基于WebGIS的河南省草地資源信息化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

翟 皓，景德廣，李 黎，王 磊，王 榮，郭 孝，朱偉然，梁亞爽，張國啟

(1.河南省地圖院，河南 鄭州 450003； 2. 河南省飼草飼料站 ，河南 鄭州 450003； 3. 河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，河南 鄭州 450046)

隨著人口的增加和人類社會的發(fā)展，草地生態(tài)價值和經(jīng)濟價值越來越凸顯。草地作為畜牧產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，野生動植物的棲息繁殖場所，是我國的重要戰(zhàn)略資源，也是我國重要的生態(tài)屏障和發(fā)展畜牧業(yè)的基礎(chǔ)[1-2]。黨中央十九大針對草地資源的管理和保護提出了“全面開展公共資源清查”和“推進全民所有自然資源資產(chǎn)清算核算”的統(tǒng)一要求。為了貫徹黨的十九大精神，破解草地資源數(shù)量和質(zhì)量臺賬不清、數(shù)據(jù)不全、無法定性定量評價的瓶頸，2018年河南省成功開展了草地資源清查工作，共對全省1 692個草地樣地進行了清查，全省天然草地面積共52.24萬公頃，可分為暖性灌草叢、熱性灌草叢、低地草甸和山地草甸共4個類，30個型，其中國家級珍稀瀕危保護植物63種，省級保護植物64種[3]。

本次草地清查工作取得了一系列豐碩成果，從數(shù)據(jù)性質(zhì)上分類，可分為體系化、專業(yè)化的各類屬性和統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及空間位置和時間維度數(shù)據(jù)。對三維草地資源數(shù)據(jù)實施有效的組織、管理和利用，實現(xiàn)草地清查工作成果的信息化管理和應(yīng)用，直接關(guān)系到本次草地資源清查工作成果的生態(tài)、社會和經(jīng)濟價值[4]。目前，草地資源信息化建設(shè)存在相當(dāng)數(shù)量的研究，在草地資源保護、管理和利用等方面起到了積極作用，但是研究方向多關(guān)注草地評價模型的局部研究忽視草地各項指標的綜合應(yīng)用，重草地資源數(shù)據(jù)挖掘輕草地及相關(guān)資源監(jiān)測信息有效管理，數(shù)據(jù)依附于平臺缺乏草地資源基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的共享機制。為了加快草地資源的數(shù)字化進程，實現(xiàn)信息共享和互動操作，促進草地生態(tài)信息科學(xué)的發(fā)展，本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(Web Geographic Information System，WebGIS)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與.NET平臺架構(gòu)上的動態(tài)服務(wù)器網(wǎng)頁(Active Server Page.NET，ASP.NET)技術(shù)，進行了河南省草地資源的信息化過程研究，構(gòu)建了河南省草地資源信息管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)技術(shù)分析

1.1 ASP.NET技術(shù)

ASP.NET技術(shù)是Microsoft公司推出的用于Web應(yīng)用開發(fā)的一種編程技術(shù)，它包括：用于靜態(tài)網(wǎng)頁文檔設(shè)計的超文本鏈接標示語言(Hypertext Markup Language，HTML)技術(shù)、為網(wǎng)頁添加各式各樣的動態(tài)功能和交互行為的Javascript網(wǎng)頁腳本技術(shù)和用于獲取服務(wù)器資源、查詢數(shù)據(jù)庫、執(zhí)行數(shù)據(jù)運算、響應(yīng)文件請求的后臺技術(shù)[5]。ASP.NET技術(shù)是系統(tǒng)Web管理應(yīng)用的解決方案，HTML和Javascript技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的前臺界面和功能入口，后臺技術(shù)提供前臺需要的各種數(shù)據(jù)和文件服務(wù)。

