土壤鹽漬化風險WebGIS定量評估系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

依力亞斯江·努爾麥麥提， 張 東， 楊愛霞

(新疆大學 資源與環(huán)境科學學院 綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

WebGIS技術能夠把網絡化的地圖和地理分析功能與具體學科領域的系統(tǒng)應用和數(shù)據庫操作很方便、快捷地集成在一起，其具有訪問范圍廣、成本低、操作便捷、擴展性強、跨平臺等優(yōu)點[9]，因此WebGIS技術不僅推動了GIS技術在不同學科領域的廣泛發(fā)展應用[10]，而且它進入一個革新的時期[11]。前人在干旱區(qū)典型地物WebGIS光譜信息系統(tǒng)[12]和基于WebSIS技術的土壤鹽漬化遙感監(jiān)測和預警系統(tǒng)[13]等方面開展了相應研究，然而針對基于WebGIS的土壤鹽漬化風險定量評估問題的研究并不多見，況且目前土壤鹽漬化遙感風險監(jiān)測與評估信息的數(shù)字化和計算機決策自動化技術基礎研究比較薄弱，還存在著傳輸時效較差、網絡傳遞不暢、信息共享覆蓋面有限等問題[13]。

本文以我國新疆和田地區(qū)于田縣為研究區(qū)域，首先利用數(shù)據庫技術及方法，建立基于多源遙感數(shù)據和GIS的土壤鹽漬化風險評估柵格、矢量及屬性數(shù)據庫；其次，結合灰色關聯(lián)分析等數(shù)學和地學統(tǒng)計模型，構建土壤鹽漬化風險灰色評估模型；再次，基于OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification)這一開放的地理數(shù)據互操作規(guī)范，利用GIS服務器GeoServer和WebGIS操作框架OpenLayers等開源軟件，搭建基于WebGIS的土壤鹽漬化風險評估系統(tǒng)；最后應用該系統(tǒng)，進行研究區(qū)土壤鹽漬化風險定量評估、等級劃分，從而為研究區(qū)土壤鹽漬化及時、有效治理和土壤資源的科學管理和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供新的技術手段。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 數(shù)據庫設計

數(shù)據庫設計是鹽漬化風險定量評估系統(tǒng)設計的核心內容，是整個系統(tǒng)的基石，是系統(tǒng)建立、操作、管理和穩(wěn)定運行的基礎[14]。根據眾多專家研究成果[15-17]和于田綠洲實際情況，通過專家咨詢及結合研究區(qū)歷年數(shù)據資料的完整性、合理性、代表性及數(shù)據獲取的可能性，最終選擇了16個評價指標(見圖1)。這些數(shù)據一部分用歷年遙感技術來定量反演獲取，包括地面蒸散發(fā)、地表溫度、地表反照率(Albedo)、地上生物量、葉面積指數(shù)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、地面數(shù)字高程等；還有一部分基于野外實地采集數(shù)據，并采用GIS空間內插技術來獲得，包括地下水埋深、地下水電導率、表層土壤pH值、表層土壤含水量等。如圖1所示，基于WebGIS的土壤鹽漬化風險評估系統(tǒng)數(shù)據庫主要分為空間和屬性數(shù)據庫兩大類和GIS數(shù)據庫、遙感影像數(shù)據庫、野外采集資料數(shù)據庫和統(tǒng)計資料數(shù)據庫等四小類，數(shù)據格式分為矢量、柵格和屬性數(shù)據。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據庫結構

1.2 系統(tǒng)環(huán)境與運行平臺

本系統(tǒng)采用Microsoft Windows Server 2012作為服務器端操作系統(tǒng)、Windows XP Professional Windows 7 Professional作為客戶端操作系統(tǒng)；以Java，JavaScript，HTML，SQL(Structured Query Language)，CQL(Common Query Language)等為開發(fā)語言環(huán)境；開發(fā)瀏覽器采用Microsoft Internet Explorer 11.0和Mozilla FireFox 45.0.1；GIS服務器部署GeoServer 2.8.9 Beta，Web 服務器采用Apache Tomcat 8.0；建立MySQL Server 5.7和 MariaDB10.0引擎數(shù)據庫；前臺使用ReactJS和OpenLayers 3.4組件開發(fā)客戶端，采用Spring Boot，Spring JPA，Hibernate，Spring MVC，Spring Security等組件構建后臺；后臺以Gradle、前臺以Webpack工具來搭建項目技術框架；采用B/S(Browser/Server瀏覽器/服務器)架構，在前端圖像展示、地圖發(fā)布、數(shù)據存儲、處理等過程中，采用了一系列開源軟件，使系統(tǒng)具有良好的跨平臺和跨瀏覽器的特點。

