草原地理信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

李剛勇，彭 建，閆 洋，張楚婕

（新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，烏魯木齊 830049）

黨的十九大報告中提出山水林田湖草系統(tǒng)治理的重大部署，其中生態(tài)文明建設(shè)與草原資源保護成為各級政府的重要工作內(nèi)容之一。隨著資源保護、生態(tài)修復(fù)工作的逐步深入，對基于數(shù)據(jù)采集、地理信息、GIS 服務(wù)為核心的地理信息技術(shù)需求也越來越迫切，草原資源信息平臺管理及應(yīng)用已成為構(gòu)建草原生態(tài)文明的重要技術(shù)手段。

中國地理信息系統(tǒng)主要經(jīng)歷了3 個階段，分別是20 世紀(jì)70 年代初期的起步階段、80 年代后期的試驗階段以及90 年代末期以來的全面發(fā)展階段［1］。近些年來，地理信息系統(tǒng)被大量運用在自然資源管理中，實現(xiàn)對自然資源規(guī)范化和精細(xì)化管理［2］。重點針對草原資源地理信息數(shù)據(jù)特點進行了研究，使其與地理信息管理系統(tǒng)進行有效結(jié)合。

1 需求背景

為準(zhǔn)確掌握新疆草原資源與生態(tài)狀況，促進草原保護建設(shè)與合理利用，需要逐年開展草原資源與生態(tài)監(jiān)測工作，重點對全疆草原植被長勢狀況、草原生產(chǎn)力、草原資源利用狀況等進行調(diào)查，即通過野外實地調(diào)查取樣和現(xiàn)場調(diào)查了解與遙感影像和GIS 技術(shù)結(jié)合的方式，掌握和動態(tài)觀測草原的生產(chǎn)力、載畜量、草原利用現(xiàn)狀、植被長勢狀況等信息。草原資源調(diào)查和逐年草地資源動態(tài)監(jiān)測工作，會產(chǎn)生大量的空間、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對新疆草原資源數(shù)據(jù)進行有效管理與利用意義重大，基于此建立一套智慧草原平臺項目，將草地資源數(shù)據(jù)從采集、管理、分析、統(tǒng)計和決策充分整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和綜合利用。

2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

草原監(jiān)測調(diào)查與管理，需要大量豐富的地面采集數(shù)據(jù)作為支撐。數(shù)據(jù)包括地面采集數(shù)據(jù)、矢量圖斑數(shù)據(jù)、典型區(qū)域遙感影像和其他自然資源相關(guān)專題數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為草原監(jiān)測調(diào)查與管理提供了技術(shù)保障。在草原資源地理信息管理系統(tǒng)需求分析與建設(shè)中，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展草原監(jiān)測，針對變化情況及時更新草原圖斑信息，利用不同時相遙感影像和地形專題數(shù)據(jù)，提高草原監(jiān)測數(shù)據(jù)展示效率。各類數(shù)據(jù)及利用情況見表1。

表1 草原資源數(shù)據(jù)類型

3 技術(shù)思路

基于前一原則，項目要把草原遙感監(jiān)測輔助決策評價系統(tǒng)的當(dāng)前目標(biāo)和長遠(yuǎn)目標(biāo)相結(jié)合，要充分考慮系統(tǒng)擴展需要，就必須采用最先進的信息技術(shù)。同時，它又是一項滿足當(dāng)前草原數(shù)字化信息化建設(shè)需求的實用工程項目，也必須保證運行的穩(wěn)定和操作的簡易。系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)要盡可能采用最先進的理念、技術(shù)、軟件、硬件，盡可能采用已經(jīng)產(chǎn)品化的技術(shù)模式，一方面確保系統(tǒng)的先進性和可擴展性，另一方面兼顧實用性，使系統(tǒng)成熟、可靠。通常，在信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫中，對信息生成文件的通常是Oracle 數(shù)據(jù)庫；對空間數(shù)據(jù)提供模型和編碼的通常是ArcSDE 引擎，易于對數(shù)據(jù)庫進行訪問［3］。