1.2 WebGIS技術(shù)

WebGIS是傳統(tǒng)的GIS在Internet上的延伸和發(fā)展，它既具有空間數(shù)據(jù)的檢索、地圖互操作、空間分析、制圖輸出、編輯等GIS功能，也能在Internet上進行地理信息的發(fā)布、共享和交流協(xié)作[6-7]。本次WebGIS開發(fā)實踐采用ArcGIS Web App Builder開源二次開發(fā)框架[8]作為解決方案，區(qū)別于傳統(tǒng)的WebGIS應(yīng)用開發(fā)解決方案具有以下優(yōu)勢：集成了基礎(chǔ)的地圖操作和數(shù)據(jù)訪問接口，采用組件式開發(fā)架構(gòu)模塊間相對獨立，擁有可配置化架構(gòu)數(shù)據(jù)與功能分離，系統(tǒng)的開發(fā)和維護難度較低，支持靈活的功能擴展和專項定制。方案中以ArcGIS JavaScript API技術(shù)實現(xiàn)瀏覽端地圖和空間數(shù)據(jù)相關(guān)操作的用戶界面和入口，以ArcGIS Server地圖服務(wù)器管理和發(fā)布后臺地圖服務(wù)并提供空間數(shù)據(jù)查詢、量測和分析等服務(wù)，滿足瀏覽端的訪問和調(diào)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)組織

該系統(tǒng)旨在建立一個集草地信息管理、應(yīng)用和基礎(chǔ)地理信息服務(wù)于一體的系統(tǒng)[9]?；谠撓到y(tǒng)，決策部門可以把握河南省草地資源的空間和數(shù)量分布特征，也可以查看區(qū)域內(nèi)草地資源的各類指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)和系列專題圖件；數(shù)據(jù)管理技術(shù)人員可以查閱和管理草地資源清查外業(yè)工作的文件和成果，也可以采用空間和屬性兩種方式對感興趣的草地圖斑進行篩選、統(tǒng)計和分析。

2.1 平臺總體框架設(shè)計

在河南省草地資源信息管理系統(tǒng)的設(shè)計過程中，采用了多層體系架構(gòu)模式(見圖1)，采用組件技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)模塊的可復(fù)用性，實現(xiàn)平臺的靈活性、開放性和可擴展性[10]。

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、平臺應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)要求，河南省草地資源管理系統(tǒng)整體采用4層B/S(Browser/Server，瀏覽器和服務(wù)器)架構(gòu)，分為客戶層、業(yè)務(wù)邏輯層、服務(wù)器層和數(shù)據(jù)層[11]。共享用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送不同的信息服務(wù)請求，服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層接收請求并驅(qū)動應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)層開始進行計算和分析操作，處理完畢后網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層返回請求結(jié)果，客戶終端最終獲取服務(wù)內(nèi)容。

2.2 平臺功能設(shè)計

平臺功能設(shè)計的主要原則是為草地資源的信息化和數(shù)字化提供技術(shù)支持，為草地資源利用、保護等宏觀決策提供可靠依據(jù)[12]。系統(tǒng)設(shè)計的功能模塊有：登陸管理、草地資源清查匯總、指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示、外業(yè)調(diào)查記錄管理、圖件展示、草地一張圖以及報告匯編(見圖2)。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織與建庫

草地資源數(shù)據(jù)的共享和管理是草地清查工作一項核心內(nèi)容，系統(tǒng)融合地理數(shù)據(jù)庫(GeoDatabase)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(Relational Database Management System，RDBMS)和超文本傳輸協(xié)議文件系統(tǒng)(HyperText Transfer Protocol File System，HTTP File System)建立集空間、屬性和文件數(shù)據(jù)管理為一體的草地資源數(shù)據(jù)庫[13]。數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)類型的選取、數(shù)據(jù)實時性和精確性的保證以及科學(xué)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)組織方式則是搭建數(shù)據(jù)庫前提。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計圖

