范文義，任 義，王曉杰

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著溫室效應(yīng)引發(fā)的全球變暖問(wèn)題越來(lái)越突出，植被作為溫室氣體CO2的主要吸收群落和陸地固態(tài)碳的主要載體，各國(guó)積極開(kāi)展植被在生態(tài)系統(tǒng)中的固碳釋碳方面能力的研究。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是定量評(píng)價(jià)和估計(jì)生態(tài)系統(tǒng)的碳源或碳匯作用的關(guān)鍵因子[1]，我國(guó)NPP研究是從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始的，研究的重點(diǎn)主要集中在NPP模型的引進(jìn)及改造，然而基于模型模擬得到NPP信息的管理及數(shù)據(jù)的挖掘分析，特別是通過(guò)WEB的形式發(fā)布方面的研究很少涉及 。WebGIS是將Internet技術(shù)應(yīng)用到GIS開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物，將GIS技術(shù)的圖形屬性一體化、強(qiáng)大的分析能力與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)布優(yōu)勢(shì)結(jié)合一起，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析等功能，已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。SuperMap IS.NET是超圖公司自主開(kāi)發(fā)的一個(gè)WebGIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在森林資源的現(xiàn)代化信息管理中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如2009年周玲以鄂托克旗為例開(kāi)發(fā)的鄂托克旗森林資源管理系統(tǒng)，2010年于麗珠等開(kāi)發(fā)的塔河林業(yè)局森林資源管理系統(tǒng)。

本研究以黑龍江省帶嶺林業(yè)局為例，采用BEPS模型生成的區(qū)域NPP數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及研究區(qū)的行政區(qū)界、高程、坡度和坡向等作為輔助數(shù)據(jù)。建立NPP數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)基于SuperMap IS.NET平臺(tái)的NPP信息系統(tǒng)，將森林資源管理系統(tǒng)與NPP管理數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)合。為黑龍江省帶嶺林業(yè)局的碳循環(huán)研究提供高效、可靠的信息發(fā)布平臺(tái)。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建

1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

收集黑龍江省帶嶺林業(yè)局基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括：縣、河流、道路和行政界限以及2007年單月NPP數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的投影信息，通過(guò)柵格計(jì)算，得到研究區(qū)域各縣各月的NPP信息數(shù)據(jù)，并且添加到行政區(qū)界的屬性表中。收集研究區(qū)的1：50 000等高線數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS軟件生成帶嶺林業(yè)局DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)，用以反映高程、坡度、坡向等因子對(duì)NPP的影響。根據(jù)帶嶺林業(yè)局的實(shí)際情況國(guó)家以及相應(yīng)規(guī)定，對(duì)各地形因子進(jìn)行等級(jí)劃分，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)以及具體信息見(jiàn)表1～表3。生成的各地形因子分級(jí)圖如圖1～圖3所示。

表1 帶嶺林業(yè)局高程劃分及各高程N(yùn)PP信息

表2 帶嶺林業(yè)局坡度劃分及各坡度NPP信息

表3 帶嶺林業(yè)局坡向劃分及各坡向NPP信息

圖1 帶嶺林業(yè)局DEM分級(jí)圖

圖2 帶嶺林業(yè)局坡度分級(jí)圖

圖3 帶嶺林業(yè)局坡向分級(jí)圖

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

為了高效、方便的存儲(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及便于對(duì)用戶系統(tǒng)后臺(tái)管理，本系統(tǒng)采用SQL Server2005作為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，建立普通數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。

普通數(shù)據(jù)庫(kù)：普通數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)用戶信息和管理員信息。根據(jù)不同的操作權(quán)限，普通用戶只能進(jìn)行訪問(wèn)和下載數(shù)據(jù)，而管理員用戶不僅可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插入、刪除、更新等基本后臺(tái)操作也對(duì)可以對(duì)普通用戶進(jìn)行管理。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)：針對(duì)地理信息數(shù)據(jù)往往具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一等特點(diǎn)，SuperMap IS.NET 集成了強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù) SuperMap SDX+，從而可以順利實(shí)現(xiàn)將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)到 Oracle、SQL Server 和 Sybase 等大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，并能夠滿足高效、穩(wěn)定地進(jìn)行空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)的需要[4]。本文通過(guò)桌面軟件SuoerMap Deskpro新建SQL+數(shù)據(jù)源建立空間數(shù)據(jù)庫(kù),如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 需求分析

