菜子湖濕地生態數據庫管理系統的設計與實現

成 波，江 波，李紅清

(長江水資源保護科學研究所，湖北 武漢 430051)

隨著計算機技術和對地觀測能力的提高，生態監測的方式從以往的單點觀測逐漸轉變為聯網觀測，生態監測的方法和手段也從單純的地面現場調查逐漸轉變為航天、航空和地面傳感器自動監測與人工實地采樣監測相結合的方式[1-5]。湖泊濕地生態監測是對湖區濕地的水、大氣、土壤和生物等方面進行觀測[6]，由此產生一系列的與湖泊濕地有關的生態數據。

湖泊濕地生態監測數據往往存在數據碎片化、資源整合度低、信息共享程度差等諸多問題，難以描述和分析濕地生態系統結構、過程和功能的動態變化，無法滿足濕地生態系統科學管理的需求。如何有效整合多源異構數據資源并建立生態監測的信息共享平臺，推進湖泊生態系統可持續管理和湖泊濕地資源的可持續利用和發展，是現階段湖泊濕地資源保護和利用所面臨的重要問題和科學難點[7-9]。近年來，利用地理信息技術，建立了眾多濕地管理系統[10-12]，但這些濕地管理系統大多缺乏濕地生態系統時態特性的表達，難以進行時空特性分析。此外，面對隨水位動態變化的湖泊，無法揭示動態水位與濕地生態系統之間的相互關系，很難為湖泊濕地管理提供有效的決策信息。

本文在探討和分析菜子湖濕地生態數據的多源異構、時空相關和水位動態特性基礎上，采用數據模型層、數據存儲層和數據可視層的架構，設計和開發了基于ArcGIS平臺的菜子湖濕地生態數據庫管理系統，能夠更容易地發掘候鳥越冬期水位變化與濕地生態響應的關系，可為菜子湖水位優化調度提供科學依據。

1 研究區概況

菜子湖(東經117°01′～117°10′、北緯30°43′～30°58′)位于大別山東南側、長江北岸，地處北亞熱帶溫潤氣候區，氣候四季分明，多年平均氣溫 16.5 ℃，全年主導風向為東北風，降水受季風氣候的影響較為明顯，多年平均降水量為1 389.1 mm[13]。菜子湖是長江中下游典型的淺水型湖泊，由嬉子湖、白兔湖和菜子湖3個彼此連通的湖泊組成。自樅陽閘建成后，菜子湖從原與長江天然相通變為水庫型湖泊。菜子湖水位在7、8月最高，9月湖區水位開始逐漸下降，到次年3月水位又開始逐漸上升，具有明顯的動態變化規律[14]。水位動態變化造成菜子湖濕地生態系統組成動態變化，并進而影響菜子湖濕地生態系統的結構和功能[15-16]。

菜子湖濕地是越冬候鳥的重要棲息地，對生物多樣性維護和生態系統平衡具有重要意義。根據歷史監測資料，菜子湖湖區分布有國家Ⅰ級重點保護水鳥4種，國家Ⅱ級重點保護水鳥6種，達到國際重要濕地1%標準的水鳥7種，越冬期候鳥數量也基本維持在20 000只以上的水平[16]。

2 系統需求分析

為了能夠掌握菜子湖濕地生態背景狀況，探索濕地生態水文過程的變化規律，揭示越冬期水鳥適宜生境和重要水鳥種群數量及分布格局對水位變化的響應關系，開展了生態環境野外監測工作，包括越冬期水鳥、濕地植被、濕地環境因子、濕地生境監測等，產生了大量湖泊濕地生態數據，其數據具有多源異構性、時空相關性和水位動態性等3個方面的特點。

a. 多源異構性。從數據來源來說，湖泊濕地生態數據包括水、大氣、土壤和生物等監測數據，數據分布較為分散。除了傳統的結構化數值型數據外，監測數據更多的是半結構化和非結構化類型的，例如報告文本、視頻圖像、遙感影像、地形數據等。由于各類數據的來源多樣、結構不一，其數據格式也不盡相同，數據量相較以往也要大得多。

b. 時空相關性。湖泊濕地生態數據是帶有時間標簽的空間數據，具有時間和空間屬性。時間特性描述監測對象在時間維度上的特性，反映其在一段時間內的連續動態性；而空間特性表征監測對象在空間域上的分布，反映其在一定空間內的異質性。二者相結合，表達了湖泊濕地生態系統結構、功能的時空動態變化過程。

c. 水位動態性。水位是揭示湖泊濕地生態水文相互作用過程的主要因素之一。湖泊水位動態變化將直接改變湖區濕地的分布情況，從而對湖泊濕地生態系統的結構、功能產生影響[15-16]。特別是淺水區域、泥灘和草本沼澤濕地的分布會隨水位動態變化而發生相應的變化，影響著野生動物的棲息和覓食，從而使湖泊濕地生態系統的組成產生變化。

