周彩彩，邢立新，孟 濤，韓曉靜，于一凡

(吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130026)

0 引言

長(zhǎng)白山火山地質(zhì)公園地處吉林省東南部，以第4紀(jì)火山地質(zhì)地貌遺跡 世界著名的長(zhǎng)白山火山地貌景觀為主體，屬于火山地貌類地質(zhì)公園。公園內(nèi)的地質(zhì)遺跡分布在4個(gè)景區(qū)，由近40個(gè)景觀點(diǎn)組成。長(zhǎng)白山巨型復(fù)式火山是自100萬(wàn)年以來(lái)，歷經(jīng)粗面玄武巖漿造盾、粗面質(zhì)巖漿造錐、近代堿流質(zhì)巖漿爆破噴發(fā)和巖漿溢流3個(gè)階段所形成的產(chǎn)物［1］。長(zhǎng)白山是我國(guó)唯一一座發(fā)生大規(guī)模普林尼式爆發(fā)的火山，也是保存完好的具有高聳火山錐體、巨大的破火山口、火山碎屑流堆積和火山泥流堆積地質(zhì)遺跡的休眠型火山，是火山地質(zhì)科學(xué)上具有國(guó)際對(duì)比意義、保存最完好和極高美學(xué)觀賞價(jià)值的地質(zhì)遺跡?；诖耍绾慰茖W(xué)合理地保護(hù)地質(zhì)遺跡成為了當(dāng)務(wù)之急，而地理信息系統(tǒng)技術(shù)因其具有強(qiáng)大的處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的能力，而具有重大的應(yīng)用意義和十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為GIS(Geographic Information Systems)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域［2］。

美國(guó)是最早應(yīng)用GIS進(jìn)行地質(zhì)遺跡保護(hù)的國(guó)家，通過(guò)開(kāi)發(fā)GIS管理系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)，參與公園日常管理與遺跡保護(hù)。我國(guó)國(guó)家地質(zhì)公園工作雖然起步較晚，但發(fā)展非常迅猛，在本溪、泰山、克什克騰、阿拉善沙漠、大金湖和泰寧等地質(zhì)公園均采用了GIS技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)建設(shè)［3-5］，其中泰山和阿拉善沙漠等地質(zhì)公園采用C/S(Client/Server)和B/S(Brower/Server)混合架構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了桌面和網(wǎng)絡(luò)模式下的地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的建設(shè)［6，7］。而在目前的地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)建設(shè)中對(duì)地質(zhì)遺跡的評(píng)價(jià)功能研究較少，鑒于此，筆者根據(jù)長(zhǎng)白山火山地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡的特點(diǎn)，采用ArcGIS作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以C/S與B/S相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建，著重研究設(shè)計(jì)了地質(zhì)遺跡的評(píng)價(jià)與保護(hù)模塊。使長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園的管理工作在達(dá)到科學(xué)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的同時(shí)，有效地保護(hù)地質(zhì)遺跡，為申報(bào)世界地質(zhì)公園提供高水平的技術(shù)支持。

1 地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)建設(shè)的必要性

地質(zhì)遺跡是指在地球演化的漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期，由于內(nèi)外動(dòng)力的地質(zhì)作用，形成、發(fā)展并遺留珍貴的、不可再生的地質(zhì)自然資源［8］。地質(zhì)遺跡具有獨(dú)特性、典型性、區(qū)域性和不可再生的特點(diǎn)，對(duì)研究地球演變史具有極高的科學(xué)價(jià)值。因此，合理保護(hù)、開(kāi)發(fā)與利用地質(zhì)遺跡已成為全球共識(shí)。目前建立地質(zhì)公園已成為對(duì)地質(zhì)遺跡保護(hù)與合理開(kāi)發(fā)利用的最有效的途徑之一。

地質(zhì)公園是由聯(lián)合國(guó)教科文組織創(chuàng)立的，具有特殊地質(zhì)科學(xué)意義，同時(shí)具有稀有的自然屬性、較高的美學(xué)觀賞價(jià)值，是以具有一定規(guī)模和分布范圍的地質(zhì)遺跡景觀為主體、并融合其他自然景觀與人文景觀而構(gòu)成的一種獨(dú)特的自然區(qū)域［9］。基于地質(zhì)遺跡的形成特點(diǎn)與管理需求，可視化表達(dá)是對(duì)地質(zhì)遺跡進(jìn)行保護(hù)與科研科普教育的重要手段。因此，應(yīng)用GIS技術(shù)建立地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)，是地質(zhì)遺跡合理保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)性工作，也是國(guó)家地質(zhì)公園信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心任務(wù)之一。

