WebGIS下的黑龍江省植被NPP碳匯分析系統(tǒng)

李 冰，趙穎慧

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，簡(jiǎn)稱NPP)是地表碳循環(huán)的重要組成部分，直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力和陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況[1]。NPP也是生態(tài)系統(tǒng)碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，對(duì)于全球變化、碳平衡具有重要的意義。因此，植被凈第一性生產(chǎn)力的研究受到越來越多國(guó)家的關(guān)注。

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)指基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和應(yīng)用軟件運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)上的地理信息系統(tǒng)。WebGIS是通過Internet/Intranet連接的多主機(jī)、多數(shù)據(jù)庫(kù)與多臺(tái)終端組成[2]。WebGIS通過Internet/www機(jī)制，有效的實(shí)現(xiàn)了分布式地理信息的處理。WebGIS為GIS資源利用開拓了的新領(lǐng)域，為GIS信息的提供者和使用者的數(shù)據(jù)共享提供了有效途徑。

本文采用黑龍江省氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合多種軟件，對(duì)基于WebGIS的植被NPP碳匯系統(tǒng)進(jìn)行研究，使植被NPP碳匯資源數(shù)據(jù)得到共享，并通過互聯(lián)網(wǎng)快速、完整、準(zhǔn)確的傳遞給用戶。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)源

黑龍江省位于中國(guó)的東北部，與俄羅斯接壤，面積47.3萬km2，是我國(guó)東北地區(qū)面積最大的省份。人口3820萬，轄區(qū)有13個(gè)地級(jí)市[3]。黑龍江省西起121°11′，東至135°05′，南起43°25′，北至53°33′，南北跨10個(gè)緯度，2個(gè)熱量帶；東西跨14個(gè)經(jīng)度，3個(gè)濕潤(rùn)區(qū)。全省年平均氣溫-4～5℃。冬季漫長(zhǎng)而寒冷，夏季短暫，春秋干燥涼爽，年降水量400～650 mm。

本研究數(shù)據(jù)源包括：黑河、佳木斯、哈爾濱、牡丹江、雞西、肇州、佳木斯、寶清縣、齊齊哈爾、鶴崗、嫩江縣、呼瑪縣、七臺(tái)河、綏化13地區(qū)的氣象觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)的1952-2012年每年的平均降水量、平均溫度、陸地表面所獲得的凈輻射量等觀測(cè)值，以及黑龍江省1∶400萬的矢量圖。

2 研究方法

黑龍江省植被NPP碳匯分析系統(tǒng)，采用Miami、Thornthwaite、Chikugo、朱志輝四個(gè)模型分別計(jì)算出黑龍江省植被初級(jí)生產(chǎn)力值，基于B/S的WebGIS的三層體系結(jié)構(gòu)，采用Silverlight技術(shù)，以ArcGIS Server 10.0為GIS服務(wù)平臺(tái)，C#、xaml、silverlight等語言為開發(fā)語言，進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建，為碳匯相關(guān)專業(yè)的研究提供一個(gè)交互有好的數(shù)據(jù)查詢和分析平臺(tái)[4]。

2.1 主要相關(guān)技術(shù)介紹

ArcGIS Server是具有強(qiáng)大的地理信息服務(wù)器產(chǎn)品。它可以構(gòu)建集中管理的、支持多用戶的、具備高級(jí)GIS功能的企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用與服務(wù)[5]。ArcGIS Server提供廣泛的基于Web的GIS服務(wù)，支持分布式環(huán)境下實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)管理、制圖、地理處理、空間分析、編輯和其他GIS功能[6]。

ArcGIS ServerWPF/Silverlight是ESRI公司推出的基于微軟WPF/Silverlight技術(shù)的應(yīng)用程序開發(fā)接口，充分綜合了ArcGIS Server地圖發(fā)布能力和微軟WPF技術(shù)良好的用戶體驗(yàn)，提供了大量的控件和豐富的對(duì)象模型，加快了開發(fā)人員應(yīng)用程序構(gòu)建的效率[4]。

2.2 NPP計(jì)算模型

根據(jù)氣候因子估算的植物可能產(chǎn)量稱為植物氣候生產(chǎn)力，一般多用自然植被的凈第一性生產(chǎn)力表示，即NPP[6]。傳統(tǒng)方法計(jì)算NPP主要有4種模型：Miami模型、Thornthwaite模型、Chikugo 模型、朱志輝模型。本文利用這4種模型分別計(jì)算出各個(gè)地區(qū)的NPP數(shù)值，以便研究人員根據(jù)研究需求選擇使用。

