江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

蔣新新，方 瑞，樂 峰，趙 倩，苗寶文

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

蔣新新1，2，方 瑞3，樂 峰3，趙 倩1，2，苗寶文1，2

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

為準(zhǔn)確掌握江蘇省水土流失狀況，以水土流失遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，按照統(tǒng)一設(shè)計原則，建設(shè)安全、高效、科學(xué)、實用的江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中存儲、管理，統(tǒng)一分類、查詢、統(tǒng)計，為水土流失監(jiān)測和水土保持預(yù)防監(jiān)督提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用平臺，為今后水土流失動態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。

水土流失；遙感監(jiān)測；基礎(chǔ)地理信息；土壤侵蝕；野外調(diào)查；水土保持

0　引言

水土流失已成為當(dāng)今世界危害人類生存的重大問題之一。水土流失導(dǎo)致土地退化、耕地毀壞、江河湖庫淤積、自然災(zāi)害加劇等，對經(jīng)濟和社會的發(fā)展造成多方面、全局性的及深遠的影響，甚至是不可逆的影響。我國水土流失量大面廣，危害嚴(yán)重。根據(jù)中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察結(jié)果，我國水土流失面積 356 萬km2，占國土面積的37%，幾乎所有省（自治區(qū)、直轄市）都存在不同程度的水土流失現(xiàn)象［1］。

江蘇省丘陵山區(qū)面積為 16 047.2 km2，約占江蘇省總面積的 15.6%，水土流失主要分布于此，以水力侵蝕為主，主要表現(xiàn)為平原區(qū)和丘陵山區(qū)（低山丘陵、崗地）水土流失［2］。因此，監(jiān)測、預(yù)防和治理水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，建設(shè)良好的人居環(huán)境已成為備受關(guān)注的重大環(huán)境問題。為此，研究建設(shè)江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)，進一步開展水土流失動態(tài)監(jiān)測，對水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中存儲、管理，掌握水土流失分布狀況和動態(tài)變化規(guī)律對保護水土資源、改善生態(tài)環(huán)境具有基礎(chǔ)性作用，可科學(xué)指導(dǎo)水土流失治理，為全省的生態(tài)文明建設(shè)提供保障。

1　系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計

以江蘇省水土流失遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，按照統(tǒng)一設(shè)計原則，建設(shè)水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為水土流失監(jiān)測和保持預(yù)防監(jiān)督提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用平臺，要求系統(tǒng)可方便地獲取全省水土流失動態(tài)監(jiān)測成果，實現(xiàn)水土流失監(jiān)測、保持措施數(shù)據(jù)的動態(tài)查詢，并具備對今后水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理和存儲的統(tǒng)一管理，為今后水土流失動態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。具體目標(biāo)如下：

1）遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系（水土保持數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識符）［3］，建成基礎(chǔ)地理信息、土壤侵蝕、野外調(diào)查單元、水土保持措施普查、用戶管理等數(shù)據(jù)庫，并留有小流域、重點工程、生態(tài)建設(shè)工程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫接口，對動態(tài)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲、管理，以滿足江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，為以后業(yè)務(wù)擴展做好準(zhǔn)備。

2）從系統(tǒng)功能上劃分為基礎(chǔ)地理信息管理、土壤侵蝕、野外調(diào)查單元、措施普查、用戶管理等子系統(tǒng)，對現(xiàn)有成果數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與展示，以滿足目前全省水土流失動態(tài)監(jiān)測項目的業(yè)務(wù)需求，并為全面開展江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)保留業(yè)務(wù)擴展接口。

3）系統(tǒng)集成應(yīng)充分利用現(xiàn)有的軟硬件條件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全。同時完成對軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境現(xiàn)場安裝調(diào)試等，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、軟硬件支撐環(huán)境三者之間的有機集成，保障系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、高效運行。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1數(shù)據(jù)分析

本研究所涉及的數(shù)據(jù)為水土流失動態(tài)監(jiān)測的過程和成果等數(shù)據(jù)，包括江蘇省基礎(chǔ)地理信息、土壤侵蝕強度、水土保持措施、野外調(diào)查單元等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式有矢量、柵格、多媒體文件和屬性表?？蓪崿F(xiàn)的應(yīng)用功能如下：

1）查詢?nèi)∏治g性降雨數(shù)據(jù)。

2）查詢各調(diào)查單元中各地塊的土地利用現(xiàn)狀、植被和水土保持措施狀況等，可按行政（市、縣）統(tǒng)計各類調(diào)查單元分布數(shù)量。

