基于DTGIS的風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失治理決策系統(tǒng)設(shè)計

王永勝，李 寧，胡 影，李團宏，馮 陽，肖 彧

(1.北京地拓科技發(fā)展有限公司，北京 100084；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團水土保持監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830002；3.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083)

根據(jù)《第一次全國水利普查水土保持情況公報》，我國土壤侵蝕總面積294.91萬km2，其中風(fēng)力侵蝕165.59萬km2，占土壤侵蝕總面積的56.15%，主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、青海、甘肅等干旱半干旱地區(qū)[1]。強烈的風(fēng)力侵蝕不僅直接導(dǎo)致土地荒漠化發(fā)展，而且會引起土壤粗化、土壤養(yǎng)分含量降低、土地生產(chǎn)力下降、沙塵災(zāi)害頻發(fā)等[2-4]，直接威脅農(nóng)田、道路、水利設(shè)施安全，給當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響。因此，在風(fēng)力侵蝕地區(qū)開展水土保持工作，對于減輕區(qū)域風(fēng)沙危害、維護生態(tài)安全、保障人居環(huán)境具有重要意義，治理風(fēng)力侵蝕地區(qū)水土流失是我國水土保持工作的重要內(nèi)容。

決策支持系統(tǒng)(Decision Support System)是20世紀(jì)70年代末期興起的一種新的管理系統(tǒng)，是在管理信息系統(tǒng)(MIS)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的為各級管理者提供輔助決策的應(yīng)用系統(tǒng)，能幫助決策者提高決策能力及決策效益[5]。本研究計劃利用DTGIS——流域空間信息服務(wù)平臺，把風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失治理決策中需要的社會經(jīng)濟、自然特征、氣候特征、土壤侵蝕、綜合治理措施、典型水土保持植物等信息有機地管理起來，利用平臺模型計算、空間分析等功能，實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析，為風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失治理提供決策支持。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該軟件系統(tǒng)以C#作為開發(fā)工具，系統(tǒng)程序架構(gòu)采用DTGIS與.NET方式構(gòu)建，整個架構(gòu)包括前端、后臺服務(wù)和數(shù)據(jù)庫三部分。前端開發(fā)采用.NET的WPF，后臺服務(wù)端用DTRSServer(地拓遠(yuǎn)程服務(wù))構(gòu)建，數(shù)據(jù)庫采用DTSpatial(地拓空間數(shù)據(jù)庫)。風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失綜合治理決策系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計見圖1，系統(tǒng)登錄界面和主界面見圖2、3。其中，數(shù)據(jù)層主要是用來存儲水土流失綜合治理相關(guān)數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、風(fēng)蝕模型數(shù)據(jù)、典型水土保持植物數(shù)據(jù)、水土流失綜合治理典型模式數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)、法律法規(guī)數(shù)據(jù)及學(xué)術(shù)文獻數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)類型包括shp格式、tif格式、PDF格式及JPG格式等，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫基本操作，支持遠(yuǎn)程客戶端與數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)機操作。服務(wù)層是本地控制的接口，提供共享資源并執(zhí)行與局部資源相關(guān)的操作，為系統(tǒng)運行提供平臺底層支持。系統(tǒng)采用組件化技術(shù)作為主要手段進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，在應(yīng)用界面創(chuàng)建應(yīng)用接口，基于接口在形式上表現(xiàn)為對象的屬性、方法和事件，為用戶提供組件式GIS應(yīng)用[6]。應(yīng)用層能實現(xiàn)用戶的管理功能、風(fēng)力侵蝕分析功能及決策支持功能的操作和結(jié)果輸出，包括地圖服務(wù)、圖表互查、統(tǒng)計報表、風(fēng)力侵蝕計算、空間計算分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

圖1 風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失綜合治理決策系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖2 系統(tǒng)登錄界面

圖3 系統(tǒng)主界面

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

軟件共有3個功能模塊，即數(shù)據(jù)管理功能模塊、風(fēng)力侵蝕分析功能模塊和決策支持功能模塊(圖4)。

圖4 風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失綜合治理決策系統(tǒng)功能模塊

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)輸入、輸出、編輯、查詢等功能。管理數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、風(fēng)蝕模型數(shù)據(jù)、典型水土保持植物數(shù)據(jù)、水土流失綜合治理典型模式數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)、法律法規(guī)數(shù)據(jù)及學(xué)術(shù)文獻數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)類型及格式包括矢量數(shù)據(jù)(.shp)、柵格數(shù)據(jù)(.tif)、圖片數(shù)據(jù)(JPG)、文本數(shù)據(jù)(PDF)等，系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)類型見表1。

