基于3S技術(shù)的廣東省濕地科學(xué)數(shù)據(jù)庫共享平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

趙 賞，鐘凱文，孫彩歌

(1．中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東廣州510640;2．中國科學(xué)院研究生院，北京100049;3．廣州地理研究所，廣東廣州510070;4．廣東省遙感與地理信息應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510070)

一、引 言

濕地與森林、海洋一起并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)類型，不僅提供了人類賴以生存和發(fā)展的寶貴資源，還具備維持全球生態(tài)系統(tǒng)平衡，調(diào)節(jié)全球氣候和維持生物多樣性以及承載人類社會(huì)價(jià)值的隱性功效。廣東省雖然是濕地大省，擁有類型繁多、種類齊全、總面積巨大、分布廣闊的濕地資源，但也同時(shí)面臨著灘涂濕地過度圍墾，海洋污染日趨嚴(yán)重，生物資源過度利用，濕地水資源過度采集，濕地污染日益加劇，泥沙淤積日益嚴(yán)重以及快速城市化所帶來的威脅等諸多問題[1-2]。傳統(tǒng)的濕地調(diào)查和監(jiān)測的手段所存在的低效率、長周期和政策瓶頸，已經(jīng)越來越不能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需求，這迫切需要新的技術(shù)手段應(yīng)用和解決問題新思路的突破，以RS、GIS、GPS為核心的“3S”技術(shù)，可以在很大程度上解決當(dāng)前所面臨的困境，RS技術(shù)可以提供高效、快速、高可靠性和低成本的濕地資源信息，GPS技術(shù)可以提供精準(zhǔn)的定位信息，而GIS技術(shù)，則可以將這些精確的信息以一個(gè)公共服務(wù)平臺(tái)的方式展示出來，為大眾提供信息服務(wù)，為相關(guān)部門提供決策支持。

二、數(shù)據(jù)調(diào)查與分類

利用傳統(tǒng)的野外采樣方法進(jìn)行濕地資源調(diào)查，覆蓋范圍小，耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，并且對(duì)濕地具有破壞性。遙感影像可以在短時(shí)間內(nèi)提供濕地資源的海量數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后還可以反映濕地內(nèi)部的環(huán)境狀況，進(jìn)而可以深入研究濕地情況與氣候、地形地貌、植被變化、濕地生物多樣性以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況之間的關(guān)系。在本次濕地?cái)?shù)據(jù)調(diào)查中，遙感影像作為獲取濕地信息最主要的來源，輔以DEM和土地利用數(shù)據(jù)等。

濕地資源數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)的采集主要通過圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過掃描處理后錄入，廣東省濕地科學(xué)數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)包括廣東省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)及廣東省濕地遙感影像數(shù)據(jù);屬性數(shù)據(jù)包括廣東省濕地種類、面積、分布數(shù)據(jù)，廣東省市區(qū)鎮(zhèn)行政分級(jí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的編號(hào)。根據(jù)廣東省實(shí)際狀況和《濕地公約》，廣東省濕地分為以下幾個(gè)類別：

1)近海海岸濕地，代碼為Ⅰ，包括淺海水域、潮下水生層、珊瑚礁、巖石性海岸、潮間礁石海岸、潮間淤泥海灘等14個(gè)子類，子類的代碼為Ⅰ后加數(shù)字標(biāo)識(shí)。

2)河流濕地，代碼為Ⅱ，包括有永久性河流和泛洪平原濕地，泛洪平原濕地指河水洪水泛濫淹沒以后的河流兩岸地勢平坦地區(qū)。

3)湖泊濕地，代碼為Ⅲ，湖泊濕地主要指內(nèi)陸型的湖泊，包括永久性的淡水湖和咸水湖，季節(jié)性的淡水湖和咸水湖以及水庫等5種。

4)沼澤濕地，代碼為Ⅳ，根據(jù)調(diào)查，廣東省的沼澤濕地資源很少，目前只有兩處沼澤地，一處是曲江縣的羅坑山區(qū)草本沼澤，另一處是吳川縣東南面的草本沼澤。