3）查詢?nèi)〗涤?、土壤等可蝕因子圖。

4）按行政（市、縣）查詢水土保持措施數(shù)據(jù)和土壤侵蝕強度。

5）GIS 查詢水土流失分布、水土保持措施、野外調(diào)查單元屬性等水土流失遙感監(jiān)測要素。

6）按行政和流域分區(qū)輸出水土流失分布強度、保持措施等統(tǒng)計信息。

2.2架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用 C/S 構(gòu)架技術(shù)，主要編程語言為Silverlight/C#，空間信息服務(wù)平臺為 DTGIS，數(shù)據(jù)庫為 DTSpatial。

系統(tǒng)基于 DTGIS 空間信息服務(wù)平臺采用面向服務(wù)的架構(gòu)思想進行設(shè)計，通過 DTGIS 空間信息服務(wù)平臺提供的元數(shù)據(jù)、遠程地圖和柵格數(shù)據(jù)等虛擬服務(wù)支撐各應(yīng)用系統(tǒng)具體功能的實現(xiàn)，同時基于DTSpatial 和地拓柵格金字塔技術(shù)管理江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，為 DTGIS 空間信息服務(wù)平臺提供存儲支撐［4］。

系統(tǒng)以各類規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和保障機制為支撐，自下而上分為用戶層、應(yīng)用層、應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和支持技術(shù)層 5 層，總體架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與運行環(huán)境分為應(yīng)用和存儲 2 個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)由各類專題數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用2 個服務(wù)器構(gòu)成，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò) SAN 由基于高速光纖網(wǎng)絡(luò)通信的磁盤陣列構(gòu)成。

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫包含以下 5 個部分：

1）用戶管理。系統(tǒng)管理員針對系統(tǒng)用戶進行集中管理。

2）基礎(chǔ)地理信息。主要管理行政區(qū)劃（市級、區(qū)縣）、遙感影像、公路、鐵路、居民地、保護區(qū)等數(shù)據(jù)，行政區(qū)劃、空間信息等數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下無縫應(yīng)用。包含矢量、業(yè)務(wù)和柵格等 3 種數(shù)據(jù)，其中矢量數(shù)據(jù)主要是行政區(qū)劃界、保護區(qū)、河流、鐵路、公路和居民地的數(shù)據(jù)；柵格主要是遙感影像，遙感影像數(shù)據(jù)采用信息資源庫方式存儲，矢量和業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)默認采用數(shù)據(jù)庫存儲。

3）野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)。通過行政及采樣點管理數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)包含矢量、柵格、多媒體文件等數(shù)據(jù)，其中矢量數(shù)據(jù)包含調(diào)查單元地形圖（水蝕）、水蝕地塊圖；柵格數(shù)據(jù)主要指坡度圖、坡長圖，以及坡度、坡長、措施、降雨侵蝕力、土壤可蝕性等因子圖；多媒體文件數(shù)據(jù)包括照片、水蝕野外調(diào)查表。

按照數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計方案，矢量和柵格數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息庫中矢量、柵格數(shù)據(jù)的對應(yīng)處理方式一致；多媒體文件數(shù)據(jù)采用文件存儲方式。

4）水力侵蝕成果。土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫是將水蝕的侵蝕量數(shù)據(jù)整合為一張全省土壤侵蝕普查圖。主要包括柵格數(shù)據(jù)（土壤侵蝕強度圖、R 因子圖、K 因子圖）和業(yè)務(wù)屬性表（30 年降雨數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)的存儲方式與野外調(diào)查單元數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)的存儲方式一致。

5）水土保持措施數(shù)據(jù)。水土保持措施數(shù)據(jù)的存儲方式為數(shù)據(jù)庫存儲。

3　系統(tǒng)主要功能

3.1基礎(chǔ)地理信息管理

基礎(chǔ)地理信息管理主要針對江蘇省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進行管理，主要包括以下 4 方面功能：

1）三維顯示功能。主要指對行政區(qū)劃（市級、區(qū)縣）、遙感影像、公路、鐵路、居民地、保護區(qū)等要查看的數(shù)據(jù)進行三維立體展示。

2）地圖操作功能。對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進行圖層的放大、縮小、漫游等操作。

3）空間量算功能。進行距離、面積、高程測量。

4）空間疊加功能。對多個圖層數(shù)據(jù)進行疊加顯示。

3.2土壤侵蝕管理

主要包括土壤侵蝕強度、降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、降雨數(shù)據(jù)等子模塊，主要功能如下：

