基于SuperMap IS.NET的帶嶺地區(qū)NPP信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

范文義，任 義，王曉杰

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著溫室效應(yīng)引發(fā)的全球變暖問題越來越突出，植被作為溫室氣體CO2的主要吸收群落和陸地固態(tài)碳的主要載體，各國積極開展植被在生態(tài)系統(tǒng)中的固碳釋碳方面能力的研究。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是定量評價和估計生態(tài)系統(tǒng)的碳源或碳匯作用的關(guān)鍵因子[1]，我國NPP研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的，研究的重點主要集中在NPP模型的引進及改造，然而基于模型模擬得到NPP信息的管理及數(shù)據(jù)的挖掘分析，特別是通過WEB的形式發(fā)布方面的研究很少涉及 。WebGIS是將Internet技術(shù)應(yīng)用到GIS開發(fā)的產(chǎn)物，將GIS技術(shù)的圖形屬性一體化、強大的分析能力與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)布優(yōu)勢結(jié)合一起，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析等功能，已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢[2]。SuperMap IS.NET是超圖公司自主開發(fā)的一個WebGIS開發(fā)平臺，在森林資源的現(xiàn)代化信息管理中應(yīng)用越來越廣泛，例如2009年周玲以鄂托克旗為例開發(fā)的鄂托克旗森林資源管理系統(tǒng)，2010年于麗珠等開發(fā)的塔河林業(yè)局森林資源管理系統(tǒng)。

本研究以黑龍江省帶嶺林業(yè)局為例，采用BEPS模型生成的區(qū)域NPP數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及研究區(qū)的行政區(qū)界、高程、坡度和坡向等作為輔助數(shù)據(jù)。建立NPP數(shù)據(jù)庫，設(shè)計并開發(fā)基于SuperMap IS.NET平臺的NPP信息系統(tǒng)，將森林資源管理系統(tǒng)與NPP管理數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)合。為黑龍江省帶嶺林業(yè)局的碳循環(huán)研究提供高效、可靠的信息發(fā)布平臺。

1 數(shù)據(jù)庫的搭建

1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

收集黑龍江省帶嶺林業(yè)局基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括：縣、河流、道路和行政界限以及2007年單月NPP數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的投影信息，通過柵格計算，得到研究區(qū)域各縣各月的NPP信息數(shù)據(jù)，并且添加到行政區(qū)界的屬性表中。收集研究區(qū)的1：50 000等高線數(shù)據(jù)，通過GIS軟件生成帶嶺林業(yè)局DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)，用以反映高程、坡度、坡向等因子對NPP的影響。根據(jù)帶嶺林業(yè)局的實際情況國家以及相應(yīng)規(guī)定，對各地形因子進行等級劃分，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)以及具體信息見表1～表3。生成的各地形因子分級圖如圖1～圖3所示。

表1 帶嶺林業(yè)局高程劃分及各高程NPP信息

表2 帶嶺林業(yè)局坡度劃分及各坡度NPP信息

表3 帶嶺林業(yè)局坡向劃分及各坡向NPP信息

圖1 帶嶺林業(yè)局DEM分級圖

圖2 帶嶺林業(yè)局坡度分級圖

圖3 帶嶺林業(yè)局坡向分級圖

1.2 數(shù)據(jù)庫建立

為了高效、方便的存儲地理信息數(shù)據(jù)以及便于對用戶系統(tǒng)后臺管理，本系統(tǒng)采用SQL Server2005作為數(shù)據(jù)訪問層對數(shù)據(jù)進行存儲和管理，建立普通數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫[3]。

普通數(shù)據(jù)庫：普通數(shù)據(jù)庫主要用于存儲用戶信息和管理員信息。根據(jù)不同的操作權(quán)限，普通用戶只能進行訪問和下載數(shù)據(jù)，而管理員用戶不僅可以對數(shù)據(jù)進行插入、刪除、更新等基本后臺操作也對可以對普通用戶進行管理。

空間數(shù)據(jù)庫：針對地理信息數(shù)據(jù)往往具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一等特點，SuperMap IS.NET 集成了強大的空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù) SuperMap SDX+，從而可以順利實現(xiàn)將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)一體化存儲到 Oracle、SQL Server 和 Sybase 等大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，并能夠滿足高效、穩(wěn)定地進行空間數(shù)據(jù)訪問的需要[4]。本文通過桌面軟件SuoerMap Deskpro新建SQL+數(shù)據(jù)源建立空間數(shù)據(jù)庫,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 需求分析

