黃金國　蔡永龍　王兮之等

摘要：利用GIS技術(shù)對石漠化信息進行現(xiàn)狀分析、預(yù)警與決策，是石漠化災(zāi)害防治的有效途徑之一。基于ArcGIS Engine組件技術(shù)、Visual Basic.NET平臺技術(shù)和SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計了粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)，并對系統(tǒng)目標、結(jié)構(gòu)、功能、數(shù)據(jù)庫設(shè)計進行了分析。該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)管理、查詢、分析、預(yù)警預(yù)報、制圖制表等功能，系統(tǒng)的建立有助于及時、準確、科學(xué)、全面地掌握粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化現(xiàn)狀及變化趨勢，為農(nóng)地石漠化的綜合治理提供決策依據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：農(nóng)地石漠化；GIS；預(yù)警系統(tǒng)；粵北巖溶山區(qū)

中圖分類號： S127；S158.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0338-03

收稿日期：2013-09-25

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：31170486、31070426）；廣東省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃（編號：GD12CGL01）；2013年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（編號：1184713015）；2013年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（編號：1184713015）。

作者簡介：黃金國（1967—），男，湖南桃源人，副教授，研究方向為土地退化防治與農(nóng)業(yè)資源利用。E-mail：fsjgh@163.com?；洷睅r溶山區(qū)是廣東省石漠化分布的核心區(qū)域，石漠化與潛在石漠化總面積高達45.96 萬hm2，占全省的 94.6%[1]。農(nóng)業(yè)是粵北巖溶山區(qū)的主業(yè)，農(nóng)用地發(fā)生石漠化潛在威脅多、隱患大，不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成的石漠化幾乎占了當(dāng)?shù)厥娜?。農(nóng)地石漠化的存在與發(fā)展不僅制約著當(dāng)?shù)厝罕姷纳鏍顩r和農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，而且對珠江三角洲的生態(tài)安全構(gòu)成嚴重威脅，甚至影響到廣東省國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和社會主義和諧社會的構(gòu)建。

預(yù)警是農(nóng)地石漠化防治工作的重要組成部分，通過預(yù)警可以定性、定量、定位地反映農(nóng)地石漠化發(fā)生的可能性及其危害程度，把握農(nóng)地石漠化發(fā)展變化的規(guī)律，進而對農(nóng)地石漠化進行有效治理與科學(xué)防范，為農(nóng)地資源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。地理信息系統(tǒng)（geographical information system，簡稱GIS）是用于采集、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息的計算機系統(tǒng)，它可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有機結(jié)合起來，具有強大的空間分析和空間數(shù)據(jù)庫管理能力[2]，能為農(nóng)地石漠化信息管理和預(yù)警提供一個強大的表達、分析和管理工具。ArcGIS Engine是ESRI（美國環(huán)境系統(tǒng)研究所）在已有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，整合了GIS與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而開發(fā)出的新一代GIS開發(fā)平臺，為用戶提供有針對性的GIS功能 [3]，它具有ArcGIS平臺的所有優(yōu)點，如開發(fā)平臺的先進性、可擴展性和兼容性等，具有得天獨厚的優(yōu)勢[4]。因此，本研究選擇ArcGIS Engine作為GIS支撐平臺，設(shè)計了粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立與應(yīng)用為粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化的綜合治理提供了決策依據(jù)和技術(shù)支撐，對粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化防治工作走向信息化、科學(xué)化具有重要意義。

1系統(tǒng)目標與設(shè)計原則

1.1系統(tǒng)目標

粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計的目標主要包括2個方面：一是通過系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化信息的規(guī)范化、信息化管理，為農(nóng)地石漠化防治提供實時、準確、快速的信息服務(wù)；二是應(yīng)用GIS和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合專業(yè)數(shù)學(xué)應(yīng)用模型，構(gòu)建一個可視化的、具有農(nóng)地石漠化信息的錄入與存儲、檢索與查詢、修改與更新、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、預(yù)測預(yù)警、制圖輸出等功能的農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)，為粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化的綜合治理提供決策支持和技術(shù)支撐。

1.2設(shè)計原則

粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)是以粵北巖溶山區(qū)空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及計算機仿真等現(xiàn)代高新科技手段的支持下，對農(nóng)地石漠化空間數(shù)據(jù)進行采集、管理、查詢和統(tǒng)計分析，集知識、模型和決策為一體的系統(tǒng)[5]。其設(shè)計應(yīng)滿足科學(xué)性、規(guī)范性、實用性、可延展性與開放性、安全性等原則。

（1）科學(xué)性原則。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理，功能模塊化，易于維護，數(shù)據(jù)庫設(shè)計重點考慮科學(xué)清晰的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與組織，力求系統(tǒng)的科學(xué)性。

