長白山火山地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)研究

周彩彩，邢立新，孟 濤，韓曉靜，于一凡

(吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春130026)

0 引言

長白山火山地質(zhì)公園地處吉林省東南部，以第4紀(jì)火山地質(zhì)地貌遺跡 世界著名的長白山火山地貌景觀為主體，屬于火山地貌類地質(zhì)公園。公園內(nèi)的地質(zhì)遺跡分布在4個景區(qū)，由近40個景觀點組成。長白山巨型復(fù)式火山是自100萬年以來，歷經(jīng)粗面玄武巖漿造盾、粗面質(zhì)巖漿造錐、近代堿流質(zhì)巖漿爆破噴發(fā)和巖漿溢流3個階段所形成的產(chǎn)物［1］。長白山是我國唯一一座發(fā)生大規(guī)模普林尼式爆發(fā)的火山，也是保存完好的具有高聳火山錐體、巨大的破火山口、火山碎屑流堆積和火山泥流堆積地質(zhì)遺跡的休眠型火山，是火山地質(zhì)科學(xué)上具有國際對比意義、保存最完好和極高美學(xué)觀賞價值的地質(zhì)遺跡?；诖耍绾慰茖W(xué)合理地保護(hù)地質(zhì)遺跡成為了當(dāng)務(wù)之急，而地理信息系統(tǒng)技術(shù)因其具有強(qiáng)大的處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的能力，而具有重大的應(yīng)用意義和十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用已成為GIS(Geographic Information Systems)的一個新的應(yīng)用領(lǐng)域［2］。

美國是最早應(yīng)用GIS進(jìn)行地質(zhì)遺跡保護(hù)的國家，通過開發(fā)GIS管理系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)，參與公園日常管理與遺跡保護(hù)。我國國家地質(zhì)公園工作雖然起步較晚，但發(fā)展非常迅猛，在本溪、泰山、克什克騰、阿拉善沙漠、大金湖和泰寧等地質(zhì)公園均采用了GIS技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)建設(shè)［3-5］，其中泰山和阿拉善沙漠等地質(zhì)公園采用C/S(Client/Server)和B/S(Brower/Server)混合架構(gòu)同時實現(xiàn)了桌面和網(wǎng)絡(luò)模式下的地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的建設(shè)［6，7］。而在目前的地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)建設(shè)中對地質(zhì)遺跡的評價功能研究較少，鑒于此，筆者根據(jù)長白山火山地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡的特點，采用ArcGIS作為二次開發(fā)平臺，以C/S與B/S相結(jié)合的方式實現(xiàn)了長白山火山國家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建，著重研究設(shè)計了地質(zhì)遺跡的評價與保護(hù)模塊。使長白山火山國家地質(zhì)公園的管理工作在達(dá)到科學(xué)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的同時，有效地保護(hù)地質(zhì)遺跡，為申報世界地質(zhì)公園提供高水平的技術(shù)支持。

1 地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)建設(shè)的必要性

地質(zhì)遺跡是指在地球演化的漫長地質(zhì)歷史時期，由于內(nèi)外動力的地質(zhì)作用，形成、發(fā)展并遺留珍貴的、不可再生的地質(zhì)自然資源［8］。地質(zhì)遺跡具有獨特性、典型性、區(qū)域性和不可再生的特點，對研究地球演變史具有極高的科學(xué)價值。因此，合理保護(hù)、開發(fā)與利用地質(zhì)遺跡已成為全球共識。目前建立地質(zhì)公園已成為對地質(zhì)遺跡保護(hù)與合理開發(fā)利用的最有效的途徑之一。

地質(zhì)公園是由聯(lián)合國教科文組織創(chuàng)立的，具有特殊地質(zhì)科學(xué)意義，同時具有稀有的自然屬性、較高的美學(xué)觀賞價值，是以具有一定規(guī)模和分布范圍的地質(zhì)遺跡景觀為主體、并融合其他自然景觀與人文景觀而構(gòu)成的一種獨特的自然區(qū)域［9］?；诘刭|(zhì)遺跡的形成特點與管理需求，可視化表達(dá)是對地質(zhì)遺跡進(jìn)行保護(hù)與科研科普教育的重要手段。因此，應(yīng)用GIS技術(shù)建立地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)，是地質(zhì)遺跡合理保護(hù)與開發(fā)利用的基礎(chǔ)性工作，也是國家地質(zhì)公園信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心任務(wù)之一。