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計圖

2.3.1數(shù)據(jù)組織與空間數(shù)據(jù)分層 共享平臺所包含的數(shù)據(jù)種類復(fù)雜多樣，從數(shù)據(jù)來源看，有草地資源空間及屬性數(shù)據(jù)、外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)、草地資源圖集圖件成果、草地專題地圖數(shù)據(jù)、草地指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、文本資料以及普通的網(wǎng)頁及注冊用戶數(shù)據(jù)[14]。其中，外業(yè)調(diào)查以清查工作底圖為依據(jù)，通過外業(yè)調(diào)繪、儀器檢驗和入戶訪問等手段，獲取草地的位置、類、型、權(quán)屬、土壤質(zhì)地、植物記名、生物量、退化程度、牲畜存欄量等等屬性，是草地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源。下面重點介紹指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的組織與分層方式。

(1)指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)的組織

指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于草地資源清查內(nèi)外業(yè)工作中的匯總、統(tǒng)計和計算，內(nèi)業(yè)以遙感解譯、查閱相關(guān)資料和分析數(shù)據(jù)為主，外業(yè)以實地踏勘和入戶調(diào)查為主。草地指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括草地資源狀況、生態(tài)狀況、利用現(xiàn)況3類。

A. 資源狀況方面主要包括草地資源類型、權(quán)屬、平均產(chǎn)草量、載畜量、質(zhì)量分級；

草地資源類型：包括4個草地類(暖性灌草叢類、熱性灌草叢類、低地草甸類、山地草甸類)，30個草地型[15]對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

權(quán)屬：包括國有草地、集體草地兩個分類對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

平均產(chǎn)草量：是單位草地面積的地上生物量(單位kg·hm-2)，以今年夏季草場清查時的產(chǎn)量為準。

載畜量：是指放牧期內(nèi)單位面積草場所能放牧牲畜的頭數(shù)，并將數(shù)量結(jié)果折算為羊單位[16]。

質(zhì)量分級：根據(jù)草地植被的飼用價值結(jié)合草地的自然條件，河南省天然草地劃分為5等。根據(jù)飼草產(chǎn)量的高低，河南省天然草地劃分為8級。質(zhì)量分級是在草地等和草地級評定的基礎(chǔ)上，對草地等和草地級進行疊加組合，綜合評定指標歸并為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)中產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)低產(chǎn)、中質(zhì)高產(chǎn)、中質(zhì)中產(chǎn)、中質(zhì)低產(chǎn)、劣質(zhì)高產(chǎn)、劣質(zhì)中產(chǎn)共9類[17]，統(tǒng)計數(shù)據(jù)即為9類對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

B. 生態(tài)狀況方面包括草地植被蓋度、草地退化程度；

草地植被蓋度：指某一區(qū)域各主要草地類型的植被蓋度與其所占面積比重的加權(quán)平均值(單位%)。

草地退化程度：從植物群落特征、指示植物、地上部產(chǎn)草量、土壤養(yǎng)分、地標特征、土地理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分等方面檢測，對草地退化程度分級，分為未退化、輕度退化、中度退化、重度退化4個等級[18]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)即4類對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

C.利用現(xiàn)狀方面包括利用方式、承包情況、超載率、保護區(qū)情況、功能區(qū)分類；

利用方式：包括全年放牧、冷季放牧、暖季放牧、春秋放牧、打草場、禁牧對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

承包情況：包括國有承包、國有未承包、集體承包和集體未承包對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

超載率：利用區(qū)域內(nèi)放牧草地和割草地的合理承載量之和與草地現(xiàn)存飼養(yǎng)量比較，計算草地區(qū)域的超載率P[16]，結(jié)果劃分為3類：P≤10%，10%

保護區(qū)情況：疊加保護區(qū)范圍，判斷草地是否位于生態(tài)紅線、各類保護區(qū)內(nèi)，包括自然文化保護區(qū)和濕地保護區(qū)等，統(tǒng)計數(shù)據(jù)即各類保護區(qū)域范圍內(nèi)對應(yīng)的草地面積(單位hm2)。

功能區(qū)分類：疊加功能區(qū)范圍，判斷草地是否位于重點開發(fā)區(qū)域、一類限制開發(fā)區(qū)域、二類限制開發(fā)區(qū)域、禁止開發(fā)區(qū)域內(nèi)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)即4類功能區(qū)域范圍內(nèi)對應(yīng)的草地面積。