1）柵格計算功能。針對柵格圖進行計算。

2）查詢統(tǒng)計功能。針對數(shù)據(jù)按市和縣級進行查詢統(tǒng)計。

3）空間定位功能。針對查詢出來的某一條數(shù)據(jù)，進行空間定位。

4）圖表展示功能。用柱狀和餅狀圖展示數(shù)據(jù)。

5）導(dǎo)出功能。用戶可將查詢與統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出。

3.3野外調(diào)查管理

包括野外調(diào)查多媒體數(shù)據(jù)下載、屬性數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、空間定位、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

1）屬性數(shù)據(jù)展示。將野外調(diào)查單元涉及的現(xiàn)場照片和屬性數(shù)據(jù)等進行展示，并與其對應(yīng)的采樣點關(guān)聯(lián)，映射到相關(guān)的圖層上進行瀏覽。

2）數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計功能。對字段的屬性進行行政、流域查詢，并統(tǒng)計空間定位功能；對查詢出來的數(shù)據(jù)，進行空間定位。

3）數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。將查詢統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出。

3.4水土保持措施

主要功能為數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計、導(dǎo)出，包括按行政和流域管理 2 個子模塊。

1）數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計功能。對字段的屬性進行按行政、流域查詢與統(tǒng)計。

2）數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。將查詢統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出。

3.5用戶管理

用戶管理子系統(tǒng)主要是系統(tǒng)管理員針對系統(tǒng)用戶進行集中管理，具有用戶管理、角色分配、權(quán)限分配、日志管理等權(quán)限，可以添加、刪除和修改用戶，還可以為具體的用戶添加、修改和刪除某項功能。

4　系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

4.1系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢

系統(tǒng)采用的 DTGIS 流域地理信息服務(wù)平臺是具備通用 GIS 平臺功能［4］，重點面向水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境等相關(guān)行業(yè)的專業(yè)大型網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺軟件。以空間數(shù)據(jù)庫、流域-水系拓撲模型、分布式計算、遠程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、空間信息共享、元數(shù)據(jù)等技術(shù)作為強勁內(nèi)核，支持 PB 級多尺度數(shù)據(jù)的一體化管理和連續(xù)分析［5］，實現(xiàn) GIS 平臺“以空間信息服務(wù)為核心”的技術(shù)特點。

系統(tǒng)支持 C/S 網(wǎng)絡(luò)遠程服務(wù)設(shè)計，保證數(shù)據(jù)安全的同時，方便客戶端更新維護和數(shù)據(jù)資源交互操作。支持通過網(wǎng)絡(luò)提供多類型的行業(yè)數(shù)據(jù)管理、查詢和分發(fā)模式，快速生成不規(guī)則結(jié)合圖的動態(tài)結(jié)果集。

采用空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)金字塔等技術(shù)，支持大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫平臺，支持集中和分布式數(shù)據(jù)庫建設(shè)模式。對不同時期的基礎(chǔ)地理、遙感影像、行業(yè)專題等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行分類管理和無縫集成，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的 PB 級海量數(shù)據(jù)管理。遵從 OGC 國際規(guī)范，提供元數(shù)據(jù)建庫、搜索、查詢、更新工具，實現(xiàn)實用、簡捷的元數(shù)據(jù)管理。

支持對分布式數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)遠程調(diào)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享服務(wù)；基于模型分析，提供流域特征等專業(yè)信息服務(wù)；結(jié)合基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)與專業(yè)信息，提供專題服務(wù)。

4.2柵格數(shù)據(jù)的處理

將江蘇省不同分辨率的遙感圖像處理入庫是本系統(tǒng)的難點。由于遙感圖像數(shù)據(jù)量龐大，因此鑲嵌、入庫及操作的流暢性需要重點考慮。

鑲嵌處理的關(guān)鍵在于相鄰影像的配準(zhǔn)。對于重疊區(qū)影像灰度配準(zhǔn)，可以采用直方圖匹配技術(shù)。進行直方圖匹配后，確定相鄰圖幅的接邊，對于接縫區(qū)域可以通過加權(quán)平滑處理，使地物由于時相或其他因素的變化而產(chǎn)生的信息分量在交迭中構(gòu)成穩(wěn)定的漸變，從而消除假接邊。鑲嵌時，要注意使鑲嵌的影像投影相同，比例尺一致，有足夠的重疊區(qū)域。鑲嵌結(jié)果在整體質(zhì)量上滿足要求，但局部的幾何和灰度誤差不符合要求時，應(yīng)對圖像局部區(qū)域進行二次幾何校正和灰度調(diào)整［6］。鑲嵌后的影像應(yīng)是一幅信息完整、比例尺統(tǒng)一和灰度一致的圖像［7］。

