殷建鵬，高金龍，馮琦勝，葛 靜，侯蒙京，孟寶平，楊淑霞，梁天剛

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州730020)

我國是草地資源大國，各類天然草地面積約為4億hm2，占國土面積的三分之一[1]，而全國近80%的天然草地資源分布在新疆、內(nèi)蒙、甘肅、寧夏、山西、陜西、河北、吉林、黑龍江9個北方省(市)的部分地區(qū)[2]，總面積近300萬km2。中國北方草地生態(tài)系統(tǒng)具有極其重要的作用[3-5]，不僅是全國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展，而且具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、防風(fēng)固沙、水土保持等重要的生態(tài)意義，是北方生態(tài)安全的一道重要屏障[6]。由于多方面因素的影響，北方草地資源一直面臨著沙化、荒漠化、鹽堿化的“生態(tài)危機”[7-8]，隨著人們生態(tài)安全意識的提高，北方草地資源的合理利用與管理得到了更多的重視[9]，管理部門的決策人員更需要一個全面、準確、動態(tài)的草地資源監(jiān)測信息管理平臺來為其提供決策依據(jù)[10]。

草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)的信息量一般比較龐大，而傳統(tǒng)的存儲方法無法滿足人們了解草地資源的整體狀況、空間分布以及動態(tài)變化的需求。隨著地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)在草地資源管理中的應(yīng)用，草地資源的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)在計算機中被大容量存儲，管理人員可以對這些數(shù)據(jù)進行查詢、檢索、輸出、分析等操作，將草地資源的特征在GIS軟件中直觀、便捷地展現(xiàn)，這在提高管理效率、指導(dǎo)人們合理利用草地資源方面發(fā)揮著巨大的作用。目前，我國眾多學(xué)者針對不同區(qū)域的天然草地資源設(shè)計了相應(yīng)的管理系統(tǒng)。朱進忠等[11]設(shè)計了新疆草地資源管理信息系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了新疆地區(qū)草地植物資源、草地旅游資源、草地野生動物資源等方面的評價、預(yù)測等功能。趙博[12]構(gòu)建了松嫩平原草地資源的Geodatabase數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了松嫩草地空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化儲存，并基于Visual Basic和ArcObjects開發(fā)方法設(shè)計了松嫩草地資源管理系統(tǒng)，對松嫩草地形成了有效的管理。而WebGIS技術(shù)的出現(xiàn)將GIS軟件和Web技術(shù)結(jié)合，把單機管理的草地資源系統(tǒng)進化為互聯(lián)網(wǎng)共享的管理方式，成為了一個交互式、分布式、動態(tài)的系統(tǒng)[13]。王加亭[14]以錫林郭勒草原為研究對象，設(shè)計開發(fā)了WebGIS草地資源信息共享系統(tǒng)，以草地類型、土壤類型等11個屬性展現(xiàn)了草地資源的狀況。楊永順[15]基于WebGIS設(shè)計了草原監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可通過瀏覽器直觀方便地獲取產(chǎn)草量、載畜量等信息。宋春橋等[16]利用ArcGIS Server構(gòu)建了藏北草地信息共享平臺，為公眾、科研人員以及管理部門提供信息共享。李琦等[17]基于WebGIS技術(shù)，利用JAVA語言設(shè)計了東北草地植物信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了草地植物資源的時空統(tǒng)計分析等功能，其平臺的開放性和通用性滿足了不同用戶的需求。雖然傳統(tǒng)的WebGIS技術(shù)將GIS功能嵌入了Internet體系中，使得GIS的數(shù)據(jù)查詢、地圖可視化等功能在萬維網(wǎng)上進行，具有一定的優(yōu)勢，但基于HTML頁面模型開發(fā)的WebGIS應(yīng)用程序與用戶交互能力較差，重用性和與擴展性不強，空間分析功能較弱，系統(tǒng)的使用效率大大降低。

