河南省水土保持三維可視化管理信息系統的研發

程瑞芳

(河南省水土保持監督監測總站，河南 鄭州 450008)

河南省水土保持三維可視化管理信息系統的研發

程瑞芳

(河南省水土保持監督監測總站，河南 鄭州 450008)

水土保持；三維可視化；GIS；SQL Server；管理信息系統；河南省

基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次開發模式，存儲集成全省多次水土流失遙感普查和基礎影像數據，開發河南省水土保持三維可視化管理信息系統。該系統能實現野外調查圖像與數據庫建立的三維可視化、交互顯示效果，是具有輸入、查詢、檢索、對比分析和輸出等多功能的綜合管理信息平臺。河南省水土保持三維可視化管理信息系統基本實現了水土保持管理信息化，為水土保持工作決策、規劃、治理提供了科學的依據。

受人口密度大、人為干擾強烈等多種因素影響，河南省水土流失嚴重，水土流失面積6.06萬 km2，占全省土地總面積的36.3%[1-2]。與水土流失嚴重的狀況不相適應的是，河南省水土保持工作信息化管理水平較低，各項數據統計還在沿用傳統方法，對水土流失綜合治理狀況、水土保持效益等的評價仍停留在定性而難以定量的水平上。因此，開展河南省水土保持管理信息系統構建與研發，已成為十分重要和迫切的工作任務。

地理信息系統(GIS)由計算機系統、地理數據和用戶組成，通過對地理數據的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息[3]。在水土保持領域，GIS主要用于水土保持基礎數據庫建設、水土保持調查監測數據管理、水土流失評價模型開發和水土保持規劃設計等方面[4]。現有的流域水土保持信息系統大多以ArcObjects為開發平臺，如基于Visual Basic 6.0與ArcObjects構建的濟源市水土保持決策支持系統[5]、基于GIS和RS建立的淮河流域水土保持信息管理系統[6]。這些系統只構建了特定小區域的信息管理平臺，數據庫的數據量并不大，且部分系統只是實現了數據的查詢、分析等簡單功能。為了解決上述問題，研發組設計開發了河南省水土保持三維可視化管理信息系統。該系統基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次開發模式，既可以充分利用GIS軟件對空間數據的管理、顯示、分析功能，又可以利用C#.NET可視化開發語言的高效和方便編程的優點，提高了系統的開發效率。該系統主要包括全國第一次水利普查河南省水蝕野外調查單元信息管理系統、全國第一次水利普查河南省侵蝕溝道信息管理系統、河南省土壤侵蝕動態監測信息系統、河南省水土保持技術檔案信息管理系統、河南省水土保持信息發布系統，為河南省水土保持研究提供了較為完整的三維可視化數據管理信息平臺。

1 軟件開發環境

C#語言是針對.NET平臺的第一語言，與多數GIS Engine都有很好的兼容性，可實現一系列組件的無縫高效有機組合[7]。組件式GIS是GIS技術發展的一個全新階段，在地理信息系統應用軟件的開發中，采用組件式的二次開發已是必然的趨勢[8]。利用GIS軟件，在實現GIS功能的同時，以通用可視化軟件開發工具進行C#.NET和SQL Server的集成、二次開發。因為獨立開發難度較大，而單純二次開發又受GIS工具的限制，效果不盡如人意，所以本系統開發基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次開發模式。

2 數據來源與準備

以地理信息系統軟件、遙感處理軟件為平臺，應用多次水土保持遙感普查和基礎影像數據，供河南省水土保持三維可視化管理信息系統使用。河南省開展水土保持遙感普查工作10多年來，積累了大量普查成果數據和基礎資料，主要有4類：空間及屬性信息，如Coverage和Shape格式的水土流失現狀圖；表格信息，以表格形式記錄的地塊和流域觀測數據；文檔信息，如各類技術報告和文件等；圖像或視頻信息，如水土流失治理圖片、多媒體文檔等。

