土壤鹽漬化風險WebGIS定量評估系統設計與實現

依力亞斯江·努爾麥麥提， 張 東， 楊愛霞

(新疆大學 資源與環境科學學院 綠洲生態重點實驗室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

WebGIS技術能夠把網絡化的地圖和地理分析功能與具體學科領域的系統應用和數據庫操作很方便、快捷地集成在一起，其具有訪問范圍廣、成本低、操作便捷、擴展性強、跨平臺等優點[9]，因此WebGIS技術不僅推動了GIS技術在不同學科領域的廣泛發展應用[10]，而且它進入一個革新的時期[11]。前人在干旱區典型地物WebGIS光譜信息系統[12]和基于WebSIS技術的土壤鹽漬化遙感監測和預警系統[13]等方面開展了相應研究，然而針對基于WebGIS的土壤鹽漬化風險定量評估問題的研究并不多見，況且目前土壤鹽漬化遙感風險監測與評估信息的數字化和計算機決策自動化技術基礎研究比較薄弱，還存在著傳輸時效較差、網絡傳遞不暢、信息共享覆蓋面有限等問題[13]。

本文以我國新疆和田地區于田縣為研究區域，首先利用數據庫技術及方法，建立基于多源遙感數據和GIS的土壤鹽漬化風險評估柵格、矢量及屬性數據庫；其次，結合灰色關聯分析等數學和地學統計模型，構建土壤鹽漬化風險灰色評估模型；再次，基于OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification)這一開放的地理數據互操作規范，利用GIS服務器GeoServer和WebGIS操作框架OpenLayers等開源軟件，搭建基于WebGIS的土壤鹽漬化風險評估系統；最后應用該系統，進行研究區土壤鹽漬化風險定量評估、等級劃分，從而為研究區土壤鹽漬化及時、有效治理和土壤資源的科學管理和農業可持續發展提供新的技術手段。

1 系統總體設計

1.1 數據庫設計

數據庫設計是鹽漬化風險定量評估系統設計的核心內容，是整個系統的基石，是系統建立、操作、管理和穩定運行的基礎[14]。根據眾多專家研究成果[15-17]和于田綠洲實際情況，通過專家咨詢及結合研究區歷年數據資料的完整性、合理性、代表性及數據獲取的可能性，最終選擇了16個評價指標(見圖1)。這些數據一部分用歷年遙感技術來定量反演獲取，包括地面蒸散發、地表溫度、地表反照率(Albedo)、地上生物量、葉面積指數、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、地面數字高程等；還有一部分基于野外實地采集數據，并采用GIS空間內插技術來獲得，包括地下水埋深、地下水電導率、表層土壤pH值、表層土壤含水量等。如圖1所示，基于WebGIS的土壤鹽漬化風險評估系統數據庫主要分為空間和屬性數據庫兩大類和GIS數據庫、遙感影像數據庫、野外采集資料數據庫和統計資料數據庫等四小類，數據格式分為矢量、柵格和屬性數據。

圖1 系統數據庫結構

1.2 系統環境與運行平臺

本系統采用Microsoft Windows Server 2012作為服務器端操作系統、Windows XP Professional Windows 7 Professional作為客戶端操作系統；以Java，JavaScript，HTML，SQL(Structured Query Language)，CQL(Common Query Language)等為開發語言環境；開發瀏覽器采用Microsoft Internet Explorer 11.0和Mozilla FireFox 45.0.1；GIS服務器部署GeoServer 2.8.9 Beta，Web 服務器采用Apache Tomcat 8.0；建立MySQL Server 5.7和 MariaDB10.0引擎數據庫；前臺使用ReactJS和OpenLayers 3.4組件開發客戶端，采用Spring Boot，Spring JPA，Hibernate，Spring MVC，Spring Security等組件構建后臺；后臺以Gradle、前臺以Webpack工具來搭建項目技術框架；采用B/S(Browser/Server瀏覽器/服務器)架構，在前端圖像展示、地圖發布、數據存儲、處理等過程中，采用了一系列開源軟件，使系統具有良好的跨平臺和跨瀏覽器的特點。

