鄭國(guó)臣，劉洪超，呂 軍，秦 雨,2

(1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長(zhǎng)春 130021； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭國(guó)臣1，劉洪超1，呂 軍1，秦 雨1,2

(1.松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長(zhǎng)春 130021； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

水土保持監(jiān)測(cè)；信息系統(tǒng)；松遼流域

圍繞松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需要，利用現(xiàn)有基礎(chǔ)條件，設(shè)計(jì)了松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)匯集了水土保持區(qū)域、常規(guī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目、野外調(diào)查單元及水文泥沙站點(diǎn)等數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌考慮了水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理與共享方式；基于松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范化統(tǒng)一入庫(kù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，有效地存儲(chǔ)、管理與分發(fā)圖形、圖像和音像等專業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息資源共享；遵循主流接口規(guī)程和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步提升松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息智能管理水平提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

水土保持監(jiān)測(cè)與信息化是當(dāng)前水利部著力推動(dòng)的重點(diǎn)工作之一，加強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)和信息化是落實(shí)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)決策部署和相關(guān)制度,適應(yīng)政府職能轉(zhuǎn)變和強(qiáng)化水利行業(yè)管理,推動(dòng)水土保持改革發(fā)展的要求[1]。近年來(lái)，松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)能力有了明顯增強(qiáng)，但在水土保持監(jiān)測(cè)信息化方面仍亟待提高。為此，我們的目標(biāo)是建設(shè)融合系統(tǒng)框架、總體功能、關(guān)鍵技術(shù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等的松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于水土保持業(yè)務(wù)需求與軟件設(shè)計(jì)思想，在數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、三維仿真和多媒體等技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)對(duì)象的空間結(jié)構(gòu)、時(shí)間過(guò)程、內(nèi)在規(guī)律和特征屬性的全息化描述，從而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)控分析流域內(nèi)土壤侵蝕的過(guò)程[2]。

按照松遼委水土保持處的業(yè)務(wù)需求，結(jié)合松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀，針對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中“面向?qū)ο蟆迸c“全息化描述”等需求，在數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(DCS)、三維仿真和多媒體等技術(shù)的支持下[3-4]，松遼流域水資源保護(hù)局松遼水環(huán)境科學(xué)研究所設(shè)計(jì)了松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴(yán)格按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范化數(shù)據(jù)統(tǒng)一入庫(kù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，有效地存儲(chǔ)、管理與分發(fā)圖形、圖像和音像等專業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，以滿足今后松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，從而初步實(shí)現(xiàn)松遼流域的“智慧水土保持監(jiān)測(cè)”目標(biāo)[5]。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型

1.1 矢量數(shù)據(jù)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，必須保證各圖層投影一致，投影轉(zhuǎn)換可以直接通過(guò)地理信息系統(tǒng)軟件的工具或菜單命令實(shí)現(xiàn)(選擇相應(yīng)圖層，提供相關(guān)參數(shù)信息，用軟件實(shí)現(xiàn)投影轉(zhuǎn)換)。圖形拓?fù)錂z查及編輯是為了保證圖層的正確性，可對(duì)未封閉面、多余線、重復(fù)線、懸掛線進(jìn)行拉伸和刪除等，完成圖層編輯后，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件的菜單命令創(chuàng)建圖層的拓?fù)潢P(guān)系，之后對(duì)結(jié)果再次進(jìn)行檢查與編輯，每次數(shù)據(jù)編輯過(guò)后均需創(chuàng)建拓?fù)洹４_保圖層拓?fù)潢P(guān)系正確后，可將準(zhǔn)備好的圖形數(shù)據(jù)按空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)關(guān)系分類入庫(kù)到空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)入庫(kù)后，需要進(jìn)行入庫(kù)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，包括數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢查和一致性檢查。

1.2 柵格數(shù)據(jù)