針對以前研究中存在的問題，設(shè)計中國北方草地資源管理信息系統(tǒng)基于ArcGIS Server 10.0的服務(wù)器、Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫等環(huán)境，將富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序(rich internet application，RIA)技術(shù)中的Flex框架與WebGIS中的相關(guān)技術(shù)結(jié)合，以期為管理者提供了一個全面的信息共享、信息處理、信息分析平臺，為相關(guān)人員了解北方草地資源的利用現(xiàn)況提供幫助，為決策人員提供科學(xué)的決策依據(jù)，以便制定合理的北方草地發(fā)展戰(zhàn)略，促進我國北方牧區(qū)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 ArcGIS Server 10.0

系統(tǒng)開發(fā)基于ESRI公司出臺的ArcGIS Server 10.0服務(wù)器平臺，包括GIS服務(wù)器與Web服務(wù)器，允許多種形式、高效共享GIS資源，是當(dāng)前最主流的GIS平臺。ArcGIS Server 10.0支持Java和.NET平臺，而且能與多種網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)合，簡化和推進了WebGIS的應(yīng)用[18]，為GIS服務(wù)的發(fā)布提供一個快捷、高效的技術(shù)支持。ArcGIS Server 10.0性能強大，不僅支持在分布式環(huán)境下數(shù)據(jù)采集、管理地理數(shù)據(jù)、制圖、地理空間分析、地圖可視化等基礎(chǔ)GIS功能[19]，而且能通過易操作的Web應(yīng)用，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)和移動端的GIS資源共享體系，實現(xiàn)跨瀏覽器與客戶端的GIS資源訪問功能，與全球互聯(lián)。

1.2 Flex Viewer

Flex Viewer是對ArcGIS Viewer for Flex的簡稱，是ESRI公司基于ArcGIS API for Flex設(shè)計的WebGIS開發(fā)框架。Flex Viewer采用了控制反轉(zhuǎn)(Inversion of Control，IoC)、消息總線(Viewer Container)以及面向接口編程(Interface-Oriented Programming)的思想[20]，將事件作為各功能模塊之間交流的渠道，較大的減少了模塊間的耦合度，有助于開發(fā)人員刪減繁瑣的底層操作，將精力主要放在功能模塊設(shè)計上，極大地提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率和靈活性，降低了后期維護難度。Flex Viewer框架與服務(wù)器端的通信基于Web服務(wù)器，客戶端可通過簡單的調(diào)用操作就能實現(xiàn)；同時該框架是典型的Flex應(yīng)用，可通過瀏覽器中的Flash Player進行加載和管理，不僅消除了瀏覽器和平臺的限制，而且用戶可以感受到較好的視覺體驗。

1.3 SQL Server 2008

SQL Server 2008是基于Microsoft平臺的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，功能強大，不僅可以存儲各種類型的數(shù)據(jù)，按照用戶需求對各類信息分類匯總、歸納統(tǒng)計，極大提高了數(shù)據(jù)庫的工作效率，而且可以對數(shù)據(jù)進行修改、添加和刪除，實現(xiàn)了信息的實時控制與監(jiān)測，數(shù)據(jù)的安全性得到保障。SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的瀏覽和檢索則是通過結(jié)構(gòu)化查詢語言(structured query language，SQL)實現(xiàn)，該語言是非過程化編程語言，擁有極強的靈活性和功能性，用戶可便捷地對數(shù)據(jù)進行更新、查詢等操作。由于使用方便、可伸縮性好、與相關(guān)軟件集成度高的優(yōu)點大大降低了系統(tǒng)負擔(dān)[21]，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫被廣泛應(yīng)用于管理系統(tǒng)的開發(fā)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)基于RIA的B/S體系架構(gòu)，在設(shè)計上采用面向?qū)ο蠓?wù)的方式[22]，將系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計成4層：數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、表示層以及客戶層(圖1)。

