基于WebGIS的河南省草地資源信息化系統的設計與實現

翟 皓，景德廣，李 黎，王 磊，王 榮，郭 孝，朱偉然，梁亞爽，張國啟

(1.河南省地圖院，河南 鄭州 450003； 2. 河南省飼草飼料站 ，河南 鄭州 450003； 3. 河南牧業經濟學院，河南 鄭州 450046)

隨著人口的增加和人類社會的發展，草地生態價值和經濟價值越來越凸顯。草地作為畜牧產業的物質基礎，野生動植物的棲息繁殖場所，是我國的重要戰略資源，也是我國重要的生態屏障和發展畜牧業的基礎[1-2]。黨中央十九大針對草地資源的管理和保護提出了“全面開展公共資源清查”和“推進全民所有自然資源資產清算核算”的統一要求。為了貫徹黨的十九大精神，破解草地資源數量和質量臺賬不清、數據不全、無法定性定量評價的瓶頸，2018年河南省成功開展了草地資源清查工作，共對全省1 692個草地樣地進行了清查，全省天然草地面積共52.24萬公頃，可分為暖性灌草叢、熱性灌草叢、低地草甸和山地草甸共4個類，30個型，其中國家級珍稀瀕危保護植物63種，省級保護植物64種[3]。

本次草地清查工作取得了一系列豐碩成果，從數據性質上分類，可分為體系化、專業化的各類屬性和統計數據以及空間位置和時間維度數據。對三維草地資源數據實施有效的組織、管理和利用，實現草地清查工作成果的信息化管理和應用，直接關系到本次草地資源清查工作成果的生態、社會和經濟價值[4]。目前，草地資源信息化建設存在相當數量的研究，在草地資源保護、管理和利用等方面起到了積極作用，但是研究方向多關注草地評價模型的局部研究忽視草地各項指標的綜合應用，重草地資源數據挖掘輕草地及相關資源監測信息有效管理，數據依附于平臺缺乏草地資源基礎地理信息數據的共享機制。為了加快草地資源的數字化進程，實現信息共享和互動操作，促進草地生態信息科學的發展，本文結合網絡地理信息系統(Web Geographic Information System，WebGIS)技術、數據庫技術與.NET平臺架構上的動態服務器網頁(Active Server Page.NET，ASP.NET)技術，進行了河南省草地資源的信息化過程研究，構建了河南省草地資源信息管理系統。

1 系統技術分析

1.1 ASP.NET技術

ASP.NET技術是Microsoft公司推出的用于Web應用開發的一種編程技術，它包括：用于靜態網頁文檔設計的超文本鏈接標示語言(Hypertext Markup Language，HTML)技術、為網頁添加各式各樣的動態功能和交互行為的Javascript網頁腳本技術和用于獲取服務器資源、查詢數據庫、執行數據運算、響應文件請求的后臺技術[5]。ASP.NET技術是系統Web管理應用的解決方案，HTML和Javascript技術設計系統的前臺界面和功能入口，后臺技術提供前臺需要的各種數據和文件服務。

1.2 WebGIS技術

WebGIS是傳統的GIS在Internet上的延伸和發展，它既具有空間數據的檢索、地圖互操作、空間分析、制圖輸出、編輯等GIS功能，也能在Internet上進行地理信息的發布、共享和交流協作[6-7]。本次WebGIS開發實踐采用ArcGIS Web App Builder開源二次開發框架[8]作為解決方案，區別于傳統的WebGIS應用開發解決方案具有以下優勢：集成了基礎的地圖操作和數據訪問接口，采用組件式開發架構模塊間相對獨立，擁有可配置化架構數據與功能分離，系統的開發和維護難度較低，支持靈活的功能擴展和專項定制。方案中以ArcGIS JavaScript API技術實現瀏覽端地圖和空間數據相關操作的用戶界面和入口，以ArcGIS Server地圖服務器管理和發布后臺地圖服務并提供空間數據查詢、量測和分析等服務，滿足瀏覽端的訪問和調用。