2 長白山火山國家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 需求分析

目前，隨著人們的知識水平與生活水平的提高，對地質(zhì)遺跡科普知識的需求越來越強(qiáng)烈。地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)除了便于地質(zhì)公園管理者對地質(zhì)公園進(jìn)行數(shù)字化管理以及普通游客在游覽地質(zhì)遺跡之前通過系統(tǒng)可視化的界面方便、快捷地了解自己感興趣的地質(zhì)遺跡景觀和配套服務(wù)設(shè)施、科學(xué)地選擇旅游路線以外，更重要的是通過該系統(tǒng)的可視化表達(dá)與分析、動態(tài)評價與預(yù)測等強(qiáng)大功能，對提高大眾的科學(xué)素養(yǎng)、增強(qiáng)對地質(zhì)遺跡與環(huán)境的保護(hù)意識、實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展起到重要作用。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

在綜合比較分析各種地理信息系統(tǒng)開發(fā)模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用C/S和B/S混合模式進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，支持單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)兩種工作方式。在日益成熟的GIS技術(shù)中，組件式GIS和WebGIS體現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢和特點。因此，筆者使用組件式GIS和WebGIS搭建長白山火山國家地質(zhì)公園地理信息平臺，實現(xiàn)地質(zhì)公園的數(shù)字化和信息化［10，11］。其中組件式 GIS以ArcEngine和Visual Studio 2005(C#)作為二次開發(fā)平臺，WebGIS采用 ArcGIS API for Flex技術(shù)中的FlexViewer框架，系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)Fig.1 System development framework

2.3 系統(tǒng)建立流程

建立長白山火山國家地質(zhì)公園首先需要收集大量的地圖資料、統(tǒng)計資料和遙感影像等信息，然后對收集到的資料進(jìn)行分類處理。收集到的地圖資料基本上都是MapGIS格式，因此，采用MapGIS自帶格式轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)換為Shape格式，在轉(zhuǎn)換的同時還要充分考慮到信息丟失的問題，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)利用ArcMap和ArcCatlog進(jìn)行后期處理。其中ArcMap主要用來編輯要素、符號化處理，ArcCatlog用來管理和訪問地理數(shù)據(jù)，如創(chuàng)建合并圖層等。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與歸并后錄入數(shù)據(jù)庫，采用二次開發(fā)的編程技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，最終生成系統(tǒng)(見圖2)［12］。

圖2 系統(tǒng)建立流程圖Fig.2 System to create flow charts

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)長白山火山國家地質(zhì)公園數(shù)據(jù)的特點將數(shù)據(jù)庫分為兩部分:空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫(見圖3)。其中空間數(shù)據(jù)又細(xì)分為點、線、面3部分，并分別以專題圖層的形式加以存儲和管理。每層對應(yīng)于一個專題，包含一種或幾種不同的地理信息，服務(wù)于某一特定的用途和目的，這樣不僅便于前期數(shù)據(jù)的收集、分解和組織，也便于后期的數(shù)據(jù)查詢和檢索?？臻g數(shù)據(jù)庫采用Shape文件格式，借助Arcmap圖形編輯軟件及ArcCatalog對地圖進(jìn)行編輯和管理。屬性數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，自定義數(shù)據(jù)表存儲地物文字描述信息，存儲并調(diào)用照片、影音文件之間的連接。

圖3 長白山火山國家地質(zhì)公園GIS數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Changbaishan volcanoes national geological park GIS database structure

3 長白山火山國家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)主要功能的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 空間信息查詢與定位

查詢和定位空間對象是地理信息系統(tǒng)的基本功能之一，也是地理信息系統(tǒng)在地質(zhì)公園建設(shè)中的重要應(yīng)用。能否有效地從公園海量數(shù)據(jù)庫中檢索出所需的信息，對地質(zhì)公園數(shù)字化的進(jìn)程具有重要作用?？臻g信息查詢一般有3種形式:1)從地物的空間位置查詢或檢索地物的屬性;2)從地物的屬性條件查詢或檢索地物的空間位置特征;3)讓用戶通過圖形手段，查詢指定范圍中地物的空間位置和屬性雙重特征(見圖 4)［13］。

圖4 空間信息查詢和定位Fig.4 Spatial information query and positioning

3.2 空間分析與統(tǒng)計

GIS不僅能為用戶提供靜態(tài)的數(shù)據(jù)查詢和檢索服務(wù)，還可建立相應(yīng)的空間分析模型，通過動態(tài)的分析評價為決策提供依據(jù)，其中應(yīng)用最廣泛的空間分析方法有疊加分析、緩沖區(qū)分析等。

緩沖區(qū)分析是根據(jù)地質(zhì)公園的點、線、面實體，自動建立各種類型要素的緩沖多邊形，用以確定不同地理要素的空間鄰近度。如，在長白山火山地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)中可對公園景點進(jìn)行景點緩沖區(qū)分析(見圖5)，統(tǒng)計距離某景點一定范圍內(nèi)的服務(wù)設(shè)施，既可為游客選擇此景點提供依據(jù)，也為公園管理者對此景點的進(jìn)一步建設(shè)規(guī)劃提供技術(shù)支持。

