塔里木河中游植被指數空間數據庫設計①

劉雪芹,蒲 智,蔡朝朝,葉 凱,林思成

(新疆農業(yè)大學 計算機與信息工程學院,烏魯木齊 830052)

塔里木河中游植被指數空間數據庫設計①

劉雪芹,蒲 智,蔡朝朝,葉 凱,林思成

(新疆農業(yè)大學 計算機與信息工程學院,烏魯木齊 830052)

受環(huán)境因素與人類活動的影響,塔里木河中游地區(qū)近年植被長勢及分布變化較大,通過對植被的動態(tài)監(jiān)測分析,可為塔里木河生態(tài)保育對策的制定及植被保護研究提供科學依據.本文采用面向對象的Geodatabase模型,使用地理信息系統(tǒng)(GIS)對空間、屬性數據的管理分析功能,以塔里木河中游為研究區(qū),選取通過遙感圖像處理平臺ENVI計算得到的2000、2006、2010、2015年四期歸一化植被指數(NDVI)為研究數據,通過使用ArcGIS對NDVI進行空間分布特征研究,設計出一種塔里木河中游植被指數空間數據庫,以實現(xiàn)空間、屬性數據的存儲管理一體化.該植被指數空間數據庫能直觀的反映出研究區(qū)植被變化及生長情況.

塔里木河中游;植被指數;空間數據庫;Geodatabase;NDVI

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成成分之一,因其具有顯著的年際和季節(jié)變化成為近年遙感監(jiān)測的主要研究對象[1].植被指數是反映植被變化的重要參量.

塔里木河是中國第一大內陸河,亦是新疆人民的母親河.它與中國最大的內陸盆地塔里木盆地相依,對調節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境與經濟的可持續(xù)發(fā)展起著至關重要的作用[2].

近年,隨著3S技術的不斷發(fā)展,空間數據庫已被應用于多個領域并成為當今國內外學者研究的熱點.然國內外現(xiàn)有關植被指數的空間數據庫設計與研究較少,以塔里木河為研究區(qū)的研究更是一片空白.

本文將通過對2000年至2015年15年間4期塔里木河中游歸一化植被指數的監(jiān)測與分析,采用面向對象的Geodatabase技術,設計并建立基于ArcGIS的植被指數空間數據庫.從而得到塔里木河中游的植被生長狀況,為塔里木河的進一步生態(tài)決策的定制提供可靠依據.

1 建立Geodatabase模型

空間數據模型經歷了三個階段,即CAD數據模型階段、Coverage數據模型階段和Geodatabase數據模型階段[3].

Geodatabase模型使用標準的關系-對象數據庫技術,支持一套完整的拓撲特集,為大型數據庫系統(tǒng)在數據管理方面提供了優(yōu)勢.

本文將根據具體研究需求,采用三層架構(圖1),建立基于Geodatabase模型的塔里木河中游植被指數空間數據庫,實現(xiàn)屬性、空間數據的一體管理.

圖1 空間數據庫三層架構

本文中Geodatabase空間數據模型的設計如圖2所示.

圖2 植被指數Geodatabase模型

相比前兩代空間數據模型,Geodatabase模型具有顯著優(yōu)勢.它能對空間地理數據進行統(tǒng)一的存儲與管理、能進行更為準確的數據編錄與更加直觀的數據操作、要素也具有更為豐富的相鄰關系、可以更好的定義要素形狀并能允許多個用戶同時進行地理數據的編輯[1].本文選用第三代空間數據模型Geodatabase,代表了近代GIS技術的發(fā)展趨勢.

2 植被指數空間數據庫

2.1 研究區(qū)概況

塔里木河位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地北部巴音郭愣蒙古自治州境內(圖1),全長2137km,流域面積共計19.8萬km2,位處東經71°39''-93°45''與北緯34°20''-43°39''之間.流域覆蓋5地(州)與兵團4個師(局)共計42個縣(市)和55個團場,生活著825.7萬人口,占全疆總人口的47%,是中國最長的內陸河.

本文研究區(qū)為塔里木河中游(輪臺縣英巴扎至尉犁縣恰拉)區(qū)域,詳見圖3.

圖3 塔里木河干流中游地區(qū)示意圖

2.2 技術路線

本文所設計的基于GIS技術的塔里木河中游植被指數空間數據庫設計過程如圖4所示.

