海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫建設技術應用研究

孟雪嬌，劉顯傅，陳藝榕

（1.國家海洋局汕尾海洋環境監測中心站，廣東 汕尾 516600；2.國家海洋局南海規劃與環境研究院，廣東 廣州 510300；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458）

海岸帶生態系統位于海陸交互界面，受陸海相互作用顯著，包括潮間帶、紅樹林和海草床等，是世界上生產力最高的生態系統之一[1-2]，為全球人類活動最為活躍的海岸帶地區提供了海岸防護、侵蝕控制、藍碳固定、水質凈化、污染物降解、區域氣候調節、動植物棲息地，以及教育、科研、景觀等生態與人文服務[3-5]。在國家“一帶一路”發展戰略下，海岸帶地區是拉動我國經濟發展的重要引擎，科學認識海岸帶生態系統的健康狀況和自然規律，是實現沿海地區海洋經濟健康可持續發展的前提。

然而，在過去的60 多年里，受海平面上升加劇、環境污染加重、外來物種入侵、海岸帶過度圍墾等自然和人為因素的影響，我國的砂質海岸、紅樹林、海草床等海岸帶生態系統遭受到極大的破壞，海域資源的不合理開發和利用導致海岸帶生態系統的結構和功能發生重大變化[6-11]。截至2012年，我國有超過30%的原生砂質海岸遭到開發活動的破壞，超過60%的沿岸沙壩、海岸潟湖等地貌景觀被損毀，重點海灣較1990 年海岸帶生態系統面積平均縮減了19.1%[12-13]。因此，針對海岸帶生態系統快速而深刻的變化，如何預測其對生物多樣性、人類生產生活產生的影響，并采取措施、科學應對，已成為沿海地區科學與可持續發展研究的重大課題。

2018 年，習近平總書記在中央財經委員會第三次會議上提出：實施海岸帶保護修復工程，建設生態海堤、提升抵御臺風、風暴潮等海洋災害的能力。為此，自然資源部組織實施了海岸帶保護修復工程（2020—2022 年），并出臺了《海岸帶生態系統現狀調查與評估技術導則》（T/CAOE 20.1—2020）系列技術標準（以下簡稱《導則》）。當前，沿海各市正有序開展海岸沿線紅樹林、砂質海岸、海草床和河口等生態系統的調查與評估工作，并取得了初步成果，為進一步有針對性地開展海洋生態保護修復提供了重要依據和有力的基礎數據。然而，由于現狀調查包括船舶走航調查、現場測量、遙感解譯、社會調查和資料收集等方式，所獲取的調查成果涉及海洋環境、生物化學、地形地質、遙感測繪等學科，數據資料類型繁多、形式多樣、格式不一，既包括矢量、影像、數據表等結構化數據，也包括文檔、圖片、音視頻多媒體資料等非結構化數據，故而難以直接進行綜合分析，亦不便直接應用于生態系統現狀評估和保護修復工作之中。

本文以2020 年江門市海岸帶生態系統調查為例，通過對紅樹林、砂質海岸、河口等典型濱海濕地生態系統的現場調查和遙感解譯成果進行分析，開展對多源、異構、海量調查成果數據庫建立技術的研究，形成一套數據整理、處理、檢查、數據庫構建的技術流程，實現成果的入庫存儲、集成等規范化管理，以及即點即看等直觀可視化展現的實踐應用，以有效支撐生態系統調查專題圖集編制和海岸帶生態狀況科學評估等工作。

1 數據來源

本文數據來源于2020 年9 月廣東省江門市生態系統調查獲取的現場調查數據。該調查嚴格遵照《導則》規定的技術方法，采用現場調查、遙感調查、社會走訪和資料收集等方式，組織開展了海岸沿線紅樹林、砂質海岸、海草床和河口等典型生態系統的現狀數據獲取工作，調查站位覆蓋江門市海岸帶區域，調查內容見表1。調查獲取的現狀資料包括：紅樹林、砂質海岸、鹽沼、基巖和淤泥質等5 類生態系統分布狀況的遙感解譯成果，以及紅樹林、砂質海岸、河口3 種典型海岸帶生態系統的詳細現場調查數據。