操作的流暢性采用柵格數(shù)據(jù)的多尺度優(yōu)化組織，使用建立影像金字塔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。簡單地講，柵格數(shù)據(jù)的金字塔結(jié)構(gòu)由原始影像數(shù)據(jù)開始，建立起一系列影像，各幅影像反映不同尺度下遙感圖像的詳盡程度。通常原始影像數(shù)據(jù)反映最詳細、真實的遙感圖像，由它逐步生成其他低分辨率的影像，以反映原始影像在各尺度下的概貌。這樣，在瀏覽影像數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)當(dāng)前用戶所需的分辨率，提取相應(yīng)尺度金字塔層的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的快速瀏覽［8］。本方案中柵格“金字塔”結(jié)構(gòu)采用“多級多塔”的構(gòu)架，即橫向上分成 30，60，120，240，480 和 1 000 m 等 6 級分辨率的遙感影像，而在縱向上每一級又分別對應(yīng)多個金字塔結(jié)構(gòu)，示意圖如圖 2所示。

圖2　柵格金字塔建立示意圖

這樣通過一系列技術(shù)手段實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量影像數(shù)據(jù)的存儲。

5　結(jié)語

本研究建成了安全、高效、科學(xué)、實用的水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)。對水土流失遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中存儲和管理，統(tǒng)一分類、查詢、統(tǒng)計，具有人機易用性和較高的可擴展性，為水土流失監(jiān)測和保持預(yù)防監(jiān)督提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用平臺，也為建立全省水土流失應(yīng)用系統(tǒng)提供了實驗平臺和技術(shù)儲備。

建議加強水土保持監(jiān)測網(wǎng)點的建設(shè)與投入，提高水土保持監(jiān)測的水平與預(yù)報工作，注意以下幾點：

1）要抓好規(guī)劃，明確重點。目前，江蘇省級水土保持監(jiān)測機構(gòu)與各市縣相繼成立了監(jiān)測站，但如何開展工作必須通過科學(xué)、全面的規(guī)劃予以確立。

2）引用更先進的遙感資料，全面提升基于遙感的水土流失計算成果的可靠性。

3）依托重點治理工程，開展定位監(jiān)測，拓展應(yīng)用，尤其可以將水土保持監(jiān)測從定性監(jiān)測走向定量監(jiān)測，從單一的監(jiān)測水土流失工作職能走向更寬闊的服務(wù)與應(yīng)用空間的綜合職能，如可以為水情和旱澇災(zāi)害等提供預(yù)警、預(yù)報，可以為水土流失引起的農(nóng)業(yè)面源污染，提供一體化定量監(jiān)測，更好地為國民經(jīng)濟服務(wù)。

［1］ 張洋. 江蘇省水土流失重點防治區(qū)劃分研究［D］. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013: 1.

［2］ 姚俊琪，高見，夏晶. 江蘇省丘陵山區(qū)水土流失現(xiàn)狀及綜合治理措施研究［J］ .江蘇水利，2011 （11）: 14-15.

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［7］ 汪福學(xué). 退耕還林監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)建設(shè)研究［D］. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2004: 26-32.

［8］ 陳珂. 基于 GIS 的區(qū)域石漠化監(jiān)測信息系統(tǒng)研究——以貴州為例［D］. 北京：北京大學(xué)，2010.

Research and Design of Water and Soil Loss Remote Sensing Monitoring Data System of Jiangsu Province

JIANG Xinxin1，2， FANG Rui3， LE Feng3， ZHAO Qian1，2， MIAO Baowen1，2
（1. Jiangsu Naiwch Co.Ltd， Nanjing 210012， China；2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring， the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012， China；3. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Jiangsu Province， Nanjing 210029， China）

In order to accurately grasp the situation of water and soil loss in Jiangsu province， based on business requirements of water and soil loss remote sensing monitoring， the article constructs the safe， efficient and practical water and soil loss remote sensing monitoring data system of Jiangsu province in accordance with the principle of uniform design. It does centralized storage， management， unified classification， query and statistics for the data，provides data base and application platform for water and soil loss monitoring and soil and water conservation supervision and prevention， and provides data support for the water and soil loss dynamic monitoring in the future.

water and soil loss； remote sensing monitoring； basic geographic information； soil erosion； field survey； soil and water conservation

S157.1

A

1674-9405（2016）04-0048-05

10.19364/j.1674-9405.2016.04.011

2016-05-24

蔣新新（1983- ），女，江蘇連云港人，工程師，主要從事水利信息化研究工作。