2.1.1數(shù)據(jù)層 數(shù)據(jù)層指應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲層，是系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，具有一定的可移植性。數(shù)據(jù)層不僅負責(zé)北方草地監(jiān)測數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)的存取、管理和維護，而且給用戶提供了數(shù)據(jù)訪問的接口[23]。該系統(tǒng)通過ArcGIS Server10.0中的ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎訪問SQL Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，提供了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行高效率操作的數(shù)據(jù)庫服務(wù)。

2.1.2服務(wù)層 服務(wù)層也叫業(yè)務(wù)邏輯層、連接數(shù)據(jù)層和表示層，由各種服務(wù)器端構(gòu)成，是服務(wù)器響應(yīng)Flex應(yīng)用客戶端數(shù)據(jù)請求的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)架構(gòu)中最具核心價值的部分。該系統(tǒng)服務(wù)層主要為ArcGIS Server服務(wù)器，其包括GIS服務(wù)器和Web服務(wù)器。GIS服務(wù)器主要用于對外發(fā)布各種空間服務(wù)并處理Web服務(wù)器發(fā)來的空間請求[24]；Web服務(wù)器提供瀏覽器的網(wǎng)絡(luò)瀏覽服務(wù)，會首先接收Flex客戶端的請求，再將請求傳達給ArcGIS Server服務(wù)器，通過ArcSDE實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫查詢操作，最后將服務(wù)層的響應(yīng)結(jié)果回饋給Flex客戶端。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig. 1 Illustration of system structure

2.1.3表示層 表示層是Flex應(yīng)用程序和系統(tǒng)用戶之間進行交互的接口，F(xiàn)lex應(yīng)用程序可通過Flex類庫中的各種組件向數(shù)據(jù)服務(wù)層請求不同的數(shù)據(jù)服務(wù)。WebGIS技術(shù)與Flex框架結(jié)合后將數(shù)據(jù)通訊分解成了既能與用戶直接交互，又能與服務(wù)器進行通信的小模塊[25]，并為外部留有GIS服務(wù)接口，提供地圖服務(wù)(包括地圖顯示、圖例、圖層目錄組件等)、幾何計算服務(wù)、圖例編輯等。

2.1.4客戶層 客戶層是指應(yīng)用程序的客戶端。此處指安裝Flash播放器的瀏覽器，如IE瀏覽器或者火狐瀏覽器(FireFox，F(xiàn)F)等。Flash播放器可用來執(zhí)行編譯后的SWF文件(已編譯的Flex應(yīng)用程序)，并通過Web服務(wù)器連接ArcGIS Server應(yīng)用服務(wù)器，此運行方式具有安全性、可升級、高適應(yīng)性等特點。因為Flash插件在瀏覽器的普遍應(yīng)用，客戶端無需再安裝額外的插件。用戶利用Flash播放器中的應(yīng)用程序進行交互操作與體驗，最終實現(xiàn)對北方草地資源信息的訪問。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目的和使用人員的一般需求，北方草地資源管理信息系統(tǒng)功能的設(shè)計包括了基礎(chǔ)功能、查詢功能以及數(shù)據(jù)管理功能(圖2)。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計圖Fig. 2 System function design

2.2.1基礎(chǔ)功能 基礎(chǔ)功能主要包括地圖服務(wù)功能。Flex Viewer開源框架本身自帶地圖顯示與瀏覽功能，用戶可以對地圖進行放大、縮小、平移、鷹眼、圖層控制以及圖例的顯示等操作，方便對目標地點的快速定位、地圖信息的解讀、識別地物特征。

2.2.2查詢功能 空間查詢分為點查詢和面查詢，該系統(tǒng)為用戶提供點查詢或者面查詢工具，用戶可以根據(jù)自己的需求在地圖上勾選點要素或者手動繪制面要素，查詢該點或該區(qū)域相應(yīng)的屬性信息，屬性信息可根據(jù)用戶需要以窗口列表的方式呈現(xiàn)。