該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)黑龍江省帶嶺林業(yè)局NPP信息的發(fā)布以及對(duì)NPP數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間上的變化進(jìn)行分析，所以本系統(tǒng)既是一個(gè)完整的地理信息系統(tǒng)也是一個(gè)針對(duì)特定專業(yè)人群的分析決策的輔助系統(tǒng)。因此應(yīng)包含以下幾種模塊。

(1)知識(shí)普及。提供對(duì)NPP概念等基礎(chǔ)知識(shí)的普及以及研究區(qū)域介紹和開(kāi)發(fā)人員等相關(guān)知識(shí)。

(2)用戶管理。對(duì)用戶信息進(jìn)行管理。包含：用戶注冊(cè)、登錄以及密碼驗(yàn)證和驗(yàn)證碼的獲取、驗(yàn)證等。

(3)地圖基本操作。包含地圖的放大、縮小、漫游以及距離、面積量算等基本的地圖操作。

(4)NPP信息查詢及分析。實(shí)現(xiàn)對(duì)NPP信息的雙向查詢，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)信息和統(tǒng)計(jì)信息的雙向查詢，以及繪制NPP信息時(shí)間曲線和分析NPP信息與高程、坡度、坡向等空間數(shù)據(jù)因子分析。

(5)數(shù)據(jù)共享。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)共享。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，總體來(lái)將系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次分別為：表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層[5-6]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)交互的接口，為用戶提供了一個(gè)可視化的界面，使用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)發(fā)布進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。業(yè)務(wù)層主要包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GIS服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(IIS)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，然后通過(guò)GIS服務(wù)器響應(yīng)，由數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)，然后返回GIS服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成圖片緩存在圖片存儲(chǔ)器中，最后瀏覽器直接下載到本地進(jìn)行瀏覽。具體流程圖如圖6所示。數(shù)據(jù)層主要包含兩部分：用戶信息數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)兩部分，其中GIS數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù) SuperMap SDX+存儲(chǔ)在SQL Server 2005中。

圖6 WebGIS系統(tǒng)發(fā)布流程

3 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式，它是隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì)C/S結(jié)構(gòu)的一種變化和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。用戶僅通過(guò)瀏覽器就能與服務(wù)器進(jìn)行交互，這樣大大簡(jiǎn)化客戶端的負(fù)荷，采用的主體語(yǔ)言是C#，通過(guò)連接SQL Server 2005，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶信息和空間數(shù)據(jù)的調(diào)用。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)連接

3.1.1 用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)連接

本系統(tǒng)的用戶信息數(shù)據(jù)庫(kù)是采用.NET Framework框架的ADO.NET組件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的Connection對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接。在SQL Server 2005中新建表info，并且在web.config配置連接數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)：

可以通過(guò)直接獲取web.config文件中的參數(shù)信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。

3.1.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)連接

在SuperMap IS.NET Manager管理工具中的地圖設(shè)置選項(xiàng)填寫工作空間路徑和工作空間密碼，由于空間數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎SDX+存儲(chǔ)在SQL Server2005數(shù)據(jù)庫(kù)，因此需要添加下列數(shù)據(jù)庫(kù)連接語(yǔ)句[7]：

Provider=SQLOLEDB：Driver=SQL Server；SERVER=97SD-20120616BP；Database=NPP；Caption=NPP；UID=sa；PWD=sa123。

3.2 程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 登錄模塊

用戶登錄模塊是保證系統(tǒng)信息安全的基本模塊，也是統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的受歡迎程度的重要工具，本系統(tǒng)的用戶登錄分為：普通用戶和管理員用戶。普通用戶具有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)等功能，管理員用戶則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的編輯、更新等后臺(tái)操作，系統(tǒng)登錄界面如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)登錄及注冊(cè)界面

3.2.2 操作模塊

帶嶺林業(yè)局NPP信息管理系統(tǒng)是森林資源與WebGIS相結(jié)合的資源管理系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的基本功能，如放大、縮小、漫游、面積量算、距離量算、鷹眼顯示等，同時(shí)也必須滿足森林NPP信息的管理、發(fā)布等基本功能，如圖形和屬性的雙向查詢、專題圖制作，報(bào)表輸出等。NPP信息管理系統(tǒng)的主界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主界面