2 長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

目前，隨著人們的知識(shí)水平與生活水平的提高，對(duì)地質(zhì)遺跡科普知識(shí)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)除了便于地質(zhì)公園管理者對(duì)地質(zhì)公園進(jìn)行數(shù)字化管理以及普通游客在游覽地質(zhì)遺跡之前通過(guò)系統(tǒng)可視化的界面方便、快捷地了解自己感興趣的地質(zhì)遺跡景觀和配套服務(wù)設(shè)施、科學(xué)地選擇旅游路線以外，更重要的是通過(guò)該系統(tǒng)的可視化表達(dá)與分析、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)等強(qiáng)大功能，對(duì)提高大眾的科學(xué)素養(yǎng)、增強(qiáng)對(duì)地質(zhì)遺跡與環(huán)境的保護(hù)意識(shí)、實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展起到重要作用。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

在綜合比較分析各種地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用C/S和B/S混合模式進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，支持單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)兩種工作方式。在日益成熟的GIS技術(shù)中，組件式GIS和WebGIS體現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。因此，筆者使用組件式GIS和WebGIS搭建長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園地理信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)公園的數(shù)字化和信息化［10，11］。其中組件式 GIS以ArcEngine和Visual Studio 2005(C#)作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，WebGIS采用 ArcGIS API for Flex技術(shù)中的FlexViewer框架，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)架構(gòu)Fig.1 System development framework

2.3 系統(tǒng)建立流程

建立長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園首先需要收集大量的地圖資料、統(tǒng)計(jì)資料和遙感影像等信息，然后對(duì)收集到的資料進(jìn)行分類處理。收集到的地圖資料基本上都是MapGIS格式，因此，采用MapGIS自帶格式轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)換為Shape格式，在轉(zhuǎn)換的同時(shí)還要充分考慮到信息丟失的問(wèn)題，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)利用ArcMap和ArcCatlog進(jìn)行后期處理。其中ArcMap主要用來(lái)編輯要素、符號(hào)化處理，ArcCatlog用來(lái)管理和訪問(wèn)地理數(shù)據(jù)，如創(chuàng)建合并圖層等。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與歸并后錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，采用二次開(kāi)發(fā)的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，最終生成系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)［12］。

圖2 系統(tǒng)建立流程圖Fig.2 System to create flow charts

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園數(shù)據(jù)的特點(diǎn)將數(shù)據(jù)庫(kù)分為兩部分:空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)(見(jiàn)圖3)。其中空間數(shù)據(jù)又細(xì)分為點(diǎn)、線、面3部分，并分別以專題圖層的形式加以存儲(chǔ)和管理。每層對(duì)應(yīng)于一個(gè)專題，包含一種或幾種不同的地理信息，服務(wù)于某一特定的用途和目的，這樣不僅便于前期數(shù)據(jù)的收集、分解和組織，也便于后期的數(shù)據(jù)查詢和檢索?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)采用Shape文件格式，借助Arcmap圖形編輯軟件及ArcCatalog對(duì)地圖進(jìn)行編輯和管理。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2005關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，自定義數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)地物文字描述信息，存儲(chǔ)并調(diào)用照片、影音文件之間的連接。

圖3 長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園GIS數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Changbaishan volcanoes national geological park GIS database structure

3 長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)主要功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 空間信息查詢與定位

查詢和定位空間對(duì)象是地理信息系統(tǒng)的基本功能之一，也是地理信息系統(tǒng)在地質(zhì)公園建設(shè)中的重要應(yīng)用。能否有效地從公園海量數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出所需的信息，對(duì)地質(zhì)公園數(shù)字化的進(jìn)程具有重要作用。空間信息查詢一般有3種形式:1)從地物的空間位置查詢或檢索地物的屬性;2)從地物的屬性條件查詢或檢索地物的空間位置特征;3)讓用戶通過(guò)圖形手段，查詢指定范圍中地物的空間位置和屬性雙重特征(見(jiàn)圖 4)［13］。

圖4 空間信息查詢和定位Fig.4 Spatial information query and positioning

3.2 空間分析與統(tǒng)計(jì)

GIS不僅能為用戶提供靜態(tài)的數(shù)據(jù)查詢和檢索服務(wù)，還可建立相應(yīng)的空間分析模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)的分析評(píng)價(jià)為決策提供依據(jù)，其中應(yīng)用最廣泛的空間分析方法有疊加分析、緩沖區(qū)分析等。

緩沖區(qū)分析是根據(jù)地質(zhì)公園的點(diǎn)、線、面實(shí)體，自動(dòng)建立各種類型要素的緩沖多邊形，用以確定不同地理要素的空間鄰近度。如，在長(zhǎng)白山火山地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)中可對(duì)公園景點(diǎn)進(jìn)行景點(diǎn)緩沖區(qū)分析(見(jiàn)圖5)，統(tǒng)計(jì)距離某景點(diǎn)一定范圍內(nèi)的服務(wù)設(shè)施，既可為游客選擇此景點(diǎn)提供依據(jù)，也為公園管理者對(duì)此景點(diǎn)的進(jìn)一步建設(shè)規(guī)劃提供技術(shù)支持。