圖5 景點緩沖區(qū)分析Fig.5 Attractions buffer analysis

3.3 地質(zhì)遺跡評價與保護(hù)

不論是地質(zhì)公園的建立還是地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)，其首要目的都是為保護(hù)地質(zhì)遺跡，因此，如何借助GIS技術(shù)對地質(zhì)遺跡進(jìn)行保護(hù)是該系統(tǒng)研究的一個重點。地質(zhì)遺跡資源評價分為定性評價和定量評價兩種。定性評價主要是根據(jù)評價者的實際經(jīng)驗對旅游資源的性質(zhì)、特點、質(zhì)量和功能等方面進(jìn)行文字描述與分析。由于定性評價存在很大程度的主觀性，因此，該系統(tǒng)采用定性評價與定量評價相結(jié)合的方式，其中定量評價方法采用層次分析法。具體評價體系與評價因子的權(quán)重如表1和圖6所示，評價結(jié)果以柱狀圖的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)出來，下一步根據(jù)評價結(jié)果對長白山火山國家地質(zhì)公園內(nèi)的地質(zhì)遺跡進(jìn)行分級保護(hù)，針對不同級別的地質(zhì)遺跡采取不同的保護(hù)措施。

表1 地質(zhì)遺跡評價體系Tab.1 Geological heritage assessment system

圖6 地質(zhì)遺跡評價體系與評價結(jié)果Fig.6 Assessment system and the results of geological heritage

3.4 三維景觀模擬

三維可視化技術(shù)正在使傳統(tǒng)的、二維的、靜態(tài)的地圖表示向三維的、動態(tài)的場景表示方向發(fā)展［14］。采用GIS的三維顯示技術(shù)設(shè)計一個虛擬公園系統(tǒng)，直觀地演示公園的地貌狀況，以逼真的三維視覺效果展現(xiàn)公園地質(zhì)旅游景觀，給游客一種身臨其境的感覺。長白山火山三維視景圖與二維GIS相比，對客觀世界的表達(dá)能力更能給人以真實的感受，它以立體造型技術(shù)給用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能表達(dá)空間對象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系。

3.5 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布地質(zhì)公園地理信息服務(wù)

WebGIS是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物，將地質(zhì)公園的地理信息服務(wù)通過GIS技術(shù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)GIS服務(wù)共享，可大大提高地質(zhì)公園的知名度。由于傳統(tǒng)的基于網(wǎng)頁的WebGIS圖形界面單一、交互能力差、用戶體驗不好，因此，RIA(RichInternet Applications)開始登上了WebGIS開發(fā)的舞臺。ArcGIS Flex API是ArcGIS在RIA領(lǐng)域的第一個產(chǎn)品，使用ArcGIS Flex API可以開發(fā)運行于瀏覽器中的Web應(yīng)用，并且使地圖的展示更加美觀。而FlexViewer框架使用了ArcGIS Flex API技術(shù)，集成了一個完整的用戶界面和一些GIS常使用的功能。該系統(tǒng)把長白山國家地質(zhì)公園的相關(guān)圖層通過Flex Viewer展現(xiàn)，并通過Flex Viewer自帶的Widget實現(xiàn)查詢、定位和空間分析等功能(見圖7)。

圖7 長白山火山國家地質(zhì)公園WebGISFig.7 Changbaishan volcano national geological park WebGIS

4 結(jié)論與展望

GIS技術(shù)在地質(zhì)公園信息化建設(shè)中體現(xiàn)了不可替代的作用，包含從數(shù)據(jù)的采集與編輯、數(shù)據(jù)庫組織與管理、空間信息查詢與定位等GIS的基本功能到空間分析與統(tǒng)計、三維景觀模擬、地質(zhì)遺跡的評價與保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布地理信息服務(wù)等高級功能。GIS的優(yōu)勢在地質(zhì)公園的數(shù)字化建設(shè)中得到了充分體現(xiàn)，為地質(zhì)公園管理人員全面掌握地質(zhì)遺跡的空間分布和景觀結(jié)構(gòu)特征，實現(xiàn)地質(zhì)資源的合理保護(hù)與開發(fā)提供了重要參考。該系統(tǒng)有效集成了MIS(Management Information System)的數(shù)據(jù)管理功能和GIS的空間分析功能，并采用了組件式GIS技術(shù)和ArcGIS Flex API技術(shù)，改變了傳統(tǒng)靜態(tài)的信息管理模式，整合了地質(zhì)公園的數(shù)據(jù)，輔助地質(zhì)公園的管理保護(hù)與建設(shè)。隨著地質(zhì)公園數(shù)據(jù)信息的不斷充實和系統(tǒng)的深入開發(fā)，地理信息系統(tǒng)技術(shù)在地質(zhì)遺跡的保護(hù)與開發(fā)中的應(yīng)用將不斷完善和深入，應(yīng)用范圍越來越廣泛、直觀化、全面化和便捷化。

［1］許振北，孟濤，邢立新，等.吉林省地質(zhì)旅游資源類型與空間分布［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(5):2847-2850.XU Zhen-bei，MENG Tao，XING Li-xin，et al.Types and Spatial Distribution of Geo-Tourism Resources in Jilin Province［J］.Journal of Anhui Agri Sci，2012，40(5):2847-2850.