在系統實現中，為了方便數據的統一管理和應用，采用統一的數據坐標投影格式，即將非通用坐標系Coverage格式轉換成WGS84通用坐標系Shape格式。針對水土保持普查中3個時期(1995、2000、2010年)的信息數據資料，按照行政區劃，將省內1995、2000年的水土保持遙感普查成果以縣為單位，按照四大流域、397條小流域切分處理；2010年全國第一次水利普查成果以1 002個水蝕野外調查單元和黃河流域河南省境內20個縣的侵蝕溝道兩個體系進行分類，供程序分級導航查詢。

3 系統數據庫構建

將不同年代的水土保持多源空間數據通過空間數據引擎(SDE)存儲在SQL Server數據庫中。SDE融于關系數據庫管理系統(RDBMS)后，在用戶和異種空間數據庫的數據之間提供了一個對空間和非空間數據進行高效率操作的開放數據接口，使系統GIS功能應用與后臺數據訪問實現分離，從而降低了系統的復雜度，同時保證了海量和多源數據的無縫可用性。技術人員統一采用Geodatabase數據模型，以便在任意應用中嵌入查詢和分析這些數據的功能。系統空間數據庫結構如圖1所示。

4 河南省水土保持三維可視化管理信息系統

4.1 河南省水蝕野外調查單元信息管理系統

河南省水蝕野外單元調查是全國水利普查水土保持專項普查的重要內容之一，該子系統綜合應用野外分層抽樣調查、遙感解譯、統計報送等多種技術手段，全面查清土壤侵蝕現狀，掌握土壤侵蝕的分布、面積和強度。

4.1.1 空間數據庫的建立

全省水蝕野外調查單元共計1 002個，野外調查人員借助GPS定位儀進入所調查單元的區域。拍攝照片后，針對不同的地塊選擇有代表性的點，利用GPS測量各點的經緯度，并將其標注在野外調查工作底圖上，依次勾繪出地塊邊界。在水蝕野外調查表上填寫該地塊信息，并將拍攝的各個地塊的景觀照片按不同方向標注在底圖上。將野外調查表信息錄入計算機，把拍攝的景觀照片存儲到計算機，按照底圖上的編號一一對應。掃描野外調查工作底圖，以jpg格式存儲。數字化掃描圖，將數據轉換為WGS1984坐標UTM投影，以線性shp文件存儲。建立18個字段屬性數據庫，每個字段根據其填寫內容分別為文本型和浮點型。

4.1.2 系統功能

(1)空間數據存儲。采用SQL Server2008 R2關系型數據庫存儲矢量數據，通過GIS Map的格式轉化接口，將現有的shp文件以gdb數據作為媒介建立空間數據庫。利用空間數據引擎提供的api，將數據檢索、分析等功能集成到應用工具中，實現前端應用的存儲、查詢、分發服務等功能。

(2)三維可視化瀏覽查詢。通過空間數據請求獲取目標土壤調查單元數據，通過GIS for .NET SDK提供的接口，獲取空間數據庫中存儲的相應數據，并通過專題圖渲染技術區分單元數據描述類型，利用圖層疊加的方式以不同顏色渲染不同類型地塊區域，使該功能有效地結合C#語言的Rendereer接口對象進行自定義顏色劃分。

(3)多媒體數據存儲。該子系統是整個系統應用內容最多的一個，除其他子系統的圖形瀏覽、數據提取、緩沖區分析等功能外，還增添了多媒體數據處理功能。利用SQL Sevrer的二進制文件存儲技術，將收集到的上萬幅野外調查的JPG格式圖片保存于屬性數據庫中。