圖5 景點(diǎn)緩沖區(qū)分析Fig.5 Attractions buffer analysis

3.3 地質(zhì)遺跡評(píng)價(jià)與保護(hù)

不論是地質(zhì)公園的建立還是地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，其首要目的都是為保護(hù)地質(zhì)遺跡，因此，如何借助GIS技術(shù)對(duì)地質(zhì)遺跡進(jìn)行保護(hù)是該系統(tǒng)研究的一個(gè)重點(diǎn)。地質(zhì)遺跡資源評(píng)價(jià)分為定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)兩種。定性評(píng)價(jià)主要是根據(jù)評(píng)價(jià)者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)旅游資源的性質(zhì)、特點(diǎn)、質(zhì)量和功能等方面進(jìn)行文字描述與分析。由于定性評(píng)價(jià)存在很大程度的主觀性，因此，該系統(tǒng)采用定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，其中定量評(píng)價(jià)方法采用層次分析法。具體評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)因子的權(quán)重如表1和圖6所示，評(píng)價(jià)結(jié)果以柱狀圖的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)出來(lái)，下一步根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園內(nèi)的地質(zhì)遺跡進(jìn)行分級(jí)保護(hù)，針對(duì)不同級(jí)別的地質(zhì)遺跡采取不同的保護(hù)措施。

表1 地質(zhì)遺跡評(píng)價(jià)體系Tab.1 Geological heritage assessment system

圖6 地質(zhì)遺跡評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Assessment system and the results of geological heritage

3.4 三維景觀模擬

三維可視化技術(shù)正在使傳統(tǒng)的、二維的、靜態(tài)的地圖表示向三維的、動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景表示方向發(fā)展［14］。采用GIS的三維顯示技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬公園系統(tǒng)，直觀地演示公園的地貌狀況，以逼真的三維視覺(jué)效果展現(xiàn)公園地質(zhì)旅游景觀，給游客一種身臨其境的感覺(jué)。長(zhǎng)白山火山三維視景圖與二維GIS相比，對(duì)客觀世界的表達(dá)能力更能給人以真實(shí)的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系。

3.5 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布地質(zhì)公園地理信息服務(wù)

WebGIS是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于GIS開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物，將地質(zhì)公園的地理信息服務(wù)通過(guò)GIS技術(shù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)GIS服務(wù)共享，可大大提高地質(zhì)公園的知名度。由于傳統(tǒng)的基于網(wǎng)頁(yè)的WebGIS圖形界面單一、交互能力差、用戶體驗(yàn)不好，因此，RIA(RichInternet Applications)開(kāi)始登上了WebGIS開(kāi)發(fā)的舞臺(tái)。ArcGIS Flex API是ArcGIS在RIA領(lǐng)域的第一個(gè)產(chǎn)品，使用ArcGIS Flex API可以開(kāi)發(fā)運(yùn)行于瀏覽器中的Web應(yīng)用，并且使地圖的展示更加美觀。而FlexViewer框架使用了ArcGIS Flex API技術(shù)，集成了一個(gè)完整的用戶界面和一些GIS常使用的功能。該系統(tǒng)把長(zhǎng)白山國(guó)家地質(zhì)公園的相關(guān)圖層通過(guò)Flex Viewer展現(xiàn)，并通過(guò)Flex Viewer自帶的Widget實(shí)現(xiàn)查詢、定位和空間分析等功能(見(jiàn)圖7)。

圖7 長(zhǎng)白山火山國(guó)家地質(zhì)公園WebGISFig.7 Changbaishan volcano national geological park WebGIS

4 結(jié)論與展望

GIS技術(shù)在地質(zhì)公園信息化建設(shè)中體現(xiàn)了不可替代的作用，包含從數(shù)據(jù)的采集與編輯、數(shù)據(jù)庫(kù)組織與管理、空間信息查詢與定位等GIS的基本功能到空間分析與統(tǒng)計(jì)、三維景觀模擬、地質(zhì)遺跡的評(píng)價(jià)與保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布地理信息服務(wù)等高級(jí)功能。GIS的優(yōu)勢(shì)在地質(zhì)公園的數(shù)字化建設(shè)中得到了充分體現(xiàn)，為地質(zhì)公園管理人員全面掌握地質(zhì)遺跡的空間分布和景觀結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資源的合理保護(hù)與開(kāi)發(fā)提供了重要參考。該系統(tǒng)有效集成了MIS(Management Information System)的數(shù)據(jù)管理功能和GIS的空間分析功能，并采用了組件式GIS技術(shù)和ArcGIS Flex API技術(shù)，改變了傳統(tǒng)靜態(tài)的信息管理模式，整合了地質(zhì)公園的數(shù)據(jù)，輔助地質(zhì)公園的管理保護(hù)與建設(shè)。隨著地質(zhì)公園數(shù)據(jù)信息的不斷充實(shí)和系統(tǒng)的深入開(kāi)發(fā)，地理信息系統(tǒng)技術(shù)在地質(zhì)遺跡的保護(hù)與開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用將不斷完善和深入，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛、直觀化、全面化和便捷化。

