武漢市湖泊時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邸義良

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.015

摘 要： 利用地理信息系統(tǒng)（GIS）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了武漢市湖泊時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了由數(shù)據(jù)層，業(yè)務(wù)層，用戶層組成的B/S三層架構(gòu)，以及符合實(shí)際應(yīng)用的WebGIS湖泊系統(tǒng)應(yīng)用，并簡要介紹了數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。介紹了系統(tǒng)的地圖顯示與控制、地圖查詢、分析評價(jià)、數(shù)據(jù)庫管理、用戶管理等主要功能模塊的數(shù)據(jù)要求和功能實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 湖泊濕地； GIS； 時(shí)空演變； B/S架構(gòu)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）09-56-03

Spatial and temporal dynamic monitoring system of lakes in Wuhan

Di Yiliang

（Earth Sciences Academy of Yangtze University School， Wuhan， Hubei 430100， China）

Abstract： Taking the advantage of geographic information system （GIS） and network technology，the overall structure of the spatial and temporal dynamic monitoring system of the lakes in Wuhan is designed. The data layer， business layer and user layer composed of B/S three-tier architecture， as well as the WebGIS lake system which conforms to the practical application are realized， and the construction of the database is briefly introduced. The data requirement and function realization of the main function modules， such as map display and control， map query， analysis and evaluation， database management， user management and so on， are introduced too.

Key words： lake wetlands； GIS； spatial and temporal evolution； B/S architecture

0 引言

湖北素稱“千湖之省”，而武漢雅稱“百湖之市”。但隨著武漢市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和擴(kuò)張，武漢市的湖泊濕地面積卻在不斷減少。湖泊面積變化和水環(huán)境的惡化已經(jīng)成為制約武漢市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，因此建設(shè)武漢市湖泊時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是十分必要的。

本系統(tǒng)的目標(biāo)是結(jié)合RS技術(shù)和GIS技術(shù)，并通過數(shù)學(xué)方法構(gòu)建湖泊變化模型，從湖泊面積變化和湖泊形態(tài)變化，以及湖泊水域和其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化特點(diǎn)及影響進(jìn)行綜合分析。進(jìn)而分析湖泊的時(shí)空演變過程，總結(jié)高速城市化背景下湖泊的變化規(guī)律，從而幫助系統(tǒng)使用者更深入地了解和認(rèn)識人類活動(dòng)因素與湖泊水域動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)系。本系統(tǒng)以期對城市湖泊的綜合治理和保護(hù)開發(fā)提供理論依據(jù)，并對城市建設(shè)與管理提供決策支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)需求

本系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)基本分為四大類：湖泊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，湖泊濕地退化數(shù)據(jù)，湖泊水環(huán)境信息數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)（如用戶信息，城市土地利用數(shù)據(jù)）。

湖泊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括湖北省武漢市多年的湖泊空間數(shù)據(jù)，可以利用遙感圖像數(shù)字處理，獲取不同時(shí)期城市湖泊的水面空間信息數(shù)據(jù)[1]，同時(shí)還包括湖泊基本屬性數(shù)據(jù)，如湖泊名稱，面積，水深，歸屬等?？蛇M(jìn)行各湖泊歷年湖泊面積統(tǒng)計(jì)，并通過湖泊面積減小的歷史研究其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對現(xiàn)在及將來武漢市湖泊空間變化進(jìn)行預(yù)測，為城市規(guī)劃管理部門提供決策[2]。湖泊濕地退化數(shù)據(jù)包括退化特征，退化因子，退化程度等信息，用于湖泊退化分析等。濕地地形分布數(shù)據(jù)主要是突出濕地在城市用地中占地面積的比例，以及城市的其他不同用地類型對濕地的影響，同時(shí)顯示武漢湖泊濕地近年來的在城市用地類型中的變化。湖泊水環(huán)境信息包括歷年水質(zhì)類型，水環(huán)境指標(biāo)信息等，用于湖泊水環(huán)境定量分析。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S 模式，在邏輯上分為三個(gè)層次：數(shù)據(jù)層，業(yè)務(wù)層，用戶層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層是對系統(tǒng)所涉及的所有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲與管理?？臻g數(shù)據(jù)為湖泊、行政區(qū)劃、土地利用類型等地理空間實(shí)體；而與湖泊相關(guān)的專題數(shù)據(jù)如面積數(shù)據(jù)信息、環(huán)境介紹信息等以屬性數(shù)據(jù)形式存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，為系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)層由SQL Server 2012屬性數(shù)據(jù)庫、GeoDataBase地理數(shù)據(jù)庫、ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫以及各類文件文檔組成，這一層包含了系統(tǒng)屬性與空間數(shù)據(jù)處理和各類數(shù)據(jù)的存儲管理邏輯[3]。