(2)地圖數(shù)據(jù)的組織與分層

空間數(shù)據(jù)是草地資源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主體，按照不同的用戶需求，可分為地理底圖數(shù)據(jù)、草地基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)[19-20]。地理底圖數(shù)據(jù)包括河南省市、縣兩級行政區(qū)劃和河南省DOM影像；草地基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為圖屬一體的草地資源空間數(shù)據(jù)；專題地圖數(shù)據(jù)包括草地類型數(shù)據(jù)、利用狀況數(shù)據(jù)、質(zhì)量分級數(shù)據(jù)、植被蓋度數(shù)據(jù)、草地退化數(shù)據(jù)和承包數(shù)據(jù)等。上述數(shù)據(jù)經(jīng)屬性上圖、符號化處理服務(wù)發(fā)布后形成圖層，圖層組織順序如圖3所示。

2.3.2數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)設(shè)計 數(shù)據(jù)庫采用面向?qū)ο蟮姆椒ê徒y(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)[21]進行統(tǒng)一設(shè)計，對河南省草地清查工作形成的系列成果數(shù)據(jù)依次執(zhí)行入庫檢查、對象化處理、數(shù)據(jù)入庫、關(guān)聯(lián)關(guān)系建立等過程后，將各種數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一在草地資源清查數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)一體化無縫化建庫。河南省草地資源清查數(shù)據(jù)庫技術(shù)架構(gòu)如圖4所示：

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用

河南省草地資源信息管理系統(tǒng)采用ASP.NET、HTML、XML、C#等編程語言，以Microsoft Visual Studio 2013作為開發(fā)平臺，網(wǎng)絡(luò)地理信息及地圖服務(wù)采用ESRI公司的WebGIS解決方案[22]，依據(jù)既定的總體架構(gòu)和功能設(shè)計，在草業(yè)數(shù)據(jù)組織和建庫、地圖可視化、指標統(tǒng)計和分析、GIS服務(wù)和應(yīng)用，圖件和文檔管理5大草業(yè)信息化領(lǐng)域下，進行了開發(fā)實現(xiàn)。整個系統(tǒng)運行在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)布設(shè)在河南省草地管理部門的服務(wù)器上，用戶通過內(nèi)部局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)訪問系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)。

圖3 草地空間數(shù)據(jù)組織與分層

圖4 草地資源數(shù)據(jù)庫技術(shù)架構(gòu)

3.1 草地資源清查匯總

草地資源清查匯總是對河南省草地資源分布的宏觀展示。利用電子地圖呈現(xiàn)河南省草地資源的空間分布特征，利用統(tǒng)計圖表呈現(xiàn)河南省草地資源屬性統(tǒng)計特征，通過二者的有機結(jié)合、相互補充可使用戶快速把握河南省草地資源的總體情況。界面中展示的數(shù)據(jù)都可以選擇性的開關(guān)，用戶通過左上角按鈕可以控制不同草地專題地圖、統(tǒng)計圖表的加載和卸載(見圖5)。

3.2 指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示

功能模塊展示了河南省、市、縣三級草地資源在資源狀況、生態(tài)狀況、利用現(xiàn)況的三個類別下的指標統(tǒng)計特征，可輔助地方草業(yè)部門制定因時、因地制宜、分類指導(dǎo)的草地管理決策。系統(tǒng)支持指標數(shù)據(jù)動態(tài)更新，后臺可接入批次草地清查數(shù)據(jù)。前臺界面提供兩個下拉列表供用戶選擇評價指標類型和行政區(qū)范圍，左邊餅狀圖與右側(cè)柱狀圖聯(lián)動。切換評價指標類型，左側(cè)餅狀圖展示行政區(qū)內(nèi)某一指標的不同評價結(jié)果占比；點擊餅狀圖扇面，以柱狀圖說明該扇面對應(yīng)的評價結(jié)果在行政區(qū)轄區(qū)內(nèi)分布(見圖6)。