5)庫塘，代碼為Ⅴ，本次收錄作為庫塘濕地類型主要是在珠江三角洲平原外圍的丘陵，臺(tái)地上散列分布的山塘、坑塘、魚塘，以及面積少于100 hm2且不與河流相接的小水庫[3]。

三、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫

1．總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廣東省濕地科學(xué)數(shù)據(jù)庫共享平臺(tái)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是建立一個(gè)省級(jí)濕地科學(xué)數(shù)據(jù)庫信息共享系統(tǒng)，為濕地資源管理提供一個(gè)探討思路和技術(shù)嘗試，并為廣東省濕地科學(xué)管理提供決策服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)廣東省濕地生態(tài)治理與恢復(fù)重建數(shù)據(jù)的信息化管理。

本系統(tǒng)主要用于濕地調(diào)查成果的展示、調(diào)查成果的查詢及分析，對(duì)廣東省各市區(qū)濕地種類、面積、分布規(guī)律進(jìn)行分析，確定不同市區(qū)的濕地防治與綜合利用的相應(yīng)策略，為廣東省濕地綜合治理提供決策支持。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 濕地?cái)?shù)據(jù)庫總體結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)據(jù)庫表字段設(shè)計(jì)

2．?dāng)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心組成部分，是濕地共享平臺(tái)的核心組成部分，也是濕地綜合管理與決策的重要支持，它的設(shè)計(jì)合理與否，直接決定了功能設(shè)計(jì)與平臺(tái)運(yùn)行的效率。在將采集和整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分門別類以后，為了將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，設(shè)計(jì)了如圖2所示的數(shù)據(jù)庫字段，包括用戶信息、行政區(qū)域信息、經(jīng)緯度信息、濕地屬性信息等，所有的數(shù)據(jù)都是按照這些數(shù)據(jù)庫字段的格式輸入進(jìn)Oracle數(shù)據(jù)庫中[4-5]。

四、功能設(shè)計(jì)

1．顯示查詢功能設(shè)計(jì)

查詢功能是本系統(tǒng)的主要功能之一，用戶可通過選擇諸如“按名稱查詢”、“按屬性查詢”等。本系統(tǒng)可分級(jí)顯示不同分辨率下的城市交通圖和遙感影像圖，可以進(jìn)行鷹眼漫游和分級(jí)縮放。查詢和顯示可以選擇多種方式，用戶可以按照面積、類別、名稱等不同屬性進(jìn)行查詢，查詢的結(jié)果既可以以列表展示，更可以實(shí)現(xiàn)在圖上定位，并顯示定位點(diǎn)的詳細(xì)信息。除此之外，還有已經(jīng)整理好的宏觀統(tǒng)計(jì)信息可以直接進(jìn)行查詢，并可以通過熱片技術(shù)實(shí)現(xiàn)在圖片移動(dòng)光標(biāo)顯示詳細(xì)屬性信息[6]。

2．統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以高效率地實(shí)現(xiàn)以往需要消耗大量人力、物力才能完成的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)工作。全部的數(shù)據(jù)經(jīng)過了規(guī)范的整理之后形成了多張統(tǒng)計(jì)表和一張簡單明了的統(tǒng)計(jì)圖。通過統(tǒng)計(jì)表，可以得出全部的宏觀信息，包括查詢對(duì)象的名稱，所屬行政區(qū)域，面積大小和分布特點(diǎn);統(tǒng)計(jì)圖則可以形象地獲得廣東省各個(gè)城市的總體資料，且可以直觀地展現(xiàn)各區(qū)域的信息對(duì)比。這對(duì)于政府部門的決策，單一用戶的信息獲取具有非常重要的意義，也為平臺(tái)未來的可擴(kuò)展性打下了很好的基礎(chǔ)。

3．系統(tǒng)維護(hù)功能設(shè)計(jì)

