程瑞芳

(河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州 450008)

河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)的研發(fā)

程瑞芳

(河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測(cè)總站，河南 鄭州 450008)

水土保持；三維可視化；GIS；SQL Server；管理信息系統(tǒng)；河南省

基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次開(kāi)發(fā)模式，存儲(chǔ)集成全省多次水土流失遙感普查和基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)野外調(diào)查圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)建立的三維可視化、交互顯示效果，是具有輸入、查詢(xún)、檢索、對(duì)比分析和輸出等多功能的綜合管理信息平臺(tái)。河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了水土保持管理信息化，為水土保持工作決策、規(guī)劃、治理提供了科學(xué)的依據(jù)。

受人口密度大、人為干擾強(qiáng)烈等多種因素影響，河南省水土流失嚴(yán)重，水土流失面積6.06萬(wàn) km2，占全省土地總面積的36.3%[1-2]。與水土流失嚴(yán)重的狀況不相適應(yīng)的是，河南省水土保持工作信息化管理水平較低，各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)還在沿用傳統(tǒng)方法，對(duì)水土流失綜合治理狀況、水土保持效益等的評(píng)價(jià)仍停留在定性而難以定量的水平上。因此，開(kāi)展河南省水土保持管理信息系統(tǒng)構(gòu)建與研發(fā)，已成為十分重要和迫切的工作任務(wù)。

地理信息系統(tǒng)(GIS)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶(hù)組成，通過(guò)對(duì)地理數(shù)據(jù)的集成、存儲(chǔ)、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息[3]。在水土保持領(lǐng)域，GIS主要用于水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、水土保持調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、水土流失評(píng)價(jià)模型開(kāi)發(fā)和水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面[4]?，F(xiàn)有的流域水土保持信息系統(tǒng)大多以ArcObjects為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如基于Visual Basic 6.0與ArcObjects構(gòu)建的濟(jì)源市水土保持決策支持系統(tǒng)[5]、基于GIS和RS建立的淮河流域水土保持信息管理系統(tǒng)[6]。這些系統(tǒng)只構(gòu)建了特定小區(qū)域的信息管理平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)量并不大，且部分系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的查詢(xún)、分析等簡(jiǎn)單功能。為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于GIS，采用C#.NET+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)言的高效和方便編程的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。該系統(tǒng)主要包括全國(guó)第一次水利普查河南省水蝕野外調(diào)查單元信息管理系統(tǒng)、全國(guó)第一次水利普查河南省侵蝕溝道信息管理系統(tǒng)、河南省土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)、河南省水土保持技術(shù)檔案信息管理系統(tǒng)、河南省水土保持信息發(fā)布系統(tǒng)，為河南省水土保持研究提供了較為完整的三維可視化數(shù)據(jù)管理信息平臺(tái)。

1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

C#語(yǔ)言是針對(duì).NET平臺(tái)的第一語(yǔ)言，與多數(shù)GIS Engine都有很好的兼容性，可實(shí)現(xiàn)一系列組件的無(wú)縫高效有機(jī)組合[7]。組件式GIS是GIS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)全新階段，在地理信息系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)中，采用組件式的二次開(kāi)發(fā)已是必然的趨勢(shì)[8]。利用GIS軟件，在實(shí)現(xiàn)GIS功能的同時(shí)，以通用可視化軟件開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行C#.NET和SQL Server的集成、二次開(kāi)發(fā)。因?yàn)楠?dú)立開(kāi)發(fā)難度較大，而單純二次開(kāi)發(fā)又受GIS工具的限制，效果不盡如人意，所以本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次開(kāi)發(fā)模式。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與準(zhǔn)備

以地理信息系統(tǒng)軟件、遙感處理軟件為平臺(tái)，應(yīng)用多次水土保持遙感普查和基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)，供河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)使用。河南省開(kāi)展水土保持遙感普查工作10多年來(lái)，積累了大量普查成果數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)資料，主要有4類(lèi)：空間及屬性信息，如Coverage和Shape格式的水土流失現(xiàn)狀圖；表格信息，以表格形式記錄的地塊和流域觀測(cè)數(shù)據(jù)；文檔信息，如各類(lèi)技術(shù)報(bào)告和文件等；圖像或視頻信息，如水土流失治理圖片、多媒體文檔等。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，為了方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應(yīng)用，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)坐標(biāo)投影格式，即將非通用坐標(biāo)系Coverage格式轉(zhuǎn)換成WGS84通用坐標(biāo)系Shape格式。針對(duì)水土保持普查中3個(gè)時(shí)期(1995、2000、2010年)的信息數(shù)據(jù)資料，按照行政區(qū)劃，將省內(nèi)1995、2000年的水土保持遙感普查成果以縣為單位，按照四大流域、397條小流域切分處理；2010年全國(guó)第一次水利普查成果以1 002個(gè)水蝕野外調(diào)查單元和黃河流域河南省境內(nèi)20個(gè)縣的侵蝕溝道兩個(gè)體系進(jìn)行分類(lèi)，供程序分級(jí)導(dǎo)航查詢(xún)。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

