WebGIS下的黑龍江省植被NPP碳匯分析系統

李 冰，趙穎慧

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

植被凈初級生產力(Net Primary Productivity，簡稱NPP)是地表碳循環的重要組成部分，直接反映了植被群落在自然環境條件下的生產能力和陸地生態系統的質量狀況[1]。NPP也是生態系統碳匯和調節生態過程的主要因子，對于全球變化、碳平衡具有重要的意義。因此，植被凈第一性生產力的研究受到越來越多國家的關注。

網絡地理信息系統(WebGIS)指基于互聯網平臺和應用軟件運行在網絡上的地理信息系統。WebGIS是通過Internet/Intranet連接的多主機、多數據庫與多臺終端組成[2]。WebGIS通過Internet/www機制，有效的實現了分布式地理信息的處理。WebGIS為GIS資源利用開拓了的新領域，為GIS信息的提供者和使用者的數據共享提供了有效途徑。

本文采用黑龍江省氣象觀測數據，結合多種軟件，對基于WebGIS的植被NPP碳匯系統進行研究，使植被NPP碳匯資源數據得到共享，并通過互聯網快速、完整、準確的傳遞給用戶。

1 研究區域概況與數據源

黑龍江省位于中國的東北部，與俄羅斯接壤，面積47.3萬km2，是我國東北地區面積最大的省份。人口3820萬，轄區有13個地級市[3]。黑龍江省西起121°11′，東至135°05′，南起43°25′，北至53°33′，南北跨10個緯度，2個熱量帶；東西跨14個經度，3個濕潤區。全省年平均氣溫-4～5℃。冬季漫長而寒冷，夏季短暫，春秋干燥涼爽，年降水量400～650 mm。

本研究數據源包括：黑河、佳木斯、哈爾濱、牡丹江、雞西、肇州、佳木斯、寶清縣、齊齊哈爾、鶴崗、嫩江縣、呼瑪縣、七臺河、綏化13地區的氣象觀測站點觀測的1952-2012年每年的平均降水量、平均溫度、陸地表面所獲得的凈輻射量等觀測值，以及黑龍江省1∶400萬的矢量圖。

2 研究方法

黑龍江省植被NPP碳匯分析系統，采用Miami、Thornthwaite、Chikugo、朱志輝四個模型分別計算出黑龍江省植被初級生產力值，基于B/S的WebGIS的三層體系結構，采用Silverlight技術，以ArcGIS Server 10.0為GIS服務平臺，C#、xaml、silverlight等語言為開發語言，進行系統的構建，為碳匯相關專業的研究提供一個交互有好的數據查詢和分析平臺[4]。

2.1 主要相關技術介紹

ArcGIS Server是具有強大的地理信息服務器產品。它可以構建集中管理的、支持多用戶的、具備高級GIS功能的企業級GIS應用與服務[5]。ArcGIS Server提供廣泛的基于Web的GIS服務，支持分布式環境下實現地理數據管理、制圖、地理處理、空間分析、編輯和其他GIS功能[6]。

ArcGIS ServerWPF/Silverlight是ESRI公司推出的基于微軟WPF/Silverlight技術的應用程序開發接口，充分綜合了ArcGIS Server地圖發布能力和微軟WPF技術良好的用戶體驗，提供了大量的控件和豐富的對象模型，加快了開發人員應用程序構建的效率[4]。

2.2 NPP計算模型

根據氣候因子估算的植物可能產量稱為植物氣候生產力，一般多用自然植被的凈第一性生產力表示，即NPP[6]。傳統方法計算NPP主要有4種模型：Miami模型、Thornthwaite模型、Chikugo 模型、朱志輝模型。本文利用這4種模型分別計算出各個地區的NPP數值，以便研究人員根據研究需求選擇使用。

2.2.1 Miami模型

植被NPP受一些環境氣候因子的影響，其中溫度和降水影響最大。Lieth根據世界五大洲約50個地點可靠的植被NPP實測資料和相對應的年平均溫度、年均降水量資料，利用最小二乘法構建的模型，稱為邁阿密模型[6]。

y2=3000(1-e-0.00065R)。

(1)

式中：y1為根據年平均溫計算的植被NPP(g/m2·a)；y2為根據年降水量計算的植被NPP(g/m2·a)；t為年平均溫度(℃)；R為年降水量(mm)。根據Liebig定律，選取二者中最小值作為計算點的植被NPP值[3]。

2.2.2 Thornthwaite模型

Thornthwaite和Rosenzweig注意到蒸騰蒸發量(ET)與氣溫、降水、植被之間的關系，并據此建立了植被凈第一性生產力和ET之間的統計關系，Lieth基于Thornthwaite的研究及世界五大洲50個地點植被凈第一性生產力資料，采用最小二乘法，提出了ThornthwaiteMemorial模型[7]。

NPP=3000[1-e-0.0009695(v-20)]，

L=3000+25T+0.05T3。

(2)