圖4 數據庫設計過程

以塔里木河中游2000、2006、2010、2015年四期Landsat遙感影像數據生成的歸一化植被指數(NDVI)與其相應空間位置、地圖等空間地理數據與屬性數據進行入庫存儲,并在此基礎上設計基于Geodatabase空間數據模型的塔里木河中游植被指數數據庫,以實現(xiàn)數據的查詢、顯示、管理分析等功能.具體技術路線圖如圖5所示.

圖5 技術路線圖

2.3 數據來源與預處理

2.3.1 數據來源

本文選取2000-2015年共15等間隔共計四期的Landsat系列遙感影像為源數據.分別為 2000年Landsat 7 ETM+影像、2006年與2010年Landsat 5 TM影像以及2015年Landsat 8 OLI遙感影像,研究區(qū)的行列號為143/31、143/32、144/31、144/32.

所得源數據為從地理空間數據云(網址: http://www.gscloud.cn/)上免費下載的夏季少云并已經經過幾何校正、去云等初步處理的GLS產品.

2.3.1 數據處理

將數據源在遙感圖像處理平臺ENVI 5.1中進行輻射校正、大氣校正、裁邊、分景影像拼接、研究區(qū)裁剪等數據預處理工作.再利用影像中紅波段與近紅外波段進行NDVI計算與等級劃分(表1).

表1 NDVI等級劃分

植被覆蓋度是一種可反映地表植被生長狀況的重要生態(tài)參數,因其明顯的年際、季節(jié)變化而成為近年來監(jiān)測植被生長變化的一項重要指標[4].本文采用簡單、實用且效果較好的像元二分模型法來進行植被覆蓋度的估算.即假設一個像元的地表由兩個因子組成:有植被覆蓋與無植被覆蓋,光譜信息則為兩個因子的線性加權合成所得,每個因子的權重為其各自的面積在像元中所占比率,那么可講植被覆蓋度看作植被的權重[5],根據公式(1)結合NDVI的置信區(qū)間值計算可得.

根據計算結果進行不同植被覆蓋度等級的劃分(表2).

表2 植被覆蓋度等級劃分

2.4 數據庫設計

2.4.1 數據庫

文本所設計的植被指數空間數據庫中包括空間數據庫與屬性數據庫,采用空間數據引擎ArcSDE進行二者的連通及實現(xiàn)空間數據在DBMS中數據的管理,如空間數據的存儲、查詢、分析等[6].

屬性數據庫的功能是用于存儲管理NDVI的數據表(表1)、基礎數據表、用戶數據表、權限數據表、系統(tǒng)日志表等各類屬性表數據與信息,空間數據庫則用于存儲管理研究所涉及的矢量、柵格數據,例如研究區(qū)裁剪所用的Shape文件、遙感衛(wèi)星影像、地圖文件等.

表3 歸一化植被指數(NDVI)數據表

2.4.2 空間數據引擎

采用由ESRI公司開發(fā)的空間數據引擎ArcSDE. ArcSDE是連接地理信息系統(tǒng)(GIS)與關系數據庫管理系統(tǒng)(DBMS)的中間件,應用程序通過ArcSDE可以把空間數據存儲至DBMS[7].ArcSDE的開發(fā)接口允許ArcGIS在多種關系數據庫平臺進行管理空間數據的管理,如本文選取的MySQL數據庫管理系統(tǒng).同時, ArcSDE也為開發(fā)人員提供了專用的API接口用以地理空間數據的檢索與分析.

2.4.3 開發(fā)環(huán)境

采用Windows 7操作系統(tǒng),編程語言為C#,空間數據模型為第三代空間數據模型Geodatabase.屬性數據庫采用MySQL存儲并管理各類信息表與屬性表,空間數據庫的開發(fā)平臺為ArcGIS,空間數據存儲方式采用ArcCatalog,功能開發(fā)組件為ArcGIS Engine.

2.4.4 功能模塊

圖6 數據庫主界面

該塔里木河中游植被指數空間數據庫的主界面包含標題欄、菜單欄、工具欄、圖層數據的顯示區(qū)、地圖數據顯示及管理區(qū)、鷹眼顯示區(qū)、狀態(tài)欄等7部分(圖5).

主要具有以下7部分功能模塊:

① 數據入庫

該模塊主要實現(xiàn)屬性、空間數據的入庫.屬性數據如NDVI等基礎數據表、用戶數據表、權限數據表等其他信息表與屬性表[8].空間數據則為研究涉及的柵格、矢量數據等.

② 數據更新

空間數據具有會隨著時間的變化而不斷變化的特點[9],該模塊用于實現(xiàn)空間、屬性數據的實時更新與用戶的增刪,用戶可根據自身需要進行圖層的新建及更新,滿足了空間數據的時效性和用戶需求.

