + ⋯ +λm
Ym (1)
式中 : Y为综合值 ;λ1 ,λ2 , ⋯,λm 为各主分量的特征
值 ; Y1 , Y2 , ⋯, Ym 为各主分量 ;
(5)对 Y按其一维分布划分 n个区间 ,对各分
区结果进行判别分析 ,得到各区间的正判率和修正
后的预测分类结果 ;
(6)统计各分区的林业生产现状数据 ,并进行
极差标准化处理 :
xij =
xij - xm in j
xm ax j - xm in j
(2)
(7)以各分区林业生产现状数据及极差标准化
处理后的数据为参照 ,分别判断各分区的林业发展
方向 ,将方向相同或相近的分区合并 ,讨论合理的分
区个数 ;
(8)对以上得到的合理分区结果进行融合 ;
134
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
(9)清除细小多边形 :统计细小多边形的林业
生产现状 ,与各分区林业现状平均数据对比 ,将其融
合到发展方向相同或相近的分区内 ;
(10)生成县级林业区划图及区划结果。
2. 5　数据及处理方法
本文使用的主要数据有 : 1∶25万比例尺永安市
行政区划图 , lay格式 ; 1∶1万比例尺永安市森林资
源基础地理信息数据库 , lay格式 ;永安市各乡镇多
年平均温度、年均降水量、≥10 ℃活动积温 ,纸质 ;
永安市 2003年总人口数、农业人口数、农民人均纯
收入等数据 ,纸质。这些数据主要来源于永安市林
业局、气象局和统计局等单位。
本文使用的基础空间数据库中 ,数据图层、专题
( Theme)多 ,数据来源不同 ,其投影方式、坐标系和
数据格式等不完全一致。建立规范化的标准空间数
据库是进行空间分析的前提和必要条件 ,因此 ,首先
对数据进行检查和规范化处理。
(1)地图投影转换 :利用 A rcV iew GIS的 V iew
Properties将各数据图层进行投影转换。
(2)数据格式转换 :主要在 A rcMap中 A rcTool2
Box的数据转换向导中完成。
(3)空间数据的编辑、裁剪和合并等 :空间数据
的编辑主要在 A rcV iew GIS中完成 ;数据裁剪和合并
在扩展模块中的 Geop rocessing W izard中完成。
3　结果与分析
3. 1　建立综合模型
利用 GIS的查询、量算和统计等功能分别提取
13项指标的数据 ,并对以上提取的数据进行主成分
分析 [ 25 ] ,结果如表 1、2所示。从得到的相关阵特征
值矩阵表可知 , 前 2 个主成分的累计贡献率为
84. 39% ,包含了原始数据的主要信息 ,若将其余主
成分舍去只损失总信息量的 15. 61% ,因此选取前
2个主成分构造综合模型。
由表 1可知 ,第一主成分由多因素综合影响 ,其
中平均海拔和天然林比重 2因子负荷量为最大 ;第
二主成分主要受经济因素影响 ,农民人均纯收入和
人均林业产值 2因子的负荷量为最大。
根据表 2分别得到各主成分方程 ,建立综合
模型 :
Y = 0. 700 6 Y1 + 0. 299 4 Y2 (3)
式中 : Y为综合值 ; Y1、Y2 为第一、二主分量 ,其前面
的系数为各自特征值所占一、二主分量特征值总和
的比例。
根据式 (3)计算各村单元的综合值 Y。在计算
Y1、Y2 过程中 ,代入的各因子的数值应是观测值标
准化处理后的数值。
得到综合值 Y后 ,即可对其分区划段 ,从而得到
初步分区结果。分几个区较为合适 ? 怎样分区较为
科学合理 ? 这是比较关键的。根据 Y的一维分布 ,
利用系统聚类方法 ,将 Y分割为 n个区间 ,对每个区
间分别以 1, 2, . . . , n进行标记。为使区划结果更加
合理 ,应取 n = 3, 4, . . . ,分别对各分类结果进行判
别分析 ,对修正后的预测分类结果统计各分区的林
业现状数据 ,判断其发展方向。对 n进行讨论 ,最终
得到合理的分区个数。根据永安实际情况 ,本文依
次取 n = 3, 4, 5, 6, 7,利用 SPSS软件对 Y进行系统
聚类 ,得到各初步分类结果。
表 1　特征向量
变量 主成分 1 主成分 2
平均海拔 0. 889 9 - 0. 275 4
年均降水 0. 835 2 - 0. 069 4