（2）規(guī)范性原則。數(shù)據(jù)合理分類和編碼的規(guī)范化、標準化是農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)擴充聯(lián)網(wǎng)、實現(xiàn)信息交流與數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。為了使系統(tǒng)結(jié)果具有較高可信度，系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)格式要規(guī)范，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰，坐標系統(tǒng)統(tǒng)一等，在此原則下，本系統(tǒng)要建立一個包括農(nóng)地石漠化各種影響因素的數(shù)據(jù)、圖像、圖形等的標準數(shù)據(jù)庫[6]。

（3）實用性原則。系統(tǒng)設(shè)計充分考慮用戶使用時的需求，能滿足相關(guān)部門對粵北巖溶山區(qū)不同區(qū)域農(nóng)地石漠化相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計及決策分析等的要求；避免盲目追求最新技術(shù)，又要防止系統(tǒng)處理能力不夠；同時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、用戶界面、菜單、命令等力求簡潔清晰，便于使用者操作。

（4）可延展性與開放性原則。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的接口和方便的二次開發(fā)工具，以便系統(tǒng)能不斷地擴展和完善，在信息編碼、底圖坐標系統(tǒng)選擇、數(shù)據(jù)庫設(shè)計以及系統(tǒng)功能等方面，盡可能留有余地，方便系統(tǒng)的擴充或數(shù)據(jù)庫的移植，當(dāng)新的模塊增加時，現(xiàn)有模塊和整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將不會受到大的影響[7]。

（5）安全性原則。系統(tǒng)應(yīng)對用戶的登錄權(quán)、管理任務(wù)操作權(quán)和數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限等方面有高度的控制能力[8]。針對不同類型的用戶，根據(jù)口令設(shè)置不同的訪問權(quán)限級別，防止系統(tǒng)的越權(quán)使用及對數(shù)據(jù)的非法修改和拷貝等。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1平臺選擇

根據(jù)系統(tǒng)目標要求和系統(tǒng)的設(shè)計原則，本系統(tǒng)采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)，以ESRI公司的ArcGIS Engine 93作為GIS支撐平臺，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server 2000和空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE來實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，選用微軟最新開發(fā)平臺Visual Studio.NET中的Visual Basic.NET進行程序設(shè)計，保證系統(tǒng)在平臺技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。endprint

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的需要和ArcGIS Engine的技術(shù)特點，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)服務(wù)層、平臺層、表現(xiàn)層的3層結(jié)構(gòu)模式（圖1）。

數(shù)據(jù)服務(wù)層是系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要提供數(shù)據(jù)存儲管理服務(wù)，由空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫構(gòu)成?？臻g數(shù)據(jù)庫主要由ArcSDE提供的服務(wù)進行管理，屬性數(shù)據(jù)庫主要由SQL Server 2000來組織和管理。系統(tǒng)通過ArcSDE連接到SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫后，利用Arc Catalog提供的中間件導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)，通過表間的關(guān)聯(lián)字段實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的無縫集成[9]。

平臺層是系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)支撐，包括ArcGIS Engine組件、數(shù)據(jù)操作組件、視頻控制組件、Visual Studio.NET開發(fā)平臺。

表現(xiàn)層提供應(yīng)用系統(tǒng)的功能界面，為用戶調(diào)用各模塊功能提供平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的動態(tài)交互。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫為整個系統(tǒng)的運行提供數(shù)據(jù)支撐，它是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是預(yù)警分析和信息輸出的依據(jù)，因此，在設(shè)計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時，本著數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)共享、獨立、完全、完整性的原則，盡量滿足各個子模塊能夠快速、方便、靈活地存取數(shù)據(jù)[10]。目前數(shù)據(jù)庫技術(shù)較多，主流的數(shù)據(jù)庫技術(shù)有Oracle、SQL Sever等，本系統(tǒng)選擇性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的Microsoft SQL server 2000作為數(shù)據(jù)庫建庫平臺，以保證系統(tǒng)的存儲容量和數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計包括空間數(shù)據(jù)庫的建立和屬性數(shù)據(jù)庫的建立，同時包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的連接。數(shù)據(jù)庫建立流程如圖2所示。

（1）空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計?？臻g數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)（粵北巖溶山區(qū)的行政區(qū)劃圖、巖性圖、地質(zhì)圖、地形圖、坡度圖等）、專題空間信息數(shù)據(jù)（土地利用現(xiàn)狀圖、植被指數(shù)圖、土壤侵蝕圖、農(nóng)地石漠化分布圖等）和圖像數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM等）[11]?？臻g數(shù)據(jù)采用數(shù)字化處理并分層存儲，空間數(shù)據(jù)庫的建立是在ArcGIS9.3中的ArcCatalog中創(chuàng)建，通過ArcSDE創(chuàng)建其連接，將采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，其中將對空間數(shù)據(jù)創(chuàng)建新的字段來連接屬性數(shù)據(jù)[12]。