2 數據庫建設技術流程

為充分發揮調查成果資料在生態系統現狀評估和綜合分析中的應用，本文從成果資料匯集、質量檢查與勘誤、數據預處理分析等方面，探索出一套針對多源異構調查資料的整理、質檢、建庫的技術流程，以實現成果資料的規范化管理，技術流程如圖1 所示。

圖1 成果建庫技術流程圖

2.1 成果資料匯集

將所獲取的廣東省江門市海岸帶生態系統現狀調查成果資料進行匯集，按照河口生態系統、紅樹林生態系統和砂質海岸生態系統3 種類別，對現場調查成果資料進行歸類整理。每一典型生態系統形成一個單獨目錄，目錄中包含現場調查所得的數據記錄表、照片、視頻等成果資料。

2.2 質量檢查及勘誤

為確保數據質量，采用軟件（如ArcGIS）批量檢查和人工輔助檢查相結合的方法，對成果數據進行檢查[14]。檢查內容主要包括數據完整性、圖形數據質量、屬性數據質量、圖數一致性等。

（1）數據完整性：數據是否完整、數據文件能否正常打開、文件命名是否準確、是否存在元數據說明等。

（2）圖形數據質量檢查：圖層是否完整、圖形數據是否存在拓撲錯誤、是否存在碎圖斑、圖形數據范圍是否正確、數學基礎是否符合要求等。

（3）屬性數據質量檢查：包括空間圖層名稱、空間數據屬性數據結構是否符合《導則》要求，字段取值是否符合取值范圍規定、編號字段是否唯一、必填字段是否填寫、圖層內部各個字段取值是否一致等。

（4）圖數一致性檢查：包括遙感信息解譯圖斑邊界和最新海岸線修測現場實測邊界一致、養殖區圖斑面積要和養殖用海調查中圖斑面積保持一致等，確保和其他專項調查成果的一致性。

2.3 數據預處理分析

在數據入庫之前，采用ArcGIS 和自編軟件[15]進行數據的預處理分析，具體分析內容見表2。

表2 數據預處理分析內容

2.3.1 基礎地理要素處理

根據調查區域的行政范圍對高清衛星影像進行裁剪作為底圖；疊加江門市行政區域范圍內的海陸要素、居民地、水系等基礎地理信息圖層；疊加江門市海域管轄范圍的廣東省政府批復海岸線，并在海圖中提取零米等深線；按照《導則》要求，所有基礎地理要素圖層的坐標參數統一設置為國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）。

2.3.2 成果數據分析處理

將所有調查成果數據表中的站位號、斷面號、標識碼進行統一賦值和一致性檢查，并按照《導則》要求對數據表中各字段的名稱、格式、大小進行規范化整理，同時從ArcGIS 平臺數據入庫規則角度進行相應的數據格式轉換，如浮點型轉換為文本型、特殊字符采用其他字符代替、長字段名稱采用拼音首字母代替等。

2.3.3 調查站位信息處理

在ArcGIS 平臺中，利用添加XY 數據功能，將現場調查站位信息轉換為空間矢量圖層數據，保留站位號、經緯度、調查時間、調查內容等信息。

2.3.4 視頻照片文檔信息提取

利用ArcGIS 平臺ArcToobox 工具的照片信息提取功能，批量提取現場照片的經緯度、存儲路徑、拍攝時間等，形成空間矢量圖層。依據視頻文件空間軌跡提取方法[15]，獲取視頻文件軌跡的經緯度、存儲路徑等信息，形成線狀空間矢量文件；對于無法獲取軌跡經緯度信息的視頻文件，將同一地點獲取的照片文件所在經緯度、存儲路徑等作為視頻文件的信息，形成點狀空間矢量圖層。

2.3.5 拓撲檢查分析處理

本文通過ArcGIS 平臺的ArcCatalog 應用程序進行拓撲檢查和分析處理。先把需要做拓撲檢查的圖層放入建立好的數據集中，新建拓撲，根據圖層之間的相互關系選擇拓撲規則后，進行拓撲檢查和分析。主要拓撲檢查和分析規則有：確保圖斑無重疊、無空隙、面圖層閉合等。拓撲檢查完成后，可將結果疊加進ArcGIS 中進行分析查看，針對錯誤提示，采用補面、刪除等方法進行修改處理，直至無錯誤提示。

