國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——以小五臺(tái)山為例

郭慧，王兵，牛香

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100091，北京)

自然保護(hù)區(qū)是生物多樣性就地保護(hù)的主要措施，我國(guó)自然保護(hù)區(qū)建設(shè)一直遵循“搶救式保護(hù)，先劃后建，逐步完善”的原則［1］。我國(guó)于1956 年建立了第1 個(gè)自然保護(hù)區(qū)，目前已建成自然保護(hù)區(qū)2 669個(gè)［2］，其中，把在國(guó)內(nèi)外有典型意義、在科學(xué)上有重大國(guó)際影響或者特殊科學(xué)研究?jī)r(jià)值的自然保護(hù)區(qū)列為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)［3］，數(shù)量已達(dá)407 處。綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)、成果和資料后發(fā)現(xiàn)，國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的管理主要存在以下不足:一是以定期報(bào)告和統(tǒng)計(jì)報(bào)表為依據(jù)的管理決策模式，該模式已經(jīng)不能滿足自然保護(hù)區(qū)的發(fā)展要求;二是自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)量大，種類(lèi)繁多，各個(gè)科室或部門(mén)分別管理和維護(hù)自己的數(shù)據(jù)資料，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效融合與共享;三是信息數(shù)據(jù)源較為單一，無(wú)法體現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間化特性，不能與相關(guān)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。近年來(lái)，PDA(Personal Digital Assistant)［4-5］、手機(jī)等多種移動(dòng)終端被廣泛應(yīng)用于資源數(shù)據(jù)的采集與更新工作［6-8］中，提高了數(shù)據(jù)獲取的效率，但也增加了國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)的類(lèi)型，給保護(hù)區(qū)的綜合信息管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

為了提高國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的綜合信息管理、科研與服務(wù)水平，進(jìn)一步整合各種類(lèi)型的信息資源，需要建立國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的綜合信息管理系統(tǒng)。目前已建的保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)大多是以特定的管理需求研發(fā)專(zhuān)題性系統(tǒng)為主，如動(dòng)植物資源及保護(hù)區(qū)周邊信息管理系統(tǒng)［9］、旅游信息系統(tǒng)［10］、保護(hù)區(qū)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)［11］、森林防火系統(tǒng)［12］等。這些信息管理系統(tǒng)對(duì)于自然保護(hù)區(qū)來(lái)說(shuō)功能相對(duì)比較單一，數(shù)據(jù)成果仍然是各部門(mén)分散管理，不利于多部門(mén)協(xié)同合作。為了進(jìn)一步整合保護(hù)區(qū)的數(shù)據(jù)和資料，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效融合和集成高效管理，基于GIS 技術(shù)，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)，全面綜合各種保護(hù)區(qū)信息管理功能，并以小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用示范研究，以期促進(jìn)保護(hù)區(qū)管理由傳統(tǒng)粗放型向精細(xì)化、科學(xué)化的綜合管理決策模式轉(zhuǎn)變，為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)科學(xué)研究與政府決策提供參考。

1 信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)體系

國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)采用3 層結(jié)構(gòu)體系(圖1)，分別為數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要對(duì)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)、共享和管理;中間層主要根據(jù)客戶端接收到的用戶請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析、處理與融合加工，將處理結(jié)果反饋給應(yīng)用層;應(yīng)用層主要是對(duì)分析結(jié)果的展現(xiàn)以及與用戶的交互操作。

圖1 結(jié)構(gòu)體系Fig.1 Structure system

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行和開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)平臺(tái)可在Windows XP 或Windows 7 操作系統(tǒng)下運(yùn)行。采用Access 作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存貯平臺(tái)，以ArcEngine 10.0 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在Visual Studio 2008 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中采用C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)情況和業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)共設(shè)計(jì)4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、資源數(shù)據(jù)庫(kù)、生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和管理局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)包括保護(hù)區(qū)遙感、保護(hù)區(qū)邊界、河流、道路和社區(qū)數(shù)據(jù);資源數(shù)據(jù)庫(kù)包括動(dòng)物資源、植物資源;生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)是依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)指標(biāo)體系》［13］構(gòu)建的，主要包括氣象、森林土壤、森林健康、森林水文和群落數(shù)據(jù);管理局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)涉及日常管理工作，主要包括人事信息、旅游信息、物資信息、文件資料、防火信息和管護(hù)站數(shù)據(jù)。