將不同年代的水土保持多源空間數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎(SDE)存儲(chǔ)在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。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)對(duì)空間和非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率操作的開(kāi)放數(shù)據(jù)接口，使系統(tǒng)GIS功能應(yīng)用與后臺(tái)數(shù)據(jù)訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)分離，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)保證了海量和多源數(shù)據(jù)的無(wú)縫可用性。技術(shù)人員統(tǒng)一采用Geodatabase數(shù)據(jù)模型，以便在任意應(yīng)用中嵌入查詢(xún)和分析這些數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 河南省水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)

4.1 河南省水蝕野外調(diào)查單元信息管理系統(tǒng)

河南省水蝕野外單元調(diào)查是全國(guó)水利普查水土保持專(zhuān)項(xiàng)普查的重要內(nèi)容之一，該子系統(tǒng)綜合應(yīng)用野外分層抽樣調(diào)查、遙感解譯、統(tǒng)計(jì)報(bào)送等多種技術(shù)手段，全面查清土壤侵蝕現(xiàn)狀，掌握土壤侵蝕的分布、面積和強(qiáng)度。

4.1.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

全省水蝕野外調(diào)查單元共計(jì)1 002個(gè)，野外調(diào)查人員借助GPS定位儀進(jìn)入所調(diào)查單元的區(qū)域。拍攝照片后，針對(duì)不同的地塊選擇有代表性的點(diǎn)，利用GPS測(cè)量各點(diǎn)的經(jīng)緯度，并將其標(biāo)注在野外調(diào)查工作底圖上，依次勾繪出地塊邊界。在水蝕野外調(diào)查表上填寫(xiě)該地塊信息，并將拍攝的各個(gè)地塊的景觀照片按不同方向標(biāo)注在底圖上。將野外調(diào)查表信息錄入計(jì)算機(jī)，把拍攝的景觀照片存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，按照底圖上的編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。掃描野外調(diào)查工作底圖，以jpg格式存儲(chǔ)。數(shù)字化掃描圖，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為WGS1984坐標(biāo)UTM投影，以線性shp文件存儲(chǔ)。建立18個(gè)字段屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)字段根據(jù)其填寫(xiě)內(nèi)容分別為文本型和浮點(diǎn)型。

4.1.2 系統(tǒng)功能

(1)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采用SQL Server2008 R2關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS Map的格式轉(zhuǎn)化接口，將現(xiàn)有的shp文件以gdb數(shù)據(jù)作為媒介建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)。利用空間數(shù)據(jù)引擎提供的api，將數(shù)據(jù)檢索、分析等功能集成到應(yīng)用工具中，實(shí)現(xiàn)前端應(yīng)用的存儲(chǔ)、查詢(xún)、分發(fā)服務(wù)等功能。

(2)三維可視化瀏覽查詢(xún)。通過(guò)空間數(shù)據(jù)請(qǐng)求獲取目標(biāo)土壤調(diào)查單元數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS for .NET SDK提供的接口，獲取空間數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)專(zhuān)題圖渲染技術(shù)區(qū)分單元數(shù)據(jù)描述類(lèi)型，利用圖層疊加的方式以不同顏色渲染不同類(lèi)型地塊區(qū)域，使該功能有效地結(jié)合C#語(yǔ)言的Rendereer接口對(duì)象進(jìn)行自定義顏色劃分。

(3)多媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用內(nèi)容最多的一個(gè)，除其他子系統(tǒng)的圖形瀏覽、數(shù)據(jù)提取、緩沖區(qū)分析等功能外，還增添了多媒體數(shù)據(jù)處理功能。利用SQL Sevrer的二進(jìn)制文件存儲(chǔ)技術(shù)，將收集到的上萬(wàn)幅野外調(diào)查的JPG格式圖片保存于屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.2 河南省侵蝕溝道信息管理系統(tǒng)

全面清查侵蝕溝道的數(shù)量、特征和分布狀況，建立河南省侵蝕溝道空間數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅為全面掌握土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化情況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且可為水土保持生態(tài)建設(shè)決策提供技術(shù)保障。