1.3 系統開發思路

GeoServer是一個完全符合OpenGIS規范的、功能齊全的開源Web服務器平臺，發布地圖數據方便，容易實現地理信息共享，兼容PostGIS、Shapefile、ArcSDE、Oracle、MySQL、MapInfo等數據格式，支持上百種地圖投影方式[18]，特別是它支持 AJAX (Asynchronous JavaScript and XML)的地圖客戶端OpenLayers，極大地方便了WebGIS系統開發[19]。OpenLayers 是由MetaCarta公司開發的一個專為WebGIS客戶端開發提供的純面向對象JavaScript開源類庫[20]，訪問地理空間數據的方法符合OpenGIS規范，并具有跨瀏覽器、無刷新更新頁面、完全支持GIS行業標準的數據和服務(WMS、WFS、WCS等地理參考信息模型)，支持多種數據格式，這些優點使WebGIS開發人員擁有非常多的開發系統選擇[21]。因此本文通過集成GeoServer服務器和OpenLayers類庫平臺實現了鹽漬化風險評估WebGIS系統的研發。

考慮到本系統設計的主要目的是基于多源遙感定量參數和GIS空間內插數據，利用GeoServer和OpenLayers等軟件，將WebGIS技術和較為成熟的數學灰色評估模型有機集成，進而實現土壤鹽漬化風險因子空間地理數據網絡快速共享和鹽漬化風險定量評估目標，因此，在系統設計過程主要思路有[22]：①利用GIS強大的數據采集和空間分析功能，進行空間數據預處理和基礎數據庫的建立(包括遙感反演地表定量參數、GPS空間定位數據和野外采集數據的GIS空間內插數據)，WebGIS系統開發奠定基礎；②采用前端開發框架ReactJS類來創建高性能用戶界面；通過部署并配置開源WebGIS服務器GeoServer來搭建地理服務器環境，GeoServer配置各種空間地理和地圖數據，并使用數據庫MySQL實現數據存儲；③采用開源JavaScript 類庫OpenLayers開發WebGIS系統客戶端，通過SpringBoot內嵌Apache Tomcat構建后臺Spring框架應用，并采用Gradle工具搭建較為健全的后臺技術框架，進而建立基于GeoServer、OpenLayers、ReactJS、MySQL和Spring的鹽漬化風險評估WebGIS框架；④運用數據標準化、相關分析法、聚類分析法、灰色關聯度分析法等數學評估模型對GIS 的空間分析評價功能進行擴展。結合實際應用，選用適當的數學評估模型與灰色分析法相結合GIS技術進行二次開發，完善GIS的空間分析評價功能，并集成系統中，實現對鹽漬化風險的WebGIS定量評估。

1.4 系統總體架構設計

目前，WebGIS主要有3種不同的應用結構模式：集中模式、B/S構架模式以及C/S結構模式[23]。其中B/S構架模式是一種多層結構，具有更好的交互性、靈活性、可擴展性和維護性等特點，避免用戶重復安裝GIS軟件，操作較簡單，成本較低[23]。因此，本系統采用B/S構架模式，對各項業務進行分離，劃分為數據服務層、邏輯應用層和用戶界面層，本系統總體框架如圖2所示。

圖2 系統總體框架圖

1.5 系統功能模塊設計

根據土壤鹽漬化風險評估研究的主要內容與方法，以及通過對系統用戶需求的分析，本系統的最終目的是實現基于WebGIS完成干旱區的土壤鹽漬化風險強度的分級，并且根據分級結果形成研究區鹽漬化風險等級劃分圖。為了更好地實現這個目標，基于WebGIS的干旱區土壤鹽漬化評估系統主要包括五大功能模塊：數據采集、數據瀏覽及管理、統計分析及信息檢索、空間分析及模型構建和風險評估及區劃(見圖3)。