2 系統設計和數據組織

該系統旨在建立一個集草地信息管理、應用和基礎地理信息服務于一體的系統[9]。基于該系統，決策部門可以把握河南省草地資源的空間和數量分布特征，也可以查看區域內草地資源的各類指標統計數據和系列專題圖件；數據管理技術人員可以查閱和管理草地資源清查外業工作的文件和成果，也可以采用空間和屬性兩種方式對感興趣的草地圖斑進行篩選、統計和分析。

2.1 平臺總體框架設計

在河南省草地資源信息管理系統的設計過程中，采用了多層體系架構模式(見圖1)，采用組件技術實現基礎模塊的可復用性，實現平臺的靈活性、開放性和可擴展性[10]。

根據數據結構、平臺應用領域和技術應用的相關要求，河南省草地資源管理系統整體采用4層B/S(Browser/Server，瀏覽器和服務器)架構，分為客戶層、業務邏輯層、服務器層和數據層[11]。共享用戶通過網絡發送不同的信息服務請求，服務端的網絡服務層接收請求并驅動應用服務層和數據層開始進行計算和分析操作，處理完畢后網絡服務層返回請求結果，客戶終端最終獲取服務內容。

2.2 平臺功能設計

平臺功能設計的主要原則是為草地資源的信息化和數字化提供技術支持，為草地資源利用、保護等宏觀決策提供可靠依據[12]。系統設計的功能模塊有：登陸管理、草地資源清查匯總、指標統計數據展示、外業調查記錄管理、圖件展示、草地一張圖以及報告匯編(見圖2)。

2.3 系統數據組織與建庫

草地資源數據的共享和管理是草地清查工作一項核心內容，系統融合地理數據庫(GeoDatabase)和關系型數據庫(Relational Database Management System，RDBMS)和超文本傳輸協議文件系統(HyperText Transfer Protocol File System，HTTP File System)建立集空間、屬性和文件數據管理為一體的草地資源數據庫[13]。數據源和數據類型的選取、數據實時性和精確性的保證以及科學的數據處理和數據組織方式則是搭建數據庫前提。

圖1 系統框架設計圖

圖2 系統功能設計圖

2.3.1數據組織與空間數據分層 共享平臺所包含的數據種類復雜多樣，從數據來源看，有草地資源空間及屬性數據、外業調查數據、草地資源圖集圖件成果、草地專題地圖數據、草地指標統計數據、基礎地理信息數據、文本資料以及普通的網頁及注冊用戶數據[14]。其中，外業調查以清查工作底圖為依據，通過外業調繪、儀器檢驗和入戶訪問等手段，獲取草地的位置、類、型、權屬、土壤質地、植物記名、生物量、退化程度、牲畜存欄量等等屬性，是草地基礎數據主要來源。下面重點介紹指標統計數據和地圖數據的組織與分層方式。

(1)指標統計數據的組織

指標統計數據來自于草地資源清查內外業工作中的匯總、統計和計算，內業以遙感解譯、查閱相關資料和分析數據為主，外業以實地踏勘和入戶調查為主。草地指標統計數據包括草地資源狀況、生態狀況、利用現況3類。

A. 資源狀況方面主要包括草地資源類型、權屬、平均產草量、載畜量、質量分級；

草地資源類型：包括4個草地類(暖性灌草叢類、熱性灌草叢類、低地草甸類、山地草甸類)，30個草地型[15]對應的草地面積(單位hm2)。

權屬：包括國有草地、集體草地兩個分類對應的草地面積(單位hm2)。

平均產草量：是單位草地面積的地上生物量(單位kg·hm-2)，以今年夏季草場清查時的產量為準。

載畜量：是指放牧期內單位面積草場所能放牧牲畜的頭數，并將數量結果折算為羊單位[16]。

質量分級：根據草地植被的飼用價值結合草地的自然條件，河南省天然草地劃分為5等。根據飼草產量的高低，河南省天然草地劃分為8級。質量分級是在草地等和草地級評定的基礎上，對草地等和草地級進行疊加組合，綜合評定指標歸并為優質高產、優質中產、優質低產、中質高產、中質中產、中質低產、劣質高產、劣質中產共9類[17]，統計數據即為9類對應的草地面積(單位hm2)。