1.3 系統(tǒng)開發(fā)思路

GeoServer是一個完全符合OpenGIS規(guī)范的、功能齊全的開源Web服務器平臺，發(fā)布地圖數(shù)據方便，容易實現(xiàn)地理信息共享，兼容PostGIS、Shapefile、ArcSDE、Oracle、MySQL、MapInfo等數(shù)據格式，支持上百種地圖投影方式[18]，特別是它支持 AJAX (Asynchronous JavaScript and XML)的地圖客戶端OpenLayers，極大地方便了WebGIS系統(tǒng)開發(fā)[19]。OpenLayers 是由MetaCarta公司開發(fā)的一個專為WebGIS客戶端開發(fā)提供的純面向對象JavaScript開源類庫[20]，訪問地理空間數(shù)據的方法符合OpenGIS規(guī)范，并具有跨瀏覽器、無刷新更新頁面、完全支持GIS行業(yè)標準的數(shù)據和服務(WMS、WFS、WCS等地理參考信息模型)，支持多種數(shù)據格式，這些優(yōu)點使WebGIS開發(fā)人員擁有非常多的開發(fā)系統(tǒng)選擇[21]。因此本文通過集成GeoServer服務器和OpenLayers類庫平臺實現(xiàn)了鹽漬化風險評估WebGIS系統(tǒng)的研發(fā)。

考慮到本系統(tǒng)設計的主要目的是基于多源遙感定量參數(shù)和GIS空間內插數(shù)據，利用GeoServer和OpenLayers等軟件，將WebGIS技術和較為成熟的數(shù)學灰色評估模型有機集成，進而實現(xiàn)土壤鹽漬化風險因子空間地理數(shù)據網絡快速共享和鹽漬化風險定量評估目標，因此，在系統(tǒng)設計過程主要思路有[22]：①利用GIS強大的數(shù)據采集和空間分析功能，進行空間數(shù)據預處理和基礎數(shù)據庫的建立(包括遙感反演地表定量參數(shù)、GPS空間定位數(shù)據和野外采集數(shù)據的GIS空間內插數(shù)據)，WebGIS系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎；②采用前端開發(fā)框架ReactJS類來創(chuàng)建高性能用戶界面；通過部署并配置開源WebGIS服務器GeoServer來搭建地理服務器環(huán)境，GeoServer配置各種空間地理和地圖數(shù)據，并使用數(shù)據庫MySQL實現(xiàn)數(shù)據存儲；③采用開源JavaScript 類庫OpenLayers開發(fā)WebGIS系統(tǒng)客戶端，通過SpringBoot內嵌Apache Tomcat構建后臺Spring框架應用，并采用Gradle工具搭建較為健全的后臺技術框架，進而建立基于GeoServer、OpenLayers、ReactJS、MySQL和Spring的鹽漬化風險評估WebGIS框架；④運用數(shù)據標準化、相關分析法、聚類分析法、灰色關聯(lián)度分析法等數(shù)學評估模型對GIS 的空間分析評價功能進行擴展。結合實際應用，選用適當?shù)臄?shù)學評估模型與灰色分析法相結合GIS技術進行二次開發(fā)，完善GIS的空間分析評價功能，并集成系統(tǒng)中，實現(xiàn)對鹽漬化風險的WebGIS定量評估。

1.4 系統(tǒng)總體架構設計

目前，WebGIS主要有3種不同的應用結構模式：集中模式、B/S構架模式以及C/S結構模式[23]。其中B/S構架模式是一種多層結構，具有更好的交互性、靈活性、可擴展性和維護性等特點，避免用戶重復安裝GIS軟件，操作較簡單，成本較低[23]。因此，本系統(tǒng)采用B/S構架模式，對各項業(yè)務進行分離，劃分為數(shù)據服務層、邏輯應用層和用戶界面層，本系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

1.5 系統(tǒng)功能模塊設計

根據土壤鹽漬化風險評估研究的主要內容與方法，以及通過對系統(tǒng)用戶需求的分析，本系統(tǒng)的最終目的是實現(xiàn)基于WebGIS完成干旱區(qū)的土壤鹽漬化風險強度的分級，并且根據分級結果形成研究區(qū)鹽漬化風險等級劃分圖。為了更好地實現(xiàn)這個目標，基于WebGIS的干旱區(qū)土壤鹽漬化評估系統(tǒng)主要包括五大功能模塊：數(shù)據采集、數(shù)據瀏覽及管理、統(tǒng)計分析及信息檢索、空間分析及模型構建和風險評估及區(qū)劃(見圖3)。

