基于三維GIS的河南省數字水土保持管理信息系統研究

郝 捷,田穎超，王永峰

(1.河南省水土保持監督監測總站，河南 鄭州450008； 2.南開大學 信息與技術學院，天津300071；3.北京新智感科技有限公司 天津技術研發部，天津300000)

基于三維GIS的河南省數字水土保持管理信息系統研究

郝 捷1,田穎超1，王永峰2,3

(1.河南省水土保持監督監測總站，河南 鄭州450008； 2.南開大學 信息與技術學院，天津300071；3.北京新智感科技有限公司 天津技術研發部，天津300000)

三維GIS；水土保持；管理信息系統；設計開發

以河南省歷次水土保持普查數據為基礎，分析對比土壤侵蝕調查成果，按照四大流域、小流域、市(縣)行政區劃，從水蝕野外調查、侵蝕溝道普查、土壤侵蝕動態變化、技術檔案管理、信息發布等方面開展研究。在深入分析水土保持監測信息業務需求和特點的基礎上，進行了基于三維GIS平臺的數字水土保持監測信息管理系統的設計開發。對系統建設背景、目標、基礎理論方法、框架結構與支撐技術、系統功能、系統實現等進行了詳述。該系統能通過水土流失動態變化數據分析，為水土保持決策提供有力的數據支撐。

全國水土保持行業共開展過四次遙感普查，受不同年代信息化水平和普查技術路線的影響，各次遙感普查成果數據類型各異，其中20世紀80年代的成果數據為未數字化建庫的紙質格式，1995和2000年的成果數據為北京54坐標Albers投影的coverage格式，2010年的成果數據為WGS84坐標UTM投影的shp格式。這四類數據庫相對獨立，信息數據管理和對比分析能力低。截至2012年全國第一次水利普查結束時，河南省仍沒有一個系統的水土保持信息化管理平臺。為盡快填補此項業務空白，基于GIS，從全國第一次水利普查的水蝕野外調查、黃土高原侵蝕溝道普查和歷次遙感普查的土壤侵蝕動態變化等三部分入手，借助C#.NET、SQL Server集成的二次開發模式，研究建立了河南省數字水土保持管理信息系統，以提高水土保持科學研究成果水平，強化水土保持協同工作的效能，推進水土保持信息現代化，為生態文明建設和水土資源可持續利用服務。

1 開發平臺

系統的設計采用C#.NET+組件式GIS Engine+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、方便等編程的優點，提高了系統的開發效率，易于移植和維護。

2 系統建設

2.1 系統建設目標

利用數字地球引擎，構建具有輸入、查詢、檢索、對比分析、輸出等多功能的信息系統。以三維可視化的方式展現水土流失動態變化情況，為相關部門的科學決策提供可視化的分析工具。

2.2 系統結構設計

采用數據層、中間層、應用層等三層體系結構，見圖1。

圖1 系統設計結構示意

(1)數據層。所有基礎數據、專題數據及成果數據均存儲在統一的數據庫系統中，各類數據按照統一的標準進行分類存儲，為水土保持監測數據的應用提供科學的數據支持。

(2)中間層。為上層應用開發提供工具化接口、地圖服務中間件和信息服務中間件組件的開發工具接口，減少數據庫成本，為系統提高效率。

(3)應用層。為系統人機交互接口，完成各類信息的檢索查詢、專題圖輸出、水土流失分析等功能，為水土保持管理與決策提供科學依據。

2.3 關鍵技術

基于三維GIS技術，依托云計算、軟件工程、空間數據庫技術，將空間位置信息與水保數據相結合，提供數據的三維可視化綜合展示平臺。將數據庫中的信息與實時場景中的模型進行綁定，從而達到對各種信息的即查即用，并通過友好的界面實現豐富的查詢和分析等功能，從而實現水土保持多層次信息資源共享[1]。

3 數據庫建設

數據庫設計按照3NF規范，分為空間數據庫和屬性數據庫兩部分。

圖2 數據庫結構

(1)空間數據庫的設計。針對河南省水土保持空間地理要素，采用Geodatabase 數據模型，以墨卡托投影的WGS84坐標系，通過空間數據引擎(簡稱SDE)，將不同年代的水土保持多源空間數據存儲于SQL Server中，建立空間數據庫[2]。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高效、開放的數據接口，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，確保海量、多源入庫數據的正確性、完整性、可靠性和一致性，以便在任意應用中嵌入查詢和分析數據。

