基于“3S”技術的黃土丘陵溝壑區水土保持信息管理系統建設

劉 林

(山西省水土保持科學研究所，山西 太原 030013)

晉西黃土丘陵溝壑區是山西省乃至全國水土流失最為嚴重、生態環境最為脆弱的地區之一，大量的黃土流失不僅會引發下游水庫淤積、河道堵塞、河床升高等[1-2]問題，而且會導致耕地面積減少、土壤質量惡化、人民生活困難、貧困加劇等惡性效應[3]。同時，該地區立地條件復雜、梁峁交錯，實地調查工作進展緩慢，給傳統水土保持監測和治理工作造成了極大困難[4]。以王家溝流域為例，該流域位于北緯37°32′～37°34′、東經111°08′～111°11′，總面積約為9.1 km2，是黃河一級支流三川河的一條支溝，位于山西省西北的呂梁市，屬于典型的黃土丘陵溝壑區。流域內地形破碎、溝壑縱橫，再加上毀林開荒及陡坡地耕作等人為原因，導致水土流失十分嚴重。山西省水土保持科學研究所從1955年起對該流域進行了長期的監測和研究，積累了包括降水、徑流、泥沙、植被、地形、土壤、水土保持措施等大量數據。如何高效管理和充分利用這些數據，解決傳統監測和管理中遇到的困難，已成為王家溝流域乃至整個黃土丘陵溝壑區土壤侵蝕研究和水土保持決策的當務之急。

近年來，水利部和山西省相繼出臺了有關文件，要求積極推進信息化技術在水土保持工作中的應用[5-6]，其中“3S”技術作為信息化技術研究的熱點，具有獲取數據的實時性、連續性、快速性和數據處理的準確性、空間性，以及決策服務的可視性等優點，同時用戶可根據實際功能需求進行GIS二次開發，實現對各類數據庫的集中管理、分析、推理和決策。基于此，本研究采用C/S結構，用Visual Studio.net開發平臺，使用C#語言和ArcEngine二次開發組件，以Access為后臺數據庫管理系統，并集成專業數學評價模型，建立黃土丘陵溝壑區水土保持信息管理系統，以期對王家溝流域水土保持相關信息進行科學有效的管理，為晉西黃土丘陵溝壑區水土保持信息化工作提供參考。

1 水土保持信息管理系統的建設

1.1 信息源

該系統水土保持信息源分為地圖信息、屬性信息、影像信息和其他有關信息四類。這四類信息數據量大且繁雜，采集、存儲和查詢工作量巨大，系統的建設為水土保持信息采集、整理建庫搭建了有效平臺。王家溝流域水土保持信息管理系統數據源見表1。

1.2 系統體系構架

系統運用ArcEngine、空間數據引擎ArcSDE在Visual Studio.net環境下實現對Access屬性數據庫、Geodatabase空間數據庫數據的上傳下載、快速查詢，并結合水土保持相關模型實現數據實時分析、快速專題圖制作、三維虛擬漫游等功能，大大提高了水土保持信息管理與決策的科學性和準確性。系統采用C/S結構，業務邏輯上表現為用戶界面層、業務邏輯層、數據層三層。用戶界面層包含4個主功能模塊及12個子功能模塊。4個主功能模塊分別為水土保持屬性信息管理功能、野外調查標繪功能、土壤侵蝕現狀分析功能及三維顯示分析功能。12個子功能模塊分別為：屬性數據添加、更新功能，屬性數據修改、查詢功能，屬性數據與Excel數據相互轉化功能； 航拍影像小班標繪功能，小班面積、長度、坐標測量功能，矢量數據編輯功能；DEM數據坡度提取功能，土壤侵蝕現狀分析功能，土壤侵蝕結果統計功能；航拍影像3D圖像生成功能，3D圖像關鍵幀、路徑漫游功能，漫游視頻生成及導出功能。系統體系構架如圖1所示。

表1 王家溝流域水土保持信息管理系統數據源

圖1 系統體系構架示意

2 水土保持信息管理系統的功能及應用

2.1 水土保持屬性信息管理功能

該模塊主要為基層人員日常數據管理工作服務。在Access數據庫支持下實現用戶對水土保持日常監測數據、年度調查數據、社會統計數據及其他相關資料、數據的管理。為便于用戶使用，屬性數據庫設有兩種數據管理模式。一是常規數據管理模式。系統預設了相關水土保持屬性信息的根目錄，用戶只需按系統要求即可完成數據的輸入、更新及查詢等功能。二是Excel管理模式。系統能識別xls格式的數據，用戶可直接在系統中對Excel數據進行操作，完成后也可輸出為xls格式的Excel數據，降低了用戶使用的難度，便于基層部門對水土保持數據的共享與管理。