2.2.3數(shù)據(jù)管理功能 系統(tǒng)對北方草地資源調(diào)查數(shù)據(jù)的管理涉及數(shù)據(jù)權(quán)限管理、數(shù)據(jù)檢索查詢和數(shù)據(jù)下載。

1)數(shù)據(jù)權(quán)限管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所涉及的野外實測數(shù)據(jù)需要花費大量人力、物力和時間才能獲得，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，覆蓋區(qū)域較廣，所以這些數(shù)據(jù)來之不易。功能設(shè)計中考慮到權(quán)限管理，因此只有通過一定方式的驗證后，用戶才能獲得訪問數(shù)據(jù)服務(wù)的權(quán)限，并且對數(shù)據(jù)進行檢索和下載。

2)數(shù)據(jù)檢索。由于數(shù)據(jù)量較大，設(shè)計此功能時參考圖書館圖書信息的查詢模式，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行多條件關(guān)鍵字檢索查詢，用戶就可以根據(jù)自己的實際需要準確檢索到自己期望的數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)下載。在Flex界面中是很難實現(xiàn)對查詢到的數(shù)據(jù)進行其他的操作處理(如生成圖表、統(tǒng)計分析等)，用戶可以使用數(shù)據(jù)下載功能將檢索到的數(shù)據(jù)以Excel表格的形式另存到本地計算機，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的后續(xù)處理、分析。

2.3 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫構(gòu)成?？臻g數(shù)據(jù)庫基于ArcGIS Server 10.0構(gòu)建，空間數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、草地類型數(shù)據(jù)、CSCS草地綜合順序分類數(shù)據(jù)、植被指數(shù)、土地利用數(shù)據(jù)及草地退化數(shù)據(jù)等。其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括區(qū)域邊界圖、縣級行政區(qū)劃圖、道路分布圖、湖泊與水系圖。在發(fā)布地圖服務(wù)之前，需要在ArcMap中制作地圖文檔，由于msd文檔相比于mxd文檔提供了更高的地圖渲染效率，所以將空間數(shù)據(jù)全部儲存在msd文檔中再發(fā)布地圖服務(wù)。屬性數(shù)據(jù)庫基于Microsoft SQL Server 2008關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的重要部分，主要涉及北方草地的野外樣方監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)、草食動物監(jiān)測數(shù)據(jù)以及植被監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基礎(chǔ)功能實現(xiàn)

Flex Viewer開源框架本身自帶的基本功能模塊包括地圖管理(Map Manager)、界面UI管理(UI Manager)。其中，界面管理組件包括導(dǎo)航工具(Navigation Widget)、地圖瀏覽工具(Overview Map Widget)、地圖轉(zhuǎn)換工具(Map Switcher Widget)和圖例控制工具(Header Controller Widget)。4個工具組件在程序初始化時全部加載。

3.2 圖層查詢實現(xiàn)

Flex Viewer支持對空間數(shù)據(jù)的查詢，被查詢的空間數(shù)據(jù)必須為矢量數(shù)據(jù)，因此首先需要創(chuàng)建系統(tǒng)所要展示圖層的矢量文件，并將其在ArcGIS軟件的GIS Server發(fā)布為地圖服務(wù)，然后在Flex Viewer的地圖及圖層配置信息中進行調(diào)用。系統(tǒng)中地圖圖層主要分為兩類：基礎(chǔ)背景地圖和業(yè)務(wù)操作圖層。

查詢是該系統(tǒng)中最重要也最基礎(chǔ)的服務(wù)，可以實現(xiàn)地圖中要素(點、線、面)屬性的多方式查詢(點擊查詢、拉框查詢及多邊形查詢等)，系統(tǒng)根據(jù)用戶請求去執(zhí)行特定的查詢?nèi)蝿?wù)，并將查詢結(jié)果以彈出窗口的形式返回給用戶。在進行空間數(shù)據(jù)的查詢操作時，需要在Flex Viewer使用標簽定義一個查詢?nèi)蝿?wù)面板[26]。

