1、2023 Vol.55 No.3林 业 科 技 情 报基于改进遗传算法的森林树木栽植培育规划方法王梦薇1 郑理敏2(1.龙泉市道太乡林业工作站,浙江 龙泉 323700;2.江山市石门镇人民政府,浙江 江山 324100)摘 要 为降低栽植培育规划区域内森林树木生存的竞争指数,为森林树木合理规划适宜的生长环境,引进改进遗传算法,设计一种针对森林树木栽植培育的规划方法。明确森林树木栽植培育规划的目标,设计对应的目标函数,设计约束条件,实现规划后地区生态环境发展效益的最大化;引进改进遗传算法,将森林树木栽植培育规划方面的问题转化为土地空间资源规划问题,通过算子的迭代,优化森林树木栽植培育空间编码;
2、根据预设的最优函数,求解最优目标,建立森林树木栽植培育规划函数,实现对森林树木栽植培育规划工作的全面优化。通过实例应用证明,采用设计的规划方法,可以起到优化森林树木资源竞争指数的综合作用,为森林树木提供一个相对优化的生存条件。关键词 改进遗传算法;规划方法;栽植培育;森林树木;空间资源规划中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3303(2023)03-0007-03Planning Method of Forest Tree Planting and Cultivation Based on Improved Genetic AlgorithmWang Mengwei1
3、Zheng Limin2(1.Longquan Daotai Township Forestry workstation,Longquan 323700,Zhejiang,China;2.Jiangshan Shimen Town Peoples Government,Jiangshan 324100,Zhejiang,China)Abstract:In order to reduce the survival competition index of forest trees in the planting and cultivation planning area,and to reaso
4、na-bly plan a suitable growth environment for forest trees,an improved genetic algorithm is introduced to design a planning method for for-est tree planting and cultivation.Define the objectives of forest tree planting and cultivation planning,design corresponding objective functions and design cons
5、traints to maximize the benefits of regional ecological environment development after planning;The improved genetic algorithm is introduced to transform the problems of forest tree planting and cultivation planning into the problems of land spatial resource planning.The spatial coding of forest tree
6、 planting and cultivation is optimized through the iteration of operators;According to the preset optimal function,the optimal objective is solved,and the forest tree planting and cultivation planning function is established to realize the overall optimization of the forest tree planting and cultiva
7、tion planning.It is proved by practical application that the design planning method can play a comprehensive role in optimizing the competition index of forest tree resources and provide a relatively opti-mized living condition for forest trees.Key words:Improved genetic algorithm;planning method;pl
8、anting and cultivation;forest trees;spatial resource planning为改善国土生态环境,提高林木资源的保有率,为不同林木资源提供一个相对良好的生存环境,有关单位提出了针对森林树木栽植培育的规划组织工作,从多维度分析并综合考量森林树木栽植所在空间的结构因子,设计森林树木的合理经营与管理方案1。为落实此项工作,我国环保单位联合了地方政府明确了此项工作的重要性,并认知了保护森林树木资源,是促进产业经济发展、实现生态环境和谐建设的主要路径。可以认为森林树木资源的赋存,便是环境持续发展的关键。在深入此项工作时发现,森林树木资源不仅是维持生态环境的主要