3.1 整體性

系統(tǒng)研制開發(fā)應(yīng)整體設(shè)計，充分整合已有資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和綜合利用，且符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足系統(tǒng)間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息的共享、交換。

3.2 先進性

采用主流GIS 平臺、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、成熟的計算機技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)思想。依托先進的系統(tǒng)開發(fā)工具，保證系統(tǒng)的先進性。

3.2.1 充分考慮數(shù)據(jù)不斷變化的需要 草原監(jiān)測與管理數(shù)據(jù)本身不斷地在更新和變化，要求數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮以后數(shù)據(jù)更新的需求。充分考慮業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮空間矢量數(shù)據(jù)的特征，按照業(yè)務(wù)需求進行分析，從而為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)及后續(xù)升級、換代提供方便。

3.2.2 充分考慮硬件技術(shù)發(fā)展的需要 在設(shè)計過程中，要求考慮硬件發(fā)展的需求，在硬件技術(shù)發(fā)展時，可以對系統(tǒng)進行調(diào)整和擴展，能充分利用先進的硬件處理能力拓展系統(tǒng)容量和性能。

3.3 實用性

軟件要易于維護，具有方便、快速的數(shù)據(jù)更新能力，保證數(shù)據(jù)運行的效率和速度。系統(tǒng)必須做到界面友好、提示明確、操作方便、簡單快捷、使用人員只需經(jīng)過簡單培訓(xùn)，即可進行使用。

3.4 安全性

系統(tǒng)建設(shè)要把軟件安全、信息保密放在首位，應(yīng)具備良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，要確保基礎(chǔ)平臺穩(wěn)定、可靠、高效地運行。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分考慮運行的安全策略和機制，要在多個層次上劃分和設(shè)定各級使用者的安全權(quán)限，從多方面確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性和保密性。

3.5 靈活性

系統(tǒng)各模塊應(yīng)具有高內(nèi)聚、低藕合，可擴展性要高，能根據(jù)生產(chǎn)信息化不斷發(fā)展的需要，方便擴展系統(tǒng)容量和處理能力，具備支持多種應(yīng)用的能力。同時可以根據(jù)應(yīng)用發(fā)展的需要進行靈活、快速調(diào)整，實現(xiàn)信息應(yīng)用的快速部署。

3.6 開放性

具備較好的開放性，相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)是業(yè)界主流產(chǎn)品，遵循業(yè)界相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的集中運行和統(tǒng)一維護管理。

4 建設(shè)框架

目前，草原資源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是基于離散的文件型數(shù)據(jù)格式管理，且沒有形成標(biāo)準(zhǔn)、不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)放置分散，工作人員在工作中需要花費大量的精力去查找這些數(shù)據(jù)，有的甚至由于管理不善導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，這使得原本具有高價值利用率的草原數(shù)據(jù)因管理不規(guī)范導(dǎo)致數(shù)據(jù)的價值很大程度沒有被挖掘出來，造成資源浪費。因而建立一套標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的草原空間地理信息數(shù)據(jù)庫，運用數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化管理迫在眉睫［4］。

面向資源數(shù)據(jù)的信息化管理方面，采集數(shù)據(jù)是手段，目的是挖掘數(shù)據(jù)價值、分享價值，供指揮決策者根據(jù)草原資源的分類狀況、載畜平衡狀況、生態(tài)評價狀況等數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的判斷和符合實際生產(chǎn)的決策，所以基于采集的數(shù)據(jù)需要搭建一個共享平臺，供本級單位或下級單位進行資源共享、分析，使得草原相關(guān)單位的信息達到一個互聯(lián)互通的目的［5］。

