基于GIS的河北省草地信息管理平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

王曉棟，解 瑋，宛 濤，畢力格吉夫，張那仁， 楊勝利，常書娟，胡 濤，圖力古爾，薩仁格日樂(lè)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)草原勘察規(guī)劃院，呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)，呼和浩特 010070；4.內(nèi)蒙古興安盟科右中旗吐列毛杜鎮(zhèn)水利站 029423)

草地資源是一種可更新資源，是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物資基礎(chǔ)。近年來(lái)，由于干旱、風(fēng)蝕、水蝕、火燒、地震、泥石流等天然因素和草地開墾、過(guò)度放牧、濫砍濫挖、污水排放等人為因素的影響,草地受到不同程度的干擾，草地資源分布的空間格局發(fā)生了較大變化[1～2]，因此準(zhǔn)確、翔實(shí)地掌握草地資源狀況是當(dāng)今草地資源研究的首要任務(wù)。河北省地處溫帶歐亞草原與森林過(guò)渡地帶，草地分布廣、面積較大，壩上有廣闊的草原，北部燕山山脈、西部太行山山脈及廣大山區(qū)有草山草坡，渤海灣一帶濱海有草灘，平原區(qū)有人工草地等[3]，草地植物資源豐富。河北省曾于1979～1984年對(duì)全省草地資源進(jìn)行過(guò)全面調(diào)查，天然草地共有7個(gè)草地類型，總面積4.71×106hm2,占全省總面積的25.12%，其中80.3%的草地分布在北部的承德、張家口和保定三市，是壩上地區(qū)、冀北、冀西北山地以及太行山區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)的基地[4]。經(jīng)過(guò)30多年時(shí)間，河北省草地生長(zhǎng)狀況發(fā)生了一定的變化，為掌握全省草地資源現(xiàn)狀，2017～2018年河北省開展了全省草地自然資源的清查工作，期間形成了海量的信息資料。針對(duì)繁多的草原資源信息(包括資源實(shí)體的空間位置及拓?fù)潢P(guān)系的圖形信息和描述源屬性的數(shù)字、文字信息)，搭建一套覆蓋全省的草原信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)草地資源信息快速輸入、存儲(chǔ)、處理、查詢、提取等功能，有助于及時(shí)可靠地為草原保護(hù)與建設(shè)、災(zāi)害預(yù)警、生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等提供高精度的草地資源面積、類型及生產(chǎn)力狀況的本底數(shù)據(jù)[5]。

1 草地信息管理平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

基于GIS技術(shù)，建立草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)。運(yùn)用該平臺(tái)快速查詢河北省草原資源分布、面積及草原質(zhì)量分級(jí)等資源狀況；草原“三化”(退化、沙化、鹽漬化)分布、面積及草原植被覆蓋度等生態(tài)狀況；草原生產(chǎn)力情況及草原承載力等利用狀況。規(guī)范草地資源資產(chǎn)數(shù)據(jù)管理機(jī)制，達(dá)到簡(jiǎn)化草地資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流程、提高處理草地資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)工作效率的目的。實(shí)現(xiàn)草原資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，牧區(qū)“人、草、畜”信息的統(tǒng)一管理，及時(shí)掌握草原本底數(shù)據(jù)的變動(dòng)情況，達(dá)到草地資源信息快速輸入、存儲(chǔ)、處理、查詢、提取等功能，更準(zhǔn)確、更方便、更及時(shí)地為相關(guān)部門提供草地資源綜合分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理規(guī)劃等服務(wù)。

2 草地信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)是以Visual studio 2010為開發(fā)工具，在Microsoft. NET Framework 4.0框架下,使用C#編程語(yǔ)言，基于ArcGIS Desktop 10.1軟件,按組件模塊化設(shè)計(jì)和開發(fā)的應(yīng)用程序。具有開放的體系結(jié)構(gòu)，功能和數(shù)據(jù)具有良好的可擴(kuò)展性，以文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)(GDB)方式建立、維護(hù)和管理空間屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無(wú)縫連接。

3 草地信息管理平臺(tái)構(gòu)建

從邏輯結(jié)構(gòu)層面上，草地自然資源信息管理平臺(tái)可以劃分為基礎(chǔ)層、技術(shù)層、數(shù)據(jù)層和用戶層4個(gè)部分，詳見(jiàn)圖1。