該系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)黑龍江省帶嶺林業(yè)局NPP信息的發(fā)布以及對NPP數(shù)據(jù)在時間、空間上的變化進行分析，所以本系統(tǒng)既是一個完整的地理信息系統(tǒng)也是一個針對特定專業(yè)人群的分析決策的輔助系統(tǒng)。因此應(yīng)包含以下幾種模塊。

(1)知識普及。提供對NPP概念等基礎(chǔ)知識的普及以及研究區(qū)域介紹和開發(fā)人員等相關(guān)知識。

(2)用戶管理。對用戶信息進行管理。包含：用戶注冊、登錄以及密碼驗證和驗證碼的獲取、驗證等。

(3)地圖基本操作。包含地圖的放大、縮小、漫游以及距離、面積量算等基本的地圖操作。

(4)NPP信息查詢及分析。實現(xiàn)對NPP信息的雙向查詢，實現(xiàn)單點信息和統(tǒng)計信息的雙向查詢，以及繪制NPP信息時間曲線和分析NPP信息與高程、坡度、坡向等空間數(shù)據(jù)因子分析。

(5)數(shù)據(jù)共享。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)共享。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，總體來將系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三個層次分別為：表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層[5-6]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)交互的接口，為用戶提供了一個可視化的界面，使用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)發(fā)布進行簡單的操作。業(yè)務(wù)層主要包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GIS服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫，用戶通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(IIS)對系統(tǒng)發(fā)出請求，然后通過GIS服務(wù)器響應(yīng)，由數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)，然后返回GIS服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理，并生成圖片緩存在圖片存儲器中，最后瀏覽器直接下載到本地進行瀏覽。具體流程圖如圖6所示。數(shù)據(jù)層主要包含兩部分：用戶信息數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)兩部分，其中GIS數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù) SuperMap SDX+存儲在SQL Server 2005中。

圖6 WebGIS系統(tǒng)發(fā)布流程

3 程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式，它是隨著Internet技術(shù)的興起，對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化和改進的結(jié)構(gòu)。用戶僅通過瀏覽器就能與服務(wù)器進行交互，這樣大大簡化客戶端的負荷，采用的主體語言是C#，通過連接SQL Server 2005，實現(xiàn)對用戶信息和空間數(shù)據(jù)的調(diào)用。

3.1 數(shù)據(jù)庫連接

3.1.1 用戶信息數(shù)據(jù)庫連接

本系統(tǒng)的用戶信息數(shù)據(jù)庫是采用.NET Framework框架的ADO.NET組件進行數(shù)據(jù)庫的Connection對象進行數(shù)據(jù)庫連接。在SQL Server 2005中新建表info，并且在web.config配置連接數(shù)據(jù)庫參數(shù)：

可以通過直接獲取web.config文件中的參數(shù)信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接。

3.1.2 空間數(shù)據(jù)庫連接

在SuperMap IS.NET Manager管理工具中的地圖設(shè)置選項填寫工作空間路徑和工作空間密碼，由于空間數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎SDX+存儲在SQL Server2005數(shù)據(jù)庫，因此需要添加下列數(shù)據(jù)庫連接語句[7]：

Provider=SQLOLEDB：Driver=SQL Server；SERVER=97SD-20120616BP；Database=NPP；Caption=NPP；UID=sa；PWD=sa123。

3.2 程序設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)

3.2.1 登錄模塊

用戶登錄模塊是保證系統(tǒng)信息安全的基本模塊，也是統(tǒng)計系統(tǒng)的受歡迎程度的重要工具，本系統(tǒng)的用戶登錄分為：普通用戶和管理員用戶。普通用戶具有簡單的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計等功能，管理員用戶則負責(zé)數(shù)據(jù)的編輯、更新等后臺操作，系統(tǒng)登錄界面如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)登錄及注冊界面

3.2.2 操作模塊

帶嶺林業(yè)局NPP信息管理系統(tǒng)是森林資源與WebGIS相結(jié)合的資源管理系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的基本功能，如放大、縮小、漫游、面積量算、距離量算、鷹眼顯示等，同時也必須滿足森林NPP信息的管理、發(fā)布等基本功能，如圖形和屬性的雙向查詢、專題圖制作，報表輸出等。NPP信息管理系統(tǒng)的主界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主界面

3.2.3 NPP分析模塊

NPP分析模塊分別統(tǒng)計帶嶺林業(yè)局2007年單月NPP量以及高程等地形因子信息，擬合出相應(yīng)的NPP時間序列曲線和簡單的NPP值與高程、坡度、坡向等因子的數(shù)據(jù)分析，如圖9～圖10所示。在系統(tǒng)中通過設(shè)定地形因子、報表類型、以及線性寬度等屬性制作NPP信息報表，并且對NPP的變化進行初步分析，詳細分析了解帶嶺林業(yè)局NPP信息的時空變化，探討地形因子對于NPP信息的影響規(guī)律，對于研究區(qū)生產(chǎn)力評估、提高生物固碳能力、生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境建設(shè)等工作具有參考價值。