［1］許振北，孟濤，邢立新，等.吉林省地質(zhì)旅游資源類型與空間分布［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(5):2847-2850.XU Zhen-bei，MENG Tao，XING Li-xin，et al.Types and Spatial Distribution of Geo-Tourism Resources in Jilin Province［J］.Journal of Anhui Agri Sci，2012，40(5):2847-2850.

［2］李印清，李向.B/S架構(gòu)地質(zhì)公園信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.信息技術(shù)，2008(1):15-17.LI Yin-qing，LI Xiang.Design and Implementation of B/S Architecture Geo-Park Information Management System Based on WebGIS and Metadata［J］.Information Technology，2008(1):15-17.

［3］陳能，施蓓琦.大金湖國(guó)家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.國(guó)土資源遙感，2004，61(3):65-68.CHEN Neng，SHI Bei-qi.The Design of the Dajinhu Geopark Graphical Information System ［J］.Land Resource Remote Sensing，2004，61(3):65-68.

［4］鄭奇蕊.基于ArcGIS Engine的本溪國(guó)家地質(zhì)公園旅游信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，2007.ZHENG Qi-rui.The Design and Realization of Tourism Information System of the Benxi National GeoPark Based on ArcGIS Engine［D］.Beijing:School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，2007.

［5］李富兵.基于ArcIMS克什克騰國(guó)家地質(zhì)公園旅游信息系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，2005.LI Fu-bing.The Design and Realization of Tourism Information System of the Keshenketeng National GeoPark Based on ArcGIS Engine［D］.Beijing:School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，2005.

［6］劉力鋮.基于混合結(jié)構(gòu)的泰山地質(zhì)公園旅游GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，2007.LIU Li-cheng.Design and Realization of Mount Taishan Global GeoPark Tourism GIS Based on Hybird Software Architecture［D］.Beijing:School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，2007.

［7］韓術(shù)合，田明中，武斌，等.基于GIS的地質(zhì)公園信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2010，19(S1):180-198.HAN Shu-he，TIAN Ming-zhong，WU Bin，et al.Design and Implementation of Geopark Information Management System Based on GIS ［J］.China University of Geosciences，2010，19(S1):180-198.

［8］楊濤，戴塔根，武國(guó)輝.地質(zhì)遺跡資源的概念［J］.資源產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，2007(12):25-27.YANG Tao，DAI Ta-gen，WU Guo-hui.The Concept of Geological Heritage Resources［J］.Resource Industrial Economy，2007(12):25-27.

［9］趙遜，趙汀.中國(guó)地質(zhì)公園地質(zhì)背景淺析和世界地質(zhì)公園建設(shè)［J］.地質(zhì)通報(bào)，2003，22(8):620-630.ZHAO Xun，ZHAO Ting.Geological Background of National Geoparks of China and Construction of World Geoparks［J］.Geological Bulletin of China，2003，22(8):620-630.

［10］趙國(guó)寧.淺談組件式GIS［J］.科技信息，2008(36):99.ZHAO Guo-ning.Discuss GIS［J］.Science＆ Technology Information，2008(36):99.

［11］鄔倫，劉瑜，張晶，等.地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2001:125.WU Lun，LIU Yu，ZHANG Jing，et al.Geographic Information System Theory Method and Application［M］.Beijing:Science Press，2001:125.

［12］方世明，李江風(fēng).GIS技術(shù)在地質(zhì)公園建設(shè)中的應(yīng)用研究［C］∥全國(guó)國(guó)土資源與環(huán)境遙感技術(shù)應(yīng)用交流會(huì)論文文集.北京:中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)，2004:57-60.FANG Shi-ming，LI Jiang-feng.GIS Technology in the Research on the Application of Geological Park Construction［C］∥The National Land and Resources and Environment Application of Remote Sensing Technique Exchange Thesis Corpus.Beijing:Geological Society of China，2004:57-60.

［13］劉南，劉仁義.地理信息系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2002:29.LIU Nan，LIU Ren-yi.Geographic Information System［M］.Beijing:Higher Education Press，2002:29.

［14］王明常，邢立新，潘軍，等.地質(zhì)公園三維電子地圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.物探化探計(jì)算技術(shù)，2003，28(2):161-162.WANG Ming-chang，XING Li-xin，PAN Jun，et al.The Design and Realization of 3D Electronical AtCas in the Geopark［J］.Geophysical and Geochemical Exploration Computing，2003，28(2):161-162.