松遼流域水土保持監測信息系統的設計與實現

鄭國臣，劉洪超，呂 軍，秦 雨,2

(1.松遼流域水資源保護局，吉林 長春 130021； 2.長春工程學院 水利與環境工程學院，吉林 長春 130021)

松遼流域水土保持監測信息系統的設計與實現

鄭國臣1，劉洪超1，呂 軍1，秦 雨1,2

(1.松遼流域水資源保護局，吉林 長春 130021； 2.長春工程學院 水利與環境工程學院，吉林 長春 130021)

水土保持監測；信息系統；松遼流域

圍繞松遼流域水土保持監測業務需要，利用現有基礎條件，設計了松遼流域水土保持監測信息系統。該系統匯集了水土保持區域、常規監測點、生產建設項目、野外調查單元及水文泥沙站點等數據，統籌考慮了水土保持監測數據的采集、存儲、管理與共享方式；基于松遼流域水土保持監測信息標準化數據，嚴格按規范和標準進行規范化統一入庫，構建數據庫，有效地存儲、管理與分發圖形、圖像和音像等專業數據，實現信息資源共享；遵循主流接口規程和協議標準，為進一步提升松遼流域水土保持監測信息智能管理水平提供了數據基礎和技術支撐。

水土保持監測與信息化是當前水利部著力推動的重點工作之一，加強水土保持監測和信息化是落實我國生態文明建設決策部署和相關制度,適應政府職能轉變和強化水利行業管理,推動水土保持改革發展的要求[1]。近年來，松遼流域水土保持監測能力有了明顯增強，但在水土保持監測信息化方面仍亟待提高。為此，我們的目標是建設融合系統框架、總體功能、關鍵技術、業務應用等的松遼流域水土保持監測系統，基于水土保持業務需求與軟件設計思想，在數據收集系統、三維仿真和多媒體等技術的支持下，實現對水土保持監測對象的空間結構、時間過程、內在規律和特征屬性的全息化描述，從而實時、準確地監控分析流域內土壤侵蝕的過程[2]。

按照松遼委水土保持處的業務需求，結合松遼流域水土保持監測網絡建設現狀，針對水土保持監測業務中“面向對象”與“全息化描述”等需求，在數據收集系統(DCS)、三維仿真和多媒體等技術的支持下[3-4]，松遼流域水資源保護局松遼水環境科學研究所設計了松遼流域水土保持監測信息系統。該系統嚴格按照規范和標準進行規范化數據統一入庫，構建數據庫，有效地存儲、管理與分發圖形、圖像和音像等專業數據，實現信息資源共享，以滿足今后松遼流域水土保持監測業務發展的需求，從而初步實現松遼流域的“智慧水土保持監測”目標[5]。

1 數據結構類型

1.1 矢量數據

在進行數據處理前，必須保證各圖層投影一致，投影轉換可以直接通過地理信息系統軟件的工具或菜單命令實現(選擇相應圖層，提供相關參數信息，用軟件實現投影轉換)。圖形拓撲檢查及編輯是為了保證圖層的正確性，可對未封閉面、多余線、重復線、懸掛線進行拉伸和刪除等，完成圖層編輯后，應用地理信息系統軟件的菜單命令創建圖層的拓撲關系，之后對結果再次進行檢查與編輯，每次數據編輯過后均需創建拓撲。確保圖層拓撲關系正確后，可將準備好的圖形數據按空間數據庫結構和對應關系分類入庫到空間數據庫中。數據入庫后，需要進行入庫數據的校驗，包括數據的錯誤檢查和一致性檢查。

1.2 柵格數據

對已有的遙感圖像進行增強、重采樣，生成不同分辨率的可供不同比例尺專題圖使用的圖像并存儲，將不同分辨率的遙感圖像拼接起來，生成不同比例尺的全省遙感圖像，并形成柵格“金字塔”結構。圖像增強可以采用基于線性拉伸的圖像增強方法、基于分段線性拉伸的圖像增強方法、基于直方圖均衡的圖像增強方法等，使用遙感處理軟件拉伸增強功能即可實現。在瀏覽影像數據時，可以根據當前用戶所需的分辨率，提取相應尺度“金字塔”層的數據，從而實現影像數據的快速瀏覽。柵格“金字塔”結構采用“多級多塔”的構架，即橫向上分成原始分辨率和30、60、120、240、480、1 000 m七級分辨率的遙感影像，在縱向上每一級又分別對應多個“金字塔”結構。

1.3 屬性數據

屬性數據處理與入庫操作相對簡單，但是數據量較大。已有數據可能是電子版本的，也可能是文本形式的，無論是哪種形式都統一按照制定的數據分類與編碼標準進行整理匯編，之后實現數據入庫。

1.4 多媒體數據

多媒體數據處理與入庫操作也比較簡單。將已有的多媒體資料整理、分類，轉換為Oracle數據庫支持的多媒體數據格式，通過自主開發的軟件系統直接實現數據入庫。

2 數據庫建設

2.1 元數據庫

元數據庫存儲信息主要包括：基礎空間數據、監測數據的來源、性質、精度、形成時間、坐標系統、數據生產者、數據質量、存儲位置、存儲數據編碼方式、與其他信息的關系等。

2.2 水土保持區域監測數據庫

水土保持區域監測數據庫存儲的信息包括行政區劃、水系、DEM、土地利用、TM影像及土壤侵蝕強度等，均以相應的專題圖形式展示，專題圖上的地物與對象記錄一一對應。

2.3 監測點數據庫

監測點數據庫存儲信息包括基本信息(監測點名稱，所屬小流域名稱，所屬監測分站名稱，所屬鄉鎮、縣、市名稱，水土流失類型區，設施類型，監測點經緯度)，設施信息(徑流小區、控制站、氣象站)，設備信息(設備名稱、規格、型號、安裝位置、測量精度、備品配件及存放位置、銷售商及聯系方式、生產廠商及聯系方式)，水蝕監測點(徑流場和控制站監測信息)，降水量及降水強度，土壤含水量，徑流量和泥沙量，以及控制站觀測水位、流速與流量、泥沙量等。