年均温度 - 0. 598 3 0. 348 1
活动积温 - 0. 797 3 0. 142 0
农民收入 - 0. 486 1 0. 617 9
人均林产值 0. 643 4 0. 649 6
人均林地面积 0. 821 4 0. 396 5
林产值比重 0. 648 5 0. 477 0
林地比重 0. 562 7 - 0. 126 7
覆盖率 0. 633 8 - 0. 141 4
天然林比重 0. 858 0 - 0. 080 5
公益林比重 0. 313 9 - 0. 361 2
竹林比重 0. 476 2 0. 374 8
表 2　主成分得分系数矩阵
变量 主成分 1 主成分 2
平均海拔 0. 321 0 - 0. 152 0
年均降水 0. 301 3 - 0. 038 3
年均温度 - 0. 215 8 0. 192 1
活动积温 - 0. 287 6 0. 078 3
农民收入 - 0. 175 3 0. 341 0
人均林产值 0. 232 1 0. 358 4
人均林地面积 0. 296 3 0. 218 8
林产值比重 0. 233 9 0. 263 2
林地比重 0. 203 0 - 0. 070 0
覆盖率 0. 228 6 - 0. 078 0
天然林比重 0. 309 5 - 0. 044 4
公益林比重 0. 113 2 - 0. 199 3
竹林比重 0. 171 8 0. 206 8
3. 2　确定合理分区个数
以得出的初步分类结果作为分组变量 ,以 13项
指标数据标准化后的数值作为判别依据变量 ,采用
Fisher判别系数 ,对初步分类结果进行判别分析 ,得
到修正后的预测分类结果 [ 26 ]。限于篇幅 ,下面以
n = 3为例 :
234
第 4期 张 　超等 :基于 GIS建模技术的县级林业区划方法研究
利用 SPSS软件进行判别分析 ,得到预测分类关
系 ,如表 3所示。统计 n = 3时各分区的森林资源情
况 ,包括 :用材林面积比例、经济林面积比例、防护林
面积比例、特用林面积比例和竹林面积比例 (研究区
薪炭林面积只占土地总面积的 0. 02% ,因此本文不
考虑薪炭林比例 ) ,然后对此 5个字段的数据进行极
差标准化处理 ,如表 4所示。参照各林种面积百分
比及极差标准化后的数据 ,能清晰地反映各分区的
资源现状和存在的问题 ,从而判断各分区的林业发
展方向。
表 3　预测分类关系
项目 分区
预测分类结果
1 2 3
合计
1 69 7 0 76
记录数 2 8 78 5 91
3 0 8 53 61
1 90. 79 9. 21 0. 00 100. 00
百分比 /% 2 8. 79 85. 71 5. 49 100. 00
3 0. 00 13. 11 86. 89 100. 00
表 4　分区现状统计 ( n = 3)
分区
面积百分比 /%
用材 经济 防护 特用 竹
极差标准化
用材 经济 防护 特用 竹
发展方向
1 47. 31 4. 02 16. 39 0. 51 13. 09 1. 00 1. 00 0. 13 0. 00 0. 00 用 +经
2 46. 63 2. 71 16. 03 0. 63 16. 88 0. 90 0. 35 0. 00 0. 08 0. 78 用 +竹
3 40. 17 2. 01 18. 86 2. 06 17. 92 0. 00 0. 00 1. 00 1. 00 1. 00 防 +特 +竹
　　注 :加下划线部分为相对优势较为明显的发展方向
图 2　基于 GIS综合模型的林业区划图 ( n = 3)
　　第 1分区中 ,用材林和经济林相对优势较为明
显 ,分区发展方向确定为“用材林 +经济林 ”;第 2分
区中 ,用材林和竹林相对优势较为明显 ,分区发展方
向确定为“用材林 +竹林 ”;第 3分区中 ,防护林、特
用林和竹林相对优势较为明显 ,分区发展方向确定
为“防护林 +特用林 +竹林 ”。
从表 4和图 2中可以看出 ,各分区多为若干个
相对优势区域的组合 ,分区结果较为笼统 ,区划界线
粗糙 ,在此基础上可进一步细分 ,因此 n = 3不合适。
按同样方法依次取 n = 4, 5, 6, 7,得到各分区结
果。对得到的结果对比分析 : n = 3, 4时 ,分区界线