4.1 數(shù)據(jù)庫層

數(shù)據(jù)庫層是系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)包括了各級屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型均是從草原管理工作數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的需求出發(fā)，包括了基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫以及各種專題產(chǎn)品的空間數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建立的。這樣為系統(tǒng)的運行提供了靈活的運行形式，可以通過空間數(shù)據(jù)引擎連接到網(wǎng)絡(luò)大型數(shù)據(jù)庫（SQL Server）上運行。Excel 格式的文件是為了支持系統(tǒng)運行而存在的中間數(shù)據(jù)或?qū)С龅臄?shù)據(jù)存儲容器，XML 格式文件可以保存系統(tǒng)的導(dǎo)出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)元數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行需要的一些支撐數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層是用來完成對后臺數(shù)據(jù)庫進行訪問，為業(yè)務(wù)處理層提供服務(wù)的組件層，由數(shù)據(jù)訪問組件通過對ADO.NET（或JDBC）、ArcSDE 等數(shù)據(jù)庫引擎實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問操作，完成前臺各專題具體業(yè)務(wù)所需的屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)操作。

4.3 業(yè)務(wù)處理層

業(yè)務(wù)處理層主要采用B/S 模式，其主要功能是處理客戶層提交的業(yè)務(wù)邏輯。業(yè)務(wù)層調(diào)用空間組件具體實現(xiàn)空間查詢、空間分析等空間操作功能。業(yè)務(wù)處理層的屬性Web 服務(wù)和空間Web 服務(wù)可以部署在相同或不同的SOA 服務(wù)器上，而空間SOA 服務(wù)器可以是一臺或多臺服務(wù)器的集群。

4.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層是前臺客戶與業(yè)務(wù)交互的通信通道，客戶層的要求是基于HTTP、TCP/IP 等協(xié)議進行傳輸?shù)摹?/p>

4.5 客戶應(yīng)用層

客戶應(yīng)用層是基于瀏覽器端的應(yīng)用操作集成，系統(tǒng)中的各項功能如數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分發(fā)均在客戶應(yīng)用層展現(xiàn)。

5 系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)支撐平臺，ArcGIS 系列軟件，包括桌面版（ArcGIS Desktop）、服務(wù)版（ArcGIS Server）及數(shù)據(jù)庫鏈接中間件（ArcSDE），承擔(dān)GIS 數(shù)據(jù)的管理和計算分析工作。項目建設(shè)中，使用ArcGIS Server實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的發(fā)布與管理，空間數(shù)據(jù)發(fā)布產(chǎn)品實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的發(fā)布顯示（B/S），并通過ArcGIS Desktop來實現(xiàn)GIS矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的歸納整理，系統(tǒng)使用以下GIS基礎(chǔ)平臺：ArcGIS Server-標(biāo)準(zhǔn)版-V10.X、ArcGIS Desktop-高級版-V10.X、ArcGIS SDE（空間數(shù)據(jù)管理中間件）。

草原信息管理系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)進行開發(fā)，該系統(tǒng)是一個組合型管理系統(tǒng)，其核心功能是對草原各項業(yè)務(wù)指標(biāo)進行分析評價，由多項內(nèi)容組合而成，按照衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)計算分析、成果圖表生成3 大功能系統(tǒng)進行建設(shè)。

5.1 遙感數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

主要開展MODIS 數(shù)據(jù)自動下載、解壓、影像批量處理工作，形成覆蓋全疆的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)準(zhǔn)備。

5.2 業(yè)務(wù)處理分析子系統(tǒng)

根據(jù)衛(wèi)星影像提取的植被信息，結(jié)合草原類型開展產(chǎn)草量估算、載畜量估算、載畜平衡分析、植被蓋度提取、長勢分析、草原質(zhì)量評價、草地退化沙化評價、生態(tài)健康評價等。

5.3 成果圖表生成子系統(tǒng)

根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求制作相關(guān)圖表，提取各類統(tǒng)計報表。基于形成的各專題成果以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行專題制圖，生成餅狀圖、柱狀圖等，并根據(jù)用戶需求提取各類統(tǒng)計報表。