2 信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)不僅種類(lèi)多、來(lái)源途徑廣、格式多樣化，而且部分?jǐn)?shù)據(jù)還有時(shí)態(tài)信息和空間位置信息，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成高效管理、可視化表達(dá)以及多部門(mén)協(xié)同共享，就必須進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。圖2 是信息管理系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理框架。首先，根據(jù)各業(yè)務(wù)部門(mén)的應(yīng)用需求，對(duì)自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)編碼，對(duì)有空間特征的數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間字段的定義、提取和規(guī)范化，完成非空間數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，包括格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和空間配準(zhǔn)等;其次，調(diào)整和完善數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行代碼修改與轉(zhuǎn)化，并對(duì)數(shù)據(jù)精度、完整性、邏輯一致性等進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，進(jìn)一步檢查和修改數(shù)據(jù);最后，形成規(guī)范化的數(shù)據(jù)成果并提交數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和處理技術(shù)文檔，建立數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理框架Fig.2 Framework of data standardization processing

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合主要包括空間數(shù)據(jù)之間的融合、屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合。空間數(shù)據(jù)之間的融合主要是按其類(lèi)型、邏輯關(guān)系進(jìn)行層次化組織，通過(guò)屬性數(shù)據(jù)映射、語(yǔ)義轉(zhuǎn)換、位置配準(zhǔn)、格式轉(zhuǎn)換等技術(shù)處理，提供相應(yīng)規(guī)范和可行方法［14］，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的有效融合。

屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)主要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。保護(hù)區(qū)專(zhuān)題地理數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息的融合，首先要進(jìn)行專(zhuān)題地理數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)提取，通過(guò)時(shí)空基準(zhǔn)一致性處理解決時(shí)間屬性描述不一致和空間屬性描述不一致的問(wèn)題;其次，以地理對(duì)象實(shí)體為基本單元，建立地理對(duì)象與地理位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息與專(zhuān)題地理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián);最后，屬性數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表的形式存在，將數(shù)據(jù)表的記錄關(guān)聯(lián)空間屬性，進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)的空間化，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的融合。

3 信息管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)8 大功能模塊，分別為植物、動(dòng)物、防火、旅游、社區(qū)、生態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)區(qū)管理和用戶管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括信息查詢、信息統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)題分析、成果輸出、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理。

1)信息查詢:主要實(shí)現(xiàn)對(duì)植物、動(dòng)物、管護(hù)站、管理局人員、物資信息等字段進(jìn)行屬性查詢，包括模糊查詢和下拉框設(shè)定查詢方式?？臻g數(shù)據(jù)的信息查詢包括點(diǎn)選查詢、多邊形查詢和模糊屬性查詢，還可以實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的互查詢。

2)信息統(tǒng)計(jì):在查詢的基礎(chǔ)上或者直接對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)其空間分布規(guī)律和數(shù)量變化情況，對(duì)多項(xiàng)不同時(shí)期內(nèi)生態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)物資數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等。

3)專(zhuān)題分析:主要實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物、植物、管護(hù)站、生態(tài)監(jiān)測(cè)等信息的空間格局描述、變化分析和時(shí)間序列變化趨勢(shì)分析等。

4)成果輸出:針對(duì)不同的成果類(lèi)型，輸出不同的數(shù)據(jù)格式。以報(bào)表格式導(dǎo)出空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢結(jié)果;以“.jpg”格式輸出空間專(zhuān)題圖、生態(tài)監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)圖和照片資料;以“.pdf”格式輸出文檔文獻(xiàn)和書(shū)籍資料;以“.mp4”“.avi”“.mpg”等格式輸出視頻錄像等。

5)信息發(fā)布:針對(duì)各種上傳下達(dá)的通知、文件、介紹性資料和多種形式的宣傳材料(如視頻、圖片、報(bào)紙等)進(jìn)行保存、管理、查詢和修改等。

6)系統(tǒng)管理。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與管理，如登陸系統(tǒng)的用戶管理、注冊(cè)新用戶管理，設(shè)置修改用戶信息和登陸密碼，隨時(shí)查看用戶登陸和退出情況等。

4 信息管理系統(tǒng)應(yīng)用案例

4.1 研究區(qū)概況

小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)成立于1983 年，位于河北省蔚縣和涿鹿縣境內(nèi)，總面積2 萬(wàn)5 126 hm2［15］，屬于森林、野生動(dòng)物類(lèi)型保護(hù)區(qū)，主要保護(hù)對(duì)象是天然針闊混交林、亞高山灌叢、草甸、國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物褐馬雞(Crossoptilon mantchuricum)等。動(dòng)植物資源豐富，種類(lèi)繁多，生態(tài)旅游資源眾多。保護(hù)區(qū)實(shí)行管理局、管理區(qū)和管護(hù)站3 級(jí)管理體制，保護(hù)區(qū)管理局參與小五臺(tái)山森林生態(tài)站的日常管理。目前，保護(hù)區(qū)的各類(lèi)數(shù)據(jù)資料還是以文檔管理模式存在，作為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，管理效率低下，應(yīng)用國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行日常管理勢(shì)在必行。