對(duì)已有的遙感圖像進(jìn)行增強(qiáng)、重采樣，生成不同分辨率的可供不同比例尺專題圖使用的圖像并存儲(chǔ)，將不同分辨率的遙感圖像拼接起來(lái)，生成不同比例尺的全省遙感圖像，并形成柵格“金字塔”結(jié)構(gòu)。圖像增強(qiáng)可以采用基于線性拉伸的圖像增強(qiáng)方法、基于分段線性拉伸的圖像增強(qiáng)方法、基于直方圖均衡的圖像增強(qiáng)方法等，使用遙感處理軟件拉伸增強(qiáng)功能即可實(shí)現(xiàn)。在瀏覽影像數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)前用戶所需的分辨率，提取相應(yīng)尺度“金字塔”層的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的快速瀏覽。柵格“金字塔”結(jié)構(gòu)采用“多級(jí)多塔”的構(gòu)架，即橫向上分成原始分辨率和30、60、120、240、480、1 000 m七級(jí)分辨率的遙感影像，在縱向上每一級(jí)又分別對(duì)應(yīng)多個(gè)“金字塔”結(jié)構(gòu)。

1.3 屬性數(shù)據(jù)

屬性數(shù)據(jù)處理與入庫(kù)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是數(shù)據(jù)量較大。已有數(shù)據(jù)可能是電子版本的，也可能是文本形式的，無(wú)論是哪種形式都統(tǒng)一按照制定的數(shù)據(jù)分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整理匯編，之后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫(kù)。

1.4 多媒體數(shù)據(jù)

多媒體數(shù)據(jù)處理與入庫(kù)操作也比較簡(jiǎn)單。將已有的多媒體資料整理、分類，轉(zhuǎn)換為Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)支持的多媒體數(shù)據(jù)格式，通過(guò)自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫(kù)。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

2.1 元數(shù)據(jù)庫(kù)

元數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息主要包括：基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源、性質(zhì)、精度、形成時(shí)間、坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、數(shù)據(jù)質(zhì)量、存儲(chǔ)位置、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)編碼方式、與其他信息的關(guān)系等。

2.2 水土保持區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)

水土保持區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的信息包括行政區(qū)劃、水系、DEM、土地利用、TM影像及土壤侵蝕強(qiáng)度等，均以相應(yīng)的專題圖形式展示，專題圖上的地物與對(duì)象記錄一一對(duì)應(yīng)。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息包括基本信息(監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱，所屬小流域名稱，所屬監(jiān)測(cè)分站名稱，所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣、市名稱，水土流失類型區(qū)，設(shè)施類型，監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度)，設(shè)施信息(徑流小區(qū)、控制站、氣象站)，設(shè)備信息(設(shè)備名稱、規(guī)格、型號(hào)、安裝位置、測(cè)量精度、備品配件及存放位置、銷售商及聯(lián)系方式、生產(chǎn)廠商及聯(lián)系方式)，水蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)(徑流場(chǎng)和控制站監(jiān)測(cè)信息)，降水量及降水強(qiáng)度，土壤含水量，徑流量和泥沙量，以及控制站觀測(cè)水位、流速與流量、泥沙量等。

3 應(yīng)用開發(fā)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)子系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)子系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入、導(dǎo)出、查詢、統(tǒng)計(jì)等模塊，其中：基本信息包括小流域所在行政位置、地理位置、流域特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、控制站名稱、編號(hào)等；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括土壤類型、土層厚度、分流系數(shù)等(圖1)；數(shù)據(jù)錄入模塊，錄入氣象(降水、蒸發(fā)、氣溫)、土壤(土壤水分)、徑流場(chǎng)(徑流、泥沙)、控制站(徑流、懸移質(zhì)、推移質(zhì))觀測(cè)數(shù)據(jù)等(圖2)；數(shù)據(jù)查詢模塊，實(shí)現(xiàn)某時(shí)段降水、徑流泥沙、土壤水分、氣溫等觀測(cè)數(shù)據(jù)的查詢(圖3)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)錄入內(nèi)容進(jìn)行逐日、月、年、多年及某時(shí)段統(tǒng)計(jì)(圖4)。

3.2 水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

(1)區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理。主要包含基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)管理、 土壤侵蝕管理等功能。①基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)管理功能，主要包含圖層管理、三維可視化、地圖操作(平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、暫停)、斷面查詢、高差查詢、面積量算、距離量算、匯水分析及一鍵通查詢服務(wù)等。②土壤侵蝕管理功能，能按照行政區(qū)、水系(流域)兩種途徑查詢、統(tǒng)計(jì)土地利用現(xiàn)狀、坡度分級(jí)、土壤侵蝕信息(如土壤侵蝕類型、強(qiáng)度、分布等)，查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖表的方式直觀表達(dá)。