圖5 草地資源清查匯總界面

圖6 指標統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示界面

3.3 外業(yè)調(diào)查記錄管理

外業(yè)調(diào)查記錄是本次草地資源清查工作的核心成果，系統(tǒng)借助信息化技術(shù)重構(gòu)了調(diào)查成果間的邏輯組織關(guān)系，為草業(yè)部門清查成果的管理、追溯清查工作的完整性和可靠性提供了一個高效、易用的工具。系統(tǒng)以條目和分頁的形式管理了天然草地樣地調(diào)查表、中小草本及小半灌木樣方調(diào)查表、灌木及高大草本樣方調(diào)查表、非草地樣地調(diào)查表、訪問調(diào)查表、樣地景觀照片和樣方俯視照片等外業(yè)原始記錄。用戶可通過切換調(diào)查類別、行政區(qū)劃以及任意字段的模糊關(guān)鍵字對記錄進行篩選，同時也可對記錄執(zhí)行詳情查看、下載等操作(見圖7)。

圖7 外業(yè)調(diào)查記錄界面

3.4 圖件展示

系統(tǒng)將紙質(zhì)的草地專題圖件掃描數(shù)字化，以行政區(qū)為單位管理，并輔以文字和圖表進行定性、定量的說明，直觀展示了河南省草地資源核心的自然和社會經(jīng)濟要素，滿足草業(yè)部門對圖件的管理和應(yīng)用需求。系統(tǒng)中某行政區(qū)下的圖件以縮略圖形成列表，點擊縮略圖即可對圖件進行詳情查看和下載(見圖8)。

圖8 圖件展示界面

3.5 草地一張圖

草地“一張圖”是系統(tǒng)的核心GIS模塊，它將草地資源空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)全部落地化，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和坐標基準形成草業(yè)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)，并提供一系列分析工具，支撐草業(yè)信息化建設(shè)和規(guī)劃應(yīng)用。界面左下角為樹狀地圖資源目錄管理，用戶可對圖層實現(xiàn)加載、卸載、透明度調(diào)解和圖例顯示等功能。界面上部提供功能菜單，可實現(xiàn)草地圖斑、草地樣地空間和屬性的雙向查詢、專題數(shù)據(jù)同步對比、感興趣區(qū)標注和測量，另外還提供了草地資源數(shù)據(jù)發(fā)掘工具，供用戶對高品質(zhì)草地所處空間位置、坡向、坡位、土壤特征、地表特征及其氣候特征進行統(tǒng)計和分析，進而指導(dǎo)牧草種植和畜牧業(yè)發(fā)展(見圖9)。

圖9 草地一張圖界面

3.6 報告匯編

系統(tǒng)以條目和分頁形式管理草地清查工作的技術(shù)標準和規(guī)范、技術(shù)設(shè)計、實施方案、書面成果、技術(shù)總結(jié)和驗收報告等文檔和資料。文件條目支持模糊查詢、在線查看和下載等操作。

4 結(jié)語

基于Internet平臺的WebGIS技術(shù)將地理對象的位置和相關(guān)屬性有機結(jié)合起來，根據(jù)實際需要準確真實、圖文并茂地輸送給用戶，是解決自然資源清查成果共享和應(yīng)用問題的關(guān)鍵技術(shù)。本文以河南草地資源信息管理系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的介紹了草地資源信息管理系統(tǒng)的技術(shù)體系、總體框架、系統(tǒng)功能以及數(shù)據(jù)組織和建庫的設(shè)計和實現(xiàn)。由于WebGIS技術(shù)限制以及系統(tǒng)側(cè)重于清查成果的共享和應(yīng)用，未提供針對清查成果在線編輯功能，未來隨著WebGIS服務(wù)自然資源的深入，這方面功能和技術(shù)將會得到完善。系統(tǒng)建成后，以網(wǎng)頁技術(shù)、信息化管理、GIS分析、空間定位管理、影像場景等直觀表達方式，將為河南省草地資源保護、牧草種植和畜牧業(yè)發(fā)展提供多層次、全方位的分析與研究手段，為畜牧局進行重大項目的論證和重要問題的決策分析提供有效的技術(shù)支撐，將取得很好的社會和經(jīng)濟效益。