武漢市湖泊時空動態監測系統設計

邸義良

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.015

摘 要： 利用地理信息系統（GIS）和網絡技術，設計了武漢市湖泊時空動態監測系統的總體結構。實現了由數據層，業務層，用戶層組成的B/S三層架構，以及符合實際應用的WebGIS湖泊系統應用，并簡要介紹了數據庫的構建。介紹了系統的地圖顯示與控制、地圖查詢、分析評價、數據庫管理、用戶管理等主要功能模塊的數據要求和功能實現。

關鍵詞： 湖泊濕地； GIS； 時空演變； B/S架構

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）09-56-03

Spatial and temporal dynamic monitoring system of lakes in Wuhan

Di Yiliang

（Earth Sciences Academy of Yangtze University School， Wuhan， Hubei 430100， China）

Abstract： Taking the advantage of geographic information system （GIS） and network technology，the overall structure of the spatial and temporal dynamic monitoring system of the lakes in Wuhan is designed. The data layer， business layer and user layer composed of B/S three-tier architecture， as well as the WebGIS lake system which conforms to the practical application are realized， and the construction of the database is briefly introduced. The data requirement and function realization of the main function modules， such as map display and control， map query， analysis and evaluation， database management， user management and so on， are introduced too.

Key words： lake wetlands； GIS； spatial and temporal evolution； B/S architecture

0 引言

湖北素稱“千湖之省”，而武漢雅稱“百湖之市”。但隨著武漢市經濟的快速發展和擴張，武漢市的湖泊濕地面積卻在不斷減少。湖泊面積變化和水環境的惡化已經成為制約武漢市經濟發展的重要因素，因此建設武漢市湖泊時空動態監測系統是十分必要的。

本系統的目標是結合RS技術和GIS技術，并通過數學方法構建湖泊變化模型，從湖泊面積變化和湖泊形態變化，以及湖泊水域和其他土地利用類型的轉移變化特點及影響進行綜合分析。進而分析湖泊的時空演變過程，總結高速城市化背景下湖泊的變化規律，從而幫助系統使用者更深入地了解和認識人類活動因素與湖泊水域動態變化之間的關系。本系統以期對城市湖泊的綜合治理和保護開發提供理論依據，并對城市建設與管理提供決策支持。

1 系統總體設計

1.1 數據需求

本系統所需數據基本分為四大類：湖泊基礎數據，湖泊濕地退化數據，湖泊水環境信息數據和其他數據（如用戶信息，城市土地利用數據）。

湖泊基礎數據包括湖北省武漢市多年的湖泊空間數據，可以利用遙感圖像數字處理，獲取不同時期城市湖泊的水面空間信息數據[1]，同時還包括湖泊基本屬性數據，如湖泊名稱，面積，水深，歸屬等。可進行各湖泊歷年湖泊面積統計，并通過湖泊面積減小的歷史研究其驅動機制，對現在及將來武漢市湖泊空間變化進行預測，為城市規劃管理部門提供決策[2]。湖泊濕地退化數據包括退化特征，退化因子，退化程度等信息，用于湖泊退化分析等。濕地地形分布數據主要是突出濕地在城市用地中占地面積的比例，以及城市的其他不同用地類型對濕地的影響，同時顯示武漢湖泊濕地近年來的在城市用地類型中的變化。湖泊水環境信息包括歷年水質類型，水環境指標信息等，用于湖泊水環境定量分析。

1.2 系統體系結構設計

系統采用B/S 模式，在邏輯上分為三個層次：數據層，業務層，用戶層，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

數據層是對系統所涉及的所有空間數據和屬性數據的存儲與管理。空間數據為湖泊、行政區劃、土地利用類型等地理空間實體；而與湖泊相關的專題數據如面積數據信息、環境介紹信息等以屬性數據形式存儲在關系數據庫中，為系統業務邏輯實現提供數據支持。數據層由SQL Server 2012屬性數據庫、GeoDataBase地理數據庫、ArcSDE空間數據庫以及各類文件文檔組成，這一層包含了系統屬性與空間數據處理和各類數據的存儲管理邏輯[3]。

業務層是用戶層與數據層的橋接通道，支持應用程序的應用邏輯，包括兩個部分：Web服務器和GIS服務器。在Web服務器上提供通過IIS發布Web Service；在GIS服務器上提供通過ArcGIS Server發布了的地圖服務、空間數據服務、空間分析服務等空間服務。在業務層接收到瀏覽器端的服務請求時，對于非GIS請求，由Web服務器直接以Web Service形式與數據層通信；對于GIS請求，通過特定的接口由Web服務器提交給GIS服務器進行處理[4]。

位于本系統架構最頂端的用戶層也是表現層，表現層即圖中的客戶端，包含了本系統的顯示邏輯。它通過解讀用戶的操作指令，向Web應用服務層發送用戶請求，最終將服務器端的處理結果顯示在客戶端上反饋給用戶。

1.3 數據庫設計

本系統數據庫內容主要由兩部分構成：空間數據和非空間數據。空間數據庫的建設內容主要有基礎地圖、湖泊層、行政層、農用地層、建設用地層、林地層、感影像圖等，其中湖泊層、農用地層、建設用地層、林地層、感影像圖是按不同時態存儲的。非空間數據主要包含一些屬性的信息。