2.2 野外調查標繪功能

該模塊主要是為水土保持野外調查工作服務。廣大野外工作者在進行水土保持監測、水土保持規劃設計的過程中，常常需要開展實地勘測、野外標繪小班等工作。該模塊功能可大大減少開展相關工作的人力及物力消耗。用戶只需在系統中調入項目區相關航拍影像、衛星影像或無人機航測圖等數據，使用系統的標繪功能，即可在項目區內標繪點、線、面矢量數據。系統提供了測量功能，可在影像數據上直接進行測量，解決了傳統野外勘測受地形、地物限制而無法實地勘察的問題。系統還提供了多種數據輸出格式，便于用戶在AutoCAD、ArcGIS、MapGIS、Global Mapper等軟件中進行二次編輯和利用。

2.3 土壤侵蝕現狀分析功能

該模塊主要是為水土流失治理工作服務。受特殊的立地條件和自然環境影響，晉西黃土丘陵溝壑區土壤流失形式以溝道、坡面侵蝕為主。傳統方式對土壤侵蝕現狀的調查和分析常常存在勘測難度大、持續時間長、現狀分析滯后且盲點多等問題，給當地水土流失治理決策造成了困難。為了更好地推廣和應用該系統，在模塊設計時強調了“一鍵式”的設計理念，大量的地理信息算法、遙感解譯算法和數理統計算法通過編程語言被鑲嵌在各功能按鈕中。對于廣大軟件用戶，無需專業的“3S”技術背景，只需要按系統要求提供所需數據，即可“一鍵”生成項目區各類專業的水土保持專題圖，如流域坡度分類圖、土壤侵蝕強度分級圖等，同時系統提供了專業的數據統計工具，用戶可在第一時間得到流域內各侵蝕強度的分布面積。“一鍵式”的設計理念使軟件更容易被用戶接受和使用，真正實現了讓更多基層人員用起來、更好服務于基層水土保持工作的目的。

2.4 三維顯示分析功能

該模塊主要是為水土保持數據展示服務。前述3個主功能模塊已經實現了將普通數據轉換為2D GIS數據進行展示的目的，但為了讓用戶更好地理解和分析數據，進一步挖掘數據價值，系統利用IRasterSurface、ILayerExtensions、I3DProperties等接口將2D GIS數據顯示為3D GIS數據，實現對復雜流域地區的三維虛擬顯示。用戶只需按照系統要求添加相應的影像數據、DEM數據，設定相應的膨脹系數，系統就能通過內部算法自動匹配對應地物坐標和特征點，快速生成相應流域的3D虛擬影像。為更直觀地展示3D GIS數據的效果，系統提供了兩種3D數據漫游模式，用戶可自定義關鍵幀進行局部特征位置飛行展示，也可設定飛行路徑按航線展示，多角度展示數據和提供決策依據。

3 結 語

黃土丘陵溝壑區水土保持信息管理系統建設的目的是為黃土丘陵溝壑區水土保持監測和管理工作信息化、自動化探索新模式。該系統在需求分析、數據源采集、功能設計、結果展示等方面充分考慮了晉西黃土丘陵溝壑區自然環境、社會經濟及應用人群等因素，簡化了操作流程，降低了用戶專業要求，強調“一鍵式”設計理念，以實現真正在基層水土保持工作中推廣和應用的目的。

該系統所選擇的軟、硬件平臺和系統開發工具合理，便于實現Client/Server架構，且系統提供了多個組件式接口，可根據項目區流域實際情況進行二次開發，具有很好的靈活性和拓展性；數據庫(包括空間數據庫)設計合理，Access+Excel模式既考慮了設計規范和標準，又考慮到用戶操作的實用性，充分保證了數據的共享性；在目前水利信息化高速發展的背景下，系統采用“3S”技術及熱門的無人機(UAV)航測技術，實現了水土保持信息的獲取、管理、分析、展示的自動化、高速化和準確化，為推進晉西黃土丘陵溝壑區乃至山西省水土保持信息化工作進行了探索與嘗試。

[1] 申俊峰,孫岱生,李勝榮,等.解決水土流失與水庫淤積的有效途徑[J].水土保持學報,2001,15(2):96-98.

[2] 劉林,王小平,孫瑞卿.半干旱黃土丘陵溝壑區溝道侵蝕特征研究[J].水土保持研究,2015,22(1):38-43.

[3] 周浩文.水土流失對農村貧困的影響及治理分析[J].新農村(黑龍江),2017(20):16.

[4] 喬玉良.水土流失區土地利用動態的遙感監測——以晉西三川河流域為例[J].遙感學報,2015(3):172-181.

[5] 朱清科,馬歡.我國智慧水土保持體系初探[J].中國水土保持科學,2015,13(4):117-122.

[6] 王春玲,孟丹,王冬梅,等.我國水土保持信息化建設的現狀與建議[J].中國水土保持,2016(3):69-72.