式中：NPP為植被凈第一性生產力(g/m2·a)，V為年實際蒸散量(mm)，L為該地年蒸散量(mm)，t為年均溫(℃)，R為年降水量(mm)。

2.2.3 Chikugo模型

日本島內以Uchijima的研究結果為基礎，利用葉菲莫娃和Canne等人IBP期間取得的世界各地的生物量數據和氣候要素進行相關分析，建立了根據凈輻射和輻射干燥度計算NPP的Chikugo模型[7]。

NPP=0.29·Rn·e0.216RDI2，

RDI=Rn·(L·r)-1。

(3)

式中：NPP為自然植被凈第一性生產力(g/m2·a)；Rn為陸地表面所獲得的凈輻射量(mm)，RDI為輻射干燥度，L為蒸發潛熱(0.596·kcal/g)，r為年降水量(cm)。

2.2.4 朱志輝模型

朱志輝利用751組各類植被數據，建立了估算NPP的解析模型[1]。

(4)

式中：NPP為自然植被凈第一性生產力(g/m2·a)；RDI為輻射干燥度，Rn為陸地表面所獲得的凈輻射量(mm)。

通過以上4個模型的計算，可以得出黑龍江省各個地區1952-2012年4個模型對應NPP的值。

2.3 系統的總體設計

采用基于B/S(瀏覽器/服務器)的WebGIS的三層體系結構，體系分為表現層、應用層、數據層三個層次(如圖1所示)。

(1)表現層：表現層所面對的對象是用戶，負責用戶通過瀏覽器與服務器進行數據交換，為用戶提供高交互性的可視化操作界面。通過瀏覽器為用戶顯示空間數據，向應用層發送用戶請求，并獲取處理結果呈現給用戶。用戶通過表現層來訪問整個GIS系統的功能。系統借助ArcGIS API for Silvelight及silverlight框架來設計實現表現層。

(2)應用層：用于對用戶請求的數據進行分析、處理、并返回分析結。Web服務器負責與用戶之間的交互、承載運行在GIS Server資源上的Web應用程序和Web服務。處理Web客戶端與服務端之間的信息的傳遞[4]。GIS Server層主要提供各種技術服務，包括數據訪問服務，系統資源釋放服務，各種相關功能的實現、制圖以及需要與地圖交互的工具[4]。本層主要采用ArcGIS Server服務器及其提供的API進行開發。

(3)數據層：位于服務器端，包括空間數據引擎和數據庫，負責存儲本系統所需所有基礎數據，接受服務器對數據調用的請求，提供數據給應用層。本層采用ArcGIS的File Geodatabase數據模型。

2.4 系統的功能設計

該系統分為主要包括計算工具、地圖的基本操作、查詢分析、統計模塊和渲染模塊4大模塊。系統的功能設計如圖1所示。

圖1 功能設計圖

(1)地圖基本操作。包括地圖放大、縮小、平移、全圖、鷹眼、測距、繪圖、放大鏡、坐標顯示、圖例、書簽和全屏等功能，為用戶提供地圖的基本操作[8-10]。

(2)查詢分析模塊。數據查詢分析模塊為用戶提供NPP等信息查詢的功能。包括幾何查詢、屬性查詢和MapTip查詢3種方式，用戶可以根據需求選擇查詢方式。

(3)統計分析模塊。統計分析模塊主要是根據需要，對系統提供的信息和查詢的結果進行統計，并以折現圖或餅狀圖的形式進行進行結果的展示。

(4)渲染模塊。該模塊主要是對用戶需要的信息提供地圖分級渲染功能，使用戶所需信息直觀的在地圖上顯示。人們通常用級別來表示不同程度，同樣將空間幾何對象的某個屬性值進行分級以便來區分幾何對象，這就是分級渲染。

(5)在線計算。提供信息的計算功能，用戶可以利用此工具，對所需信息數據進行計算。

3 系統的實現

3.1 數據的發布與調用

地圖服務對應的GIS資源是地圖文檔(.mxd)，發布地圖服務之前應該首先制作地圖文檔。在ArcMap下載入空間數據，利用ArcMap的各種功能對地圖進行配置，如地圖的疊加顯示、分級顯示、標注和符號化等操作。然后將地圖文檔通過ArcCatalog或ArcGIS Server Manager工具，發布地圖到GIS服務器中[11]。

利用ArcGIS API for Silverlight提供的方法接口，通過調用數據服務url地址的方式在應用層調用數據。

Url=“http：//lb-pc/ArcGIS/rest/services/heilongjiang/MapServer”/>

3.2 系統功能的實現

3.2.1 地圖的基本操作

在系統的主界面(如圖2所示)有地圖基本操作工具條，該工具條包括地圖放大、縮小、平移、全圖、測量(距離測量、面積測量)、局部放大、鷹眼、繪圖(包括點、線、面、矩形、箭頭、圓和橢圓等幾何圖形繪制)和全屏等功能。用戶可以根據需求，使用工具條中的工具對地圖進行操作。