3 數據庫設計及建設

3.1 數據庫設計

3.1.1 數據庫平臺選型

鑒于ArcGIS 平臺的Geodatabase 地理數據庫具有數據格式兼容性強、建庫操作簡易、和外部非結構數據交互便捷、數據調用接口靈活等優點，因此，本次工作選取ArcGIS 作為數據庫構建工具，以更好支撐專題制圖、空間分析和信息系統開發等工作的順利開展，發揮調查成果的信息化服務功能。

3.1.2 數據庫框架結構設計

廣東省江門市海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫框架結構如圖2 所示，分為結構化數據庫和非結構化數據庫兩大類，同時又細分為現場調查成果數據庫、遙感解譯成果數據庫、基礎地理信息數據庫等9 個子庫。在此數據庫框架結構下，空間矢量數據統一存儲為“*.mdb”（Microsoft Database）格式文件，柵格數據以“*.tif”格式存儲，非結構化數據以調查數據表格（“*.xls”）、報告文本（“*.txt”和“*.docx”）、圖像（“*.jpg”）和視頻（“*.mp4”）等格式存儲，將多源異構調查成果數據納入數據庫中，以解決“涉及學科多、文件類型雜、數據格式不統一”調查成果數據的規范化統一管理問題。

圖2 現狀調查成果數據庫框架結構

3.1.3 數據庫邏輯結構設計

廣東省江門市海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫主要包括調查站位、現場調查成果、遙感解譯成果和非結構化數據4 個對象，每個對象又包括若干數據表或數據文件。各對象之間的關系及結構如圖3 所示。

圖3 數據庫邏輯結構設計圖

3.1.4 數據表設計

廣東省江門市海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫中的調查站位、現場調查成果和遙感解譯成果，包含了紅樹林沉積環境、河口水質監測和砂質海岸海灘地形地貌等31 個數據表，每個數據表的字段結構，按照《導則》要求進行設計，表3 為河口生態系統水質監測數據表字段結構。

3.1.5 數據字典設計

將現狀調查成果數據庫中各對象之間邏輯結構關系描述，以及每個對象所包含數據表字段說明整理成數據說明文檔，形成數據字典，供程序員和其他需要查閱數據的人參考。

3.2 數據庫創建

基于現狀調查成果，遵照《導則》 要求，在ArcCatalog 應用程序中進行海岸帶生態系統現狀調查數據庫各類數據表及字段的建立，具體流程如下。

（1）在ArcCatalog 中以Personal Geodatabase 方式建立數據庫，并按照生態系統類型進行命名，如河口生態系統數據庫、紅樹林生態系統數據庫、砂質海岸生態系統數據庫。

（2）在數據庫中構建相關數據表，如紅樹林沉積環境、紅樹林生物群落、紅樹林水環境、紅樹林威脅因素、河口水質監測、河口水文氣象、砂質海岸底質環境、砂質海岸海灘地形地貌等。建立數據表時，其投影坐標系統設置為國家大地坐標系CGCS2000。

（3）對于新建的每個數據表，按照《導則》要求，建立相應字段，包括字段名稱、數據類型等，例如河口生態系統的水質監測數據表各字段設計如表3 所示。可采取手動方式，在ArcCatalog 中逐個建立各字段，也可將Excel 文件數據表頭直接導入，批量建立相關字段。

表3 河口生態系統水質監測數據表字段結構（節選）

3.3 數據入庫和空間化處理

3.3.1 調查數據入庫

基于ArcGIS 平臺，將經過預處理后的調查成果數據表導入已建好的數據表中，實現現狀調查數據的規范化入庫存儲。

3.3.2 調查數據空間化處理

借助ArcGIS 平臺的表關聯功能，將數據預處理階段已形成的調查站位矢量圖層，與數據庫中各數據表逐一進行連接（Joint） 操作，連接字段為“站位號”，使各數據表轉換為具有空間屬性的矢量圖層。