B. 生態狀況方面包括草地植被蓋度、草地退化程度；

草地植被蓋度：指某一區域各主要草地類型的植被蓋度與其所占面積比重的加權平均值(單位%)。

草地退化程度：從植物群落特征、指示植物、地上部產草量、土壤養分、地標特征、土地理化性質、土壤養分等方面檢測，對草地退化程度分級，分為未退化、輕度退化、中度退化、重度退化4個等級[18]。統計數據即4類對應的草地面積(單位hm2)。

C.利用現狀方面包括利用方式、承包情況、超載率、保護區情況、功能區分類；

利用方式：包括全年放牧、冷季放牧、暖季放牧、春秋放牧、打草場、禁牧對應的草地面積(單位hm2)。

承包情況：包括國有承包、國有未承包、集體承包和集體未承包對應的草地面積(單位hm2)。

超載率：利用區域內放牧草地和割草地的合理承載量之和與草地現存飼養量比較，計算草地區域的超載率P[16]，結果劃分為3類：P≤10%，10%

保護區情況：疊加保護區范圍，判斷草地是否位于生態紅線、各類保護區內，包括自然文化保護區和濕地保護區等，統計數據即各類保護區域范圍內對應的草地面積(單位hm2)。

功能區分類：疊加功能區范圍，判斷草地是否位于重點開發區域、一類限制開發區域、二類限制開發區域、禁止開發區域內，統計數據即4類功能區域范圍內對應的草地面積。

(2)地圖數據的組織與分層

空間數據是草地資源管理系統的數據主體，按照不同的用戶需求，可分為地理底圖數據、草地基礎地理信息數據和專題數據[19-20]。地理底圖數據包括河南省市、縣兩級行政區劃和河南省DOM影像；草地基礎地理信息數據為圖屬一體的草地資源空間數據；專題地圖數據包括草地類型數據、利用狀況數據、質量分級數據、植被蓋度數據、草地退化數據和承包數據等。上述數據經屬性上圖、符號化處理服務發布后形成圖層，圖層組織順序如圖3所示。

2.3.2數據庫總體架構設計 數據庫采用面向對象的方法和統一建模語言(Unified Modeling Language，UML)[21]進行統一設計，對河南省草地清查工作形成的系列成果數據依次執行入庫檢查、對象化處理、數據入庫、關聯關系建立等過程后，將各種數據集中統一在草地資源清查數據庫中，實現各種數據一體化無縫化建庫。河南省草地資源清查數據庫技術架構如圖4所示：

3 系統的實現和應用

河南省草地資源信息管理系統采用ASP.NET、HTML、XML、C#等編程語言，以Microsoft Visual Studio 2013作為開發平臺，網絡地理信息及地圖服務采用ESRI公司的WebGIS解決方案[22]，依據既定的總體架構和功能設計，在草業數據組織和建庫、地圖可視化、指標統計和分析、GIS服務和應用，圖件和文檔管理5大草業信息化領域下，進行了開發實現。整個系統運行在網絡環境中，系統和數據布設在河南省草地管理部門的服務器上，用戶通過內部局域網或互聯網訪問系統提供的數據和服務。

圖3 草地空間數據組織與分層

圖4 草地資源數據庫技術架構

3.1 草地資源清查匯總

草地資源清查匯總是對河南省草地資源分布的宏觀展示。利用電子地圖呈現河南省草地資源的空間分布特征，利用統計圖表呈現河南省草地資源屬性統計特征，通過二者的有機結合、相互補充可使用戶快速把握河南省草地資源的總體情況。界面中展示的數據都可以選擇性的開關，用戶通過左上角按鈕可以控制不同草地專題地圖、統計圖表的加載和卸載(見圖5)。