4.2.1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

(1)侵蝕溝道提取。根據(jù)丘陵溝壑區(qū)及高塬溝壑區(qū)侵蝕溝道的分布情況，采用兩種侵蝕溝道遙感解譯方法，即自動(dòng)提取和手工提取。在丘陵溝壑區(qū)，以系統(tǒng)自動(dòng)提取為主。自動(dòng)提取溝道范圍設(shè)定長(zhǎng)度>500 m、匯水面積≤5 km2，自動(dòng)提取侵蝕溝道及分水嶺，參照遙感影像對(duì)自動(dòng)提取的侵蝕溝道進(jìn)行核查和調(diào)整。在高塬溝壑區(qū)，由于地形地勢(shì)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)精度達(dá)不到所需要求，自動(dòng)提取的效果不佳，因此采用人機(jī)交互的方法提取。技術(shù)人員參照遙感影像，對(duì)長(zhǎng)度>500m、匯水面積≤5 km2的侵蝕溝道和溝沿進(jìn)行勾繪，并參考自動(dòng)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(2)侵蝕溝道特征指標(biāo)提取。根據(jù)遙感影像紋理結(jié)構(gòu)、色調(diào)、形狀，利用GIS軟件勾繪侵蝕溝道，從溝口沿溝底向溝頭劃線，采用拓?fù)浞治鲎詣?dòng)獲得溝道長(zhǎng)度；以侵蝕溝道線為軸線，沿分水嶺或溝沿線進(jìn)行勾繪，連續(xù)劃線成為侵蝕溝形狀的閉合線，經(jīng)拓?fù)浞治鲎詣?dòng)獲得溝道面積；在GPS環(huán)境下，導(dǎo)入DEM和遙感影像，軟件自動(dòng)讀取侵蝕溝道溝頭、河溝口高程，二者之差與溝道長(zhǎng)度之比即為溝道縱比。

4.2.2 系統(tǒng)功能

(1)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。侵蝕溝道數(shù)據(jù)包括溝道數(shù)據(jù)和侵蝕溝道控制面積數(shù)據(jù)兩部分，為方便綜合信息管理，將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別存儲(chǔ)，以圖層疊加方式控制顯示。

(2)三維可視化功能。通過(guò)GIS for .NET SDK提供的接口，獲取空間數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的空間數(shù)據(jù)，并通過(guò)專(zhuān)題圖渲染技術(shù)區(qū)分單元數(shù)據(jù)描述類(lèi)型，利用圖層疊加的方式以不同顏色渲染不同類(lèi)型地塊區(qū)域，使展示效果更準(zhǔn)確、更通用。

(3)空間檢索。利用GIS的IEnumLayer技術(shù)，通過(guò)三維可視平臺(tái)獲取目標(biāo)點(diǎn)位置的圖層列表信息，默認(rèn)選取最上層圖層數(shù)據(jù)，顯示選中圖層的相關(guān)信息。

4.3 河南省土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)

利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息，研究建立土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，對(duì)掌握水土流失動(dòng)態(tài)變化情況、科學(xué)評(píng)價(jià)水土保持效益和生態(tài)服務(wù)價(jià)值、推進(jìn)水土資源合理配置和高效利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(1)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該子系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)是基于SQL Server 的多源空間數(shù)據(jù)庫(kù)，為保證海量、無(wú)縫數(shù)據(jù)的可用性，統(tǒng)一采用Geodatabase數(shù)據(jù)類(lèi)型，即入庫(kù)前將Coverage、Shapefile及Grid Raster數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Geodatabase數(shù)據(jù)模型，再通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎加載到SQl Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，并保證入庫(kù)數(shù)據(jù)的正確性、完整性、可靠性和一致性。

(2)三維可視化功能。依據(jù)水土流失強(qiáng)度等級(jí)，利用GIS引擎，動(dòng)態(tài)渲染生成專(zhuān)題圖，以圖層疊加的方式加載顯示水土流失數(shù)據(jù)圖層，并可借助水土流失數(shù)據(jù)圖層獲取土層屬性，查詢(xún)相應(yīng)信息。

(3)空間分析。該子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的三維可視化平臺(tái)不僅是展現(xiàn)三維場(chǎng)景，還提供包括地表空間分析、緩沖分析、土層對(duì)比分析等高級(jí)三維分析工具來(lái)解決復(fù)雜的空間分析問(wèn)題。通過(guò)空間分析技術(shù)對(duì)不同年限的土壤侵蝕成果數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，對(duì)比分析其水土流失強(qiáng)度的變化，在不同年限的水土流失強(qiáng)度專(zhuān)題圖的基礎(chǔ)上，對(duì)相同區(qū)域侵蝕強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，生成土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化的空間數(shù)據(jù)專(zhuān)題圖。

