基于GIS的山西永定河植被生態(tài)需水管理系統(tǒng)的研建

段晉芳，郭青霞，解鴻志

（1.山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801；2.山西省忻州市規(guī)劃局，山西 忻州 034000；3.山西忻州一中，山西 忻州 034000）

永定河是海河流域七大水系之一，同時又是官廳水庫的重要支流，流域總面積4.7萬km2。發(fā)源于山西省寧武縣管埁山，在山西的流域面積為1.97萬km2，占山西海河流域總土地面積的32.9%。山西永定河地理坐標在東經112°10′－114°56′，北緯38°80′－40°39′，流經的行政區(qū)域主要包括大同市大部分（14017 km2）、朔州市大部分（7569 km2），以及忻州市寧武、神池、繁峙縣的各一部分（795km2）。整個流域屬大陸性氣候，氣溫南高北低，降水總體上南多北少。

運用MapObjects技術和可視化編程工具Visual Basic 6.0來開發(fā)流域植被生態(tài)需水信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GIS對數據的更新查詢功能，實現(xiàn)對植被生態(tài)需水信息的動態(tài)管理；利用GIS的分析及其管理功能，把現(xiàn)有多年的氣象、植被等資料存儲在數據庫中，根據需要快速查詢分析。將GIS與植被生態(tài)需水計算模型應用集成，實現(xiàn)對生態(tài)需水量的快速計算，提高軟件的專業(yè)性；在系統(tǒng)實現(xiàn)的狀況下，研究植被生態(tài)需水情況，為水資源合理配置提供調度決策方案；為流域的植被生態(tài)需水管理規(guī)劃提供一個有效的工作平臺和可靠的技術支持。因此建立流域植被生態(tài)需水信息管理系統(tǒng)具有一定的實際意義。

1 系統(tǒng)建設

1.1 系統(tǒng)建設目標

本系統(tǒng)采用COM技術、GIS技術和數據庫技術，實現(xiàn)山西永定河流域空間數據庫和屬性數據的顯示、查詢、分析、計算等功能，從而實現(xiàn)對山西永定河流域植被生態(tài)需水信息的科學管理，為相關部門的科學決策提供了可視化的分析工具，以信息化手段推動植被生態(tài)需水管理水平的提高。

1.2 系統(tǒng)設計

1.2.1 系統(tǒng)設計目標 系統(tǒng)設計的具體目標是:（1）建立流域基礎地理數據庫（空間數據集）。（2）深入調查，并依據空間數據集錄入與之相對應的屬性數據，建立完整的空間數據庫，實現(xiàn)流域植被生態(tài)需水信息科學存儲，適時更新數據和圖件，且數據標準化。（3）實現(xiàn)基本的GIS功能，如空間屬性信息雙向查詢、地圖基本操作、專題圖制作及統(tǒng)計分析等。（4）采用Visual Basic 6.0開發(fā)語言完成整個系統(tǒng)的程序代碼的編譯。（5）將GIS與植被生態(tài)需水計算模型應用集成，實現(xiàn)對植被生態(tài)需水量的計算。

圖1 系統(tǒng)總體設計結構示意圖

1.2.2 系統(tǒng)的功能設計 系統(tǒng)的功能設計是系統(tǒng)開發(fā)的一個最重要環(huán)節(jié)，根據系統(tǒng)需求分析和可行性分析，永定河流域植被生態(tài)需水信息系統(tǒng)功能設計大體上分為兩大部分:一是植被生態(tài)需水量計算；二是空間信息管理（圖1）。

（1）植被生態(tài)需水量計算功能。計算思想是在黃土高原森林生態(tài)系統(tǒng)中，系統(tǒng)蒸散耗水量（Et）是其主要的水分支出項［11］，因此可以將其作為植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量。而植被實際蒸散量受大氣環(huán)境、植被生態(tài)特性與生長狀況以及土壤水分條件的綜合影響，當氣候條件和植被種類一定時，植被實際耗水量主要取決于土壤水分含量。從植被蒸散與土壤水分的關系來看，當土壤水分充足時，植被蒸散主要取決于植物的類型和氣候因素（例如風速、大氣溫度和濕度等），而與土壤水分含量無關。而當土壤含水量低于一定的值S＊（臨界土壤含水量，其值與植被和土壤質地有關），植物的氣孔開始關閉，水分的蒸散速度開始降低［7－8］。此時，土壤水分含量就成為林木實際蒸散量的主要限制因素。根據土壤水分常數的概念，林木暫時凋萎含水量（St）和生長阻滯含水量（Sr）分別是能保證林木基本生存和正常生長時的土壤含水量下限［9－10］。因此，可以將這兩種情況下的植被耗水量，分別作為最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額（植被單位面積、單位時間內所需要消耗的水量）。其數值可以通過植被潛在蒸散的計算，并利用林木系數Kt和土壤水分修正系數Ks進行訂正而獲得:

