基于SuperMap IS.NET的帶嶺地區NPP信息系統的設計與實現

范文義，任 義，王曉杰

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

隨著溫室效應引發的全球變暖問題越來越突出，植被作為溫室氣體CO2的主要吸收群落和陸地固態碳的主要載體，各國積極開展植被在生態系統中的固碳釋碳方面能力的研究。植被凈初級生產力(Net Primary Productivity，NPP)是定量評價和估計生態系統的碳源或碳匯作用的關鍵因子[1]，我國NPP研究是從20世紀80年代后期開始的，研究的重點主要集中在NPP模型的引進及改造，然而基于模型模擬得到NPP信息的管理及數據的挖掘分析，特別是通過WEB的形式發布方面的研究很少涉及 。WebGIS是將Internet技術應用到GIS開發的產物，將GIS技術的圖形屬性一體化、強大的分析能力與網絡技術的發布優勢結合一起，為用戶提供空間數據瀏覽、查詢和分析等功能，已經成為GIS發展的必然趨勢[2]。SuperMap IS.NET是超圖公司自主開發的一個WebGIS開發平臺，在森林資源的現代化信息管理中應用越來越廣泛，例如2009年周玲以鄂托克旗為例開發的鄂托克旗森林資源管理系統，2010年于麗珠等開發的塔河林業局森林資源管理系統。

本研究以黑龍江省帶嶺林業局為例，采用BEPS模型生成的區域NPP數據作為基礎數據，以及研究區的行政區界、高程、坡度和坡向等作為輔助數據。建立NPP數據庫，設計并開發基于SuperMap IS.NET平臺的NPP信息系統，將森林資源管理系統與NPP管理數據分析系統結合。為黑龍江省帶嶺林業局的碳循環研究提供高效、可靠的信息發布平臺。

1 數據庫的搭建

1.1 數據收集與處理

收集黑龍江省帶嶺林業局基礎地理數據包括：縣、河流、道路和行政界限以及2007年單月NPP數據，對數據建立統一的投影信息，通過柵格計算，得到研究區域各縣各月的NPP信息數據，并且添加到行政區界的屬性表中。收集研究區的1：50 000等高線數據，通過GIS軟件生成帶嶺林業局DEM數據、坡度數據、坡向數據，用以反映高程、坡度、坡向等因子對NPP的影響。根據帶嶺林業局的實際情況國家以及相應規定，對各地形因子進行等級劃分，具體劃分標準以及具體信息見表1～表3。生成的各地形因子分級圖如圖1～圖3所示。

表1 帶嶺林業局高程劃分及各高程NPP信息

表2 帶嶺林業局坡度劃分及各坡度NPP信息

表3 帶嶺林業局坡向劃分及各坡向NPP信息

圖1 帶嶺林業局DEM分級圖

圖2 帶嶺林業局坡度分級圖

圖3 帶嶺林業局坡向分級圖

1.2 數據庫建立

為了高效、方便的存儲地理信息數據以及便于對用戶系統后臺管理，本系統采用SQL Server2005作為數據訪問層對數據進行存儲和管理，建立普通數據庫和空間數據庫[3]。

普通數據庫：普通數據庫主要用于存儲用戶信息和管理員信息。根據不同的操作權限，普通用戶只能進行訪問和下載數據，而管理員用戶不僅可以對數據進行插入、刪除、更新等基本后臺操作也對可以對普通用戶進行管理。

空間數據庫：針對地理信息數據往往具有數據量大、數據類型多、空間數據和屬性數據統一等特點，SuperMap IS.NET 集成了強大的空間數據引擎技術 SuperMap SDX+，從而可以順利實現將空間數據和非空間數據一體化存儲到 Oracle、SQL Server 和 Sybase 等大型關系數據庫中，并能夠滿足高效、穩定地進行空間數據訪問的需要[4]。本文通過桌面軟件SuoerMap Deskpro新建SQL+數據源建立空間數據庫,如圖4所示。

圖4 系統數據庫的建立

2 系統設計與實現

2.1 需求分析

該系統主要功能是實現黑龍江省帶嶺林業局NPP信息的發布以及對NPP數據在時間、空間上的變化進行分析，所以本系統既是一個完整的地理信息系統也是一個針對特定專業人群的分析決策的輔助系統。因此應包含以下幾種模塊。

