依力亞斯江·努爾麥麥提， 張 東， 楊愛霞

(新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

WebGIS技術(shù)能夠把網(wǎng)絡(luò)化的地圖和地理分析功能與具體學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫操作很方便、快捷地集成在一起，其具有訪問范圍廣、成本低、操作便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)、跨平臺等優(yōu)點(diǎn)[9]，因此WebGIS技術(shù)不僅推動了GIS技術(shù)在不同學(xué)科領(lǐng)域的廣泛發(fā)展應(yīng)用[10]，而且它進(jìn)入一個革新的時期[11]。前人在干旱區(qū)典型地物WebGIS光譜信息系統(tǒng)[12]和基于WebSIS技術(shù)的土壤鹽漬化遙感監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)[13]等方面開展了相應(yīng)研究，然而針對基于WebGIS的土壤鹽漬化風(fēng)險定量評估問題的研究并不多見，況且目前土壤鹽漬化遙感風(fēng)險監(jiān)測與評估信息的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)決策自動化技術(shù)基礎(chǔ)研究比較薄弱，還存在著傳輸時效較差、網(wǎng)絡(luò)傳遞不暢、信息共享覆蓋面有限等問題[13]。

本文以我國新疆和田地區(qū)于田縣為研究區(qū)域，首先利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)及方法，建立基于多源遙感數(shù)據(jù)和GIS的土壤鹽漬化風(fēng)險評估柵格、矢量及屬性數(shù)據(jù)庫；其次，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析等數(shù)學(xué)和地學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，構(gòu)建土壤鹽漬化風(fēng)險灰色評估模型；再次，基于OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification)這一開放的地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范，利用GIS服務(wù)器GeoServer和WebGIS操作框架OpenLayers等開源軟件，搭建基于WebGIS的土壤鹽漬化風(fēng)險評估系統(tǒng)；最后應(yīng)用該系統(tǒng)，進(jìn)行研究區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險定量評估、等級劃分，從而為研究區(qū)土壤鹽漬化及時、有效治理和土壤資源的科學(xué)管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是鹽漬化風(fēng)險定量評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，是整個系統(tǒng)的基石，是系統(tǒng)建立、操作、管理和穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[14]。根據(jù)眾多專家研究成果[15-17]和于田綠洲實(shí)際情況，通過專家咨詢及結(jié)合研究區(qū)歷年數(shù)據(jù)資料的完整性、合理性、代表性及數(shù)據(jù)獲取的可能性，最終選擇了16個評價指標(biāo)(見圖1)。這些數(shù)據(jù)一部分用歷年遙感技術(shù)來定量反演獲取，包括地面蒸散發(fā)、地表溫度、地表反照率(Albedo)、地上生物量、葉面積指數(shù)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、地面數(shù)字高程等；還有一部分基于野外實(shí)地采集數(shù)據(jù)，并采用GIS空間內(nèi)插技術(shù)來獲得，包括地下水埋深、地下水電導(dǎo)率、表層土壤pH值、表層土壤含水量等。如圖1所示，基于WebGIS的土壤鹽漬化風(fēng)險評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要分為空間和屬性數(shù)據(jù)庫兩大類和GIS數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫、野外采集資料數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)庫等四小類，數(shù)據(jù)格式分為矢量、柵格和屬性數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)環(huán)境與運(yùn)行平臺