2.2.1 Miami模型

植被NPP受一些環(huán)境氣候因子的影響，其中溫度和降水影響最大。Lieth根據(jù)世界五大洲約50個(gè)地點(diǎn)可靠的植被NPP實(shí)測(cè)資料和相對(duì)應(yīng)的年平均溫度、年均降水量資料，利用最小二乘法構(gòu)建的模型，稱為邁阿密模型[6]。

y2=3000(1-e-0.00065R)。

(1)

式中：y1為根據(jù)年平均溫計(jì)算的植被NPP(g/m2·a)；y2為根據(jù)年降水量計(jì)算的植被NPP(g/m2·a)；t為年平均溫度(℃)；R為年降水量(mm)。根據(jù)Liebig定律，選取二者中最小值作為計(jì)算點(diǎn)的植被NPP值[3]。

2.2.2 Thornthwaite模型

Thornthwaite和Rosenzweig注意到蒸騰蒸發(fā)量(ET)與氣溫、降水、植被之間的關(guān)系，并據(jù)此建立了植被凈第一性生產(chǎn)力和ET之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，Lieth基于Thornthwaite的研究及世界五大洲50個(gè)地點(diǎn)植被凈第一性生產(chǎn)力資料，采用最小二乘法，提出了ThornthwaiteMemorial模型[7]。

NPP=3000[1-e-0.0009695(v-20)]，

L=3000+25T+0.05T3。

(2)

式中：NPP為植被凈第一性生產(chǎn)力(g/m2·a)，V為年實(shí)際蒸散量(mm)，L為該地年蒸散量(mm)，t為年均溫(℃)，R為年降水量(mm)。

2.2.3 Chikugo模型

日本島內(nèi)以Uchijima的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，利用葉菲莫娃和Canne等人IBP期間取得的世界各地的生物量數(shù)據(jù)和氣候要素進(jìn)行相關(guān)分析，建立了根據(jù)凈輻射和輻射干燥度計(jì)算NPP的Chikugo模型[7]。

NPP=0.29·Rn·e0.216RDI2，

RDI=Rn·(L·r)-1。

(3)

式中：NPP為自然植被凈第一性生產(chǎn)力(g/m2·a)；Rn為陸地表面所獲得的凈輻射量(mm)，RDI為輻射干燥度，L為蒸發(fā)潛熱(0.596·kcal/g)，r為年降水量(cm)。

2.2.4 朱志輝模型

朱志輝利用751組各類植被數(shù)據(jù)，建立了估算NPP的解析模型[1]。

(4)

式中：NPP為自然植被凈第一性生產(chǎn)力(g/m2·a)；RDI為輻射干燥度，Rn為陸地表面所獲得的凈輻射量(mm)。

通過以上4個(gè)模型的計(jì)算，可以得出黑龍江省各個(gè)地區(qū)1952-2012年4個(gè)模型對(duì)應(yīng)NPP的值。

2.3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

采用基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)的WebGIS的三層體系結(jié)構(gòu)，體系分為表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層三個(gè)層次(如圖1所示)。

(1)表現(xiàn)層：表現(xiàn)層所面對(duì)的對(duì)象是用戶，負(fù)責(zé)用戶通過瀏覽器與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為用戶提供高交互性的可視化操作界面。通過瀏覽器為用戶顯示空間數(shù)據(jù)，向應(yīng)用層發(fā)送用戶請(qǐng)求，并獲取處理結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。用戶通過表現(xiàn)層來訪問整個(gè)GIS系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)借助ArcGIS API for Silvelight及silverlight框架來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)層。

(2)應(yīng)用層：用于對(duì)用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、并返回分析結(jié)。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)與用戶之間的交互、承載運(yùn)行在GIS Server資源上的Web應(yīng)用程序和Web服務(wù)。處理Web客戶端與服務(wù)端之間的信息的傳遞[4]。GIS Server層主要提供各種技術(shù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，系統(tǒng)資源釋放服務(wù)，各種相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)、制圖以及需要與地圖交互的工具[4]。本層主要采用ArcGIS Server服務(wù)器及其提供的API進(jìn)行開發(fā)。

(3)數(shù)據(jù)層：位于服務(wù)器端，包括空間數(shù)據(jù)引擎和數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)本系統(tǒng)所需所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，接受服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)用的請(qǐng)求，提供數(shù)據(jù)給應(yīng)用層。本層采用ArcGIS的File Geodatabase數(shù)據(jù)模型。