“秩序是一種均衡狀態(tài)，而這種均衡狀態(tài)既可能以自然均衡的形式出現(xiàn)，也可能以創(chuàng)制的方式獲得?！盵69]《聯(lián)合國憲章》確立的宗旨和原則，是國際關系的基本準則，也是人類命運共同體的基石。聯(lián)合國和平、發(fā)展和人權事業(yè)是人類命運共同體的支柱。中國與聯(lián)合國合作構建新型國際關系、共建“一帶一路”，是實現(xiàn)人類命運共同體目標的重要路徑[70]。構建人類命運共同體不是一朝一夕的事情，需要推進中國特色大國外交，在發(fā)展大國關系、周邊關系、發(fā)展中國家的關系時，不斷深化共同利益，推動規(guī)則的設置、完善，促進中國和世界各國良性互動、互利共贏，形成命運共同體，進而共同構建“五個世界”[71]。

圖3 系統(tǒng)功能模塊關系圖

(1) 數(shù)據采集?；赪eb和GeoServer的在線數(shù)據插入方式進行，用戶按照自己權限對系統(tǒng)進行遙感數(shù)據、空間數(shù)據、野外采集數(shù)據及統(tǒng)計資料等數(shù)據的上傳和下載。

(2) 數(shù)據瀏覽及管理。通過用戶權限及身份驗證來進行，不同身份用戶具有不同數(shù)據管理權限，當進入數(shù)據管理模塊時，用戶對遙感、GIS和其他屬性數(shù)據進行瀏覽、查詢、編輯、刪除、導出、導入、追加等相應數(shù)據管理的操作。

(3) 統(tǒng)計分析和信息檢索。實現(xiàn)訪問土壤鹽漬化相關RS、GIS和屬性數(shù)據庫，可以進行空間數(shù)據與屬性數(shù)據的查詢。除此之外，用戶可以實現(xiàn)圖示點檢索，用戶通過鼠標點擊窗口內圖元即可瀏覽該圖元的屬性值。系統(tǒng)還提供用戶對各種評價因子的統(tǒng)計分析，主要統(tǒng)計特征包括：平均值，最大值，最小值，標準差，方差，變異系數(shù)，偏度，峰度等。

(4) 空間分析及模型構建。包括用戶鹽漬化成因空間分析和構建風險評估模型等兩大內容。用戶先依據需求進行多源數(shù)據的集成、矢量化，建立基于WebGIS的數(shù)據庫，然后通過鹽漬化評價因子進行相應統(tǒng)計分析，確定鹽漬化風險評估的評價因子。通過采用數(shù)據標準化方法進行空間柵格數(shù)據集的標準化處理。最后計算評價因子風險權重系數(shù)，并生成評價因子灰色關聯(lián)系數(shù)柵格圖層，構建土壤鹽漬化風險空間灰色評估模型。

(5) 鹽漬化風險評估。通過空間數(shù)據直觀具體表示土壤鹽漬化風險的空間分布規(guī)律，并按照不同級別劃分鹽漬化風險等級，展示鹽漬化風險情況的區(qū)域劃分及形成相應的專題地圖。實現(xiàn)該系統(tǒng)的實時顯示、放大、縮小、平移、查詢和輸出等功能。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)以安全性、先進性、簡便性、實用性、合理性及可擴展性原則為導向，從用戶使用能夠遠程快速數(shù)據共享及風險評估的角度，通過集成GeoServer、OpenLayers、ReactJS、Spring、WebGIS等開源軟件框架和技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)主要五大功能模塊：數(shù)據采集模塊、數(shù)據瀏覽及管理模塊、統(tǒng)計分析及信息檢索模塊、空間分析及模型構建模塊和風險評估及區(qū)劃模塊。

首先，為了保證系統(tǒng)的安全性，設置系統(tǒng)用戶登錄功能，系統(tǒng)登錄界面如圖4所示。系統(tǒng)用戶組分為管理員用戶(具有所有權限，包括數(shù)據編輯、修改，系統(tǒng)維護和風險評估等權限)和普通用戶(限權用戶，只具備系統(tǒng)瀏覽、查詢、風險評估等權限)。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

然后，進入系統(tǒng)鹽漬化風險評估區(qū)域選擇界面，按照用戶需求及采集數(shù)據的完整性，用戶選擇研究區(qū)所在省、市、區(qū)或縣，并進入系統(tǒng)主界面(見圖5)。系統(tǒng)實現(xiàn)鼠標經過地圖區(qū)域當前高亮顯示特效，用戶可以方便選擇需要評估區(qū)域。