3.3 數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊主要針對北方草地資源的土壤、群落等屬性數(shù)據(jù)的檢索、下載和共享。該系統(tǒng)主要通過WebService組件，基于ASP.NET發(fā)布的Web服務(wù)來調(diào)取存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

考慮到野外實測數(shù)據(jù)的珍貴性，該系統(tǒng)通過設(shè)置數(shù)據(jù)訪問權(quán)限而限制用戶對數(shù)據(jù)的瀏覽。用戶只有通過申請獲得特定的許可之后，方可進入數(shù)據(jù)庫，檢索以及下載所需要的數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)展示

圖3所示為系統(tǒng)在用戶瀏覽器中顯示的主界面，分為標題區(qū)、功能區(qū)和展示區(qū)三部分，標題區(qū)顯示系統(tǒng)的名字及l(fā)ogo；功能區(qū)為用戶提供了權(quán)限登錄、查詢圖層勾選、查詢工具選擇等服務(wù)；展示區(qū)用來顯示地圖，并進行放大縮小、鷹眼圖、漫游等服務(wù)。

圖4所示為系統(tǒng)的空間查詢功能展示，用戶可查詢?nèi)我鈭D層中某一點或某一區(qū)域的屬性，例如勾選草地綜合順序分類圖后在任意位置運用點查詢，就可以得到該點所對應(yīng)的潛在草地植被類型名稱。

圖5所示為數(shù)據(jù)管理功能的展示，用戶可在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行多條件的檢索，準確獲取自己需要的數(shù)據(jù)，并通過“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel表格的形式，方便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析。

4 結(jié)語

本文介紹了北方草地資源信息管理系統(tǒng)的架構(gòu)與功能設(shè)計理念，以及基于Flex框架、ArcGIS Server等技術(shù)設(shè)計開發(fā)的方法。該系統(tǒng)實現(xiàn)了北方草地資源多層數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的瀏覽、查詢、管理等功能，為相關(guān)人員提供了一個準確、靈活、高效的信息共享平臺，推動了我國草地資源的數(shù)字化建設(shè)。與國內(nèi)同類系統(tǒng)相比，不僅研發(fā)技術(shù)上有革新，通過Flex技術(shù)與WebGIS技術(shù)的結(jié)合，降低了系統(tǒng)開發(fā)的困難程度，開發(fā)的系統(tǒng)用戶界面更為友好，交互性增強，運行速度更高。此外，該系統(tǒng)收集了數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型豐富的北方草地資源信息，在大尺度范圍內(nèi)描述了北方草地資源的狀況。

圖3 系統(tǒng)主界面Fig. 3 System main interface

圖4 空間查詢功能Fig. 4 Space query function

圖5 數(shù)據(jù)管理功能Fig. 5 Data management functions

但該系統(tǒng)正處于試用起步階段，系統(tǒng)功能還不夠完善，如描述草地資源狀況的屬性數(shù)據(jù)較少，要全面描述北方草地資源的狀況，補充和完善屬性數(shù)據(jù)庫應(yīng)是后續(xù)開發(fā)中的重點；此外，為提高該系統(tǒng)的實用性，在后續(xù)開發(fā)中將對系統(tǒng)中的圖層進行專題展示，如基于CVOR算法制作的北方草地退化分布圖、基于機器學(xué)習(xí)方法制作的北方草地生物量空間分布圖、北方牧區(qū)土地覆蓋類型圖等，以便讓決策人員更加直觀感受到北方草地資源的動態(tài)變化。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及GIS技術(shù)的不斷革新，3D技術(shù)也將逐漸被應(yīng)用到網(wǎng)頁和客戶端中，用戶可在系統(tǒng)中瀏覽草原景觀的立體影像。

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