③ 視圖界面管理

可實現(xiàn)圖形界面的顯示與管理,例如地圖的放大、縮小、平移等操作.

④ 數據查詢

該模塊用以進行空間、屬性數據的雙向查詢.可查詢的數據形式多樣,用戶可通過有數據屬性進行查詢,即通過單擊地圖獲得相應的屬性信息.也可按不同的要素查詢圖層,當然也包括一些基本文檔數據的查詢.用戶還可根據需要進行各年NDVI數據(圖7)及灰度圖(圖8)、植被覆蓋度分類圖(圖9)的查詢.能為塔里木河中游植被長勢的監(jiān)測、分析以及植被分類、植被覆蓋程度等研究提供方便可靠的數據支持.

⑤ 數據分析

由歸一化植被指數NDVI均值變化折線圖可分析得到塔里木河中游地區(qū)的植被生長變化情況.

圖 7 研究區(qū)2000、2006、2010、2015年NDVI數據變化折線圖

由圖7可知:塔里木河中游地區(qū)歸一化植被指數NDVI均值由 2000年的 0.163313降為 2015年的0.119388,總體呈衰減特征.

以NDVI為基礎數據進行基于像元二分模型的植被覆蓋度估算與等級劃分.通過對數據庫內空間、屬性數據的雙向查詢,可獲得研究區(qū)歸一化植被指數NDVI的影像信息(圖8)、不同等級的植被覆蓋度分級圖(圖9)、植被指數曲線以及對應的TM遙感影像數據等.

以此為基礎可進行不同時相的歸一化植被指數NDVI的空間動態(tài)分析、年際變化分析以及植被覆蓋度的時空動態(tài)分析[10].

圖8 研究區(qū)2000、2006、2010、2015年NDVI灰度圖

圖 9 研究區(qū)2000、2006、2010、2015年植被覆蓋度圖

⑥ 結果輸出

該模塊可通過查詢與分析進行多種類型的結果輸出,例如表格、統(tǒng)計圖表與地圖的輸出等.

⑦ 系統(tǒng)管理

該模塊主要實現(xiàn)數據庫系統(tǒng)的管理功能.包括:用戶管理(增、刪、改)、權限管理、安全管理、系統(tǒng)維護等.

2.5 數據庫應用

以4期衛(wèi)星遙感影像數據為數據源,通過建立基于Geodatabase的塔里木河中游植被指數空間數據庫能有效實現(xiàn)對塔里木河中游15年間植被生長狀況的時空變化監(jiān)測與估算分析.通過ENVI進行NDVI數據的生成與基于像元二分模型的植被覆蓋度的估算,生成NDVI灰度圖(圖8)、植被覆蓋度等級圖(圖9)以及NDVI與植被覆蓋度統(tǒng)計表(表4、表5),并將其直觀的反映在塔里木河中游植被指數空間數據庫中用以更為直觀簡潔的數據分析.

由表4、表5可知,塔里木河中游區(qū)域植被覆蓋變化較為明顯.其中較低覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度植被面積總體均呈現(xiàn)不同程度的減少,并向中、低植被覆蓋等級退化.

表4 不同時期不同植被覆蓋度所占面積分布表

表5 不同植被覆蓋度所占面積變化統(tǒng)計表

由表4、表5可知,塔里木河中游區(qū)域植被覆蓋變化較為明顯.其中較低覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度植被面積總體均呈現(xiàn)不同程度的減少,并向中、低植被覆蓋等級退化.

結合圖表分析得到:2000-2006年間,研究區(qū)中部及東部地區(qū)較低、高等級植被覆蓋均呈現(xiàn)衰減趨勢并退化為中度及低植被覆蓋等級.其中高植被覆蓋等級減少最為明顯,由原有的11.38%降為6.73%,面積退化710.4303 km2.2006-2010年間,研究區(qū)植被增長和衰減并存,高等級植被覆蓋面積持續(xù)減少,主要表現(xiàn)在河道東部.2010-2015年間,高植被覆蓋等級變化不大,較高、中、較低植被覆蓋等級均向低植被覆蓋等級退化.中部河道周邊植被覆蓋明顯減少,其中較低等級植被覆蓋面積由2010年的37.17%減少至2015年的21.41%,低植被覆蓋等級面積則增加了18.77%.

由此可知:15年間,塔里木河中游地區(qū)植被生長狀況退化與好轉并存,總體呈衰減退化特征.高覆蓋等級植被大量退化為其他低植被覆蓋等級.其中,低植被覆蓋等級變化率最大,截至2015年面積已由2000年的6179.4522 km2增長為9051.3675 km2,較低植被面積則減少了2067.1110 km2.