圖5 鹽漬化風險WebGIS評估系統(tǒng)主界面

干旱區(qū)土壤鹽漬化風險評估系統(tǒng)用戶主界面(見圖5)由6部分組成，分別為標題欄、菜單欄(包括：首頁、數(shù)據采集、數(shù)據管理、統(tǒng)計分析、模型構建、風險評估和系統(tǒng)設置等)、工具欄(包括：放大、縮小、拖動、全屏顯示、導出等)、數(shù)據及圖層管理區(qū)域(圖層名稱、是否顯示等)、數(shù)據顯示窗口區(qū)域、狀態(tài)欄(包括：顯示當前圖層、當前比例尺、光標位置經緯度、光標位置取值和任務完成情況等)。實現(xiàn)窗口風格、菜單及工具欄功能與ArcMap系統(tǒng)類似，力求實現(xiàn)用戶界面友好、操作簡單實用。

(1) 數(shù)據采集模塊。實現(xiàn)對系統(tǒng)進行遙感數(shù)據、空間數(shù)據、野外采集數(shù)據及統(tǒng)計資料等數(shù)據的上傳和下載功能，用戶按照自己權限及需要下載數(shù)據或者按照數(shù)據類型上傳數(shù)據，并直接保存系統(tǒng)服務器，所上傳及插入數(shù)據可以在系統(tǒng)主界面瀏覽、展示。

(2) 數(shù)據瀏覽及管理模塊。包括對數(shù)據進行瀏覽、查詢、編輯、刪除、導出、導入、更新等功能，保證了系統(tǒng)數(shù)據的進一步維護、完善和有效管理，為系統(tǒng)提供可靠數(shù)據源。

(3) 統(tǒng)計分析和信息檢索模塊。為了獲取與分析不同鹽漬化風險評價因子的統(tǒng)計特征，并對評價指標體系的建立提供有利參考。本模塊實現(xiàn)了平常地學統(tǒng)計常用的統(tǒng)計量的計算，同時實現(xiàn)了用戶根據自己權限進行系統(tǒng)數(shù)據訪問、空間和屬性數(shù)據的查詢和圖示點檢索功能。

(4) 空間分析及模型構建模塊?？臻g分析為WebGIS系統(tǒng)的最顯著特征之一。本系統(tǒng)按照鹽漬化風險評估工作需要設計了地理數(shù)據空間內插、數(shù)據標準化、風險權重系數(shù)計算、柵格計算和鹽漬化風險評估模型構建等空間分析和數(shù)據處理等功能，使得用戶按照需求進行多源數(shù)據的集成、柵格圖層的空間疊加、評價因子統(tǒng)計分析、風險權重確定，從而構建土壤鹽漬化風險灰色評估模型。

(5) 鹽漬化風險評估模塊。在構建模型模塊所計算生成的評價因子風險權重系數(shù)和灰色關聯(lián)系數(shù)柵格圖層的基礎上，通過系統(tǒng)鹽漬化風險灰色評估模塊(見圖6(a), (b))，計算并產生研究區(qū)土壤鹽漬化風險的空間分布圖及風險等級區(qū)劃圖(見圖6(c))，實現(xiàn)研究區(qū)土壤鹽漬化風險狀況的實時顯示、放大、縮小、平移、查詢和輸出等功能。

圖6 系統(tǒng)鹽漬化風險灰色評估菜單(a)和窗口(b)，系統(tǒng)鹽漬化風險灰色WebGIS定量評估結果展示(c)

3 結 語

本系統(tǒng)基于OpenGIS規(guī)范，集成開源GeoServer服務器和OpenLayers類庫，將GIS空間分析技術、MySQL數(shù)據庫技術、Web軟件集成開發(fā)技術和數(shù)學灰色評估模型等有機結合，基于本文提出的開源WebGIS系統(tǒng)架構，采用鹽漬化風險灰色評估方法與理論，實現(xiàn)了在互聯(lián)網上快捷發(fā)布、瀏覽、共享、管理、查詢、統(tǒng)計分析、模型構建和鹽漬化風險灰色評估等功能。實現(xiàn)了干旱區(qū)土壤鹽漬化風險有關矢量及柵格數(shù)據的遠程采集，建立了基于WebGIS的矢量、柵格及屬性數(shù)據庫，并利用該系統(tǒng)對研究區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)狀進行了風險WebGIS定量評估。系統(tǒng)具有模塊化、可視化及交互式的特點，用戶界面友好、方便操作并具有可擴展性，能在Windows和Linux等操作系統(tǒng)下穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了一個通用、低成本、高效的WebGIS系統(tǒng)。為干旱區(qū)土壤鹽漬化風險遙感與GIS定量評估的WebGIS系統(tǒng)

奠定了基礎；為研究區(qū)土壤鹽漬化實時、有效治理、土壤資源科學管理提供新的技術手段和參考依據。