圖9 NPP隨時間變化曲線

圖10 各高程等級的NPP信息柱狀圖

目前，國內(nèi)外的研究重點是研究NPP的生態(tài)過程模型對區(qū)域NPP或NEP進行模擬，但是大多數(shù)研究者的結(jié)果數(shù)據(jù)相互之間共享性差。通過本系統(tǒng)的研發(fā)和初步應(yīng)用表明，不同區(qū)域或同一區(qū)域的不同研究結(jié)果信息可以通過本系統(tǒng)快速共享。同時，系統(tǒng)研發(fā)基于GIS的空間分析功能，對于模型模擬的NPP結(jié)果能進行進一步的空間分析，如NPP圖形屬性雙向查詢、NPP空間分布分析，特別是系統(tǒng)研發(fā)了NPP時間規(guī)律擬合模塊，為NEP和NBP的模擬計算提供了重要的輸入數(shù)據(jù)，因為影響NPP的因素除了自然因素外，不同年齡的林分的NPP顯然具有很大區(qū)別。

4 結(jié)論與討論

帶嶺地區(qū)NPP信息系統(tǒng)的開發(fā)平臺是基于北京超圖公司的SuperMap IS.NET，選用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，使用C#為主體開發(fā)語言。本研究的總結(jié)可歸納為以下幾個方面：

(1)針對目前不同NPP模擬研究結(jié)果之間共享性差的問題，本研究選擇SuperMap IS.NET為開發(fā)平臺，利用SuperMap IS.NET平臺在地理信息系統(tǒng)空間分析和數(shù)據(jù)共享方面的優(yōu)勢，研究開發(fā)了NPP專題信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決不同區(qū)域或同一區(qū)域不同研究結(jié)果的快速共享問題。

(2)系統(tǒng)采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲和管理數(shù)據(jù)，在用戶和空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)之間提供了一個接口，同時客戶也可以通過空間數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)發(fā)布的NPP分析數(shù)據(jù)以SuperMap IS.NET工作空間的形式存放，具有靈活的擴展性。

(3)系統(tǒng)提供了NPP模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析功能，特別是對NPP進行時間變化分析擬合，對于NEP和NBP進一步研究提供了最重要的輸入數(shù)據(jù)。擴展了常規(guī)信息管理系統(tǒng)的功能。

本文在已有的帶嶺林業(yè)局NPP模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于SuperMap IS.NET平臺，從WEB的角度介紹了系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)過程，既可以滿足森林資源管理系統(tǒng)的一般功能需求，同時將NPP信息的發(fā)布、分析作為重點，初步具備了簡單的數(shù)據(jù)挖掘和分析能力，對于森林生態(tài)功能的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布具有重要意義，然而本系統(tǒng)在界面處理、系統(tǒng)運行和數(shù)據(jù)存儲效率等方面存在著處理海量數(shù)據(jù)響應(yīng)時間較長等問題。今后的工作重點是實現(xiàn)地圖效果的三維顯示以及森林在固碳釋氧、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能方面的信息分析。

【參 考 文 獻】

[1] 董文娟，齊 曄，李惠民，等.植被生產(chǎn)力的空間分布研究——以黃河小花間盧氏以上流域為例[J].地理與地理信息科學(xué)，2005，21(3)：105-108.

[2] 北京超圖地理信息技術(shù)有限公司.理解SuperMap IS.NET[M].北京超圖地理信息技術(shù)有限公司，2004.

[3] 夏 軍，塔西甫拉提·特依拜，張 飛，等 基于.NET和SuperMap的干旱區(qū)Web典型地物.光譜信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011，30(7)：1878-1882.

[4] 北京超圖地理信息技術(shù)有限公司.SuperMapSDX+技術(shù)白皮書[M].北京超圖地理信息技術(shù)有限公司，2003.

[5] 張柏林，石文杰，魏中輝.WebGIS幾種體系結(jié)構(gòu)研究[J].地理空間信息，2008，6(3)：97-99.

[6] 趙 駝，羅傳文.基于skyline的三維網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的研究[J].森林工程，2013，29(3)：110-113.

[7] 于麗珠，范文義，金 森，等基于SuperMapIS.NET的分布式森林資源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東北林北大學(xué)學(xué)報，2011，39(6)：120-124.