本系統(tǒng)采用Microsoft Windows Server 2012作為服務(wù)器端操作系統(tǒng)、Windows XP Professional Windows 7 Professional作為客戶端操作系統(tǒng)；以Java，JavaScript，HTML，SQL(Structured Query Language)，CQL(Common Query Language)等為開發(fā)語言環(huán)境；開發(fā)瀏覽器采用Microsoft Internet Explorer 11.0和Mozilla FireFox 45.0.1；GIS服務(wù)器部署GeoServer 2.8.9 Beta，Web 服務(wù)器采用Apache Tomcat 8.0；建立MySQL Server 5.7和 MariaDB10.0引擎數(shù)據(jù)庫；前臺使用ReactJS和OpenLayers 3.4組件開發(fā)客戶端，采用Spring Boot，Spring JPA，Hibernate，Spring MVC，Spring Security等組件構(gòu)建后臺；后臺以Gradle、前臺以Webpack工具來搭建項(xiàng)目技術(shù)框架；采用B/S(Browser/Server瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，在前端圖像展示、地圖發(fā)布、數(shù)據(jù)存儲、處理等過程中，采用了一系列開源軟件，使系統(tǒng)具有良好的跨平臺和跨瀏覽器的特點(diǎn)。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)思路

GeoServer是一個完全符合OpenGIS規(guī)范的、功能齊全的開源Web服務(wù)器平臺，發(fā)布地圖數(shù)據(jù)方便，容易實(shí)現(xiàn)地理信息共享，兼容PostGIS、Shapefile、ArcSDE、Oracle、MySQL、MapInfo等數(shù)據(jù)格式，支持上百種地圖投影方式[18]，特別是它支持 AJAX (Asynchronous JavaScript and XML)的地圖客戶端OpenLayers，極大地方便了WebGIS系統(tǒng)開發(fā)[19]。OpenLayers 是由MetaCarta公司開發(fā)的一個專為WebGIS客戶端開發(fā)提供的純面向?qū)ο驤avaScript開源類庫[20]，訪問地理空間數(shù)據(jù)的方法符合OpenGIS規(guī)范，并具有跨瀏覽器、無刷新更新頁面、完全支持GIS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和服務(wù)(WMS、WFS、WCS等地理參考信息模型)，支持多種數(shù)據(jù)格式，這些優(yōu)點(diǎn)使WebGIS開發(fā)人員擁有非常多的開發(fā)系統(tǒng)選擇[21]。因此本文通過集成GeoServer服務(wù)器和OpenLayers類庫平臺實(shí)現(xiàn)了鹽漬化風(fēng)險評估WebGIS系統(tǒng)的研發(fā)。

考慮到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是基于多源遙感定量參數(shù)和GIS空間內(nèi)插數(shù)據(jù)，利用GeoServer和OpenLayers等軟件，將WebGIS技術(shù)和較為成熟的數(shù)學(xué)灰色評估模型有機(jī)集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤鹽漬化風(fēng)險因子空間地理數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)快速共享和鹽漬化風(fēng)險定量評估目標(biāo)，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程主要思路有[22]：①利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和空間分析功能，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)預(yù)處理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立(包括遙感反演地表定量參數(shù)、GPS空間定位數(shù)據(jù)和野外采集數(shù)據(jù)的GIS空間內(nèi)插數(shù)據(jù))，WebGIS系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)；②采用前端開發(fā)框架ReactJS類來創(chuàng)建高性能用戶界面；通過部署并配置開源WebGIS服務(wù)器GeoServer來搭建地理服務(wù)器環(huán)境，GeoServer配置各種空間地理和地圖數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)庫MySQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲；③采用開源JavaScript 類庫OpenLayers開發(fā)WebGIS系統(tǒng)客戶端，通過SpringBoot內(nèi)嵌Apache Tomcat構(gòu)建后臺Spring框架應(yīng)用，并采用Gradle工具搭建較為健全的后臺技術(shù)框架，進(jìn)而建立基于GeoServer、OpenLayers、ReactJS、MySQL和Spring的鹽漬化風(fēng)險評估WebGIS框架；④運(yùn)用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、相關(guān)分析法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法等數(shù)學(xué)評估模型對GIS 的空間分析評價功能進(jìn)行擴(kuò)展。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，選用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)評估模型與灰色分析法相結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，完善GIS的空間分析評價功能，并集成系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對鹽漬化風(fēng)險的WebGIS定量評估。