圖2 系統主界面

3.2.2 查詢分析模塊

查詢分析模塊是系統的核心模塊，主要為用戶提供基于Miami、Thornthwaite、chikugo和朱志輝四種模型計算的各個地區不同年份的數據的查詢，并在地圖上顯示。該模塊提供幾何查詢、MapTip查詢和屬性查詢三種查詢方式。幾何查詢方式是利用手動繪圖的方式，選擇需要查詢的地區并顯示出該地區數據，應對該地區進行高亮顯示(如圖3所示)；MapTip查詢的方式為根據鼠標所在的位置，彈出對話框顯示所在位置地區的數據(如圖4所示)；屬性查詢的方式為通過下拉菜單選擇某一地區，地圖會自動定位到該地區，對該地區高亮進行顯示，同時彈出對話框顯示出該地區的數據(如圖5所示)。

圖3 幾何查詢方式

圖4 MapTip查詢方式

圖5 屬性查詢方式

查詢模塊核心查詢功能是通過ArcGIS API for Silverlight中的Task方式實現的。使用Task通常包括三個步驟：Task對象的實例化、對象注冊完成和失敗事件監聽；參數對象實例化，必要屬性賦值，請求發送；在事件處理函數中處理錯誤信息[12]。使用Task代碼如下：

QueryTask queryTask=new

QueryTask(“http：//lb-pc/ArcGIS/rest/services/heilongjiang/MapServer/5”)；

queryTask.ExecuteCompleted+=QueryTaskx_ExecuteCompleted；

queryTask.Failed+=QueryTaskx_Failed；

ESRI.ArcGIS.Client.Tasks.Query queryx = new ESRI.ArcGIS.Client.Tasks.Query()；

query.OutFields.AddRange(newstring[]{“city”})；

query.ReturnGeometry=false；

query.Where=“1=1”；

queryTask.ExecuteAsync(query，“initial”)；

3.2.3 統計模塊

用戶可以根據自己的需求，對需要的數據進行統計。該模塊有折線圖和餅狀圖(如圖7和8所示)兩種表現方式。折線圖統計方式自動可以生成黑龍江省某一地區NPP、降水量、平均溫度和凈輻射量度值隨年份變化的折線圖；餅狀圖統計方式可以生成某一年全省各個地區的NPP、降水量的餅狀圖以及計算出各個地圖數值占全省的比重。

統計模塊的圖標制作，主要是通過Silverlight的Visifire插件制作。具體過程分為3部分：通過Task方式對屬性數據的訪問、創建圖表和添加圖表數據。

圖6 餅狀統計圖

圖7 線狀統計圖

3.2.4 渲染模塊

渲染模塊提供NPP數據的分級渲染功能。該模塊分為四部分，分別是Miami模型渲染、Thornthwaite模型渲染、chikugo模型渲染和朱志輝渲染。四部分對別對應4種模型所計算的NPP數據渲染，用戶可以選擇不同的色彩、不同年份根據NPP指標分為不同的等級對全省各個地區的進行分級渲染。

渲染功能采用的分級方式是等分方式。即分級指標為數據的最大值減去最小值之后除以級別個數。

核心代碼如下：

Double portion = totalRange/_classCount1；

for(inti=2；i<_classCount1；i++)

{

startRangeValue+=portion；

thematicItem.RangeStarts.Add(startRangeValue)；

}

圖8 系統渲染功能

3.2.5 在線計算

該工具可以通過輸入某一地區的計算參數，選擇所需的計算模型計算該地區的NPP數值。

4 結束語

本文闡述了WebIGIS下的黑龍江省植被NPP碳匯分析系統的開發過程，并采用WebGIS的三層體系結構，便于系統的升級和維護，為黑龍江省碳匯分析平臺的研究提供了新的思路。該研究開發了黑龍江省NPP碳匯分析系統，該系統實現了黑龍江省植被凈初級生產力的可視化查詢與分析，實現了NPP資源和信息的共享，為用戶提供良好的交互界面，可以輔助碳匯相關專業的研究。系統采用功能強大的Silverlight技術創造出內容豐富、界面炫麗，并且能在多種瀏覽器中運行的、交互有好的Web應用程序。基于B/S架構，無需安裝客戶端應用程序，只需添加Silverlight插件即可利用瀏覽器操作系統，增強了用戶使用的便捷性以及數據的安全性。提供Miami、Thornthwaite、Chikugo和朱志輝四種主要模型計算的黑龍江省各個地區不同年份的NPP數值，使用人員可以根據自己的研究需求及模型的適用范圍，選擇使用，提高了數據及系統的可應用性，對NPP信息進行信息化、科學化、規范化管理，為決策提供了依據。

【參 考 文 獻】

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[4]周 平，劉智勇，李吉躍，等.全球陸地碳匯分析系統研發與應用[M].北京：中國林業出版社，2011.

[5]鐘 晟.基于WebGIS的鐵路工程施工管理信息系統關鍵技術研究與實現[D].北京：中南大學，2009.

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[7]蘇清荷，安沙舟，趙 玲.基于5種氣候生產力模型的天山北坡主要草地類型NPP計算分析[J].新疆農業科學，2010，47(09)：1786-1791.

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