基于DTGIS的風蝕沙區水土流失治理決策系統設計

王永勝，李 寧，胡 影，李團宏，馮 陽，肖 彧

(1.北京地拓科技發展有限公司，北京 100084；2.新疆生產建設兵團水土保持監測總站，新疆 烏魯木齊 830002；3.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083)

根據《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、內蒙古、青海、甘肅等干旱半干旱地區[1]。強烈的風力侵蝕不僅直接導致土地荒漠化發展，而且會引起土壤粗化、土壤養分含量降低、土地生產力下降、沙塵災害頻發等[2-4]，直接威脅農田、道路、水利設施安全，給當地居民生產生活帶來嚴重影響。因此，在風力侵蝕地區開展水土保持工作，對于減輕區域風沙危害、維護生態安全、保障人居環境具有重要意義，治理風力侵蝕地區水土流失是我國水土保持工作的重要內容。

決策支持系統(Decision Support System)是20世紀70年代末期興起的一種新的管理系統，是在管理信息系統(MIS)的基礎上發展起來的為各級管理者提供輔助決策的應用系統，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——流域空間信息服務平臺，把風蝕沙區水土流失治理決策中需要的社會經濟、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，實現對相關數據的查詢、統計、分析，為風蝕沙區水土流失治理提供決策支持。

1 系統架構設計

該軟件系統以C#作為開發工具，系統程序架構采用DTGIS與.NET方式構建，整個架構包括前端、后臺服務和數據庫三部分。前端開發采用.NET的WPF，后臺服務端用DTRSServer(地拓遠程服務)構建，數據庫采用DTSpatial(地拓空間數據庫)。風蝕沙區水土流失綜合治理決策系統架構設計見圖1，系統登錄界面和主界面見圖2、3。其中，數據層主要是用來存儲水土流失綜合治理相關數據，包括基礎地理信息數據、風蝕模型數據、典型水土保持植物數據、水土流失綜合治理典型模式數據、標準規范數據、法律法規數據及學術文獻數據等，數據類型包括shp格式、tif格式、PDF格式及JPG格式等，支持數據庫基本操作，支持遠程客戶端與數據庫進行聯機操作。服務層是本地控制的接口，提供共享資源并執行與局部資源相關的操作，為系統運行提供平臺底層支持。系統采用組件化技術作為主要手段進行軟件系統的開發，在應用界面創建應用接口，基于接口在形式上表現為對象的屬性、方法和事件，為用戶提供組件式GIS應用[6]。應用層能實現用戶的管理功能、風力侵蝕分析功能及決策支持功能的操作和結果輸出，包括地圖服務、圖表互查、統計報表、風力侵蝕計算、空間計算分析、數據導出等功能。

圖1 風蝕沙區水土流失綜合治理決策系統架構設計

圖2 系統登錄界面

圖3 系統主界面

2 系統功能設計

軟件共有3個功能模塊，即數據管理功能模塊、風力侵蝕分析功能模塊和決策支持功能模塊(圖4)。

圖4 風蝕沙區水土流失綜合治理決策系統功能模塊

2.1 基礎數據管理功能

基礎數據管理包括數據輸入、輸出、編輯、查詢等功能。管理數據包括基礎地理數據、風蝕模型數據、典型水土保持植物數據、水土流失綜合治理典型模式數據、標準規范數據、法律法規數據及學術文獻數據等。數據類型及格式包括矢量數據(.shp)、柵格數據(.tif)、圖片數據(JPG)、文本數據(PDF)等，系統管理數據類型見表1。

2.2 風力侵蝕分析功能

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

表1 風蝕沙區水土流失治理決策系統管理數據類型

2.3 決策支持功能

(1)靶向篩選功能。水土流失綜合治理規劃設計前期，往往需要確定項目實施區域，可通過系統的靶向篩選功能輔助完成。靶向篩選可以實現按照因子屬性值篩選(如篩選土地利用為沙地和草地的區域)，也可以根據需要篩選因子的取值范圍(如篩選3月平均風速在5～6 m/s的區域)。靶向篩選可以單因子篩選，也可以多因子綜合篩選。選定區域后可實現選定區域矢量邊界的導出功能。目前，該模塊可實現水土保持植物、自然氣候、社會經濟、典型治理模式、標準規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后，需要對項目區基本情況進行了解，以便合理分區和布局水土保持措施。系統具有對項目區背景信息進行空間統計分析的功能，能通過導入項目區矢量邊界(導入矢量文件或者輸入項目區邊界拐點坐標)，確定分析區域(項目區)。選擇需要空間分析的因子，如土地利用、風力侵蝕強度、植被蓋度等，系統自動分析項目區選取因子的基本情況，分析結果以電子表格和柱狀圖兩種方式顯示，并可以輸出相關成果。

(3)緩沖分析功能。規劃設計水土流失綜合治理措施時，除需要掌握項目區空間范圍內背景資料外，有時還需要關注項目區外一定區域的背景信息，通過系統的緩沖分析功能可實現對項目區外一定空間區域的背景資料的分析統計，為區域水土流失綜合治理措施規劃設計提供數據參考。緩沖范圍可根據需要進行設置。

3 結 語

該軟件是基于DTGIS核心服務平臺開發的一款服務于典型風蝕沙區水土流失治理的軟件，可實現基于風力侵蝕模型的風力侵蝕模數的計算，空間基礎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、區域自然氣候信息、社會經濟信息、標準法律法規等資料的錄入、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，為風蝕沙丘水土流失綜合治理提供了新的技術手段和方法，增加了風蝕沙區水土流失綜合治理的科學性，為風蝕沙區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,嚴平,高尚玉,等.我國沙塵暴災害及其研究進展與展望[J].自然災害學報,2000,9(3):71-77.

[3] 張國平,張增祥,劉紀遠.中國土壤風力侵蝕空間格局及驅動因子分析[J].地理學報,2001,56(2):146-158.

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

[5] 俞瑞釗,陳奇.智能決策支持系統實現技術[M].杭州:浙江大學出版社,2000:3．

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

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