結果表明:塔里木河中游地區(qū)以少量植被、稀疏林地為代表的較低覆蓋度植被退化為戈壁、沙漠,以密林地、灌木地為代表的高覆蓋植被大面積減少,以胡楊為主體的荒漠林正逐步退化.

結合項目組野外實地考察結果分析可知,這一結果與塔里木河中游修建輸水堤防工程有關.自2000年起新疆維吾爾自治區(qū)向塔里木河下游實施生態(tài)輸水并于2001年12月于塔里木河中游地區(qū)修建了輸水堤防工程后至今,塔里木河中游兩岸的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較為明顯的變化,河岸生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)局部衰退趨勢.可見,輸水堤防的修建對塔里木河中游提防外河道的植被生長環(huán)境及植被的多樣性造成了一定程度的負面影響.

3 結論

本文基于對第三代空間數據模型Geodatabase的研究分析,提出了塔里木河中游植被指數空間數據庫建庫的總體方案和技術路線,為實現(xiàn)塔里木河海量多元空間數據與屬性數據的一體化高效管理提供了技術保障,同時也通過對歸一化植被指數與植被覆蓋度的為塔里木河中游區(qū)域的植被長勢監(jiān)測與生態(tài)保育政策的制定提供了可靠數據支撐與理論依據.

1陳愛京,傅瑋東,肖繼東,張旭,王蕾,沙依然.基于像元二分模型的和布克賽爾縣植被覆蓋動態(tài)變化分析.草業(yè)科學, 2012,29(6):857–862.

2高志強,劉紀遠.基于遙感和GIS的中國植被指數變化的驅動因子分析及模型研究.氣候與環(huán)境研究2000,5(2):155–164.

3宋楊,萬幼川.一種新型空間數據模型Geodatabase.測繪通報,2004,(11):31–33.

4潘農菲.GIS的空間數據在關系型數據庫的實現(xiàn)理論及應用技術.計算機應用究,2002,19(2):92–94.

5劉玉安,黃波,程濤,曲樂安.基于像元二分模型的淮河上游植被覆蓋度遙感研究.水土保持通報,2012,31(1):93–97.

6顏安.基于Geodatabase的羅布泊“大耳朵”地區(qū)空間數據庫系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[碩士學位論文].烏魯木齊:新疆農業(yè)大學,2009.

7廖瑞祥,王剛,鄒良超.基于GIS的三峽庫區(qū)滑坡空間數據庫系統(tǒng)設計.三峽大學學報(自然科學版),2011,33(1):24–27.

8穆榮,張永福,路星.基于ArcGIS Geodatabase基礎空間數據庫設計.測繪與空間地理信息,2007,30(3):112–115.

9張春森,杜福光.植被指數空間數據庫的建立及應用.西安科技大學學報,2010,30(6):711–715.

10蔡朝朝,安沙舟,蒲智,淮永建.基于TM NDVI的庫爾勒市域植被覆蓋動態(tài)變化.草業(yè)科學,2015,32(7):1069–1073.

Design of the Spatial Database of Vegetation Index in Middle Reaches of the Tarim River

LIU Xue-Qin,PU Zhi,CAI Zhao-Zhao,YE Kai,LIN Si-Cheng

(College of Computer&Information Engineering,XinjiangAgricultural University,Urumqi 830052,China)

Due to the environment and human activities,the growth and distribution of vegetation has a great change in the middle reaches of the Tarim River.We can monitoring the vegetation growth and distribution in the middle reaches of the Tarim River to provide a scientific and reliable basis for the enactment of the ecological conservation policy and vegetation protection in the middle reaches of the Tarim River.This paper adopts the object-oriented Geodatabase model, using geographic information system(GIS)to analysis spatial data and attribute data of the middle reaches of the Tarim River,selecting the normalized difference vegetation index(NDVI)in 2000,2006,2010,2015 as the research data which is calculated through the remote sensing image processing platform ENVI,using ArcGIS for the research of the spatial distribution characteristics of NDVI.This paper designs a vegetation index spatial database based on Geodatabase for middle reaches of Tarim River to accomplish the integration of storage and management of spatial data and attribute data.This spatial database can reflect the changes of vegetation growth and distribution directly in the study area.

middle reaches of the Tarim River;vegetation index;spatial database;Geodatabase;NDVI

國家自然科學基金(41361082)

2016-08-14;收到修改稿時間:2016-09-29

10.15888/j.cnki.csa.005748