3.3.3 構建空間矢量圖層

建立調查成果空間數據庫，以各生態系統名稱為名構建數據集，并將矢量圖層導入相應數據集中，如圖4 所示。

圖4 海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫

4 數據庫成果應用

建設形成的數據庫，可基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS） 平臺進行可視化展現，同時可采取文件讀取、程序調用、服務發布等方式，實現用戶對數據庫中海岸帶生態系統現狀調查成果的共享和調用應用。

4.1 數據資料可視化展現

基于構建完成的數據庫，可將各空間矢量圖層，添加到ArcGIS 平臺的ArcMap 應用程序中，形成地圖文檔“海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫.mxd”。在ArcMap 中對各空間圖層進行疊加和渲染整飾（如設置點、線、面圖式圖例和顯示顏色，設置標注及格式等），完成各圖層的可視化展現。

利用“信息查看工具”，以“所點即所見”的方式，可在ArcMap 中進行調查站點、照片視頻、調查數據、遙感解譯等調查成果的可視化瀏覽。

4.2 數據庫共享及調用

構建完成的海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫，可以通過文件讀取、程序調用、地圖服務發布等方式，進行數據調用和共享應用，解決專題制圖、空間分析和信息系統開發等工作的規范化數據來源問題，發揮調查成果的信息化服務功能。

4.2.1 文件讀取方式

所構建完成的調查成果數據庫，統一保存為“*.mdb”（Microsoft Database）格式的文件，專題制圖、空間分析等數據應用人員可利用Microsoft Access、Excel 或ArcMap 應用程序直接打開該mdb格式的數據庫文件，直接讀取海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫中的調查成果信息。

4.2.2 程序調用方式

信息系統開發人員可借助Microsoft Office Access 數據庫引擎或基于COM（組件對象模型）的自動化接口技術，通過計算機程序開發語言調用本工作所形成的“*.mdb”格式數據庫。如C#語言可通過引用“System.Data”和“System.Data.OleDb”兩個類庫，快捷連接和調用操作“*.mdb”格式的數據庫文件，直接讀取海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫中的調查成果信息。

4.2.3 地圖服務發布方式

數據庫共享人員可利用地圖服務發布方式，將海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫導入ArcMap地圖文檔中，并在ArcGIS Server（ArcGIS 空間數據服務管理平臺）中作為網絡地圖服務發布。專題制圖、空間分析和信息系統開發等數據應用人員只要與共享人員在同一網絡環境中，即可通過Web（萬維網）方式調取地圖服務地址，將該數據庫中的圖層加載到本地ArcMap 地圖文檔之中，或者調用到信息系統之中。其優點是用戶不需要拷貝或讀取數據庫文件，即可訪問到海岸帶生態系統現狀調查成果數據庫中相關信息，而且可供多個用戶并發訪問，既靈活便捷，又確保了數據的安全管理。

5 結 論

海岸帶生態系統現狀調查資料涉及學科多、文件類型雜、數據格式不統一，難以直接應用于生態狀況科學評估、專題制圖分析、信息系統建設等方面的工作。為解決這一難題，本文對江門市紅樹林、砂質海岸和河口等海岸帶生態系統的現場調查和遙感解譯成果進行分析，研究形成了一套行之有效的數據整理、處理、數據庫構建技術流程，完成了對現場調查、無人機航拍、遙感解譯等調查成果資料的規范化集成管理，并基于GIS 平臺，實現了數據庫資料查看、瀏覽和專題展示等可視化應用，最后探討了數據庫的共享應用思路。

本文所形成的數據庫建設技術，在江門市海岸帶生態系統調查與評估工作中得到了有效應用，為評估提供了規范化集成的基礎資料信息，支撐完成了圖集編制和海岸帶生態狀況科學評估，同時為信息系統開發提供了數據共享和調用接口，助力自然資源管理及輔助決策。此外，本文研究形成的多源異構數據資料整理、質檢、建庫、可視化應用和數據共享等技術成果，可在我國海岸帶生態系統現狀調查成果管理和共享服務中進行示范推廣。