1.4 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，WebGIS主要有3種不同的應(yīng)用結(jié)構(gòu)模式：集中模式、B/S構(gòu)架模式以及C/S結(jié)構(gòu)模式[23]。其中B/S構(gòu)架模式是一種多層結(jié)構(gòu)，具有更好的交互性、靈活性、可擴(kuò)展性和維護(hù)性等特點(diǎn)，避免用戶重復(fù)安裝GIS軟件，操作較簡單，成本較低[23]。因此，本系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架模式，對各項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)行分離，劃分為數(shù)據(jù)服務(wù)層、邏輯應(yīng)用層和用戶界面層，本系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

1.5 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)土壤鹽漬化風(fēng)險評估研究的主要內(nèi)容與方法，以及通過對系統(tǒng)用戶需求的分析，本系統(tǒng)的最終目的是實(shí)現(xiàn)基于WebGIS完成干旱區(qū)的土壤鹽漬化風(fēng)險強(qiáng)度的分級，并且根據(jù)分級結(jié)果形成研究區(qū)鹽漬化風(fēng)險等級劃分圖。為了更好地實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，基于WebGIS的干旱區(qū)土壤鹽漬化評估系統(tǒng)主要包括五大功能模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)瀏覽及管理、統(tǒng)計(jì)分析及信息檢索、空間分析及模型構(gòu)建和風(fēng)險評估及區(qū)劃(見圖3)。

“秩序是一種均衡狀態(tài)，而這種均衡狀態(tài)既可能以自然均衡的形式出現(xiàn)，也可能以創(chuàng)制的方式獲得。”[69]《聯(lián)合國憲章》確立的宗旨和原則，是國際關(guān)系的基本準(zhǔn)則，也是人類命運(yùn)共同體的基石。聯(lián)合國和平、發(fā)展和人權(quán)事業(yè)是人類命運(yùn)共同體的支柱。中國與聯(lián)合國合作構(gòu)建新型國際關(guān)系、共建“一帶一路”，是實(shí)現(xiàn)人類命運(yùn)共同體目標(biāo)的重要路徑[70]。構(gòu)建人類命運(yùn)共同體不是一朝一夕的事情，需要推進(jìn)中國特色大國外交，在發(fā)展大國關(guān)系、周邊關(guān)系、發(fā)展中國家的關(guān)系時，不斷深化共同利益，推動規(guī)則的設(shè)置、完善，促進(jìn)中國和世界各國良性互動、互利共贏，形成命運(yùn)共同體，進(jìn)而共同構(gòu)建“五個世界”[71]。

圖3 系統(tǒng)功能模塊關(guān)系圖

(1) 數(shù)據(jù)采集?；赪eb和GeoServer的在線數(shù)據(jù)插入方式進(jìn)行，用戶按照自己權(quán)限對系統(tǒng)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、野外采集數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)資料等數(shù)據(jù)的上傳和下載。

(2) 數(shù)據(jù)瀏覽及管理。通過用戶權(quán)限及身份驗(yàn)證來進(jìn)行，不同身份用戶具有不同數(shù)據(jù)管理權(quán)限，當(dāng)進(jìn)入數(shù)據(jù)管理模塊時，用戶對遙感、GIS和其他屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢、編輯、刪除、導(dǎo)出、導(dǎo)入、追加等相應(yīng)數(shù)據(jù)管理的操作。

(3) 統(tǒng)計(jì)分析和信息檢索。實(shí)現(xiàn)訪問土壤鹽漬化相關(guān)RS、GIS和屬性數(shù)據(jù)庫，可以進(jìn)行空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的查詢。除此之外，用戶可以實(shí)現(xiàn)圖示點(diǎn)檢索，用戶通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊窗口內(nèi)圖元即可瀏覽該圖元的屬性值。系統(tǒng)還提供用戶對各種評價因子的統(tǒng)計(jì)分析，主要統(tǒng)計(jì)特征包括：平均值，最大值，最小值，標(biāo)準(zhǔn)差，方差，變異系數(shù)，偏度，峰度等。