式中:Ea——林地實際蒸散量；PE——由氣候條件決定的潛在蒸散量；Ks——土壤水分修正系數，與土壤質地及土壤含水量有關；Kt——林木系數，與林木種類和生長狀況有關。

流域內的植被生態(tài)需水量，則可以通過流域植被的生態(tài)需水定額及植被面積得到。

① 潛在耗水量（PE）的計算。如前所述，植被潛在耗水量是某一氣候條件下植被的潛在蒸散量，其值只與當地的氣候條件有關，可以通過氣象資料，根據收集的各縣氣象臺站的氣象資料，包括日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日平均氣壓、日平均水汽壓、日照時數和風速等。利用Penman公式［12］進行計算。得到流域各個縣植被潛在蒸散量的平均值。② 林木系數K的計算。Kt是林地最大需水量與潛在耗水量的比例系數，在求得林地的潛在耗水量后，用林木耗水系數Kt作調整即可得到林地的實際最大蒸散量，即林地的最大耗水量。在本文中Kt值依據陳麗華等的研究結果［13］，以刺槐和油松這兩種黃土高原地區(qū)造林最常用樹種的平均值0.765代表喬木樹種，0.612代表灌木，0.5049 代表草地。③ 土壤水分系數Ks值的計算。在本文的計算中采用Jensen公式［14］來確定土壤水分供應不充足時植被的實際蒸散量隨土壤水分含量的變化情況。根據Jensen公式，當Sw≤S≤S＊時，有

式中:S——土壤實際含水量；Sw——土壤凋萎含水量；S＊——土壤臨界含水量。

根據前述對植被最小生態(tài)需水和適宜生態(tài)需水概念的討論，只要確定了流域植被的臨界土壤含水量（S＊）、暫時凋萎土壤含水量（St）、土壤凋萎含水量（Sw）和生長阻滯含水量（Sr），將S＝Sr和S＝Ss分別代入Ks的計算公式，就可以得到相應的Ks值。

根據前人的研究結果［5－6］，采用 Saxton等的方法，可以計算得到黃土高原地區(qū)不同土壤質地類型的水分參數，并進一步計算得到相應的Ks值（表1）。

表1 不同土壤類型的水分修正參數

利用系統(tǒng)讀取流域的空間數據，通過交互式界面選擇植被圖斑，自動獲取圖斑面積、植被類型、林木系數、土壤質地類型等一些基礎信息。系統(tǒng)設計時，考慮到影響植被生態(tài)需水量的各類因子，對于選擇的參數全部列入，各項參數都能實現(xiàn)數據庫管理，根據實際情況可以進行修改。結合獲取的圖斑信息和各項構成參數，系統(tǒng)自動進行計算分別得出植被最小生態(tài)需水量的值、最適生態(tài)需水量的值，計算結果可以自動保存到數據庫。