2.2 風(fēng)力侵蝕分析功能

風(fēng)力侵蝕分析功能主要是基于張亦超等[7]研究中的耕地風(fēng)蝕模數(shù)模型、林草地風(fēng)蝕模數(shù)模型和沙地風(fēng)蝕模數(shù)模型，通過輸入風(fēng)力因子數(shù)據(jù)、植被蓋度因子、土壤粒徑因子、土壤含水量因子、風(fēng)蝕措施因子和土地利用因子，最終計算出區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)空間分布，根據(jù)土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，將土壤侵蝕強度進行分級，為區(qū)域水土流失綜合治理提供土壤侵蝕背景數(shù)據(jù)。風(fēng)蝕模型所需的風(fēng)力因子數(shù)據(jù)可通過輸入風(fēng)速數(shù)據(jù)由系統(tǒng)計算得出。目前該模塊能實現(xiàn)風(fēng)力因子輔助計算、風(fēng)力侵蝕模數(shù)計算、風(fēng)力侵蝕強度分級等功能。

表1 風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失治理決策系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)類型

2.3 決策支持功能

(1)靶向篩選功能。水土流失綜合治理規(guī)劃設(shè)計前期，往往需要確定項目實施區(qū)域，可通過系統(tǒng)的靶向篩選功能輔助完成。靶向篩選可以實現(xiàn)按照因子屬性值篩選(如篩選土地利用為沙地和草地的區(qū)域)，也可以根據(jù)需要篩選因子的取值范圍(如篩選3月平均風(fēng)速在5～6 m/s的區(qū)域)。靶向篩選可以單因子篩選，也可以多因子綜合篩選。選定區(qū)域后可實現(xiàn)選定區(qū)域矢量邊界的導(dǎo)出功能。目前，該模塊可實現(xiàn)水土保持植物、自然氣候、社會經(jīng)濟、典型治理模式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等信息靶向篩選功能。

(2)空間分析功能。確定水土流失綜合治理項目區(qū)后，需要對項目區(qū)基本情況進行了解，以便合理分區(qū)和布局水土保持措施。系統(tǒng)具有對項目區(qū)背景信息進行空間統(tǒng)計分析的功能，能通過導(dǎo)入項目區(qū)矢量邊界(導(dǎo)入矢量文件或者輸入項目區(qū)邊界拐點坐標(biāo))，確定分析區(qū)域(項目區(qū))。選擇需要空間分析的因子，如土地利用、風(fēng)力侵蝕強度、植被蓋度等，系統(tǒng)自動分析項目區(qū)選取因子的基本情況，分析結(jié)果以電子表格和柱狀圖兩種方式顯示，并可以輸出相關(guān)成果。

(3)緩沖分析功能。規(guī)劃設(shè)計水土流失綜合治理措施時，除需要掌握項目區(qū)空間范圍內(nèi)背景資料外，有時還需要關(guān)注項目區(qū)外一定區(qū)域的背景信息，通過系統(tǒng)的緩沖分析功能可實現(xiàn)對項目區(qū)外一定空間區(qū)域的背景資料的分析統(tǒng)計，為區(qū)域水土流失綜合治理措施規(guī)劃設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。緩沖范圍可根據(jù)需要進行設(shè)置。

3 結(jié) 語

該軟件是基于DTGIS核心服務(wù)平臺開發(fā)的一款服務(wù)于典型風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失治理的軟件，可實現(xiàn)基于風(fēng)力侵蝕模型的風(fēng)力侵蝕模數(shù)的計算，空間基礎(chǔ)地理信息和專題信息的錄入、顯示、修改及空間計算，水土保持植物、水土流失典型治理模式、區(qū)域自然氣候信息、社會經(jīng)濟信息、標(biāo)準(zhǔn)法律法規(guī)等資料的錄入、修改、查詢、分析，通過軟件可進行點、線、面的繪制和空間計算分析，為風(fēng)蝕沙丘水土流失綜合治理提供了新的技術(shù)手段和方法，增加了風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失綜合治理的科學(xué)性，為風(fēng)蝕沙區(qū)水土流失綜合治理提供了決策支持。

[1] 中華人民共和國水利部.第一次全國水利普查水土保持情況公報[J].中國水土保持,2013(10):2-3,11.

[2] 史培軍,嚴(yán)平,高尚玉,等.我國沙塵暴災(zāi)害及其研究進展與展望[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2000,9(3):71-77.

[3] 張國平,張增祥,劉紀(jì)遠(yuǎn).中國土壤風(fēng)力侵蝕空間格局及驅(qū)動因子分析[J].地理學(xué)報,2001,56(2):146-158.

[4] 朱震達(dá),王濤.從若干典型地區(qū)的研究對近十余年來中國土地沙漠化演變趨勢的分析[J].地理學(xué)報,1990(4):430-440.

[5] 俞瑞釗,陳奇.智能決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2000:3．

[6] 劉憲春,曹文華,趙院,等.全國土壤侵蝕普查數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實踐[J].水利信息化,2014(1):12-14.

[7] 張亦超,史明昌,岳德鵬,等.基于GIS的土壤風(fēng)蝕模型軟件構(gòu)建[J].中國水土保持科學(xué),2013,11(1):69-74.