［2］李印清，李向.B/S架構(gòu)地質(zhì)公園信息平臺的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.信息技術(shù)，2008(1):15-17.LI Yin-qing，LI Xiang.Design and Implementation of B/S Architecture Geo-Park Information Management System Based on WebGIS and Metadata［J］.Information Technology，2008(1):15-17.

［3］陳能，施蓓琦.大金湖國家地質(zhì)公園地理信息系統(tǒng)的設(shè)計［J］.國土資源遙感，2004，61(3):65-68.CHEN Neng，SHI Bei-qi.The Design of the Dajinhu Geopark Graphical Information System ［J］.Land Resource Remote Sensing，2004，61(3):65-68.

［4］鄭奇蕊.基于ArcGIS Engine的本溪國家地質(zhì)公園旅游信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，2007.ZHENG Qi-rui.The Design and Realization of Tourism Information System of the Benxi National GeoPark Based on ArcGIS Engine［D］.Beijing:School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，2007.

［5］李富兵.基于ArcIMS克什克騰國家地質(zhì)公園旅游信息系統(tǒng)構(gòu)建與實現(xiàn)［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，2005.LI Fu-bing.The Design and Realization of Tourism Information System of the Keshenketeng National GeoPark Based on ArcGIS Engine［D］.Beijing:School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，2005.

［6］劉力鋮.基于混合結(jié)構(gòu)的泰山地質(zhì)公園旅游GIS設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京:中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，2007.LIU Li-cheng.Design and Realization of Mount Taishan Global GeoPark Tourism GIS Based on Hybird Software Architecture［D］.Beijing:School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，2007.

［7］韓術(shù)合，田明中，武斌，等.基于GIS的地質(zhì)公園信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國礦業(yè)，2010，19(S1):180-198.HAN Shu-he，TIAN Ming-zhong，WU Bin，et al.Design and Implementation of Geopark Information Management System Based on GIS ［J］.China University of Geosciences，2010，19(S1):180-198.

［8］楊濤，戴塔根，武國輝.地質(zhì)遺跡資源的概念［J］.資源產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，2007(12):25-27.YANG Tao，DAI Ta-gen，WU Guo-hui.The Concept of Geological Heritage Resources［J］.Resource Industrial Economy，2007(12):25-27.

［9］趙遜，趙汀.中國地質(zhì)公園地質(zhì)背景淺析和世界地質(zhì)公園建設(shè)［J］.地質(zhì)通報，2003，22(8):620-630.ZHAO Xun，ZHAO Ting.Geological Background of National Geoparks of China and Construction of World Geoparks［J］.Geological Bulletin of China，2003，22(8):620-630.

［10］趙國寧.淺談組件式GIS［J］.科技信息，2008(36):99.ZHAO Guo-ning.Discuss GIS［J］.Science＆ Technology Information，2008(36):99.

［11］鄔倫，劉瑜，張晶，等.地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2001:125.WU Lun，LIU Yu，ZHANG Jing，et al.Geographic Information System Theory Method and Application［M］.Beijing:Science Press，2001:125.

［12］方世明，李江風(fēng).GIS技術(shù)在地質(zhì)公園建設(shè)中的應(yīng)用研究［C］∥全國國土資源與環(huán)境遙感技術(shù)應(yīng)用交流會論文文集.北京:中國地質(zhì)學(xué)會，2004:57-60.FANG Shi-ming，LI Jiang-feng.GIS Technology in the Research on the Application of Geological Park Construction［C］∥The National Land and Resources and Environment Application of Remote Sensing Technique Exchange Thesis Corpus.Beijing:Geological Society of China，2004:57-60.

［13］劉南，劉仁義.地理信息系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2002:29.LIU Nan，LIU Ren-yi.Geographic Information System［M］.Beijing:Higher Education Press，2002:29.

［14］王明常，邢立新，潘軍，等.地質(zhì)公園三維電子地圖的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.物探化探計算技術(shù)，2003，28(2):161-162.WANG Ming-chang，XING Li-xin，PAN Jun，et al.The Design and Realization of 3D Electronical AtCas in the Geopark［J］.Geophysical and Geochemical Exploration Computing，2003，28(2):161-162.