9、成分,更是对地区生物种群、土壤环境、大气质量的调节起到了十分重要的作用2。但近年来,人们为了满足产业的发展需求,对于森林树木的砍伐量越来越大,不合理砍伐、不科学开采现象越来越严重,加之部分地区的森林树木资源由于没有进行规范化运营管理,导致其生存环境受到外来物种的入侵,使得社会中现有森林树木面积急剧降低3。为解决此方面问题,实现对森林树木资源的合理化使用,规范森林生态环境的规划治理工作,本研究引进改进遗传算法,设计一种针对森林树木栽植培育的全新规划方法,通过此种方式,实现对我国森林生态环境建设的全面优化。1 设计森林树木栽植培育规划目标与约束条件 为实现对森林树木栽植培育规划工作的全面优化,应在
10、开展相关研究前,明确森林树木栽植培育规划的目标,以此为依据,设计对应的目标函数4。此次研究预设森林树木栽植培育区域内共含有 n 个地块,每个地块允许的森林树木种类为 m种,在此种条件下,规划区域的规划目标便是确定 n与 m 的具体数值,通过此种方式,实现规划后地区生态环境发展效益的最大化。根据上述内容,提出可以满足效益最大化的两个约束条件,分别为:每个地块(n)上最多允许的m 数量为 1;m 的生长与生存条件5。将 n 对应的集合表示为 N,可按照下述公式,对森林树木栽植培育规划区域的有效面积进行计算,计算公式如下。s=ai N(1)公式(1)中:s 表示为森林树木栽植培育规划区域的有效面积;
11、a 表示为指定地块面积;i 表示为第i 个地块;N 表示为地块集合6。设定区域内森林树木栽植培育的单位面积有效产量或有效收益表7林 业 科 技 情 报2023 Vol.55 No.3示为 p,则对应的经济效益目标函数可以表示为下述计算公式。B=p bi m(2)公式(2)中:B 表示为森林树木栽植培育单位面积经济效益目标函数;b 表示为森林树木生长直接生态收益;m 表示为森林树木种类7。对计算公式(1)与(2)进行集成,得到针对森林树木栽植培育规划区域的最优目标函数。如下计算公式所示。maxC=mj 1nn 1x B s(3)公式(3)中:C 表示为森林树木栽植培育规划区域的最优目标函数;x
12、表示为最优目标值;j 表示为目标维度。按照上述方式,完成对森林树木栽植培育规划目标与约束条件的设计。2 基于改进遗传算法的栽植培育空间优化编码 在上述内容的基础上,引进改进遗传算法,将森林树木栽植培育规划方面的问题转化为土地空间资源规划问题,通过算子的迭代,进行森林树木栽植培育空间的优化编码。编码前,采用并行计算与全局空间搜索方式,对空间内全域算子进行扫描,根据不同算子的空间表达方式,进行栽植培育空间与森林树木两者之间适宜度的评价8。评价过程如下计算公式所示。Z=ee 1Eij1x(4)公式(4)中:Z 表示为栽植培育空间与森林树木两者之间适宜度的评价结果,设定 Z 的取值在 01 之间,取值
13、越趋近于 1,说明两者之间的适配性越强,反之,取值越趋近于 0,说明两者之间的适配性越低;E 表示为;e 表示为栽植培育空间对森林树木生存的贡献度。完成评价后,选择与森林树木生存适配的栽植培育空间进行规划参数匹配9。同时,根据算子编码规则,随机生成若干个染色体,对地块中森林树木生存的限制性条件进行迭代。此过程如下计算公式所示。f(R)=n-y(rj)2(5)公式(5)中:f 表示为迭代函数;R 表示为限制性条件;y 表示为染色体数量;r 表示为算子编码规则。如果迭代训练后的约束条件符合森林树木生存需求,将其按照预设的规范,将其编制为初始化号码,如果迭代训练后的约束条件不符合森林树木生存需求,可
14、跳过此区块进行下一区块的编码。按照此种方式,进行森林树木生存适配性的全局检索,对符合条件或满足规范的空间按照输出顺序进行编码。以此种方式,完成基于改进遗传算法的森林树木栽植培育空间优化编码设计。3 基于最优目标的森林树木栽植培育规划函数 完成上述研究后,根据预设的最优函数,进行最优目标的求解,根据输出的最优目标,建立森林树木栽植培育规划函数,实现对森林树木栽植培育规划工作的全面优化10。在此过程中,将目标函数的解集表示为 g,按照下述计算公式,对最优目标解集进行迭代训练。F=g k(6)公式(6)中:F 表示为最优目标解集迭代训练处理过程;g 表示为解集数量;表示为解集服从度;k 表示为训练次
15、数。按照上述方式,对解集进行持续训练,直到输出的解集为最小区间内数值后,将此数值代入目标规划函数,得到基于最优目标的森林树木栽植培育规划函数。如下计算公式所示。=1-KK 1hni/(v m)(7)公式(7)中:表示为基于最优目标的森林树木栽植培育规划函数;h 表示为种植区域可视范围;K 表示为规划区域参数;v 表示为种群多样性类别。按照上述方式,完成对森林树木栽植培育规划函数的构建,参照函数计算结果,综合部署森林树木栽植培育规划区域参数,从而实现对规划方法的设计。4 实例应用分析本研究从三个方面,完成了基于改进遗传算法的森林树木栽植培育规划方法设计,为检验此方法的可行性,本研究以某地区生态自