2.4 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為主要包括計(jì)算工具、地圖的基本操作、查詢分析、統(tǒng)計(jì)模塊和渲染模塊4大模塊。系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 功能設(shè)計(jì)圖

(1)地圖基本操作。包括地圖放大、縮小、平移、全圖、鷹眼、測(cè)距、繪圖、放大鏡、坐標(biāo)顯示、圖例、書簽和全屏等功能，為用戶提供地圖的基本操作[8-10]。

(2)查詢分析模塊。數(shù)據(jù)查詢分析模塊為用戶提供NPP等信息查詢的功能。包括幾何查詢、屬性查詢和MapTip查詢3種方式，用戶可以根據(jù)需求選擇查詢方式。

(3)統(tǒng)計(jì)分析模塊。統(tǒng)計(jì)分析模塊主要是根據(jù)需要，對(duì)系統(tǒng)提供的信息和查詢的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以折現(xiàn)圖或餅狀圖的形式進(jìn)行進(jìn)行結(jié)果的展示。

(4)渲染模塊。該模塊主要是對(duì)用戶需要的信息提供地圖分級(jí)渲染功能，使用戶所需信息直觀的在地圖上顯示。人們通常用級(jí)別來表示不同程度，同樣將空間幾何對(duì)象的某個(gè)屬性值進(jìn)行分級(jí)以便來區(qū)分幾何對(duì)象，這就是分級(jí)渲染。

(5)在線計(jì)算。提供信息的計(jì)算功能，用戶可以利用此工具，對(duì)所需信息數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)的發(fā)布與調(diào)用

地圖服務(wù)對(duì)應(yīng)的GIS資源是地圖文檔(.mxd)，發(fā)布地圖服務(wù)之前應(yīng)該首先制作地圖文檔。在ArcMap下載入空間數(shù)據(jù)，利用ArcMap的各種功能對(duì)地圖進(jìn)行配置，如地圖的疊加顯示、分級(jí)顯示、標(biāo)注和符號(hào)化等操作。然后將地圖文檔通過ArcCatalog或ArcGIS Server Manager工具，發(fā)布地圖到GIS服務(wù)器中[11]。

利用ArcGIS API for Silverlight提供的方法接口，通過調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)url地址的方式在應(yīng)用層調(diào)用數(shù)據(jù)。

Url=“http：//lb-pc/ArcGIS/rest/services/heilongjiang/MapServer”/>

3.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 地圖的基本操作

在系統(tǒng)的主界面(如圖2所示)有地圖基本操作工具條，該工具條包括地圖放大、縮小、平移、全圖、測(cè)量(距離測(cè)量、面積測(cè)量)、局部放大、鷹眼、繪圖(包括點(diǎn)、線、面、矩形、箭頭、圓和橢圓等幾何圖形繪制)和全屏等功能。用戶可以根據(jù)需求，使用工具條中的工具對(duì)地圖進(jìn)行操作。

圖2 系統(tǒng)主界面

3.2.2 查詢分析模塊

查詢分析模塊是系統(tǒng)的核心模塊，主要為用戶提供基于Miami、Thornthwaite、chikugo和朱志輝四種模型計(jì)算的各個(gè)地區(qū)不同年份的數(shù)據(jù)的查詢，并在地圖上顯示。該模塊提供幾何查詢、MapTip查詢和屬性查詢?nèi)N查詢方式。幾何查詢方式是利用手動(dòng)繪圖的方式，選擇需要查詢的地區(qū)并顯示出該地區(qū)數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行高亮顯示(如圖3所示)；MapTip查詢的方式為根據(jù)鼠標(biāo)所在的位置，彈出對(duì)話框顯示所在位置地區(qū)的數(shù)據(jù)(如圖4所示)；屬性查詢的方式為通過下拉菜單選擇某一地區(qū)，地圖會(huì)自動(dòng)定位到該地區(qū)，對(duì)該地區(qū)高亮進(jìn)行顯示，同時(shí)彈出對(duì)話框顯示出該地區(qū)的數(shù)據(jù)(如圖5所示)。

圖3 幾何查詢方式

圖4 MapTip查詢方式

圖5 屬性查詢方式

查詢模塊核心查詢功能是通過ArcGIS API for Silverlight中的Task方式實(shí)現(xiàn)的。使用Task通常包括三個(gè)步驟：Task對(duì)象的實(shí)例化、對(duì)象注冊(cè)完成和失敗事件監(jiān)聽；參數(shù)對(duì)象實(shí)例化，必要屬性賦值，請(qǐng)求發(fā)送；在事件處理函數(shù)中處理錯(cuò)誤信息[12]。使用Task代碼如下：