（2）空間信息管理功能。① 空間查詢功能:根據查詢方式的選擇可以分為通過圖形查看對應的屬性數據和通過屬性查找對應的圖形兩種情況。例如植被圖，采用前者，通過選取流域植被圖形的不同地點，可以較好地獲取整個流域的屬性狀況，如植被類型、土壤質地、林木系數和面積等；采用后者，可以通過點擊查看不同字段的屬性，可以查找其相應的空間位置。② 圖層管理功能:具有添加圖層、刪除圖層、動態(tài)圖層、顯示圖層、隱藏圖層等功能。其中動態(tài)圖層功能包括添加動態(tài)圖層、添加事件、動態(tài)演示、選擇事件、移出事件等功能。根據需要，可以方便對空間數據進行分層管理和操作。③ 空間分析功能:包括渲染和緩沖分析。圖層的渲染是通過設置圖層對象的Renderer屬性，來對Maplayer圖層采用不同的渲染方法。本系統(tǒng)設計了圖表渲染、類渲染、值渲染等功能。使用渲染功能可以根據需要分類形象地表示出流域的空間地理數據。緩沖區(qū)分析是根據數據庫的點、線、面實體，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區(qū)域多邊形實體，從而實現(xiàn)空間數據在水平方向得以擴展的信息分析方法。點、線、面矢量實體的緩沖區(qū)表示該矢量實體某種屬性的影響范圍，它是地理信息系統(tǒng)重要的和基本的空間操作功能之一。本系統(tǒng)設計了點緩沖、線緩沖和區(qū)緩沖三種功能。④ 圖形及屬性編輯功能:圖形編輯與屬性修改是地圖編輯管理模塊中最重要的部分，也是一個重要的維護管理工具。本系統(tǒng)設計能在當前圖層實現(xiàn)點、線、面的添加和刪除等功能。屬性編輯用于修改圖斑中屬性數據，在屬性菜單中選擇屬性修改，點擊想要修改的圖斑，彈出屬性對話框，即可完成屬性修改工作。⑤ 圖形顯示功能:在窗口菜單中，可以實現(xiàn)對圖形進行放大、縮小、移動、拉框放大和全圖顯示等功能。點擊窗口菜單中的子菜單，在屏幕上拉動或點擊就可以實現(xiàn)上述功能。⑥打印功能:對于流域的空間數據進行分析操作后，可以實現(xiàn)圖形的打印。

1.3 關鍵技術

本系統(tǒng)充分利用COMGIS和數據庫等技術，又采用Visual Basic 6.0和組件MapObjects為二次開發(fā)平臺，集成ARCGIS、ACCESS和EXCEL等軟件功能，實現(xiàn)流域空間數據和屬性數據的顯示、查詢、計算及分析等功能。

COMGIS是面向對象技術和組件式軟件在GIS軟件開發(fā)中的應用，它的出現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS面臨的多種問題提供了全新的解決思路。COM技術已事實上成為業(yè)界標準，GIS開發(fā)人員可以像使用其它Active控件一樣使用COMGIS控件，這樣就可以避免傳統(tǒng)的GIS在系統(tǒng)集成上存在著系統(tǒng)整合性差，自帶的二次開發(fā)語言難以開發(fā)復雜的應用模型，應用開發(fā)難度大、成本高等缺點。開發(fā)人員根據需要把一些組件快速的組裝到一起，不僅大大簡化了開發(fā)過程，而且極大地縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，隨時可以根據實際需要進行靈活方便的系統(tǒng)定制與升級。

美國ESRI公司的 MapObject簡稱（MO）是一種基于COM技術的地理信息系統(tǒng)控件，它由一個稱為Map的ActiveX控件（OCX）和超過三十多種ActiveX自動化對象構成，通過這些對象，可以使用任何支持ActiveX的程序開發(fā)環(huán)境（如Visual Basic，Delphi，VisualC＋＋等），開發(fā)嵌入式 GIS應用系統(tǒng)［1］。

MO提供了許多功能接口，常用的地圖應用基本上都能實現(xiàn)，例如:創(chuàng)建新的Shape文件；更新屬性和圖形數據；繪制點、線、橢圓、矩形和多邊形等圖形要素；地圖簡單點取查詢、空間查詢、相對位置查詢、條件查詢等；屬性自動標注；空間統(tǒng)計；地圖縮放和漫游；豐富的繪圖方式，如按值潤色、分類顯示、繪制密度圖、產生含各類圖表的專題圖等等。通過調用這些接口，能夠開發(fā)出簡單的電子地圖應用到復雜的基于GIS／GPS／RS的3S應用。在標準的 Windows編程環(huán)境下，MO能夠與其它圖形、多媒體、數據庫開發(fā)技術組件完全獨立的綜合性應用軟件，是基于前端應用業(yè)務的良好的地圖開發(fā)環(huán)境。

2 數據庫建設

2.1 數據庫設計

（1）空間數據庫的設計。空間數據庫的建設在ArcGIS環(huán)境下進行，空間數據的輸入采用對圖件掃描后進行矢量化的方式進行。建立空間數據庫［4］，應采用國家測繪局出版的標準圖幅地形圖作為控制底圖，其他地圖均以控制底圖為準進行配準校核。利用DEM并結合植被圖和土壤質地圖建立。采用6°分帶的高斯克呂格投影，坐標系使用北京54，高程系統(tǒng)為1956年黃海高程基準。矢量化時針對所采集的要素，采用層的概念來組織和管理數據。按照地理要素的不同將其劃分為不同的圖層。