2 系統主要功能

本系統主要分為五大個模塊：地圖顯示與控制，地圖查詢，分析評價，數據庫管理，用戶管理。見圖2。

地圖顯示與控制包括圖層控制，地圖編輯，地圖瀏覽。地圖顯示武漢市湖泊分布范圍涵蓋武漢全市，地域廣泛。圖層控制可以顯示不同年份武漢市湖泊空間分布的疊加顯示。地圖編輯可以對地圖進行編輯，繪制湖泊范圍的變化情況，地圖瀏覽是對圖像的縮放，地圖的刷新、專題圖層的顯示等操作，可以清楚地了解其分布特征及相關信息。

地圖查詢實現對湖泊基本信息，退化信息特征，水環境信息等的查詢，能實現在地圖上點擊單一湖泊以百度百科的方式顯示湖泊基礎信息，包括文字簡介、水文、退化信息，水環境信息等內容，并可根據工作需要實時進行擴展。同時用戶也可以根據自己的需求選擇想要查詢的某個湖泊信息，支持模糊查詢和多項條件查詢，滿足開發用戶更多需求。

分析評價模塊包括湖泊濕地退化分析，湖泊變遷定量分析，湖泊水環境定量分析三個功能模塊。濕地退化分析引入湖泊萎縮強度等測度指標， 利用湖泊濕地多年地理退化特征、湖泊外環境對湖泊退化的影響、湖泊濕地植被退化信息等數據，有效利用數據庫管理技術，采用數據結構分層關系設計， 反應湖泊濕地退化程度[5]。湖泊變遷定量分析實現對主城區湖泊面積變化分析和被填占湖泊用地分析，其中被填占湖泊用地分析將分析被填湖中各用地類型所占比重（包括農業用地，建設用地，其他用地等），以及各用地類型增長趨勢[6]。通過分析可對將來湖泊空間變化和用地類型監督有輔助決策作用。湖泊水環境定量分析實現武漢市各湖泊水質歷年變化分析，湖泊所含環境污染物容量值，水質評價分析，湖泊生態承載壓力綜合評價[7]等。對這些評價分析建立模型后，還可以實時輸入參數，進行水環境的實時評價。其中還可進行空間緩沖區分析和疊加分析。緩沖區分析可以實現湖泊周圍土地利用情況的調查。疊加分析是對不同年份湖泊空間屬性的疊加，并對其分析。最后也可以根據實際需要，制成分級專題圖，統計專題圖等，如湖泊壓力指標分布圖[7]，湖泊承載指標分布圖，湖泊承載壓力綜合評價地理柱狀圖[5]，并輸出打印。

數據庫管理功能模塊，由于湖泊動態監測數據需要實時更新，數據庫管理功能需要實現屬性數據和空間數據的錄入、修改、更新以及刪除等操作。本功能模塊主要編輯的數據包含湖泊基本屬性數據、湖泊退化數據，水環境數據等，同時根據湖泊濕地數據的公開性，不同用戶對數據信息持有瀏覽、修改、更新、刪除以及添加等多個級別的操作，增加數據庫的權限管理，保障數據庫安全和有效管理。

用戶信息管理模塊包括注冊處理，登錄處理，個人信息及權限管理等一系列有關用戶個人身份相關信息，給不同用戶不同的權限。實現基本信息查詢、注冊登記管理等。

3 結束語

本系統以武漢市湖泊濕地為研究對象，從應用需求和數據需求出發，基于B/S架構，設計了武漢市主要湖泊的基本數據查詢和管理功能，并提供了湖泊濕地退化分析，湖泊變遷定量分析，湖泊水環境定量分析等分析功能。結合GIS技術和Web技術的武漢市湖泊動態監測系統，將大大提高湖泊濕地環境研究的工作效率和管理效率。

由于作者的專業知識限制以及武漢市湖泊水環境數據的不足，本文主要介紹了湖泊退化方面的分析，對于水環境的實時監測和分析討論較少，所以本研究所實現的系統尚需進一步提高和完善。同時，由于武漢市在夏季經常發生洪澇，這不僅與武漢市夏季多雨，且緊鄰長江有關，還與武漢市湖泊的蓄水力和分布情況密切相關，所以下一步將研究和開發與武漢市湖泊相關的洪澇系統，并與本系統有機結合。

參考文獻（References）：

[1] 曾忠平，盧新海.城市湖泊時空演變的遙感分析——以武漢

市為例[J].湖泊科學，2008.20（5）：648-654

[2] 臧柏如，林孫勝，蘇嘉亮等.近20年武漢城市化與湖泊演化的

時空耦合研究[J].科技資訊，2014.12（1）：101-105

[3] 李貝.基于GIS的武漢東湖水環境信息管理系統研究與開發[D].

華中科技大學，2007：21-32

[4] 趙純真，李曉玫，何寶金.B/S多層結構的湖泊數據庫

WebGIS服務系統的設計與應用[J].地球信息科學，2007.9（4）：89-93

[5] 夏念.基于ArcGIS Engine的武漢城市湖泊濕地信息系統開

發與實現[D].華中農業大學，2012：32-43

[6] 王芳.基于RS/GIS的武漢城市湖泊演化研究[D].武漢大學，

2005：30-44

[7] 賈智敏.基于GIS的湖泊水環境容量計算[D].華中科技大學，

2012：30-43