(4) 空間分析及模型構(gòu)建。包括用戶鹽漬化成因空間分析和構(gòu)建風(fēng)險評估模型等兩大內(nèi)容。用戶先依據(jù)需求進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的集成、矢量化，建立基于WebGIS的數(shù)據(jù)庫，然后通過鹽漬化評價因子進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析，確定鹽漬化風(fēng)險評估的評價因子。通過采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行空間柵格數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)化處理。最后計(jì)算評價因子風(fēng)險權(quán)重系數(shù)，并生成評價因子灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)柵格圖層，構(gòu)建土壤鹽漬化風(fēng)險空間灰色評估模型。

(5) 鹽漬化風(fēng)險評估。通過空間數(shù)據(jù)直觀具體表示土壤鹽漬化風(fēng)險的空間分布規(guī)律，并按照不同級別劃分鹽漬化風(fēng)險等級，展示鹽漬化風(fēng)險情況的區(qū)域劃分及形成相應(yīng)的專題地圖。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的實(shí)時顯示、放大、縮小、平移、查詢和輸出等功能。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以安全性、先進(jìn)性、簡便性、實(shí)用性、合理性及可擴(kuò)展性原則為導(dǎo)向，從用戶使用能夠遠(yuǎn)程快速數(shù)據(jù)共享及風(fēng)險評估的角度，通過集成GeoServer、OpenLayers、ReactJS、Spring、WebGIS等開源軟件框架和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主要五大功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)瀏覽及管理模塊、統(tǒng)計(jì)分析及信息檢索模塊、空間分析及模型構(gòu)建模塊和風(fēng)險評估及區(qū)劃模塊。

首先，為了保證系統(tǒng)的安全性，設(shè)置系統(tǒng)用戶登錄功能，系統(tǒng)登錄界面如圖4所示。系統(tǒng)用戶組分為管理員用戶(具有所有權(quán)限，包括數(shù)據(jù)編輯、修改，系統(tǒng)維護(hù)和風(fēng)險評估等權(quán)限)和普通用戶(限權(quán)用戶，只具備系統(tǒng)瀏覽、查詢、風(fēng)險評估等權(quán)限)。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

然后，進(jìn)入系統(tǒng)鹽漬化風(fēng)險評估區(qū)域選擇界面，按照用戶需求及采集數(shù)據(jù)的完整性，用戶選擇研究區(qū)所在省、市、區(qū)或縣，并進(jìn)入系統(tǒng)主界面(見圖5)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)經(jīng)過地圖區(qū)域當(dāng)前高亮顯示特效，用戶可以方便選擇需要評估區(qū)域。

圖5 鹽漬化風(fēng)險WebGIS評估系統(tǒng)主界面

干旱區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險評估系統(tǒng)用戶主界面(見圖5)由6部分組成，分別為標(biāo)題欄、菜單欄(包括：首頁、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、模型構(gòu)建、風(fēng)險評估和系統(tǒng)設(shè)置等)、工具欄(包括：放大、縮小、拖動、全屏顯示、導(dǎo)出等)、數(shù)據(jù)及圖層管理區(qū)域(圖層名稱、是否顯示等)、數(shù)據(jù)顯示窗口區(qū)域、狀態(tài)欄(包括：顯示當(dāng)前圖層、當(dāng)前比例尺、光標(biāo)位置經(jīng)緯度、光標(biāo)位置取值和任務(wù)完成情況等)。實(shí)現(xiàn)窗口風(fēng)格、菜單及工具欄功能與ArcMap系統(tǒng)類似，力求實(shí)現(xiàn)用戶界面友好、操作簡單實(shí)用。

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊。實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、野外采集數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)資料等數(shù)據(jù)的上傳和下載功能，用戶按照自己權(quán)限及需要下載數(shù)據(jù)或者按照數(shù)據(jù)類型上傳數(shù)據(jù)，并直接保存系統(tǒng)服務(wù)器，所上傳及插入數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)主界面瀏覽、展示。