16、然保护区为例,使用本研究设计的方法,对该地区的森林树木栽植培育进行规划。实验开始前,对该地区的森林树木生存情况与土质情况进行勘查,根据有关资料显示,所选的实验区域属于该地区生态环境自然保护区域,其中含有丰富的植被与自然资源。但随着地区工业产业的发展,地区森林树木资源受到了人为的干扰,一些原生植被的生存环境遭受了严重的破坏,部分植被群落受到威胁,濒临灭绝。为避免地区森林树木的生存环境继续受到破坏,实现对该地区生态环境的改善与优化,本研究选用该地区天然次生群落作为研究对象,划分部分区域作为实验区域,将实验区域按照规划需求,设置为 6 个地块,每个地块的面积均为 25 m25 m 的矩形,对其进行编
17、号,分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6。获取样地森林树木概况信息,如下表 1 所示。表 1 样地森林树木概况信息序号样地土壤类型海拔高度/m森林树木株数(株)(1)d1红壤8438(2)d2红壤91105(3)d3红壤7690(4)d4砂质红壤5478(5)d5红壤4648(6)d6红壤6290 在掌握地区样地森林树木概况后,辅助使用全站仪等设备,进行地区活立木的空间编码、定位与尺寸检查。在此基础上,按照本研究设计的方法,进行森林树木栽植培育规划。根据地区地质条件82023 Vol.55 No.3林 业 科 技 情 报与生态情况,设计森林树木栽植培育规划目标与约束条件,同时,引进改进遗传
18、算法,进行栽植培育空间的优化编码,为确保迭代训练后,森林树木栽植培育规划可以达到最优,按照下述表 2 中的内容,对改进遗传算法的训练值进行设计。表 2 改进遗传算法训练参数序号训练项目参数值(1)种群数量100(2)基因数量35(3)交换律0.25(4)倒位率0.1(5)突变率0.02(6)遗传代数400(7)适应度进化函数规划目标函数 按照上述方式,实现对森林树木栽植培育规划目标的训练,根据训练后得到的最优目标,设计森林树木栽植培育规划函数,根据函数输出值,进行森林树木栽植培育规划。将规划前后不同区域森林树木的竞争指数作为评价本研究方法可行性的关键指标。明确当森林树木生存区域内竞争指数过大时
19、,林木资源会由于争夺养分出现生长趋势缓慢的问题,当竞争指数过小时,林木资源会由于生存空间过于独立出现自我修复能力与抵御外界环境攻击能力降低的问题。根据地区生态环境可持续发展需求,设计林木资源的竞争指数有效区域,并按照下述计算公式,对 d1、d2、d3、d4、d5、d6 地块中森林树木栽植培育规划后的竞争指数进行计算。X-=1+YISd1+OPISd1+SISd(8)公式(8)中:X-表示为地块中森林树木栽植培育规划后的竞争指数;Y 表示为树种混交概率;O表示为空间资源竞争概率;P 表示为内部种群竞争概率;S 表示为病虫害对森林树木的影响程度;d 表示为森林树木的空间密度;I 表示为树木种植地块
20、数量,此次计算 I 的取值在 16 范围内。统计上述公式计算结果,将其作为本研究实验结果,整理结果如下图 1 所示。图 1 地块中森林树木栽植培育规划前后竞争指数 上述图 1 中,实线代表森林树木栽植培育规划前的竞争指数;虚线代表森林树木栽植培育规划后的竞争指数。从上述图 1 所示的实验结果中可以看出,完成对地块中森林树木栽植培育规划后,d1、d2、d3、d4、d5、d6 地块中森林树木之间的竞争指数下降,并稳定在最高界限与最低界限范围内。因此,在完成实验后,得出如下所示的结论:本研究设计的基于改进遗传算法的森林树木栽植培育规划方法,在实际应用中,可以起到优化森林树木资源竞争指数的综合作用,以
21、此种方式,实现为森林树木提供一个相对适宜的生存条件。5 结语随着社会公共群体对相关工作认知的持续深化,森林树木在社会中的作用不再仅仅是为产业发展提供木材,而是在扮演越来越重要的角色。为实现对生态资源发展的助力,本研究提出基于改进遗传算法的森林树木栽植培育规划方法,明确了森林树木资源保护工作的重要性,通过此种方式,为森林树木的生存提供技术层面的指导与帮助。参 考 文 献1李浩,何宝旺,朱政财,等.广州市白江湖森林公园多功能森林景观培育规划研究分析J.湖北林业科技,2020,49(3):43-48.2袁丹,周圣杰.乡村旅游视角下“1+3”融合推广模式规划路径探析 以重庆市巴南区彩色森林旅游景区为例
22、J.山西农经,2022(3):4-6.3马董涵.“五感康养”概念在国有林场森林康养景观规划设计中的应用 以惠州市国有梁化林场森林生态综合示范园规划设计为例J.现代园艺,2022,45(2):114-115,118.4冯黎,陈明坤,白宇,等.健康城市背景下城市森林空间规划研究 以天府新区成都直管区为例J.风景园林,2022,29(3):117-123.5王道阳,乔永强,徐文彤,等.“十四五”规划与国土空间规划格局下森林城市建设思考J.林业资源管理,2021(6):19-22.6王坤,韩炳越,刘华.尊重传统吐故纳新 基于文化传承视角的南苑森林湿地公园景观规划设计策略研究J.中国园林,2021,37
23、(S1):124-128.7高德祥.空间分层抽样与系统抽样的对比研究 以云南云景林业开发有限公司森林资源规划设计调查为例J.林业建设,2022(2):48-56.8陈星澄,赵庆,钱万惠,等.不同类型森林小镇的规划与建设实践研究 以佛山市南海区为例J.林业与环境科学,2021,37(3):116-123.9章泰式,宋贤冲.小型植物科普园的规划设计及建设技术 以广西钦州市 林 湖 森 林 公 园 植 物 科 普 园 为例J.农业与技术,2021,41(11):154-156.10黄瑞荣,刘友林,陈梅,等.县级单位森林防火三大体系建设与规划 以重庆市石柱县为例J.林业调查规划,2021,46(6):48-54.来稿日期:2022-07-089