3.2.3 NPP分析模塊

NPP分析模塊分別統(tǒng)計(jì)帶嶺林業(yè)局2007年單月NPP量以及高程等地形因子信息，擬合出相應(yīng)的NPP時(shí)間序列曲線和簡(jiǎn)單的NPP值與高程、坡度、坡向等因子的數(shù)據(jù)分析，如圖9～圖10所示。在系統(tǒng)中通過(guò)設(shè)定地形因子、報(bào)表類型、以及線性寬度等屬性制作NPP信息報(bào)表，并且對(duì)NPP的變化進(jìn)行初步分析，詳細(xì)分析了解帶嶺林業(yè)局NPP信息的時(shí)空變化，探討地形因子對(duì)于NPP信息的影響規(guī)律，對(duì)于研究區(qū)生產(chǎn)力評(píng)估、提高生物固碳能力、生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境建設(shè)等工作具有參考價(jià)值。

圖9 NPP隨時(shí)間變化曲線

圖10 各高程等級(jí)的NPP信息柱狀圖

目前，國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)是研究NPP的生態(tài)過(guò)程模型對(duì)區(qū)域NPP或NEP進(jìn)行模擬，但是大多數(shù)研究者的結(jié)果數(shù)據(jù)相互之間共享性差。通過(guò)本系統(tǒng)的研發(fā)和初步應(yīng)用表明，不同區(qū)域或同一區(qū)域的不同研究結(jié)果信息可以通過(guò)本系統(tǒng)快速共享。同時(shí)，系統(tǒng)研發(fā)基于GIS的空間分析功能，對(duì)于模型模擬的NPP結(jié)果能進(jìn)行進(jìn)一步的空間分析，如NPP圖形屬性雙向查詢、NPP空間分布分析，特別是系統(tǒng)研發(fā)了NPP時(shí)間規(guī)律擬合模塊，為NEP和NBP的模擬計(jì)算提供了重要的輸入數(shù)據(jù)，因?yàn)橛绊慛PP的因素除了自然因素外，不同年齡的林分的NPP顯然具有很大區(qū)別。

4 結(jié)論與討論

帶嶺地區(qū)NPP信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于北京超圖公司的SuperMap IS.NET，選用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用C#為主體開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。本研究的總結(jié)可歸納為以下幾個(gè)方面：

(1)針對(duì)目前不同NPP模擬研究結(jié)果之間共享性差的問(wèn)題，本研究選擇SuperMap IS.NET為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用SuperMap IS.NET平臺(tái)在地理信息系統(tǒng)空間分析和數(shù)據(jù)共享方面的優(yōu)勢(shì)，研究開(kāi)發(fā)了NPP專題信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決不同區(qū)域或同一區(qū)域不同研究結(jié)果的快速共享問(wèn)題。

(2)系統(tǒng)采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，在用戶和空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)之間提供了一個(gè)接口，同時(shí)客戶也可以通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)發(fā)布的NPP分析數(shù)據(jù)以SuperMap IS.NET工作空間的形式存放，具有靈活的擴(kuò)展性。

(3)系統(tǒng)提供了NPP模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析功能，特別是對(duì)NPP進(jìn)行時(shí)間變化分析擬合，對(duì)于NEP和NBP進(jìn)一步研究提供了最重要的輸入數(shù)據(jù)。擴(kuò)展了常規(guī)信息管理系統(tǒng)的功能。

本文在已有的帶嶺林業(yè)局NPP模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于SuperMap IS.NET平臺(tái)，從WEB的角度介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，既可以滿足森林資源管理系統(tǒng)的一般功能需求，同時(shí)將NPP信息的發(fā)布、分析作為重點(diǎn)，初步具備了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)挖掘和分析能力，對(duì)于森林生態(tài)功能的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布具有重要意義，然而本系統(tǒng)在界面處理、系統(tǒng)運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率等方面存在著處理海量數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。今后的工作重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)地圖效果的三維顯示以及森林在固碳釋氧、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能方面的信息分析。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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