QueryTask queryTask=new

QueryTask(“http：//lb-pc/ArcGIS/rest/services/heilongjiang/MapServer/5”)；

queryTask.ExecuteCompleted+=QueryTaskx_ExecuteCompleted；

queryTask.Failed+=QueryTaskx_Failed；

ESRI.ArcGIS.Client.Tasks.Query queryx = new ESRI.ArcGIS.Client.Tasks.Query()；

query.OutFields.AddRange(newstring[]{“city”})；

query.ReturnGeometry=false；

query.Where=“1=1”；

queryTask.ExecuteAsync(query，“initial”)；

3.2.3 統(tǒng)計(jì)模塊

用戶可以根據(jù)自己的需求，對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。該模塊有折線圖和餅狀圖(如圖7和8所示)兩種表現(xiàn)方式。折線圖統(tǒng)計(jì)方式自動(dòng)可以生成黑龍江省某一地區(qū)NPP、降水量、平均溫度和凈輻射量度值隨年份變化的折線圖；餅狀圖統(tǒng)計(jì)方式可以生成某一年全省各個(gè)地區(qū)的NPP、降水量的餅狀圖以及計(jì)算出各個(gè)地圖數(shù)值占全省的比重。

統(tǒng)計(jì)模塊的圖標(biāo)制作，主要是通過Silverlight的Visifire插件制作。具體過程分為3部分：通過Task方式對(duì)屬性數(shù)據(jù)的訪問、創(chuàng)建圖表和添加圖表數(shù)據(jù)。

圖6 餅狀統(tǒng)計(jì)圖

圖7 線狀統(tǒng)計(jì)圖

3.2.4 渲染模塊

渲染模塊提供NPP數(shù)據(jù)的分級(jí)渲染功能。該模塊分為四部分，分別是Miami模型渲染、Thornthwaite模型渲染、chikugo模型渲染和朱志輝渲染。四部分對(duì)別對(duì)應(yīng)4種模型所計(jì)算的NPP數(shù)據(jù)渲染，用戶可以選擇不同的色彩、不同年份根據(jù)NPP指標(biāo)分為不同的等級(jí)對(duì)全省各個(gè)地區(qū)的進(jìn)行分級(jí)渲染。

渲染功能采用的分級(jí)方式是等分方式。即分級(jí)指標(biāo)為數(shù)據(jù)的最大值減去最小值之后除以級(jí)別個(gè)數(shù)。

核心代碼如下：

Double portion = totalRange/_classCount1；

for(inti=2；i<_classCount1；i++)

{

startRangeValue+=portion；

thematicItem.RangeStarts.Add(startRangeValue)；

}

圖8 系統(tǒng)渲染功能

3.2.5 在線計(jì)算

該工具可以通過輸入某一地區(qū)的計(jì)算參數(shù)，選擇所需的計(jì)算模型計(jì)算該地區(qū)的NPP數(shù)值。

4 結(jié)束語

本文闡述了WebIGIS下的黑龍江省植被NPP碳匯分析系統(tǒng)的開發(fā)過程，并采用WebGIS的三層體系結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)，為黑龍江省碳匯分析平臺(tái)的研究提供了新的思路。該研究開發(fā)了黑龍江省NPP碳匯分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了黑龍江省植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的可視化查詢與分析，實(shí)現(xiàn)了NPP資源和信息的共享，為用戶提供良好的交互界面，可以輔助碳匯相關(guān)專業(yè)的研究。系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的Silverlight技術(shù)創(chuàng)造出內(nèi)容豐富、界面炫麗，并且能在多種瀏覽器中運(yùn)行的、交互有好的Web應(yīng)用程序。基于B/S架構(gòu)，無需安裝客戶端應(yīng)用程序，只需添加Silverlight插件即可利用瀏覽器操作系統(tǒng)，增強(qiáng)了用戶使用的便捷性以及數(shù)據(jù)的安全性。提供Miami、Thornthwaite、Chikugo和朱志輝四種主要模型計(jì)算的黑龍江省各個(gè)地區(qū)不同年份的NPP數(shù)值，使用人員可以根據(jù)自己的研究需求及模型的適用范圍，選擇使用，提高了數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的可應(yīng)用性，對(duì)NPP信息進(jìn)行信息化、科學(xué)化、規(guī)范化管理，為決策提供了依據(jù)。

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