4.4 河南省水土保持技術(shù)檔案管理信息系統(tǒng)

檔案管理信息系統(tǒng)采用Client/Server運(yùn)行模式。C/S模式適合于用戶(hù)數(shù)量不大的可信賴(lài)的局域網(wǎng)，有利于檔案的安全管理。該子系統(tǒng)采用“目錄全文一體化管理”的設(shè)計(jì)思想。電子檔案原文信息和背景信息的存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式，目錄數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)目錄信息與電子檔案原文信息建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用目錄與原文的關(guān)聯(lián)信息檢索和查詢(xún)電子檔案。水土保持技術(shù)檔案的管理按照科學(xué)研究、生態(tài)建設(shè)、生產(chǎn)建設(shè)三大類(lèi)進(jìn)行管理，在Visual C#開(kāi)發(fā)環(huán)境下，結(jié)合PDF控件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河南省水土保持技術(shù)檔案的綜合信息管理功能，其中系統(tǒng)集成的PDF功能支持文檔信息的導(dǎo)出、下載、保存和打印等。

4.5 河南省水土保持信息發(fā)布系統(tǒng)

水土保持信息發(fā)布系統(tǒng)把多源數(shù)據(jù)和分析工具部署在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同的計(jì)算機(jī)上。通過(guò)使用基于向量的圖像圖形技術(shù)，支持任何尺寸圖像的無(wú)縫整合，對(duì)基于Asp .NET、AJAX在內(nèi)的Web開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接。各級(jí)用戶(hù)只要把請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器，就可以從網(wǎng)絡(luò)的任何地方訪問(wèn)本系統(tǒng)發(fā)布的信息。服務(wù)器還會(huì)把分析工具和數(shù)據(jù)傳送給用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)水土保持空間數(shù)據(jù)查詢(xún)展示。WebGIS是分布式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序部署在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同計(jì)算機(jī)上，方便管理員及時(shí)更新，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)用戶(hù)隨時(shí)都可以得到最新可用的數(shù)據(jù)和應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目研究，在水土保持調(diào)查和信息系統(tǒng)技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)以下突破：

(1)研究建立了一套符合河南省實(shí)際，集圖形、影像和圖像為一體，從不同位置和角度三維瀏覽所選擇區(qū)域的地貌景觀，查詢(xún)有關(guān)信息，以便快速分析典型區(qū)域環(huán)境變化情況的水土保持三維可視化管理信息系統(tǒng)，填補(bǔ)了河南省水土保持行業(yè)信息化的空白，為今后開(kāi)展同類(lèi)調(diào)查和水土流失監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)保障。

(2)研究建立的全省侵蝕溝道信息管理系統(tǒng)，以友好、簡(jiǎn)便的窗口，對(duì)河南省黃土高原侵蝕溝道進(jìn)行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)了不同區(qū)域和不同導(dǎo)航途徑的屬性查詢(xún)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)更新和分析統(tǒng)計(jì)，為河南省黃土高原溝壑治理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、檢查驗(yàn)收、預(yù)防保護(hù)、監(jiān)督監(jiān)測(cè)等提供了快捷方便的技術(shù)服務(wù)。

(3)建立的全省土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，包括不同比例尺圖形數(shù)據(jù)庫(kù)、不同精度圖像數(shù)據(jù)庫(kù)、不同專(zhuān)題屬性數(shù)據(jù)庫(kù)等，進(jìn)行多種導(dǎo)航途徑的信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、圖形圖像瀏覽、數(shù)據(jù)更新和信息發(fā)布，為河南省水土流失的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)及時(shí)更新提供了技術(shù)保證。

(4)為改變河南省水土保持技術(shù)檔案資料管理長(zhǎng)期以來(lái)采用手工錄入和人工查詢(xún)的落后狀況，建立的全省水土保持技術(shù)檔案管理信息系統(tǒng)，極大地提高了檔案資料管理的工作效率。

(5)河南省水土保持信息發(fā)布系統(tǒng)的建立，為加速實(shí)現(xiàn)水土保持管理信息化和現(xiàn)代化鋪平了道路，對(duì)快速、準(zhǔn)確、充分利用各種信息資源，提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力，及時(shí)公告水土流失動(dòng)態(tài)變化，科學(xué)評(píng)價(jià)工程建設(shè)成效，提高行政管理水平和科學(xué)決策能力，都具有十分重要的意義。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

S157；TP391

A

1000-0941(2015)03-0040-04

程瑞芳(1978—)，女，河南蘭考縣人，工程師，主要從事水土保持監(jiān)測(cè)、方案編制與規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

2014-12-09