包括用戶權(quán)限和賬號(hào)密碼維護(hù)、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等?？紤]到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性和保密性，由系統(tǒng)管理員設(shè)置3種級(jí)別的系統(tǒng)功能使用權(quán)限：①管理員權(quán)限可以使用所有功能，包括一般地圖操作功能、查看航片和進(jìn)入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫;② 高級(jí)用戶使用一般地圖功能，也可以看航片，但不能進(jìn)入后臺(tái)對(duì)用戶進(jìn)行管理;③一般人員可以使用地圖一般操作功能，包括地圖縮放與平移、鷹眼漫游、全圖顯示、空間查詢功能，地圖數(shù)據(jù)的打印輸出功能，則不能看航片，也不能進(jìn)入后臺(tái)對(duì)用戶進(jìn)行管理。不同的角色登錄后，會(huì)根據(jù)用戶角色的權(quán)限顯示用戶管理區(qū)的功能按鈕[7]。

五、關(guān)鍵技術(shù)

1．瓦片技術(shù)

瓦片地圖技術(shù)主要分為兩種：一種是客戶端的瓦片地圖技術(shù)，也就是將用戶的請(qǐng)求進(jìn)行分割，分為多次請(qǐng)求，然后將多次請(qǐng)求的結(jié)果進(jìn)行拼接，得到想要的整幅地圖;另外一種是采用瓦片金字塔方式的服務(wù)器端切割，即將已經(jīng)完全切割好的圖片存儲(chǔ)在服務(wù)器端，用戶按照需要進(jìn)行調(diào)用。本系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用的需求，采用了服務(wù)端的瓦片地圖技術(shù)，可以獲得非常高的響應(yīng)速度和較高清晰度的柵格地圖。本系統(tǒng)的切圖使用的是基于ArcCISEngine二次開發(fā)的切圖引擎，切圖的數(shù)據(jù)源采用統(tǒng)一地圖投影坐標(biāo)系的ArcMap地圖文檔(MXD文檔)，將切割生成的瓦片地圖按照一定的目錄結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，形成該文檔相應(yīng)的瓦片地圖庫，用戶可以通過瀏覽器連接數(shù)據(jù)庫，按照需要調(diào)用某一級(jí)別的瓦片地圖，顯示起來非常方便[8]。

2．Flex技術(shù)的應(yīng)用

Flex地圖引擎是以Flex語言開發(fā)的地圖引擎，實(shí)現(xiàn)瓦片柵格地圖的拼接、GIS的基本操作、地物疊加等功能?？蛻舳送ㄟ^瀏覽器調(diào)用Flash引擎，通過Flash去控制管理地圖圖片，繪制標(biāo)注，疊加圖層地物。在內(nèi)存控制和顯示效果上都有好的表現(xiàn)。在Flex技術(shù)中，MXML的作用類似于HTML，主要用于設(shè)計(jì)用戶界面，實(shí)現(xiàn)豐富的Flex表現(xiàn)層;ActionScript的基本作用類似于傳統(tǒng)網(wǎng)頁開發(fā)中的JavaScript，也是一種腳本開發(fā)語言，有自己的語法、變量和函數(shù)，同時(shí)ActionScript還要負(fù)責(zé)Flex程序的邏輯控制和業(yè)務(wù)建模。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球安裝有瀏覽器的PC中超過九成的用戶安裝了Flash Player，這意味著基于Flash引擎的Flex技術(shù)具有非常良好的平臺(tái)兼容性，可以最大限度地滿足濕地科學(xué)數(shù)據(jù)庫對(duì)于應(yīng)用范圍的需求，也為其他實(shí)地科學(xué)數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供了可行性參考[9-10]。