“秩序是一種均衡狀態，而這種均衡狀態既可能以自然均衡的形式出現，也可能以創制的方式獲得。”[69]《聯合國憲章》確立的宗旨和原則，是國際關系的基本準則，也是人類命運共同體的基石。聯合國和平、發展和人權事業是人類命運共同體的支柱。中國與聯合國合作構建新型國際關系、共建“一帶一路”，是實現人類命運共同體目標的重要路徑[70]。構建人類命運共同體不是一朝一夕的事情，需要推進中國特色大國外交，在發展大國關系、周邊關系、發展中國家的關系時，不斷深化共同利益，推動規則的設置、完善，促進中國和世界各國良性互動、互利共贏，形成命運共同體，進而共同構建“五個世界”[71]。

圖3 系統功能模塊關系圖

(1) 數據采集。基于Web和GeoServer的在線數據插入方式進行，用戶按照自己權限對系統進行遙感數據、空間數據、野外采集數據及統計資料等數據的上傳和下載。

(2) 數據瀏覽及管理。通過用戶權限及身份驗證來進行，不同身份用戶具有不同數據管理權限，當進入數據管理模塊時，用戶對遙感、GIS和其他屬性數據進行瀏覽、查詢、編輯、刪除、導出、導入、追加等相應數據管理的操作。

(3) 統計分析和信息檢索。實現訪問土壤鹽漬化相關RS、GIS和屬性數據庫，可以進行空間數據與屬性數據的查詢。除此之外，用戶可以實現圖示點檢索，用戶通過鼠標點擊窗口內圖元即可瀏覽該圖元的屬性值。系統還提供用戶對各種評價因子的統計分析，主要統計特征包括：平均值，最大值，最小值，標準差，方差，變異系數，偏度，峰度等。

(4) 空間分析及模型構建。包括用戶鹽漬化成因空間分析和構建風險評估模型等兩大內容。用戶先依據需求進行多源數據的集成、矢量化，建立基于WebGIS的數據庫，然后通過鹽漬化評價因子進行相應統計分析，確定鹽漬化風險評估的評價因子。通過采用數據標準化方法進行空間柵格數據集的標準化處理。最后計算評價因子風險權重系數，并生成評價因子灰色關聯系數柵格圖層，構建土壤鹽漬化風險空間灰色評估模型。

(5) 鹽漬化風險評估。通過空間數據直觀具體表示土壤鹽漬化風險的空間分布規律，并按照不同級別劃分鹽漬化風險等級，展示鹽漬化風險情況的區域劃分及形成相應的專題地圖。實現該系統的實時顯示、放大、縮小、平移、查詢和輸出等功能。

2 系統功能實現

本系統以安全性、先進性、簡便性、實用性、合理性及可擴展性原則為導向，從用戶使用能夠遠程快速數據共享及風險評估的角度，通過集成GeoServer、OpenLayers、ReactJS、Spring、WebGIS等開源軟件框架和技術，實現了系統主要五大功能模塊：數據采集模塊、數據瀏覽及管理模塊、統計分析及信息檢索模塊、空間分析及模型構建模塊和風險評估及區劃模塊。

首先，為了保證系統的安全性，設置系統用戶登錄功能，系統登錄界面如圖4所示。系統用戶組分為管理員用戶(具有所有權限，包括數據編輯、修改，系統維護和風險評估等權限)和普通用戶(限權用戶，只具備系統瀏覽、查詢、風險評估等權限)。

圖4 系統登錄界面

然后，進入系統鹽漬化風險評估區域選擇界面，按照用戶需求及采集數據的完整性，用戶選擇研究區所在省、市、區或縣，并進入系統主界面(見圖5)。系統實現鼠標經過地圖區域當前高亮顯示特效，用戶可以方便選擇需要評估區域。