(1)知識普及。提供對NPP概念等基礎知識的普及以及研究區域介紹和開發人員等相關知識。

(2)用戶管理。對用戶信息進行管理。包含：用戶注冊、登錄以及密碼驗證和驗證碼的獲取、驗證等。

(3)地圖基本操作。包含地圖的放大、縮小、漫游以及距離、面積量算等基本的地圖操作。

(4)NPP信息查詢及分析。實現對NPP信息的雙向查詢，實現單點信息和統計信息的雙向查詢，以及繪制NPP信息時間曲線和分析NPP信息與高程、坡度、坡向等空間數據因子分析。

(5)數據共享。實現數據的上傳和下載，實現真正意義上的數據共享。

2.2 系統結構設計

根據系統的需求分析，總體來將系統體系結構分為三個層次分別為：表現層、業務層和數據層[5-6]，如圖5所示。

圖5 系統結構設計圖

表現層是用戶與系統交互的接口，為用戶提供了一個可視化的界面，使用戶能夠對系統發布進行簡單的操作。業務層主要包含網絡服務器和GIS服務器以及數據庫，用戶通過網絡服務器(IIS)對系統發出請求，然后通過GIS服務器響應，由數據庫讀取數據，然后返回GIS服務器對數據進行處理，并生成圖片緩存在圖片存儲器中，最后瀏覽器直接下載到本地進行瀏覽。具體流程圖如圖6所示。數據層主要包含兩部分：用戶信息數據和GIS數據兩部分，其中GIS數據通過空間數據引擎技術 SuperMap SDX+存儲在SQL Server 2005中。

圖6 WebGIS系統發布流程

3 程序設計

本系統采用B/S架構模式，它是隨著Internet技術的興起，對C/S結構的一種變化和改進的結構。用戶僅通過瀏覽器就能與服務器進行交互，這樣大大簡化客戶端的負荷，采用的主體語言是C#，通過連接SQL Server 2005，實現對用戶信息和空間數據的調用。

3.1 數據庫連接

3.1.1 用戶信息數據庫連接

本系統的用戶信息數據庫是采用.NET Framework框架的ADO.NET組件進行數據庫的Connection對象進行數據庫連接。在SQL Server 2005中新建表info，并且在web.config配置連接數據庫參數：

可以通過直接獲取web.config文件中的參數信息實現數據庫的連接。

3.1.2 空間數據庫連接

在SuperMap IS.NET Manager管理工具中的地圖設置選項填寫工作空間路徑和工作空間密碼，由于空間數據通過空間數據引擎SDX+存儲在SQL Server2005數據庫，因此需要添加下列數據庫連接語句[7]：

Provider=SQLOLEDB：Driver=SQL Server；SERVER=97SD-20120616BP；Database=NPP；Caption=NPP；UID=sa；PWD=sa123。

3.2 程序設計及系統實現

3.2.1 登錄模塊

用戶登錄模塊是保證系統信息安全的基本模塊，也是統計系統的受歡迎程度的重要工具，本系統的用戶登錄分為：普通用戶和管理員用戶。普通用戶具有簡單的數據查詢、統計等功能，管理員用戶則負責數據的編輯、更新等后臺操作，系統登錄界面如圖7所示：

圖7 系統登錄及注冊界面

3.2.2 操作模塊

帶嶺林業局NPP信息管理系統是森林資源與WebGIS相結合的資源管理系統，因此該系統具備網絡地理信息系統的基本功能，如放大、縮小、漫游、面積量算、距離量算、鷹眼顯示等，同時也必須滿足森林NPP信息的管理、發布等基本功能，如圖形和屬性的雙向查詢、專題圖制作，報表輸出等。NPP信息管理系統的主界面如圖8所示。