3 應用開發

3.1 監測點監測數據上報子系統

監測點監測數據上報子系統包含監測點基本信息和監測數據的錄入、導出、查詢、統計等模塊，其中：基本信息包括小流域所在行政位置、地理位置、流域特征、社會經濟情況、控制站名稱、編號等；監測數據包括土壤類型、土層厚度、分流系數等(圖1)；數據錄入模塊，錄入氣象(降水、蒸發、氣溫)、土壤(土壤水分)、徑流場(徑流、泥沙)、控制站(徑流、懸移質、推移質)觀測數據等(圖2)；數據查詢模塊，實現某時段降水、徑流泥沙、土壤水分、氣溫等觀測數據的查詢(圖3)；數據統計模塊，對數據錄入內容進行逐日、月、年、多年及某時段統計(圖4)。

3.2 水土保持監測數據管理子系統

(1)區域監測數據管理。主要包含基礎空間數據管理、 土壤侵蝕管理等功能。①基礎空間數據管理功能，主要包含圖層管理、三維可視化、地圖操作(平移、旋轉、縮放、暫停)、斷面查詢、高差查詢、面積量算、距離量算、匯水分析及一鍵通查詢服務等。②土壤侵蝕管理功能，能按照行政區、水系(流域)兩種途徑查詢、統計土地利用現狀、坡度分級、土壤侵蝕信息(如土壤侵蝕類型、強度、分布等)，查詢統計結果以圖表的方式直觀表達。

圖1 徑流小區錄入信息操作示意

圖2 降雨觀測數據導出操作示意

圖3 徑流泥沙采樣查詢模塊操作示意

圖4 降雨量統計模塊操作示意

(2)監測點數據管理。根據監測總站接收到的監測分站上報的轄區監測點數據，通過動態存儲、分類統計、數據歸檔、本地封存，及時掌握監測點水土流失觀測數據，實現對地面觀測與試驗設施所獲得數據的有效管理。按水系(流域)、監測點、監測指標、監測時段進行數據管理、查詢、統計、分析，統計分析結果直接生成報表和統計圖，并能夠即時打印輸出。

(3)生產建設項目監測數據管理。主要對生產建設項目監測數據進行管理，具備數據查詢、統計、導出等功能。

3.3 水文泥沙站點數據管理子系統

基于監測點數據庫數據，按照不同行政區、流域、水文站點、監測時段查詢、統計、導出水文泥沙站點監測數據，實現數據發現、分類、封包、傳輸、接收、解包、校驗、入庫等。

3.4 運行管理子系統

該子系統主要包括權限管理、日志管理系統，供業務部門使用，能保證系統信息的全面性。該子系統涉及海量、類型多樣的數據，用戶范圍橫向涉及松遼水環境科學研究所的技術、管理、決策人員，縱向涉及各級監測站點技術人員。針對不同用戶、不同業務需要，授權到具體界面、菜單、按鈕或子程序，對不同數據項限制其訪問、讀取、增加、刪除、修改、存儲、位置變更等操作權限，包括權限配置、權限操作、權限安全管理、用戶權限初始化。還能通過日志來檢查錯誤發生的原因，或者系統用戶操作時留下的痕跡，按操作日志和異常日志兩類設計，其中操作日志是用來記錄用戶對系統的操作信息，異常日志是用來記錄用戶對系統進行非法操作或系統出現異常時的信息。

4 結 語

加快水土保持監測信息系統建設是提高水土保持監管能力的內在要求。結合松遼流域水土保持監測業務需求，考慮現有監測數據、國家標準數據，以及水土保持行業標準數據的聯系與區別，按水土保持業務需要把基礎地理空間數據轉化為符合行業標準的屬性信息，確保了數據的專業性。構建松遼流域水土保持監測信息化平臺，嚴格執行國家和行業標準，使用統一的名詞術語、分類編碼、數據交換格式和信息描述方式等，空間數據元數據、信息編碼規范，保證了數據庫系統的完整性、協調性和規范性。在統一規劃的前提下，統一方法、統一指標、統一操作流程、統一精度進行空間數據的組織，使用統一的坐標系、投影方式、比例尺和通用的數據格式，保障了海量數據的無縫拼接、數據共享與應用。松遼流域水土保持監測信息平臺的建設，實現了松遼流域水土保持監管工作的新跨越，推進了水土保持管理工作由傳統管理方式向互聯、互通管理方式的轉變進程，為進一步提升松遼流域水土保持智能管理水平提供了數據基礎和技術支撐。

[1] 吳炳方,周月敏.水土保持監測信息系統的設計與實現[J].計算機工程,2009,35(1):269-271.

[2] 姜德文.加快水保信息系統建設 適應現代管理新要求[J].中國水土保持,2015(1):1-2,7.

[3] 劉淑珍,劉斌濤,蘇正安,等.對我國水土流失調查評價方法若干問題的思考[J].山地學報,2014,32(2):150-153.

[4] 于文軍,劉琦.扎魯特東北黑土水土保持監測分析[J].中國水能及電氣化,2017(3):22-25.

[5] 王浩民.黑龍江省生產建設項目水土保持監測工作綜述[J].黑龍江水利科技,2015,43(1):51-53.

鄭國臣(1976—)，男，黑龍江哈爾濱市人，高級工程師，博士，主要從事水資源保護方向的研究工作。

2017-07-20

(責任編輯 李楊楊)

S157

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1000-0941(2017)11-0064-03