4.2 基本應(yīng)用

主要是對(duì)小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)分析，包括信息查詢與統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)題分析與成果輸出等。信息查詢與統(tǒng)計(jì)主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與統(tǒng)計(jì)，查詢方式包括點(diǎn)選查詢、多邊形查詢和模糊屬性查詢，信息統(tǒng)計(jì)的主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)空間分布格局和數(shù)量變化情況等。專(zhuān)題分析與成果輸出主要是對(duì)動(dòng)物、植物、管護(hù)站、生態(tài)監(jiān)測(cè)信息等進(jìn)行專(zhuān)題分析，并根據(jù)不同的成果類(lèi)型和用戶要求輸出不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)格式。例如，依托小五臺(tái)山森林生態(tài)站采集整理生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入系統(tǒng)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)題分析。如圖3 是應(yīng)用信息管理系統(tǒng)對(duì)小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行的日氣溫變化趨勢(shì)分析結(jié)果。

圖3 2012 年10 月的日氣溫變化分析Fig.3 Daily temperature variation in October 2012

4.3 專(zhuān)題應(yīng)用

應(yīng)用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和GIS 技術(shù)，將自然保護(hù)區(qū)業(yè)務(wù)管理決策過(guò)程與空間信息服務(wù)進(jìn)行有效集成，為自然保護(hù)區(qū)實(shí)際業(yè)務(wù)的分析決策提供技術(shù)支持?；趪?guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)，不僅可以進(jìn)行小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空間分布特征和時(shí)間變化趨勢(shì)分析，而且可以打破部門(mén)壁壘，促進(jìn)業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)資源信息與數(shù)據(jù)成果的共享，使各部門(mén)在一個(gè)整體信息管理系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)作，可大大提升保護(hù)區(qū)的管理水平，進(jìn)一步節(jié)約管理成本。

根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，基于系統(tǒng)平臺(tái)可以輔助進(jìn)行巡護(hù)監(jiān)測(cè)、森林防火和病蟲(chóng)害防治等方面的決策應(yīng)用，基本原理都是基于GIS 的空間分析和可視化表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以森林防火專(zhuān)題應(yīng)用為例，森林防火工作的重點(diǎn)就是做好預(yù)防工作，加強(qiáng)防火管理，消滅各種火險(xiǎn)隱患。系統(tǒng)主要防火應(yīng)用模塊有:1)防火資源管理模塊，系統(tǒng)對(duì)區(qū)內(nèi)的防火撲火隊(duì)、基站分布、防火物資倉(cāng)庫(kù)等防火基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了匯總分析，構(gòu)建了防火信息空間分布數(shù)據(jù)庫(kù)(圖4)，可以在空間上直觀展示防火資源;2)火災(zāi)快速空間定位模塊，一旦發(fā)現(xiàn)火災(zāi)火情，基于系統(tǒng)平臺(tái)，可以利用防火數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)錄入火點(diǎn)坐標(biāo)快速準(zhǔn)確地進(jìn)行火災(zāi)空間定位，主要包括點(diǎn)選查詢定位，多邊形查詢定位和模糊查詢定位等;3)輔助滅火決策模塊，基于系統(tǒng)可以根據(jù)道路數(shù)據(jù)和撲火隊(duì)伍的空間位置選擇最優(yōu)行進(jìn)路線，同時(shí)可以顯示河流、水源、防火基礎(chǔ)設(shè)施的空間分布情況，供指揮中心制定合理方案，實(shí)現(xiàn)森林防火資源的最優(yōu)調(diào)配，提高滅火效率。

5 結(jié)論與討論

基于GIS 技術(shù)研發(fā)的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)可以綜合集成資源、社區(qū)、生態(tài)、旅游和管理等方面的時(shí)空信息資源，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，形成對(duì)保護(hù)區(qū)信息資源的定性分析、定量計(jì)算和直觀展示相結(jié)合的新型一體化管理模式，可以為全國(guó)自然保護(hù)區(qū)的信息化管理提供參考和借鑒。

國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)已在小五臺(tái)山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展了應(yīng)用示范研究，在建設(shè)和應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)該特別注意數(shù)據(jù)采集與更新、規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、報(bào)送與管理機(jī)制問(wèn)題。今后還需進(jìn)一步完善各模塊的功能，加快信息資源數(shù)據(jù)的加工處理速度，研發(fā)專(zhuān)業(yè)決策模型，如繼續(xù)研發(fā)林火態(tài)勢(shì)模擬模型和災(zāi)后損失評(píng)估模型與該系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成等，為自然保護(hù)區(qū)的各級(jí)管理部門(mén)決策提供科學(xué)依據(jù)。

圖4 防火信息空間分布Fig.4 Spatial distribution of fire prevention information