3.2 指標統計數據展示

功能模塊展示了河南省、市、縣三級草地資源在資源狀況、生態狀況、利用現況的三個類別下的指標統計特征，可輔助地方草業部門制定因時、因地制宜、分類指導的草地管理決策。系統支持指標數據動態更新，后臺可接入批次草地清查數據。前臺界面提供兩個下拉列表供用戶選擇評價指標類型和行政區范圍，左邊餅狀圖與右側柱狀圖聯動。切換評價指標類型，左側餅狀圖展示行政區內某一指標的不同評價結果占比；點擊餅狀圖扇面，以柱狀圖說明該扇面對應的評價結果在行政區轄區內分布(見圖6)。

圖5 草地資源清查匯總界面

圖6 指標統計數據展示界面

3.3 外業調查記錄管理

外業調查記錄是本次草地資源清查工作的核心成果，系統借助信息化技術重構了調查成果間的邏輯組織關系，為草業部門清查成果的管理、追溯清查工作的完整性和可靠性提供了一個高效、易用的工具。系統以條目和分頁的形式管理了天然草地樣地調查表、中小草本及小半灌木樣方調查表、灌木及高大草本樣方調查表、非草地樣地調查表、訪問調查表、樣地景觀照片和樣方俯視照片等外業原始記錄。用戶可通過切換調查類別、行政區劃以及任意字段的模糊關鍵字對記錄進行篩選，同時也可對記錄執行詳情查看、下載等操作(見圖7)。

圖7 外業調查記錄界面

3.4 圖件展示

系統將紙質的草地專題圖件掃描數字化，以行政區為單位管理，并輔以文字和圖表進行定性、定量的說明，直觀展示了河南省草地資源核心的自然和社會經濟要素，滿足草業部門對圖件的管理和應用需求。系統中某行政區下的圖件以縮略圖形成列表，點擊縮略圖即可對圖件進行詳情查看和下載(見圖8)。

圖8 圖件展示界面

3.5 草地一張圖

草地“一張圖”是系統的核心GIS模塊，它將草地資源空間數據、屬性數據以及管理數據全部落地化，統一數據格式和坐標基準形成草業基礎地理信息數據服務，并提供一系列分析工具，支撐草業信息化建設和規劃應用。界面左下角為樹狀地圖資源目錄管理，用戶可對圖層實現加載、卸載、透明度調解和圖例顯示等功能。界面上部提供功能菜單，可實現草地圖斑、草地樣地空間和屬性的雙向查詢、專題數據同步對比、感興趣區標注和測量，另外還提供了草地資源數據發掘工具，供用戶對高品質草地所處空間位置、坡向、坡位、土壤特征、地表特征及其氣候特征進行統計和分析，進而指導牧草種植和畜牧業發展(見圖9)。

圖9 草地一張圖界面

3.6 報告匯編

系統以條目和分頁形式管理草地清查工作的技術標準和規范、技術設計、實施方案、書面成果、技術總結和驗收報告等文檔和資料。文件條目支持模糊查詢、在線查看和下載等操作。

4 結語

基于Internet平臺的WebGIS技術將地理對象的位置和相關屬性有機結合起來，根據實際需要準確真實、圖文并茂地輸送給用戶，是解決自然資源清查成果共享和應用問題的關鍵技術。本文以河南草地資源信息管理系統為例，系統的介紹了草地資源信息管理系統的技術體系、總體框架、系統功能以及數據組織和建庫的設計和實現。由于WebGIS技術限制以及系統側重于清查成果的共享和應用，未提供針對清查成果在線編輯功能，未來隨著WebGIS服務自然資源的深入，這方面功能和技術將會得到完善。系統建成后，以網頁技術、信息化管理、GIS分析、空間定位管理、影像場景等直觀表達方式，將為河南省草地資源保護、牧草種植和畜牧業發展提供多層次、全方位的分析與研究手段，為畜牧局進行重大項目的論證和重要問題的決策分析提供有效的技術支撐，將取得很好的社會和經濟效益。