4.2 河南省侵蝕溝道信息管理系統

全面清查侵蝕溝道的數量、特征和分布狀況，建立河南省侵蝕溝道空間數據庫，不僅為全面掌握土壤侵蝕動態變化情況提供基礎數據，而且可為水土保持生態建設決策提供技術保障。

4.2.1 空間數據庫的建立

(1)侵蝕溝道提取。根據丘陵溝壑區及高塬溝壑區侵蝕溝道的分布情況，采用兩種侵蝕溝道遙感解譯方法，即自動提取和手工提取。在丘陵溝壑區，以系統自動提取為主。自動提取溝道范圍設定長度>500 m、匯水面積≤5 km2，自動提取侵蝕溝道及分水嶺，參照遙感影像對自動提取的侵蝕溝道進行核查和調整。在高塬溝壑區，由于地形地勢比較復雜，數據精度達不到所需要求，自動提取的效果不佳，因此采用人機交互的方法提取。技術人員參照遙感影像，對長度>500m、匯水面積≤5 km2的侵蝕溝道和溝沿進行勾繪，并參考自動提取數據進行適當調整。

(2)侵蝕溝道特征指標提取。根據遙感影像紋理結構、色調、形狀，利用GIS軟件勾繪侵蝕溝道，從溝口沿溝底向溝頭劃線，采用拓撲分析自動獲得溝道長度；以侵蝕溝道線為軸線，沿分水嶺或溝沿線進行勾繪，連續劃線成為侵蝕溝形狀的閉合線，經拓撲分析自動獲得溝道面積；在GPS環境下，導入DEM和遙感影像，軟件自動讀取侵蝕溝道溝頭、河溝口高程，二者之差與溝道長度之比即為溝道縱比。

4.2.2 系統功能

(1)空間數據存儲。侵蝕溝道數據包括溝道數據和侵蝕溝道控制面積數據兩部分，為方便綜合信息管理，將兩部分數據分別存儲，以圖層疊加方式控制顯示。

(2)三維可視化功能。通過GIS for .NET SDK提供的接口，獲取空間數據庫中存儲的空間數據，并通過專題圖渲染技術區分單元數據描述類型，利用圖層疊加的方式以不同顏色渲染不同類型地塊區域，使展示效果更準確、更通用。

(3)空間檢索。利用GIS的IEnumLayer技術，通過三維可視平臺獲取目標點位置的圖層列表信息，默認選取最上層圖層數據，顯示選中圖層的相關信息。

4.3 河南省土壤侵蝕動態監測信息系統

利用現有數據信息，研究建立土壤侵蝕動態監測信息系統，對掌握水土流失動態變化情況、科學評價水土保持效益和生態服務價值、推進水土資源合理配置和高效利用具有重要的現實意義。

(1)空間數據存儲。該子系統空間數據庫是基于SQL Server 的多源空間數據庫，為保證海量、無縫數據的可用性，統一采用Geodatabase數據類型，即入庫前將Coverage、Shapefile及Grid Raster數據轉換為Geodatabase數據模型，再通過空間數據引擎加載到SQl Server數據庫中，并保證入庫數據的正確性、完整性、可靠性和一致性。

(2)三維可視化功能。依據水土流失強度等級，利用GIS引擎，動態渲染生成專題圖，以圖層疊加的方式加載顯示水土流失數據圖層，并可借助水土流失數據圖層獲取土層屬性，查詢相應信息。

(3)空間分析。該子系統開發的三維可視化平臺不僅是展現三維場景，還提供包括地表空間分析、緩沖分析、土層對比分析等高級三維分析工具來解決復雜的空間分析問題。通過空間分析技術對不同年限的土壤侵蝕成果數據進行空間分析，對比分析其水土流失強度的變化，在不同年限的水土流失強度專題圖的基礎上，對相同區域侵蝕強度空間數據進行差值計算，生成土壤侵蝕強度動態變化的空間數據專題圖。

4.4 河南省水土保持技術檔案管理信息系統

檔案管理信息系統采用Client/Server運行模式。C/S模式適合于用戶數量不大的可信賴的局域網，有利于檔案的安全管理。該子系統采用“目錄全文一體化管理”的設計思想。電子檔案原文信息和背景信息的存儲采用數據庫存儲方式，目錄數據庫的存儲采用關系型數據庫，針對目錄信息與電子檔案原文信息建立對應關系，利用目錄與原文的關聯信息檢索和查詢電子檔案。水土保持技術檔案的管理按照科學研究、生態建設、生產建設三大類進行管理，在Visual C#開發環境下，結合PDF控件技術，實現河南省水土保持技術檔案的綜合信息管理功能，其中系統集成的PDF功能支持文檔信息的導出、下載、保存和打印等。

