郝 捷,田穎超，王永峰

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州450008； 2.南開(kāi)大學(xué) 信息與技術(shù)學(xué)院，天津300071；3.北京新智感科技有限公司 天津技術(shù)研發(fā)部，天津300000)

基于三維GIS的河南省數(shù)字水土保持管理信息系統(tǒng)研究

郝 捷1,田穎超1，王永峰2,3

(1.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州450008； 2.南開(kāi)大學(xué) 信息與技術(shù)學(xué)院，天津300071；3.北京新智感科技有限公司 天津技術(shù)研發(fā)部，天津300000)

三維GIS；水土保持；管理信息系統(tǒng)；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

以河南省歷次水土保持普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析對(duì)比土壤侵蝕調(diào)查成果，按照四大流域、小流域、市(縣)行政區(qū)劃，從水蝕野外調(diào)查、侵蝕溝道普查、土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化、技術(shù)檔案管理、信息發(fā)布等方面開(kāi)展研究。在深入分析水土保持監(jiān)測(cè)信息業(yè)務(wù)需求和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于三維GIS平臺(tái)的數(shù)字水土保持監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。對(duì)系統(tǒng)建設(shè)背景、目標(biāo)、基礎(chǔ)理論方法、框架結(jié)構(gòu)與支撐技術(shù)、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行了詳述。該系統(tǒng)能通過(guò)水土流失動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)分析，為水土保持決策提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

全國(guó)水土保持行業(yè)共開(kāi)展過(guò)四次遙感普查，受不同年代信息化水平和普查技術(shù)路線(xiàn)的影響，各次遙感普查成果數(shù)據(jù)類(lèi)型各異，其中20世紀(jì)80年代的成果數(shù)據(jù)為未數(shù)字化建庫(kù)的紙質(zhì)格式，1995和2000年的成果數(shù)據(jù)為北京54坐標(biāo)Albers投影的coverage格式，2010年的成果數(shù)據(jù)為WGS84坐標(biāo)UTM投影的shp格式。這四類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)獨(dú)立，信息數(shù)據(jù)管理和對(duì)比分析能力低。截至2012年全國(guó)第一次水利普查結(jié)束時(shí)，河南省仍沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的水土保持信息化管理平臺(tái)。為盡快填補(bǔ)此項(xiàng)業(yè)務(wù)空白，基于GIS，從全國(guó)第一次水利普查的水蝕野外調(diào)查、黃土高原侵蝕溝道普查和歷次遙感普查的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化等三部分入手，借助C#.NET、SQL Server集成的二次開(kāi)發(fā)模式，研究建立了河南省數(shù)字水土保持管理信息系統(tǒng)，以提高水土保持科學(xué)研究成果水平，強(qiáng)化水土保持協(xié)同工作的效能，推進(jìn)水土保持信息現(xiàn)代化，為生態(tài)文明建設(shè)和水土資源可持續(xù)利用服務(wù)。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用C#.NET+組件式GIS Engine+SQL Server集成的二次開(kāi)發(fā)模式，既可以充分利用GIS軟件對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理、顯示、分析功能，又可以利用C#.NET可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的高效、方便等編程的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，易于移植和維護(hù)。

2 系統(tǒng)建設(shè)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

利用數(shù)字地球引擎，構(gòu)建具有輸入、查詢(xún)、檢索、對(duì)比分析、輸出等多功能的信息系統(tǒng)。以三維可視化的方式展現(xiàn)水土流失動(dòng)態(tài)變化情況，為相關(guān)部門(mén)的科學(xué)決策提供可視化的分析工具。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用數(shù)據(jù)層、中間層、應(yīng)用層等三層體系結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意

(1)數(shù)據(jù)層。所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專(zhuān)題數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，各類(lèi)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，為水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

(2)中間層。為上層應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供工具化接口、地圖服務(wù)中間件和信息服務(wù)中間件組件的開(kāi)發(fā)工具接口，減少數(shù)據(jù)庫(kù)成本，為系統(tǒng)提高效率。

(3)應(yīng)用層。為系統(tǒng)人機(jī)交互接口，完成各類(lèi)信息的檢索查詢(xún)、專(zhuān)題圖輸出、水土流失分析等功能，為水土保持管理與決策提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于三維GIS技術(shù)，依托云計(jì)算、軟件工程、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，將空間位置信息與水保數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供數(shù)據(jù)的三維可視化綜合展示平臺(tái)。將數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息與實(shí)時(shí)場(chǎng)景中的模型進(jìn)行綁定，從而達(dá)到對(duì)各種信息的即查即用，并通過(guò)友好的界面實(shí)現(xiàn)豐富的查詢(xún)和分析等功能，從而實(shí)現(xiàn)水土保持多層次信息資源共享[1]。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)按照3NF規(guī)范，分為空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

(1)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。針對(duì)河南省水土保持空間地理要素，采用Geodatabase 數(shù)據(jù)模型，以墨卡托投影的WGS84坐標(biāo)系，通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎(簡(jiǎn)稱(chēng)SDE)，將不同年代的水土保持多源空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SQL Server中，建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。SDE融于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(RDBMS)后，在用戶(hù)和異種空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)之間提供了一個(gè)高效、開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，使系統(tǒng)GIS 功能應(yīng)用與后臺(tái)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現(xiàn)分離，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，確保海量、多源入庫(kù)數(shù)據(jù)的正確性、完整性、可靠性和一致性，以便在任意應(yīng)用中嵌入查詢(xún)和分析數(shù)據(jù)。