圖5 鹽漬化風險WebGIS評估系統主界面

干旱區土壤鹽漬化風險評估系統用戶主界面(見圖5)由6部分組成，分別為標題欄、菜單欄(包括：首頁、數據采集、數據管理、統計分析、模型構建、風險評估和系統設置等)、工具欄(包括：放大、縮小、拖動、全屏顯示、導出等)、數據及圖層管理區域(圖層名稱、是否顯示等)、數據顯示窗口區域、狀態欄(包括：顯示當前圖層、當前比例尺、光標位置經緯度、光標位置取值和任務完成情況等)。實現窗口風格、菜單及工具欄功能與ArcMap系統類似，力求實現用戶界面友好、操作簡單實用。

(1) 數據采集模塊。實現對系統進行遙感數據、空間數據、野外采集數據及統計資料等數據的上傳和下載功能，用戶按照自己權限及需要下載數據或者按照數據類型上傳數據，并直接保存系統服務器，所上傳及插入數據可以在系統主界面瀏覽、展示。

(2) 數據瀏覽及管理模塊。包括對數據進行瀏覽、查詢、編輯、刪除、導出、導入、更新等功能，保證了系統數據的進一步維護、完善和有效管理，為系統提供可靠數據源。

(3) 統計分析和信息檢索模塊。為了獲取與分析不同鹽漬化風險評價因子的統計特征，并對評價指標體系的建立提供有利參考。本模塊實現了平常地學統計常用的統計量的計算，同時實現了用戶根據自己權限進行系統數據訪問、空間和屬性數據的查詢和圖示點檢索功能。

(4) 空間分析及模型構建模塊。空間分析為WebGIS系統的最顯著特征之一。本系統按照鹽漬化風險評估工作需要設計了地理數據空間內插、數據標準化、風險權重系數計算、柵格計算和鹽漬化風險評估模型構建等空間分析和數據處理等功能，使得用戶按照需求進行多源數據的集成、柵格圖層的空間疊加、評價因子統計分析、風險權重確定，從而構建土壤鹽漬化風險灰色評估模型。

(5) 鹽漬化風險評估模塊。在構建模型模塊所計算生成的評價因子風險權重系數和灰色關聯系數柵格圖層的基礎上，通過系統鹽漬化風險灰色評估模塊(見圖6(a), (b))，計算并產生研究區土壤鹽漬化風險的空間分布圖及風險等級區劃圖(見圖6(c))，實現研究區土壤鹽漬化風險狀況的實時顯示、放大、縮小、平移、查詢和輸出等功能。

圖6 系統鹽漬化風險灰色評估菜單(a)和窗口(b)，系統鹽漬化風險灰色WebGIS定量評估結果展示(c)

3 結 語

本系統基于OpenGIS規范，集成開源GeoServer服務器和OpenLayers類庫，將GIS空間分析技術、MySQL數據庫技術、Web軟件集成開發技術和數學灰色評估模型等有機結合，基于本文提出的開源WebGIS系統架構，采用鹽漬化風險灰色評估方法與理論，實現了在互聯網上快捷發布、瀏覽、共享、管理、查詢、統計分析、模型構建和鹽漬化風險灰色評估等功能。實現了干旱區土壤鹽漬化風險有關矢量及柵格數據的遠程采集，建立了基于WebGIS的矢量、柵格及屬性數據庫，并利用該系統對研究區土壤鹽漬化現狀進行了風險WebGIS定量評估。系統具有模塊化、可視化及交互式的特點，用戶界面友好、方便操作并具有可擴展性，能在Windows和Linux等操作系統下穩定運行，實現了一個通用、低成本、高效的WebGIS系統。為干旱區土壤鹽漬化風險遙感與GIS定量評估的WebGIS系統

奠定了基礎；為研究區土壤鹽漬化實時、有效治理、土壤資源科學管理提供新的技術手段和參考依據。