4.5 河南省水土保持信息發布系統

水土保持信息發布系統把多源數據和分析工具部署在網絡內不同的計算機上。通過使用基于向量的圖像圖形技術，支持任何尺寸圖像的無縫整合，對基于Asp .NET、AJAX在內的Web開發環境實現了無縫連接。各級用戶只要把請求發送到服務器，就可以從網絡的任何地方訪問本系統發布的信息。服務器還會把分析工具和數據傳送給用戶，實現水土保持空間數據查詢展示。WebGIS是分布式系統，數據庫和應用程序部署在網絡內的不同計算機上，方便管理員及時更新，網絡上的每個用戶隨時都可以得到最新可用的數據和應用。

5 結 語

通過本項目研究，在水土保持調查和信息系統技術方面實現以下突破：

(1)研究建立了一套符合河南省實際，集圖形、影像和圖像為一體，從不同位置和角度三維瀏覽所選擇區域的地貌景觀，查詢有關信息，以便快速分析典型區域環境變化情況的水土保持三維可視化管理信息系統，填補了河南省水土保持行業信息化的空白，為今后開展同類調查和水土流失監測提供了技術保障。

(2)研究建立的全省侵蝕溝道信息管理系統，以友好、簡便的窗口，對河南省黃土高原侵蝕溝道進行數字化管理，實現了不同區域和不同導航途徑的屬性查詢，并進行了數據更新和分析統計，為河南省黃土高原溝壑治理、規劃設計、檢查驗收、預防保護、監督監測等提供了快捷方便的技術服務。

(3)建立的全省土壤侵蝕動態監測信息系統，包括不同比例尺圖形數據庫、不同精度圖像數據庫、不同專題屬性數據庫等，進行多種導航途徑的信息查詢統計、圖形圖像瀏覽、數據更新和信息發布，為河南省水土流失的動態監測、數據及時更新提供了技術保證。

(4)為改變河南省水土保持技術檔案資料管理長期以來采用手工錄入和人工查詢的落后狀況，建立的全省水土保持技術檔案管理信息系統，極大地提高了檔案資料管理的工作效率。

(5)河南省水土保持信息發布系統的建立，為加速實現水土保持管理信息化和現代化鋪平了道路，對快速、準確、充分利用各種信息資源，提高預測預報能力，及時公告水土流失動態變化，科學評價工程建設成效，提高行政管理水平和科學決策能力，都具有十分重要的意義。

[1] 陳國兵,張靜.河南省生產建設項目水土流失特點及其防治措施[J].河南水利與南水北調,2013(15):46-47.

[2] 范彥淳.河南省水土保持生態建設的探索與思考[J].中國水土保持,2012(7):60-62.

[3] 陳述彭,魯學軍,周成虎.地理信息系統導論[M].北京:科學出版社,1999:23.

[4] 汪亞峰,盧玉東,盧喜平,等.GIS在水土保持研究中的應用[J].農業網絡信息,2004(12):6-9.

[5] 陳南祥,董貴明,邱林,等.基于ArcObjects的GIS系統的二次開發——以濟源市水土保持決策支持系統為例[J].地域研究與開發,2006,25(3):125-128.

[6] 馮兆龍,胡續禮,姜小三,等.基于GIS和RS的淮河流域水土保持信息管理系統開發[J].治淮, 2007(3):41-42.

[7] 李文鳳,楊勤科,李靜,等.基于組件式GIS的黃河流域水土保持信息系統的設計與實現[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2008,36(3):90-96.

[8] 王遠志,葛小三,薛華柱.組件式GIS簡介[J].地理空間信息,2003(4):25-27.

(責任編輯 李楊楊)

S157；TP391

A

1000-0941(2015)03-0040-04

程瑞芳(1978—)，女，河南蘭考縣人，工程師，主要從事水土保持監測、方案編制與規劃設計工作。

2014-12-09