業(yè)務(wù)層是用戶層與數(shù)據(jù)層的橋接通道，支持應(yīng)用程序的應(yīng)用邏輯，包括兩個(gè)部分：Web服務(wù)器和GIS服務(wù)器。在Web服務(wù)器上提供通過IIS發(fā)布Web Service；在GIS服務(wù)器上提供通過ArcGIS Server發(fā)布了的地圖服務(wù)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)、空間分析服務(wù)等空間服務(wù)。在業(yè)務(wù)層接收到瀏覽器端的服務(wù)請求時(shí)，對于非GIS請求，由Web服務(wù)器直接以Web Service形式與數(shù)據(jù)層通信；對于GIS請求，通過特定的接口由Web服務(wù)器提交給GIS服務(wù)器進(jìn)行處理[4]。

位于本系統(tǒng)架構(gòu)最頂端的用戶層也是表現(xiàn)層，表現(xiàn)層即圖中的客戶端，包含了本系統(tǒng)的顯示邏輯。它通過解讀用戶的操作指令，向Web應(yīng)用服務(wù)層發(fā)送用戶請求，最終將服務(wù)器端的處理結(jié)果顯示在客戶端上反饋給用戶。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容主要由兩部分構(gòu)成：空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫的建設(shè)內(nèi)容主要有基礎(chǔ)地圖、湖泊層、行政層、農(nóng)用地層、建設(shè)用地層、林地層、感影像圖等，其中湖泊層、農(nóng)用地層、建設(shè)用地層、林地層、感影像圖是按不同時(shí)態(tài)存儲的。非空間數(shù)據(jù)主要包含一些屬性的信息。

2 系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)主要分為五大個(gè)模塊：地圖顯示與控制，地圖查詢，分析評價(jià)，數(shù)據(jù)庫管理，用戶管理。見圖2。

地圖顯示與控制包括圖層控制，地圖編輯，地圖瀏覽。地圖顯示武漢市湖泊分布范圍涵蓋武漢全市，地域廣泛。圖層控制可以顯示不同年份武漢市湖泊空間分布的疊加顯示。地圖編輯可以對地圖進(jìn)行編輯，繪制湖泊范圍的變化情況，地圖瀏覽是對圖像的縮放，地圖的刷新、專題圖層的顯示等操作，可以清楚地了解其分布特征及相關(guān)信息。

地圖查詢實(shí)現(xiàn)對湖泊基本信息，退化信息特征，水環(huán)境信息等的查詢，能實(shí)現(xiàn)在地圖上點(diǎn)擊單一湖泊以百度百科的方式顯示湖泊基礎(chǔ)信息，包括文字簡介、水文、退化信息，水環(huán)境信息等內(nèi)容，并可根據(jù)工作需要實(shí)時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)用戶也可以根據(jù)自己的需求選擇想要查詢的某個(gè)湖泊信息，支持模糊查詢和多項(xiàng)條件查詢，滿足開發(fā)用戶更多需求。