较为粗糙 ,局部区域需进一步细分 ; n = 5时 ,各分区
相对优势均较明显 ,各分区发展方向明确 ; n = 6, 7
时 ,随着 n逐渐增大 ,分区结果趋向于破碎化 ,出现
了较多相对优势相同或相近的重复分区组合 ,因此 ,
不再赘述 n > 7的情况 ,本文选取 n = 5,即认为将研
究区划分为 5个分区较为合理。
3. 3　清除细小多边形
以上通过主成分分析和判别分析得到的分类结
果中 ,由于空间异质性 ,必然会存在一些与周围区域
相互独立的图斑 ,表现为较大区域中存在的较细碎、
独立的若干块图斑。
县级林业区划的任务是确定研究区总体范围内的
林业生产战略布局及分区林业事业的发展方向 ,属于
334
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
宏观决策 ,因此要将细碎的图斑融合到与其相邻的较
大区域内。判定细小多边形的标准应根据图斑在总体
范围内的实际分布以及研究区的面积大小、区划基本
单元大小等具体情况确定。综合考虑以上因素 ,在本
文中选取细小多边形的原则为 :明显独立于周围较大
区域的一块或两块空间上连续分布的图斑 (村单元 )。
要融合这些图斑 ,即将它们与周围区域合并 ,是
应有一定原则的 ,不能随意合并。本文的方法 :将这
些图斑的森林资源状况与每个分区的森林资源平均
状况相比较 ,以及查看其在区划图中的具体位置 ,据
以确定图斑的融合方向 (具体过程略 )。
3. 4　区划结果
按照最终调整完成的分类结果进行融合 ,最终
生成区划专题图和区划结果 ,打印输出。区划图如
图 3所示 ,区划结果的正判率情况如表 5所示。
研究结果表明 ,应用基于 GIS建模技术的区划
方法 ,以村为区划基本单元 ,得到的区划结果中 ,各
分区能够较为明确地反映分区林业发展方向 ,通过
与永安现状统计情况对比 ,区划结果在局部表现为
对现状布局的调整。
图 3　基于 GIS综合模型的永安市林业区划图
表 5　分区融合结果与 13项指标的符合情况分析
项目 分区
判别结果
1 2 3 4 5
合计
1 26 6 0 0 0 32
2 7 52 5 0 0 64
记录数 3 0 5 53 7 1 66
4 0 0 2 27 3 32
5 0 1 3 1 29 34
1 81. 25 18. 75 0. 00 0. 00 0. 00 100. 00
2 10. 94 81. 25 7. 81 0. 00 0. 00 100. 00百分比
/%
3 0. 00 7. 58 80. 30 10. 61 1. 52 100. 00
4 0. 00 0. 00 6. 25 84. 38 9. 38 100. 00
5 0. 00 2. 94 8. 82 2. 94 85. 29 100. 00
4　结论与讨论
(1)通过与永安市实际情况对比 ,参照区划结
果的正判率 ,基于 GIS建模技术的县级林业区划方
法对于各分区划分得较为准确 ,各分区的融合结果
与选定的 13项区划指标的符合情况均超过 80% ,能
够将具有相对优势的区域合理分开 ,林业建设发展
方向较为明确。
(2)通过将综合值 Y按其一维分布进行聚类划
分若干区间 ,分别讨论不同分区个数与现状的实际
符合情况 ,参照各分区各林种面积百分比及极差标
准化后的数据 ,比较、判断各分区的林业发展方向。
得到的较理想的区划结果表明分区个数的确定方法
在本文中区划方法的适用性。
(3)由于县级林业区划本身的复杂性 ,未能形
成较为科学的县级林业区划因素体系 ,本文着重探
讨了基于 GIS建模技术的县级林业区划方法 ,对县
级林业区划的因素体系未做深入研究。如何科学确
定一个具体区域林业区划的因素体系有待进一步
研究。
(4)由于时间和数据的限制 ,本文未能探讨表
面分析、邻域分析等其它空间分析功能在县级林业
区划中的应用。如何充分利用 GIS提取相关县级林
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第 4期 张 　超等 :基于 GIS建模技术的县级林业区划方法研究
业区划指标的功能有待进一步研究和完善。
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