(2)屬性數據庫的設計。屬性數據庫包括地理實體的非空間信息和非地理實體信息，其承載的信息包含各自內部及兩種信息之間存在的直接和間接聯系。

4 主要系統功能實現

4.1 空間數據查詢

分市(縣)行政區劃、四大流域、小流域等三種體系管理數據。以三維可視化的方式，將空間位置與分類后的信息數據關聯，按照水土流失強度等級生成數據圖層，直觀展示水土流失情況。

4.2 屬性數據查詢

通過信息查詢按鈕，在地圖上獲取目標點水保數據圖層，實現屬性查圖和圖查屬性的雙向功能，從而使屬性數據可視化，增強其可操作性和準確性。

4.3 土壤侵蝕趨勢分析

利用入庫的歷次水土保持普查成果數據，在同一區域進行空間數據差值計算，獲取不同時期土壤侵蝕變化的分析成果。

4.4 水蝕野外調查成果展示

以GIS for.net SDK提供的接口，可任意調取河南省1 002個野外調查單元的空間數據，通過專題圖渲染技術，結合C#語言的Renderer接口對象，用圖層疊加的方式，建立第一次水利普查成果的信息展示平臺。該平臺還具有JPG格式圖片與野外調查單元交互可視化顯示功能，實現圖形、圖像、圖斑等多源信息一體化管理。

4.5 侵蝕溝道成果展示

首次建立的黃土高原侵蝕溝道數字化系統涉及40 971條侵蝕溝道，可以準確定位目標區域內侵蝕溝道的數量、長度、控制面積、溝壑密度、溝道縱比等幾何特征，為黃土高原地區的水土保持規劃和生態綜合治理提供基礎技術支撐。

5 系統應用分析

基于GIS的三維數字地球引擎，具備海量、多源數據的集成、管理能力，內嵌豐富的遙感數據資源，可加載各種高清影像及配套采集的高精度數字高程模型數據，能有效增加水保數據管理的科學性和安全性，實現數據的高效管理和共享應用。還能夠通過系統分析對比功能，獲取區域水土流失強度變化趨勢。

從入庫的1995、2000、2010年河南省水土流失面積變化情況看(表1)，15年間，河南省土壤侵蝕強度總體呈降低趨勢，水土流失總面積有所減少，但出現中度以上水土流失面積增加的現象。究其原因，省內各級政府加大了對水土流失的治理力度，取得顯著效果，但由于自然環境中水土流失面積大、侵蝕強度高，加之干旱頻發、地表水資源匱乏，小流域綜合治理后的林草措施生長緩慢，在短時間內未能完全發揮水土保持效益，尤其是低山丘陵地區人類生產活動頻繁，退耕還林措施保存率低，以及開礦等經濟活動，導致強烈及以上水土流失的發生。

表1 1995、2000、2010年河南省水土流失面積統計 km2

6 結 語

運用Visual C#開發語言與ArcGIS組件開發的河南省數字水土保持綜合管理信息系統，首次建立了全省的土壤侵蝕、黃土高原侵蝕溝道和基礎數據庫，分析出1995—2010年河南省水土流失面積的動態變化趨

勢。該系統將分散異構的水土保持空間數據、多媒體數據和基礎數據有機融合，在填補河南省水土保持行業信息化空白的同時，實現了數據的高效管理和共享應用，為水土保持決策提供了有力的數據支撐。由于某些高級功能還不能夠實現，如高質量的地圖輸出、表面模型和網絡分析等高級空間分析，因此下一步將加強這方面的工作，增強系統的功能。

[1] 郭索彥,李智廣.新技術在我國水土保持監測工作中的應用[J].中國水利,2006(12):25-27,33.

[2] 易國彪,白振興.基于ArcSDE的空間數據庫研究與應用[J].微計算機信息,2008, 24(18):161-163.

(責任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2015)02-0056-03

郝捷(1969—)，男，河南寧陵縣人，高級工程師，學士，從事水土保持工作。

2014-10-28