分析評價(jià)模塊包括湖泊濕地退化分析，湖泊變遷定量分析，湖泊水環(huán)境定量分析三個(gè)功能模塊。濕地退化分析引入湖泊萎縮強(qiáng)度等測度指標(biāo)， 利用湖泊濕地多年地理退化特征、湖泊外環(huán)境對湖泊退化的影響、湖泊濕地植被退化信息等數(shù)據(jù)，有效利用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分層關(guān)系設(shè)計(jì)， 反應(yīng)湖泊濕地退化程度[5]。湖泊變遷定量分析實(shí)現(xiàn)對主城區(qū)湖泊面積變化分析和被填占湖泊用地分析，其中被填占湖泊用地分析將分析被填湖中各用地類型所占比重（包括農(nóng)業(yè)用地，建設(shè)用地，其他用地等），以及各用地類型增長趨勢[6]。通過分析可對將來湖泊空間變化和用地類型監(jiān)督有輔助決策作用。湖泊水環(huán)境定量分析實(shí)現(xiàn)武漢市各湖泊水質(zhì)歷年變化分析，湖泊所含環(huán)境污染物容量值，水質(zhì)評價(jià)分析，湖泊生態(tài)承載壓力綜合評價(jià)[7]等。對這些評價(jià)分析建立模型后，還可以實(shí)時(shí)輸入?yún)?shù)，進(jìn)行水環(huán)境的實(shí)時(shí)評價(jià)。其中還可進(jìn)行空間緩沖區(qū)分析和疊加分析。緩沖區(qū)分析可以實(shí)現(xiàn)湖泊周圍土地利用情況的調(diào)查。疊加分析是對不同年份湖泊空間屬性的疊加，并對其分析。最后也可以根據(jù)實(shí)際需要，制成分級專題圖，統(tǒng)計(jì)專題圖等，如湖泊壓力指標(biāo)分布圖[7]，湖泊承載指標(biāo)分布圖，湖泊承載壓力綜合評價(jià)地理柱狀圖[5]，并輸出打印。

數(shù)據(jù)庫管理功能模塊，由于湖泊動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)更新，數(shù)據(jù)庫管理功能需要實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的錄入、修改、更新以及刪除等操作。本功能模塊主要編輯的數(shù)據(jù)包含湖泊基本屬性數(shù)據(jù)、湖泊退化數(shù)據(jù)，水環(huán)境數(shù)據(jù)等，同時(shí)根據(jù)湖泊濕地?cái)?shù)據(jù)的公開性，不同用戶對數(shù)據(jù)信息持有瀏覽、修改、更新、刪除以及添加等多個(gè)級別的操作，增加數(shù)據(jù)庫的權(quán)限管理，保障數(shù)據(jù)庫安全和有效管理。

用戶信息管理模塊包括注冊處理，登錄處理，個(gè)人信息及權(quán)限管理等一系列有關(guān)用戶個(gè)人身份相關(guān)信息，給不同用戶不同的權(quán)限。實(shí)現(xiàn)基本信息查詢、注冊登記管理等。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)以武漢市湖泊濕地為研究對象，從應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)需求出發(fā)，基于B/S架構(gòu)，設(shè)計(jì)了武漢市主要湖泊的基本數(shù)據(jù)查詢和管理功能，并提供了湖泊濕地退化分析，湖泊變遷定量分析，湖泊水環(huán)境定量分析等分析功能。結(jié)合GIS技術(shù)和Web技術(shù)的武漢市湖泊動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，將大大提高湖泊濕地環(huán)境研究的工作效率和管理效率。

由于作者的專業(yè)知識限制以及武漢市湖泊水環(huán)境數(shù)據(jù)的不足，本文主要介紹了湖泊退化方面的分析，對于水環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析討論較少，所以本研究所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)尚需進(jìn)一步提高和完善。同時(shí)，由于武漢市在夏季經(jīng)常發(fā)生洪澇，這不僅與武漢市夏季多雨，且緊鄰長江有關(guān)，還與武漢市湖泊的蓄水力和分布情況密切相關(guān)，所以下一步將研究和開發(fā)與武漢市湖泊相關(guān)的洪澇系統(tǒng)，并與本系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。

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