（2）屬性數據庫的設計。系統(tǒng)的屬性信息主要為數字化后各植被圖斑的屬性。本系統(tǒng)采用關系數據庫Microsoft Access來管理屬性數據，采用表的方式進行數據組織，各種數據表都存在于一個數據庫文件中，便于文件的管理。將圖形屬性信息的存儲以分層為標準存儲，即圖斑屬性信息對應于相應的圖斑層，線狀地物屬性信息對應相應的線狀地物層，圖形信息與屬性信息通過指定的關鍵字段來建立關聯(lián)關系。

（3）空間數據庫與屬性數據庫的連接。圖形數據庫和屬性數據庫以不同的形式分開存放在數據庫中，但它們并不是孤立的，彼此間存在著一定的聯(lián)系。每一幅基本圖形都對應著一個屬性數據文件，用以完成對圖層地理要素的屬性描述，圖形中的每一個基本元素對應著數據文件的一個記錄，圖形單元標識碼是要素屬性表中的一個關鍵字段，空間數據與屬性數據以此字段形成關聯(lián)，這種關聯(lián)使兩種數據聯(lián)成一體。這樣可以方便地通過圖形進行檢索，調用屬性數據，同樣由屬性數據也可以顯示、檢查圖形，實現(xiàn)空間數據與屬性數據的雙向查詢。

2.2 數據庫的實現(xiàn)

為了對這些數據進行有效地管理，必須建立一個功能完善、能夠適應多種數據類型的綜合數據庫管理系統(tǒng)，即分別建立空間數據庫、屬性數據庫?？臻g數據和屬性數據通過操作建立聯(lián)系，從而既可以在屬性意義上進行空間查詢和分析，又可以空間定位地進行屬性查詢和統(tǒng)計運算。

2.2.1 空間數據庫 系統(tǒng)空間數據庫主要針對與工程相關的所有空間數據進行管理和維護，空間數據包括基礎地理信息、植被圖、土壤質地圖等多個圖層的數據，其中既有矢量格式的圖形數據又有圖像數據（DEM數據），為便于管理和使用，采用文件方式存放空間數據。矢量數據以ESRI公司標準的shape文件格式存儲，DEM數據以標準的Image圖像格式存儲。圖形數據包括氣象站點圖層、公路圖層、鐵路圖層、河流圖層、流域邊界圖層、縣界圖層、植被圖層、土壤圖層、土壤質地圖層。圖像數據包括DEM圖層。

2.2.2 屬性數據庫 屬性數據庫主要針對與工程相關的所有屬性數據的管理和維護。目前可用的數據庫平臺很多，比較著名的如Oracle、Foxpro和 Microsoft－Office系列軟件Access等。根據實際工作情況，在建庫時要兼顧數據庫功能的完備性、與GIS系統(tǒng)的兼容性、數據庫軟件的通用性以及開發(fā)成本的廉價性等因素。綜合幾方面考慮，選取應用領域廣泛的Microsoft Access數據庫管理屬性數據。

Microsoft Access數據庫平臺是功能強大的關系型數據庫（RDBMS）。可以根據處理數據的特點定義數據格式，具有操作管理數據和控制數據等功能，由于Access是面向Windows的應用程序，因此可以使用動態(tài)交換、對象鏈接與嵌入以及ActiveX定制控件的所有技術，在Access的報表和窗體中，可以使用ActiveX控件來增強數據庫的可操作性，Access可以支持大量的數據格式和嵌入多種其他數據庫文件結構，其中包括EXCEL電子表格和DBASE等數據文件。