(2) 數(shù)據(jù)瀏覽及管理模塊。包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢、編輯、刪除、導(dǎo)出、導(dǎo)入、更新等功能，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步維護(hù)、完善和有效管理，為系統(tǒng)提供可靠數(shù)據(jù)源。

(3) 統(tǒng)計(jì)分析和信息檢索模塊。為了獲取與分析不同鹽漬化風(fēng)險評價因子的統(tǒng)計(jì)特征，并對評價指標(biāo)體系的建立提供有利參考。本模塊實(shí)現(xiàn)了平常地學(xué)統(tǒng)計(jì)常用的統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算，同時實(shí)現(xiàn)了用戶根據(jù)自己權(quán)限進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問、空間和屬性數(shù)據(jù)的查詢和圖示點(diǎn)檢索功能。

(4) 空間分析及模型構(gòu)建模塊?？臻g分析為WebGIS系統(tǒng)的最顯著特征之一。本系統(tǒng)按照鹽漬化風(fēng)險評估工作需要設(shè)計(jì)了地理數(shù)據(jù)空間內(nèi)插、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、風(fēng)險權(quán)重系數(shù)計(jì)算、柵格計(jì)算和鹽漬化風(fēng)險評估模型構(gòu)建等空間分析和數(shù)據(jù)處理等功能，使得用戶按照需求進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的集成、柵格圖層的空間疊加、評價因子統(tǒng)計(jì)分析、風(fēng)險權(quán)重確定，從而構(gòu)建土壤鹽漬化風(fēng)險灰色評估模型。

(5) 鹽漬化風(fēng)險評估模塊。在構(gòu)建模型模塊所計(jì)算生成的評價因子風(fēng)險權(quán)重系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)柵格圖層的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)鹽漬化風(fēng)險灰色評估模塊(見圖6(a), (b))，計(jì)算并產(chǎn)生研究區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險的空間分布圖及風(fēng)險等級區(qū)劃圖(見圖6(c))，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險狀況的實(shí)時顯示、放大、縮小、平移、查詢和輸出等功能。

圖6 系統(tǒng)鹽漬化風(fēng)險灰色評估菜單(a)和窗口(b)，系統(tǒng)鹽漬化風(fēng)險灰色WebGIS定量評估結(jié)果展示(c)

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)基于OpenGIS規(guī)范，集成開源GeoServer服務(wù)器和OpenLayers類庫，將GIS空間分析技術(shù)、MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web軟件集成開發(fā)技術(shù)和數(shù)學(xué)灰色評估模型等有機(jī)結(jié)合，基于本文提出的開源WebGIS系統(tǒng)架構(gòu)，采用鹽漬化風(fēng)險灰色評估方法與理論，實(shí)現(xiàn)了在互聯(lián)網(wǎng)上快捷發(fā)布、瀏覽、共享、管理、查詢、統(tǒng)計(jì)分析、模型構(gòu)建和鹽漬化風(fēng)險灰色評估等功能。實(shí)現(xiàn)了干旱區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險有關(guān)矢量及柵格數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，建立了基于WebGIS的矢量、柵格及屬性數(shù)據(jù)庫，并利用該系統(tǒng)對研究區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)狀進(jìn)行了風(fēng)險WebGIS定量評估。系統(tǒng)具有模塊化、可視化及交互式的特點(diǎn)，用戶界面友好、方便操作并具有可擴(kuò)展性，能在Windows和Linux等操作系統(tǒng)下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了一個通用、低成本、高效的WebGIS系統(tǒng)。為干旱區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險遙感與GIS定量評估的WebGIS系統(tǒng)

奠定了基礎(chǔ)；為研究區(qū)土壤鹽漬化實(shí)時、有效治理、土壤資源科學(xué)管理提供新的技術(shù)手段和參考依據(jù)。