圖1 徑流小區(qū)錄入信息操作示意

圖2 降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出操作示意

圖3 徑流泥沙采樣查詢模塊操作示意

圖4 降雨量統(tǒng)計(jì)模塊操作示意

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)管理。根據(jù)監(jiān)測(cè)總站接收到的監(jiān)測(cè)分站上報(bào)的轄區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、分類統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)歸檔、本地封存，及時(shí)掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)水土流失觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面觀測(cè)與試驗(yàn)設(shè)施所獲得數(shù)據(jù)的有效管理。按水系(流域)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果直接生成報(bào)表和統(tǒng)計(jì)圖，并能夠即時(shí)打印輸出。

(3)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理。主要對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，具備數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出等功能。

3.3 水文泥沙站點(diǎn)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，按照不同行政區(qū)、流域、水文站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)時(shí)段查詢、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出水文泥沙站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、分類、封包、傳輸、接收、解包、校驗(yàn)、入庫(kù)等。

3.4 運(yùn)行管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括權(quán)限管理、日志管理系統(tǒng)，供業(yè)務(wù)部門使用，能保證系統(tǒng)信息的全面性。該子系統(tǒng)涉及海量、類型多樣的數(shù)據(jù)，用戶范圍橫向涉及松遼水環(huán)境科學(xué)研究所的技術(shù)、管理、決策人員，縱向涉及各級(jí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)技術(shù)人員。針對(duì)不同用戶、不同業(yè)務(wù)需要，授權(quán)到具體界面、菜單、按鈕或子程序，對(duì)不同數(shù)據(jù)項(xiàng)限制其訪問(wèn)、讀取、增加、刪除、修改、存儲(chǔ)、位置變更等操作權(quán)限，包括權(quán)限配置、權(quán)限操作、權(quán)限安全管理、用戶權(quán)限初始化。還能通過(guò)日志來(lái)檢查錯(cuò)誤發(fā)生的原因，或者系統(tǒng)用戶操作時(shí)留下的痕跡，按操作日志和異常日志兩類設(shè)計(jì)，其中操作日志是用來(lái)記錄用戶對(duì)系統(tǒng)的操作信息，異常日志是用來(lái)記錄用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行非法操作或系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)的信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

加快水土保持監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建設(shè)是提高水土保持監(jiān)管能力的內(nèi)在要求。結(jié)合松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求，考慮現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及水土保持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的聯(lián)系與區(qū)別，按水土保持業(yè)務(wù)需要把基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的屬性信息，確保了數(shù)據(jù)的專業(yè)性。構(gòu)建松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息化平臺(tái)，嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用統(tǒng)一的名詞術(shù)語(yǔ)、分類編碼、數(shù)據(jù)交換格式和信息描述方式等，空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)、信息編碼規(guī)范，保證了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的完整性、協(xié)調(diào)性和規(guī)范性。在統(tǒng)一規(guī)劃的前提下，統(tǒng)一方法、統(tǒng)一指標(biāo)、統(tǒng)一操作流程、統(tǒng)一精度進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的組織，使用統(tǒng)一的坐標(biāo)系、投影方式、比例尺和通用的數(shù)據(jù)格式，保障了海量數(shù)據(jù)的無(wú)縫拼接、數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用。松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了松遼流域水土保持監(jiān)管工作的新跨越，推進(jìn)了水土保持管理工作由傳統(tǒng)管理方式向互聯(lián)、互通管理方式的轉(zhuǎn)變進(jìn)程，為進(jìn)一步提升松遼流域水土保持智能管理水平提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

[1] 吳炳方,周月敏.水土保持監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(1):269-271.

[2] 姜德文.加快水保信息系統(tǒng)建設(shè) 適應(yīng)現(xiàn)代管理新要求[J].中國(guó)水土保持,2015(1):1-2,7.

[3] 劉淑珍,劉斌濤,蘇正安,等.對(duì)我國(guó)水土流失調(diào)查評(píng)價(jià)方法若干問(wèn)題的思考[J].山地學(xué)報(bào),2014,32(2):150-153.

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[5] 王浩民.黑龍江省生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作綜述[J].黑龍江水利科技,2015,43(1):51-53.

鄭國(guó)臣(1976—)，男，黑龍江哈爾濱市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水資源保護(hù)方向的研究工作。

2017-07-20

(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157

C

1000-0941(2017)11-0064-03