本系統(tǒng)數據庫包括的表單內容有植被信息、土壤信息、生態(tài)需水信息、氣象信息。① 植被信息。包括植被所在的各個縣（區(qū)）的名稱和土壤質地、植被類型和各類型植被的面積。② 土壤信息:主要包括流域土壤的土類、土屬、土種。③ 生態(tài)需水信息:包括植被類型、土壤質地、林木系數、最小需水定額、最適需水定額、各縣的蒸散量、各個圖斑的植被面積等。④ 氣象信息:包括氣象站臺基本信息與相應臺站點氣象數據，臺站信息主要包括流域內19個站點的基本信息（如臺站名稱、海拔高度、起測年份、經度和緯度等）和氣象數據（1980－2000年）:降水量（mm）、蒸發(fā)量（mm）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、平均氣溫（℃）、風速（m／s）、日照時數（h）。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)具有以下功能:（1）數據查詢:系統(tǒng)能對流域范圍內各類數據進行管理，其中包括添加、刪除、查詢、更新、維護等。（2）圖層控制:系統(tǒng)具有圖層縮放、漫游、圖層增減控制瀏覽等功能；（3）信息查詢:提供圖形、屬性查詢及二者交互查詢功能，同時用戶可以通過各種條件設置進行查詢；（4）輸出功能:系統(tǒng)可以進行圖形和數據輸出，用戶可以以統(tǒng)計圖的形式輸出各種屬性數據；（5）系統(tǒng)維護:提供對空間數據和屬性數據的維護功能。（6）計算功能:系統(tǒng)實現(xiàn)對植被最小生態(tài)需水量和最適生態(tài)需水量的計算。如圖2－3所示。

圖2 流域最小生態(tài)需水計算模塊運行界面

圖3 系統(tǒng)運行界面

4 結語

通過研究運用Visual Basic 6.0開發(fā)語言與Mapobjects組件開發(fā)出了山西永定河流域植被生態(tài)需水信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有空間和屬性數據管理功能，能對流域數據進行更新、修改、查詢等操作，能通過專業(yè)模型計算植被最小生態(tài)需水量和最適生態(tài)需水量，通過對計算結果進行統(tǒng)計分析，得出要維持該流域現(xiàn)有植被的基本生存，每年植被總的最小生態(tài)需水量為256817 .10萬 m3，其中喬木129579 .015萬 m3，灌木118753 .18萬 m3，草地8484 .91萬 m3；以維持植被正常生長所需要消耗的水量為標準，該流域每年植被最適生態(tài)需水量為427159 .6萬m3，這一需水量是植被最小生態(tài)需水量的1.6倍多，其中喬木215895 .56萬m3，灌 木 197216 .55 萬 m3，草 地14047 .50萬m3，經驗證符合實際。

該系統(tǒng)的開發(fā)和研制大大地提高了山西永定河流域植被生態(tài)需水信息管理的現(xiàn)代化水平，為實現(xiàn)該流域植被生態(tài)需水信息管理的規(guī)范化和信息化奠定了基礎，對推動山西永定河流域的發(fā)展具有重要的作用。標志著山西永定河流域的植被生態(tài)需水信息管理工作已經進入了科學化管理的軌道。然而，由于MO不能執(zhí)行某些高級功能，如高質量的地圖輸出、表面模型和網絡分析等高級空間分析，以及拓撲編碼，因此下一步將加強這方面的工作，增強系統(tǒng)的功能。

［1］黃瑞，徐學軍.基于MapObjects的流域GIS系統(tǒng)開發(fā)及應用［J］.計算機工程，2003，13（29）:186－188.

［2］郭盈發(fā).數據庫原理與應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1998:22－69.

［3］劉新民，蔡瓊，百康生.Visual Basic 6.0程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2005:48－98.

［4］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程［M］.北京:科學出版社，2007:67－189.

［5］王孟本，李洪建.黃土高原人工林水分生態(tài)研究［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2001.

［6］楊文治，邵明安.黃土高原土壤水分研究［M］.北京:科學出版社，2000.

［7］Larcher W.Physiological Plant Ecology［M］.Berlin:Springer，1995.

［8］Nilsen E T，Orcutt D M.Physiology of Plants under Stress:Abiotic Factors［M］.New York:Wiley，1998.

［9］李玉山.黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對陸地水分循環(huán)的影響［J］.生態(tài)學報，1983，3（2）:91－101.

［10］余新曉，張建軍，朱金兆.黃土地區(qū)防護林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分條件的分析與評價［J］.林業(yè)科學，1996，32（4）:289－296.

［11］魏天興，朱金兆.黃土區(qū)人工林地水分供耗特點與林分生產力研究［J］.水土保持學報，1999，5（4）:45－51.

［12］Penman H L.Natural evaporation from open water，bare soil and grass［J］.Proc.Royal Soc.，1948，193:120－145.

［13］陳麗華，王禮先.北京市生態(tài)用水分類及森林植被生態(tài)用水定額的確定［J］.水土保持研究，2001，8（4）:161－164.

［14］Jensen E.耗水量與灌溉需水量［M］.馬文，譯.北京:農業(yè)出版社，1982.