(2)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包括地理實(shí)體的非空間信息和非地理實(shí)體信息，其承載的信息包含各自?xún)?nèi)部及兩種信息之間存在的直接和間接聯(lián)系。

4 主要系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 空間數(shù)據(jù)查詢(xún)

分市(縣)行政區(qū)劃、四大流域、小流域等三種體系管理數(shù)據(jù)。以三維可視化的方式，將空間位置與分類(lèi)后的信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，按照水土流失強(qiáng)度等級(jí)生成數(shù)據(jù)圖層，直觀展示水土流失情況。

4.2 屬性數(shù)據(jù)查詢(xún)

通過(guò)信息查詢(xún)按鈕，在地圖上獲取目標(biāo)點(diǎn)水保數(shù)據(jù)圖層，實(shí)現(xiàn)屬性查圖和圖查屬性的雙向功能，從而使屬性數(shù)據(jù)可視化，增強(qiáng)其可操作性和準(zhǔn)確性。

4.3 土壤侵蝕趨勢(shì)分析

利用入庫(kù)的歷次水土保持普查成果數(shù)據(jù)，在同一區(qū)域進(jìn)行空間數(shù)據(jù)差值計(jì)算，獲取不同時(shí)期土壤侵蝕變化的分析成果。

4.4 水蝕野外調(diào)查成果展示

以GIS for.net SDK提供的接口，可任意調(diào)取河南省1 002個(gè)野外調(diào)查單元的空間數(shù)據(jù)，通過(guò)專(zhuān)題圖渲染技術(shù)，結(jié)合C#語(yǔ)言的Renderer接口對(duì)象，用圖層疊加的方式，建立第一次水利普查成果的信息展示平臺(tái)。該平臺(tái)還具有JPG格式圖片與野外調(diào)查單元交互可視化顯示功能，實(shí)現(xiàn)圖形、圖像、圖斑等多源信息一體化管理。

4.5 侵蝕溝道成果展示

首次建立的黃土高原侵蝕溝道數(shù)字化系統(tǒng)涉及40 971條侵蝕溝道，可以準(zhǔn)確定位目標(biāo)區(qū)域內(nèi)侵蝕溝道的數(shù)量、長(zhǎng)度、控制面積、溝壑密度、溝道縱比等幾何特征，為黃土高原地區(qū)的水土保持規(guī)劃和生態(tài)綜合治理提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

5 系統(tǒng)應(yīng)用分析

基于GIS的三維數(shù)字地球引擎，具備海量、多源數(shù)據(jù)的集成、管理能力，內(nèi)嵌豐富的遙感數(shù)據(jù)資源，可加載各種高清影像及配套采集的高精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，能有效增加水保數(shù)據(jù)管理的科學(xué)性和安全性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理和共享應(yīng)用。還能夠通過(guò)系統(tǒng)分析對(duì)比功能，獲取區(qū)域水土流失強(qiáng)度變化趨勢(shì)。

從入庫(kù)的1995、2000、2010年河南省水土流失面積變化情況看(表1)，15年間，河南省土壤侵蝕強(qiáng)度總體呈降低趨勢(shì)，水土流失總面積有所減少，但出現(xiàn)中度以上水土流失面積增加的現(xiàn)象。究其原因，省內(nèi)各級(jí)政府加大了對(duì)水土流失的治理力度，取得顯著效果，但由于自然環(huán)境中水土流失面積大、侵蝕強(qiáng)度高，加之干旱頻發(fā)、地表水資源匱乏，小流域綜合治理后的林草措施生長(zhǎng)緩慢，在短時(shí)間內(nèi)未能完全發(fā)揮水土保持效益，尤其是低山丘陵地區(qū)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，退耕還林措施保存率低，以及開(kāi)礦等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)烈及以上水土流失的發(fā)生。

表1 1995、2000、2010年河南省水土流失面積統(tǒng)計(jì) km2

6 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用Visual C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與ArcGIS組件開(kāi)發(fā)的河南省數(shù)字水土保持綜合管理信息系統(tǒng)，首次建立了全省的土壤侵蝕、黃土高原侵蝕溝道和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，分析出1995—2010年河南省水土流失面積的動(dòng)態(tài)變化趨

勢(shì)。該系統(tǒng)將分散異構(gòu)的水土保持空間數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有機(jī)融合，在填補(bǔ)河南省水土保持行業(yè)信息化空白的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效管理和共享應(yīng)用，為水土保持決策提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。由于某些高級(jí)功能還不能夠?qū)崿F(xiàn)，如高質(zhì)量的地圖輸出、表面模型和網(wǎng)絡(luò)分析等高級(jí)空間分析，因此下一步將加強(qiáng)這方面的工作，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。

[1] 郭索彥,李智廣.新技術(shù)在我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用[J].中國(guó)水利,2006(12):25-27,33.

[2] 易國(guó)彪,白振興.基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫(kù)研究與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008, 24(18):161-163.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2015)02-0056-03

郝捷(1969—)，男，河南寧陵縣人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水土保持工作。

2014-10-28