隨著GIS技術的迅速發展，可以很好地對空間數據進行存儲管理和可視分析。然而，在對菜子湖監測的湖泊濕地生態數據管理上，缺乏高效率的數據組織方法和模型讓動態水位能關聯不同的監測對象，且能表達濕地生態系統隨時間的變化過程。特別是隨著對地觀測能力的提高，菜子湖濕地生態數據規模迅速增加，與濕地生態系統管理決策需求間的矛盾日漸顯現，亟須一種新的數據模型組織數據，并建立數據庫管理系統。建立的系統功能需求包括：①統一管理不同來源、不同類型的數據；②跟蹤記錄不同時間觀測的越冬期水鳥、植物多樣性、濕地生境等數據；③建立不同水位與不同監測對象之間的相互關系，為揭示水位變化對濕地類型、重要水鳥種群數量和分布格局的影響機制奠定基礎。

3 系統設計

針對湖泊濕地生態數據的3個特性，構建了菜子湖濕地生態數據庫管理系統的整體架構如圖1所示。該架構從邏輯上分為數據模型層、數據存儲層和數據可視層。其中，數據模型層設計一種基于“圖層-對象-狀態”的三域時空數據模型來統一組織；數據存儲層根據應用需求及數據來源的不同，分為矢量數據庫、柵格數據庫和監測數據庫，利用Geodatabase數據庫對這些多源數據進行存儲與管理；數據可視層基于ArcGIS Engine二次開發，提供各種專題圖，實現生態數據的可視化。

圖1 菜子湖濕地生態數據庫管理系統架構Fig.1 The framework of Caizi Lake wetland ecological database management system

3.1 基于“圖層-對象-狀態”的三域時空數據模型

菜子湖濕地生態數據庫管理系統底層采用的是一種三域時空數據模型來組織湖區的濕地生態數據，從上到下依次是圖層、對象和狀態3個域。采用“分層”的思想將相同來源、相同結構、相同類型的對象組織在同一圖層，一個對象在某個時段或某個特定位置的行為、狀態等由相應時空范圍內的若干連續對象狀態來描述，對象狀態帶有空間位置、水位信息和時間標記，以實現對多源異構、時空關聯和水位動態的湖泊濕地生態數據的統一組織，表達濕地生境的演化過程，便于后續分析生態水文現象的變化機制。根據以上分析，本文提出一種基于“圖層-對象-狀態”的三域時空數據模型，用于存儲與管理湖泊濕地生態水文過程中所涉及的時空數據，如圖2所示。

圖2 基于“圖層-對象-狀態”的三域時空數據模型Fig.2 Three-domain spatio-temporal data model based on “layer-object-state”

a. 圖層。圖層是數據組織和管理的基本單位，按照一定的需要把相關的對象組合在一起，實現對復雜信息的分層管理[17]。考慮到存儲管理和應用的需要，同一圖層存放相同類型的對象，可以是矢量、柵格和監測類別的。矢量類型數據主要包括點、線、面圖層；柵格類型數據主要包括未經處理的原始影像圖層和經校正、解譯的土地覆蓋類型圖層；監測數據包括水位、植物、水鳥等要素的監測數據圖層。圖層間彼此可以相互獨立，對一個圖層進行修改，不會引起其他圖層的改變；圖層間也可以相互疊加使用，實現對湖泊濕地生態水文相互作用過程的完整表達。

b. 對象。對象是對現實世界客觀存在的物理實體或自然現象的抽象表達，是生態水文現象表達的主體部分，是整個數據模型的基礎[18]。對象參與和主導著生態水文現象的發生，決定著生態水文現象發展的方向。根據數據來源的不同，對象分為矢量、柵格和監測對象，都具有空間特征和專題屬性的描述。研究生態水文交互過程需要圍繞對象展開，通過空間特征和專題屬性上的變化來對其進行刻畫和表達。

c. 狀態。狀態是對象在某一時刻的數據快照，描述了對象隨時間的變化過程[19]。狀態通常記錄了對象在當前時刻的空間特征和專題屬性，其中空間特征描述了對象所在的空間位置和具有的幾何形態信息，專題屬性刻畫了對象自身蘊含的語義信息。對象的空間特征或者專題屬性可能隨時間而發生變化，從而產生一系列的在時間軸上無縫、有序排列的對象狀態信息，能夠表達對象的整個變化過程。在湖泊濕地生態水文交互過程中，由于濕地生態數據的水位動態特性，狀態同時記錄了對象當前時刻的水位信息，通過狀態序列數據，有助于分析和挖掘濕地生態系統隨水位變化的動態變化過程。