圖8 系統主界面

3.2.3 NPP分析模塊

NPP分析模塊分別統計帶嶺林業局2007年單月NPP量以及高程等地形因子信息，擬合出相應的NPP時間序列曲線和簡單的NPP值與高程、坡度、坡向等因子的數據分析，如圖9～圖10所示。在系統中通過設定地形因子、報表類型、以及線性寬度等屬性制作NPP信息報表，并且對NPP的變化進行初步分析，詳細分析了解帶嶺林業局NPP信息的時空變化，探討地形因子對于NPP信息的影響規律，對于研究區生產力評估、提高生物固碳能力、生態系統環境建設等工作具有參考價值。

圖9 NPP隨時間變化曲線

圖10 各高程等級的NPP信息柱狀圖

目前，國內外的研究重點是研究NPP的生態過程模型對區域NPP或NEP進行模擬，但是大多數研究者的結果數據相互之間共享性差。通過本系統的研發和初步應用表明，不同區域或同一區域的不同研究結果信息可以通過本系統快速共享。同時，系統研發基于GIS的空間分析功能，對于模型模擬的NPP結果能進行進一步的空間分析，如NPP圖形屬性雙向查詢、NPP空間分布分析，特別是系統研發了NPP時間規律擬合模塊，為NEP和NBP的模擬計算提供了重要的輸入數據，因為影響NPP的因素除了自然因素外，不同年齡的林分的NPP顯然具有很大區別。

4 結論與討論

帶嶺地區NPP信息系統的開發平臺是基于北京超圖公司的SuperMap IS.NET，選用SQL Server 2005數據庫存儲數據，使用C#為主體開發語言。本研究的總結可歸納為以下幾個方面：

(1)針對目前不同NPP模擬研究結果之間共享性差的問題，本研究選擇SuperMap IS.NET為開發平臺，利用SuperMap IS.NET平臺在地理信息系統空間分析和數據共享方面的優勢，研究開發了NPP專題信息網絡系統，解決不同區域或同一區域不同研究結果的快速共享問題。

(2)系統采用SQL Server 2005數據庫統一存儲和管理數據，在用戶和空間數據庫數據之間提供了一個接口，同時客戶也可以通過空間數據庫獲取數據。本系統發布的NPP分析數據以SuperMap IS.NET工作空間的形式存放，具有靈活的擴展性。

(3)系統提供了NPP模擬結果的數據分析功能，特別是對NPP進行時間變化分析擬合，對于NEP和NBP進一步研究提供了最重要的輸入數據。擴展了常規信息管理系統的功能。

本文在已有的帶嶺林業局NPP模擬結果的基礎上，基于SuperMap IS.NET平臺，從WEB的角度介紹了系統的設計和開發過程，既可以滿足森林資源管理系統的一般功能需求，同時將NPP信息的發布、分析作為重點，初步具備了簡單的數據挖掘和分析能力，對于森林生態功能的網絡發布具有重要意義，然而本系統在界面處理、系統運行和數據存儲效率等方面存在著處理海量數據響應時間較長等問題。今后的工作重點是實現地圖效果的三維顯示以及森林在固碳釋氧、涵養水源等生態功能方面的信息分析。

【參 考 文 獻】

[1] 董文娟，齊 曄，李惠民，等.植被生產力的空間分布研究——以黃河小花間盧氏以上流域為例[J].地理與地理信息科學，2005，21(3)：105-108.

[2] 北京超圖地理信息技術有限公司.理解SuperMap IS.NET[M].北京超圖地理信息技術有限公司，2004.

[3] 夏 軍，塔西甫拉提·特依拜，張 飛，等 基于.NET和SuperMap的干旱區Web典型地物.光譜信息系統的設計與實現[J].光譜學與光譜分析，2011，30(7)：1878-1882.

[4] 北京超圖地理信息技術有限公司.SuperMapSDX+技術白皮書[M].北京超圖地理信息技術有限公司，2003.

[5] 張柏林，石文杰，魏中輝.WebGIS幾種體系結構研究[J].地理空間信息，2008，6(3)：97-99.

[6] 趙 駝，羅傳文.基于skyline的三維網絡地理信息系統的研究[J].森林工程，2013，29(3)：110-113.

[7] 于麗珠，范文義，金 森，等基于SuperMapIS.NET的分布式森林資源管理系統的設計與實現[J].東北林北大學學報，2011，39(6)：120-124.