圖1 河北省草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層是為系統(tǒng)開發(fā)提供硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)支撐。因?yàn)樯婕暗酱髷?shù)據(jù)的運(yùn)算和圖形顯示，所以對(duì)計(jì)算機(jī)的CPU、顯卡等的要求都比較高。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境包括Microsoft. NET Framework 4.0、ArcGIS Desktop 10.1、Microsoft Office辦公軟件需要能夠正常運(yùn)行。

3.2 技術(shù)層

技術(shù)層是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，為平臺(tái)的實(shí)施提供技術(shù)保障。本項(xiàng)目的架構(gòu)和開發(fā)，采用當(dāng)前主流的開發(fā)技術(shù)，主要包括GIS開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及組件開發(fā)技術(shù)，這些技術(shù)成熟穩(wěn)定，為系統(tǒng)的順利實(shí)施打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)層

該層是為系統(tǒng)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)都按年份分別存儲(chǔ)在文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)(GDB)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集里。

3.4 用戶層

該層是為實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的操作。用戶有管理員、系統(tǒng)用戶和普通用戶之分，不同的用戶擁有不同的使用權(quán)限。

4 草地信息管理平臺(tái)主要關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是現(xiàn)代信息科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與信息管理系統(tǒng)的核心。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)研究和解決了計(jì)算機(jī)信息處理過(guò)程中大量數(shù)據(jù)有效地組織和存儲(chǔ)的問(wèn)題，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、保障數(shù)據(jù)安全以及高效地檢索數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)采用的是文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)(GDB)，該數(shù)據(jù)庫(kù)是針對(duì)屬性圖這種結(jié)構(gòu)的獨(dú)有特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的一種數(shù)據(jù)庫(kù),非常適合高度互連數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)和查詢。

4.2 “3S”技術(shù)

該技術(shù)是遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括空間信息獲取、傳感器和信息探測(cè)、圖形圖像處理、空間定位、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、信息管理與存儲(chǔ)、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)與決策分析等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種空間信息和資源信息的快速、準(zhǔn)確、可靠的收集、處理、更新、分析與應(yīng)用。

4.3 數(shù)據(jù)間無(wú)縫關(guān)聯(lián)

草地資源資產(chǎn)成果數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，分別以數(shù)據(jù)表形式和圖層形式集成到地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)在空間數(shù)據(jù)表和屬性數(shù)據(jù)表中建立一個(gè)相關(guān)聯(lián)的對(duì)象標(biāo)識(shí)識(shí)別碼，來(lái)判斷空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。這有利于管理人員根據(jù)不同的應(yīng)用需求，快速、準(zhǔn)確地存儲(chǔ)、查詢和分析草地資源空間特征及其屬性。

5 草地信息管理平臺(tái)主要功能與應(yīng)用

草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)的工作程序是先采集草地資源信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后實(shí)現(xiàn)專題瀏覽、屬性查詢、空間位置查詢、專題制圖等功能。平臺(tái)共4個(gè)模塊，分別是管理模塊、地圖模塊、制圖模塊和系統(tǒng)模塊。信息管理平臺(tái)登陸界面見(jiàn)圖2。

圖2 河北省草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)登陸界面

5.1 管理模塊

該模塊是對(duì)工程文件、矢量數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)集以及六項(xiàng)調(diào)查表進(jìn)行管理。管理和錄入草地資源調(diào)查的歷史數(shù)據(jù)與地面調(diào)查數(shù)據(jù)，包括文本、表格、圖片屬性與數(shù)字化圖件等。矢量數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集支持多種類型的遙感和非遙感的數(shù)據(jù)源，包含SHP、TIFF、HDF以及JPEG格式等數(shù)據(jù)。將不同格式的數(shù)據(jù)輸入平臺(tái)后，再利用空間數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行地理化編碼，從而形成一系列的數(shù)據(jù)組合。這次對(duì)河北省開展的全省草地自然資源清查，矢量數(shù)據(jù)集是按年份創(chuàng)建的包含草普數(shù)據(jù)圖層、行政區(qū)數(shù)據(jù)圖層、樣地?cái)?shù)據(jù)圖層、人工草地?cái)?shù)據(jù)圖層的集合；柵格數(shù)據(jù)集是按年份創(chuàng)建的包含遙感影像和草原生物量的集合；六項(xiàng)調(diào)查表包含野外拍照、采集植物標(biāo)本記錄卡、樣地基本特征調(diào)查表、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、植物記名(頻度)調(diào)查表以及路線觀察樣地調(diào)查表。平臺(tái)可以快速添加或刪除指定年份數(shù)據(jù)集。信息管理平臺(tái)管理模塊界面見(jiàn)圖3。