3.2 基于Geodatabase的時空數據存儲與管理

空間數據庫是對真實世界實體的空間特征和空間過程的抽象表達，記錄了對象的幾何、屬性和位置關系數據，以存儲和管理數據的方式來實現對現實世界的描述[20]。Geodatabase是一種常用的空間數據庫，可以方便地存儲空間位置、形狀、范圍和分布信息，并建立高效的空間索引，從而快速地將空間信息與屬性信息聯系起來，為上層應用的分析和決策提供支撐。

考慮到三域時空數據模型中對象存儲管理和應用的不同需求，利用Geodatabase數據庫，分別建立矢量數據庫、柵格數據庫和監測數據庫，在不同的數據庫中，存儲和管理不同來源、不同結構、不同類型的湖泊濕地生態數據，便于后續的查詢、分析和應用。現有菜子湖濕地生態數據庫中的數據組成見圖3。

圖3 菜子湖濕地生態數據庫數據組成Fig.3 Data composition of Caizi Lake wetland ecological database management system

3.2.1矢量數據庫

矢量數據庫主要用于存放經數字化后的一系列湖泊濕地生態數據，涉及點、線和面3種不同的要素類。根據數據的不同來源，按照行政區劃、基礎地形和水系等圖層進行組織。其中，基礎地形圖層包括菜子湖地形測量的等高點和等深線等數據；行政區劃數據包括菜子湖所在區域的行政村、居民點數據；水系數據包括菜子湖水系線和水系面數據。

3.2.2柵格數據庫

柵格數據庫主要用于存放長時序的不同分辨率的原始影像和解譯成果數據。原始影像數據包括資源三號、高分一號、Landsat5、 Landsat7和Landsat8等影像數據，原始影像數據經過影像配準、融合、鑲嵌、裁剪和分類等操作后，得到解譯成果數據，典型的解譯成果數據包括濕地類型分布圖和植被類型分布圖。按照原始影像和解譯成果圖層來組織柵格數據，使得它們能夠快速地被加載。

3.2.3監測數據庫

監測數據庫主要用于存放氣候、水文以及生物多樣性的監測數據。為了更好地了解菜子湖濕地生態系統結構與功能的變化情況，除了采用遙感手段外，還需要利用傳統的采樣監測技術。通過觀測越冬期水鳥種類、數量、時空分布等水鳥多樣性信息，植物種類和植物區系、植被類型和分布等植物多樣性信息，同時結合水文監測信息，可以研究湖區水鳥生境和種群分布、數量等變化情況，跟蹤分析水位抬升對其帶來的影響。

監測數據庫記錄菜子湖遷徙水鳥及其棲息地生境的監測數據，以圖層來組織水鳥、植物、水文等監測對象。其中，水鳥是重點監測的對象，采用路線調查與定點觀察相結合的方法，水鳥狀態表中記錄觀察范圍內出現的水鳥種類和數量等信息；植物監測對象的數據包括植物的類別、數量、分布等特征信息；水文監測對象是一系列的水位站點，采集的信息主要是水位、水深等數據。

此外，由于監測對象可能一直產生新的狀態信息，單個對象狀態表的承載能力是有限的，當一個對象狀態表存儲的記錄數量遠遠大于其所能支持的數量時，會對數據庫端造成極大的負載，嚴重影響對象狀態查詢等的效率，因此考慮以時間段來拆分對象狀態表。當一個對象狀態表超過規定的時間段后，自動建立一個新的對象狀態表，將后續數據寫入新的對象狀態表。分區表記錄了每個對象狀態表的起始時間范圍，以及對應的圖層。當需要查詢某一時段范圍內的對象狀態記錄時，借助分區表，縮小查詢的范圍，將查詢目標確定在一個或幾個對象狀態表，以提高查詢的效率。監測數據庫的組成結構見圖4。

圖4 監測數據庫的組成結構Fig.4 The component structure of monitoring database

3.3 基于ArcGIS Engine的時空數據可視化

對湖泊濕地數據進行存儲管理后，菜子湖濕地生態數據庫管理系統還需要滿足與時空信息有關的可視化需求，使得生態水文現象隨時間變化的過程表達更直觀、更容易被理解，從而有利于管理部門對湖泊濕地的監管、保護和利用。ArcGIS Engine是一款能夠對空間數據進行處理、分析和可視化的組件庫，具有強大的開發功能和獨立性，可以快速方便地定制出滿足不同需求的地理信息系統應用程序的平臺。ArcGIS Engine提供了漫游和縮放地圖、繪制和查詢要素、制作專題圖等制圖綜合功能。數據可視模塊以專題圖的形式實現這些湖泊濕地生態數據的空間可視化，大大提高了數據的直觀性。