（2）屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。屬性數(shù)據(jù)主要包括粵北巖溶山區(qū)環(huán)境信息、石漠化基本信息、石漠化程度評價數(shù)據(jù)信息、社會經(jīng)濟信息等數(shù)據(jù)，如年均降水量、年均暴雨次數(shù)、植被蓋度、土層厚度、基巖裸露率、石漠化程度、土地墾殖率、土地利用類型、農(nóng)業(yè)人口密度、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值等。將這些數(shù)據(jù)收集完后經(jīng)過整理、核對、分類、編碼完成入庫，同時在相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性表中增加了一個關(guān)鍵字段，該字段作為數(shù)據(jù)庫各表之間建立各種關(guān)聯(lián)關(guān)系的標志符，通過識別該字段來完成鏈接[7]。屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)計主要考慮用戶需求和能夠提供的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的格式、制定字段及其值的輸入規(guī)范，以SQL Server數(shù)據(jù)表的形式存儲[13]。

3系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的建設(shè)目標和設(shè)計原則，結(jié)合基于可擴展性和可維護性的系統(tǒng)3層體系結(jié)構(gòu)，在邏輯上將系統(tǒng)總體功能分解成若干模塊，每個模塊完成一部分功能，模塊與模塊之間既獨立又相互配合，共同實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)主要具有如下功能：

（1）數(shù)據(jù)管理。該模塊具有數(shù)據(jù)的管理功能，主要是利用數(shù)據(jù)庫及GIS專業(yè)軟件來實現(xiàn)各種空間和屬性數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、維護、數(shù)據(jù)庫備份和更新，以及分析預(yù)測模型參數(shù)的修改和構(gòu)建新的模型。

（2）數(shù)據(jù)查詢。該模塊可通過分類查詢、空間數(shù)據(jù)查詢、屬性數(shù)據(jù)查詢以及圖-屬互查等查詢方式，實現(xiàn)對粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化信息、自然環(huán)境條件、農(nóng)地利用狀況、社會經(jīng)濟條件等的查詢，并可對查詢結(jié)果進行保存、顯示及打印等。

（3）空間分析。該模塊提供了疊置分析、緩沖區(qū)分析、統(tǒng)計分析等功能，用戶可結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)對農(nóng)地石漠化形成的自然和人為環(huán)境要素以及農(nóng)地石漠化的發(fā)生范圍、發(fā)展速率、發(fā)展趨勢等進行空間分析，并將結(jié)果以圖、表等形式顯示出來。

（4）預(yù)測預(yù)警。該模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，具有對用戶指定區(qū)域進行各種分析統(tǒng)計和預(yù)測的功能。用戶只要指定要分析預(yù)測的工作區(qū)域，系統(tǒng)就會利用GIS的空間分析、空間數(shù)據(jù)表達的直觀功能，通過調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)資料，利用開發(fā)的預(yù)警模型進行運算、分析、模擬和判斷，并將預(yù)警結(jié)論和分析結(jié)果以色塊圖方式或圖表形式直觀地顯示給用戶，為用戶提供參考。

（5）數(shù)據(jù)輸出。該模塊可根據(jù)用戶需求生成并輸出各種數(shù)據(jù)文件、專題地圖和統(tǒng)計圖表，輸出形式為計算機屏幕顯示和通過打印機打印輸出2種。

（6）決策支持。該模塊可根據(jù)預(yù)警結(jié)果中的警情判定，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中歷史防治措施與經(jīng)驗，提供相應(yīng)的防治方案，以便及時排除警情，為農(nóng)地石漠化防治提出對應(yīng)的決策支持。

（7）系統(tǒng)管理。包括用戶管理和系統(tǒng)維護2方面的功能。用戶管理是對不同級別的用戶授予不同的權(quán)限，保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性。如一般用戶只能對信息進行瀏覽查詢，無權(quán)修改或刪除任何信息，而系統(tǒng)管理員則可以添加、修改、刪除和查詢用戶信息，并可以進行數(shù)據(jù)庫的備份、恢復(fù)以及遠程數(shù)據(jù)提取等操作[8]。系統(tǒng)維護的內(nèi)容主要包括應(yīng)用系統(tǒng)的維護、數(shù)據(jù)的維護、代碼的維護、硬件的維護等。

4結(jié)語

本研究設(shè)計的基于ArcGIS Engine的粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化預(yù)警系統(tǒng)，充分利用了ArcGIS Engine強大的空間分析能力和空間數(shù)據(jù)庫管理能力以及Visual Studio.NET的快速可視化編程優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，實現(xiàn)了粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化多源海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與管理，集農(nóng)地石漠化信息“數(shù)據(jù)采集-查詢檢索-空間分析-預(yù)警預(yù)報-專題制圖”等功能于一體，具有較好的智能化與自動化能力。系統(tǒng)的建成與應(yīng)用不僅粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化的研究提供了新的途徑和方法，而且為粵北巖溶山區(qū)農(nóng)地石漠化的綜合治理提供了決策依據(jù)和技術(shù)支撐。endprint

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