5.2 地圖模塊

該模塊是瀏覽查詢、編輯矢量數(shù)據(jù)以及專題圖顯示的功能總集。地圖模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量圖放大、縮小、平移,長(zhǎng)度或面積測(cè)算以及屬性和空間位置的查詢,也可以對(duì)矢量圖進(jìn)行增、刪、改及屬性的修改等圖形編輯；平臺(tái)依據(jù)矢量數(shù)據(jù)的字段屬性預(yù)設(shè)了專題圖模板，用戶根據(jù)年份、行政區(qū)名稱和數(shù)據(jù)類型加載對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，再按照對(duì)應(yīng)專題圖模板專題顯示如草原類、草原型、草原屬性和退化等情況。信息管理平臺(tái)地圖模塊界面見(jiàn)圖4。

圖4 河北省草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)地圖模塊

5.3 制圖模塊

該模塊是專為專題圖制圖而設(shè)的，主要包括草場(chǎng)地塊圖、人工種草圖、草原類(型)圖、草原生物量圖和草原退化圖。系統(tǒng)也預(yù)設(shè)了制圖模板，但用戶可以根據(jù)需要對(duì)圖框、標(biāo)題、指北針、比例尺、經(jīng)緯網(wǎng)、圖例等進(jìn)行編輯修改。輸出格式可jpg、bmp、tif任選，出圖分辨率及圖紙大小也可以自行設(shè)置。信息管理平臺(tái)制圖模塊界面見(jiàn)圖5。

圖5 河北省草地資源資產(chǎn)信息管理平臺(tái)制圖模塊

5.4 系統(tǒng)模塊

該模塊主要是對(duì)系統(tǒng)登錄用戶進(jìn)行管理，包括用戶列表、添加用戶、修改用戶、刪除用戶等功能。信息管理平臺(tái)系統(tǒng)模塊界面見(jiàn)圖6。

6 草地信息管理平臺(tái)優(yōu)勢(shì)及不足

該平臺(tái)是河北省針對(duì)草原資源管理開發(fā)的首套管理系統(tǒng)，在傳統(tǒng)地理信息平臺(tái)所具備的功能之外，支持多源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。多源空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字化地圖中所包含的各類信息；屬性數(shù)據(jù)包括描述草地屬性、類型、面積，草地等級(jí)，草地退化、沙化、鹽漬化情況，草地生物量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的時(shí)序性和時(shí)空多尺度特征，利用空間數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)進(jìn)行地理化編碼，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、圖形的檢索、追加、編輯更新以及輸入輸出，可根據(jù)用戶的需求按照行政區(qū)劃劃分調(diào)取，也可打破行政區(qū)劃按照功能類型劃分使用，能隨時(shí)隨地快速精準(zhǔn)的了解到某個(gè)地區(qū)的綜合草地資源信息，更準(zhǔn)確、更方便、更及時(shí)的為相關(guān)部門提供草地資源綜合分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和管理規(guī)劃等服務(wù)。研發(fā)的草地資源信息管理平臺(tái)，在草地資源監(jiān)測(cè)方面已為河北省草地部門管理和更新草地空間信息等提供了方便快捷的服務(wù)。但該系統(tǒng)暫處于單機(jī)管理平臺(tái)，未形成網(wǎng)絡(luò)共享。針對(duì)多部門上下級(jí)對(duì)草地信息共享及時(shí)更新與快速查詢等迫切需求，盡快開發(fā)出基于ORACLE或SQLSREVER數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)已成為下一步工作的重點(diǎn)，以便惠及更多的用戶，同時(shí)為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和政府提供一個(gè)全新、方便、及時(shí)和靈活的草地資源信息共享平臺(tái)。