由于湖泊氣候、水位、地形條件等因子直接影響濕地生境，借助于數據可視層，通過不同圖層生成的專題圖，可以直觀理解湖泊濕地生態系統組成與各因子間的響應關系。系統主要使用基礎信息專題和濕地生態專題2種專題圖層，其中，基礎信息專題圖主要是對菜子湖所在區域的行政區劃、水系、地形、水位等基礎數據進行符號渲染，并以專題圖形式直觀表達；濕地生態專題圖主要是對菜子湖濕地生境的植被和動物等監測數據進行矢量化和繪制等操作，表達它們在空間上的分布。

4 系統實現與應用

菜子湖濕地生態數據庫管理系統在Microsoft Visual Studio.NET 2015開發環境下，利用兩層的C/S模式實現矢量、柵格和監測數據的統一存儲和管理，其中客戶端采用DevExpress 15.2開發的可視化界面，服務器端則是基于Geodatabase數據庫，二者通過ArcGIS Engine 10.2組件庫來實現數據間的通信。現階段菜子湖濕地生態數據庫中記錄了菜子湖2010—2018年(水位6.97～8.6 m)Landsat系列和資源三號遙感影像數據及其解譯成果數據、2018年8月測量的等深線數據、2018年10月至2019年3月的越冬期候鳥監測數據、1956—2019年逐日的水位數據，總數據量約30 GB。系統主界面包括菜單欄、工具欄、圖層管理區、地圖顯示區等，如圖5所示。

圖5 菜子湖濕地生態數據庫管理系統主界面Fig.5 The main interface of Caizi Lake wetland ecological database management system

系統包括圖庫控制、查詢操作和專題制圖3個模塊。其中，圖庫控制模塊可以對矢量、柵格和監測數據進行加載和管理；查詢操作模塊分為圖形查屬性和屬性查圖形功能；專題制圖模塊可以生成基礎信息專題圖和濕地生態專題圖。

2018年12月，菜子湖車富嶺平均水位為 7.34 m，共監測到國家重點保護水鳥6種，其中國家Ⅰ級重點保護水鳥3種：白頭鶴、白鶴、東方白鸛；國家Ⅱ級重點保護水鳥3種：白琵鷺、白額雁、小天鵝(圖6(a))。2019年1月，菜子湖車富嶺平均水位為7.42 m，共監測到國家重點保護水鳥6種，與2018年12月監測結果基本一致(圖6(b))。通過對比不同水位下的生態監測數據，可以看出隨著水位的變化和時間的推移，菜子湖濕地的面積和結構也在不斷發生變化，對越冬期水鳥的種類、數量及其棲息分布產生影響。

(a) 水位7.34 m

(b) 水位7.42 m圖6 不同水位下菜子湖濕地重要水鳥分布Fig.6 The distribution of important water birds in Caizi Lake under different water levels

2018年開始在菜子湖開展野外觀測工作，本系統對這些監測數據進行統一存儲和管理，能夠直觀地呈現菜子湖濕地生境、越冬期水鳥種群數量和分布格局、棲息地選擇對水位變化的響應關系，用于制定菜子湖水位調度方案，為菜子湖不同適應性水位下越冬期水鳥種群數量和空間分布格局的預測和評估提供依據。

5 結 語

本文針對菜子湖濕地生態數據的特點，設計和構建了菜子湖濕地生態數據庫管理系統，提出一種基于“圖層-對象-狀態”的三域時空數據模型，以支持濕地生境演化過程的表達；利用Geodatabase數據庫來對矢量、柵格和監測數據進行統一存儲與管理；借助ArcGIS Engine實現各種專題圖的可視化表達。該系統實現了矢量、柵格和監測數據的組織、存儲和管理以及可視化，能直觀反映菜子湖濕地生境對水位的動態響應過程，從而為菜子湖不同適應性水位調度對水鳥種群數量和空間分布格局的預測和評估提供依據，實現菜子湖水位的優化調控和菜子湖濕地的科學管理。目前系統的主要功能是對菜子湖濕地生態數據管理、查詢以及可視化，后續需要進一步在數據處理分析和業務化應用等方面進行研究，為水利工程與生態系統協同發展提供參考。