3．Ajax技術(shù)的應(yīng)用

Ajax技術(shù)的核心是一個(gè)名為XMLHTTPRequest的類，用戶通過這個(gè)類實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的異步交互，從根本上提高了服務(wù)器的相應(yīng)效率，瀏覽器頁面不需要將頁面重新下載與刷新，只需要將部分請(qǐng)求予以更新即可滿足用戶需求。在考察了同類資源信息系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間上的不足后，本系統(tǒng)將Ajax技術(shù)引入到濕地?cái)?shù)據(jù)庫平臺(tái)的建設(shè)當(dāng)中，濕地?cái)?shù)據(jù)通常需要快速顯示數(shù)據(jù)量龐大的遙感影像數(shù)據(jù)，采用Ajax技術(shù)以后，地圖的刷新速度明顯提高，用戶等待時(shí)間也大為縮短，圖像的清晰度依然得到了有效的保證，這大大提高了用戶訪問效率，也擴(kuò)展了廣東省濕地?cái)?shù)據(jù)庫的應(yīng)用前景[11-12]。

4．Web Service技術(shù)

考慮到平臺(tái)以后的擴(kuò)展性，以及本平臺(tái)開發(fā)完成后面向其他單位和部門提供開發(fā)接口，本系統(tǒng)采用了功能強(qiáng)大的Web Service技術(shù)做平臺(tái)的對(duì)外接口。Web Service的維護(hù)成本比較低，能更加方便快捷地與使用者通信，它是一個(gè)獨(dú)立于操作系統(tǒng)、應(yīng)用平臺(tái)、程序開發(fā)語言的對(duì)外公共接口。在廣東省濕地科學(xué)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)中應(yīng)用Web Service技術(shù)可以用標(biāo)準(zhǔn)的方法把功能和數(shù)據(jù)“暴露”出來，供其他應(yīng)用程序使用，同時(shí)還可以對(duì)代碼和代碼背后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)利用，這樣可以大大降低后續(xù)開發(fā)的難度，也為類似的濕地?cái)?shù)據(jù)庫開發(fā)提供了很好的參考[13]。

六、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基本的GIS操作功能、地圖應(yīng)用功能、查詢統(tǒng)計(jì)功能和權(quán)限管理功能。GIS基本操作主要指平移、放大、縮小、全圖、刷新、測距等基本功能;地圖應(yīng)用功能包括加載影像圖、動(dòng)態(tài)繪制面標(biāo)注、畫自定義圖片等;查詢統(tǒng)計(jì)功能主要是針對(duì)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索和統(tǒng)計(jì);權(quán)限管理是針對(duì)用戶訪問的數(shù)據(jù)和功能進(jìn)行控制。可以進(jìn)行“按名稱查詢”，“按類型查詢”，“按面積查詢”等3類查詢方法，如圖3所示。查詢的結(jié)果顯示在屏幕右方，如圖4所示，顯示了全部符合條件的查詢結(jié)果，單擊其中一個(gè)可以顯示詳情，圖5顯示的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)表，將鼠標(biāo)移動(dòng)到指定位置可以查看詳情，圖6展示的是系統(tǒng)的對(duì)外接口，可為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供指導(dǎo)。

圖3

圖4

圖5

圖6

七、結(jié)束語

將GIS技術(shù)應(yīng)用到濕地資源的管理，是未來能源資源管理的一個(gè)必然方向。本系統(tǒng)運(yùn)用WebGIS、瓦片柵格地圖等相關(guān)技術(shù)，在這個(gè)方向做了一個(gè)初步的嘗試。本平臺(tái)共享的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行快捷及時(shí)的更新，整體架構(gòu)不改變的情況下只需改變數(shù)據(jù)源便可以生成一套新的共享信息，這對(duì)于有關(guān)部門及時(shí)有效地獲取相關(guān)信息是非常必要的。將GIS技術(shù)引入到濕地資源的管理，有望提高濕地資源管理的信息化水平，為政府部門提供決策支持，為公眾提供可視化和易于理解的開放式應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)推動(dòng)廣東省濕地科學(xué)化管理有著重要的作用，也為濕地產(chǎn)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益增長提供動(dòng)力。

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