基于WEBGIS與三庫一體模式的土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)

李 煥，丁建麗

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊 830046; 2.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830046)

基于WEBGIS與三庫一體模式的土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)

李 煥1，2，丁建麗1，2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊 830046; 2.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830046)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用操作技術(shù)不斷進(jìn)步，軟件技術(shù)的不斷完善以及可視化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使WEBGIS系統(tǒng)的可操作性能越來越好。本文以新疆渭庫綠洲鹽漬地為背景，提出了基于GIS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與安全監(jiān)測(cè)相結(jié)合的WEBGIS與“三庫一體模式”技術(shù)的平臺(tái)。首先根據(jù)大量野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料、人文經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理地質(zhì)等數(shù)據(jù)建立SQL Server數(shù)據(jù)庫，之后以集成適用于鹽漬地特點(diǎn)的21種監(jiān)測(cè)模型的模型庫為主導(dǎo)，調(diào)用鹽漬化分析方法，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，對(duì)模型求解并輔助專家進(jìn)行決策。本系統(tǒng)采用B/S模式，HTML(超文本標(biāo)記語言)設(shè)計(jì)并建立鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，分析評(píng)價(jià)鹽漬化程度、影響及其發(fā)展趨勢(shì)，從而開發(fā)出鹽漬化監(jiān)測(cè)與預(yù)警智能分析相結(jié)合的系統(tǒng)工程應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的儲(chǔ)存、分析和管理；鹽漬化監(jiān)測(cè)模型分析；信息結(jié)果發(fā)布等功能。提高了地理空間信息的表現(xiàn)力，促進(jìn)了干旱區(qū)信息化應(yīng)用水平和信息共享平臺(tái)擴(kuò)展，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng) 鹽漬化監(jiān)測(cè)與預(yù)警 三庫一體技術(shù)

Li Huan, Ding Jian-li. Development of a monitoring and early warning system for soil salinization based on a model with integrated WEBGIS and three libraries[J]. Geology and Exploration, 2016, 52(6):1167-1175.

0 引言

土壤的鹽漬化一直對(duì)農(nóng)耕地區(qū)有著相當(dāng)?shù)耐{，是當(dāng)今一個(gè)世界性的難題(毛海濤，2015)，其以出現(xiàn)頻率高、涉及范圍廣以及造成直接損失大的特點(diǎn)成為自然災(zāi)害之一(Dingetal.，2011；吳冬平，2015)。因此，對(duì)干旱地區(qū)進(jìn)行鹽漬化有效防治是保護(hù)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和諧發(fā)展、社會(huì)長(zhǎng)治久安的一項(xiàng)重要任務(wù)。雖然已有各種從不同出發(fā)點(diǎn)研究鹽漬化的成因和治理問題的研究成果，但一般存在一定的局限性，在單一的治理工作不能夠更好地滿足鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警任務(wù)的條件下，有必要使網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)投入到治理工作中來，采取先進(jìn)手段，開展基于WEBGIS技術(shù)的鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)來提高安全治理工作的質(zhì)量和水平，已成為當(dāng)前鹽漬化預(yù)警與防治領(lǐng)域的一大創(chuàng)新突破點(diǎn)。

鹽漬化監(jiān)測(cè)以及預(yù)警分析管理系統(tǒng)。Gaoetal.(2011)基于遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和海量數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，對(duì)塔里木河上游的土壤鹽漬化時(shí)空動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與解譯。Juanetal.(2016)利用開源軟件gvSIG software，對(duì)長(zhǎng)期鹽分過度累積的土壤，通過采取圖形化的統(tǒng)計(jì)和不同數(shù)學(xué)算法分析，做出土壤灌溉水管理決策，減少鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)。夏軍等(2011)以干旱區(qū)綠洲為例，將SuperMap平臺(tái)與.NET結(jié)合，針對(duì)其特點(diǎn)開發(fā)了一系列典型地物光譜數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)地物光譜數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存管理，可視化查詢等，使地區(qū)鹽漬化監(jiān)測(cè)更加方便快捷。張順(2014)于電導(dǎo)率探針特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套土壤電導(dǎo)率鹽漬化實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，并將系統(tǒng)優(yōu)化的同時(shí)，引入了自動(dòng)繪圖功能和遠(yuǎn)程控制功能，使該系統(tǒng)更加完善。付騰飛(2015)對(duì)濱海鹽漬土原位多參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了鹽漬土的有效監(jiān)測(cè)與控制。Waluyoetal.(2015)基于代爾夫特幾軟件(Delft-FEWS)，利用干旱預(yù)警系統(tǒng)(DEWS) 對(duì)科馬爾河流域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等等。以上結(jié)合WEBGIS技術(shù)的鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)雖然對(duì)于目前工作都有著重要指導(dǎo)意義，但只是簡(jiǎn)單的滿足了GIS平臺(tái)與預(yù)警模型耦合、監(jiān)測(cè)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理功能，但鹽漬化的形成是一個(gè)較為緩慢的過程，需要大量的空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐預(yù)警平臺(tái)的運(yùn)行，而傳統(tǒng)型關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)功能單一，適用性不強(qiáng)，平均預(yù)測(cè)效率低下，對(duì)于空間數(shù)據(jù)分析方面的優(yōu)勢(shì)并沒有展示出來，不能較好完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的檢索查詢、提取應(yīng)用、信息挖掘等功能。

鑒于目前鹽漬化系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀，本研究基于網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，利用決策支持系統(tǒng)(DSS)中的海量數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫為基礎(chǔ)，建立了渭干-庫車河流域土壤鹽漬化“三庫一體”預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)土壤鹽漬化信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，模型庫起主導(dǎo)作用，它為若干鹽漬化監(jiān)測(cè)模型，是該系統(tǒng)的核心部分；方法庫通過應(yīng)用大量的專業(yè)知識(shí)，調(diào)用方法，計(jì)算監(jiān)測(cè)結(jié)果的事實(shí)進(jìn)行推理，對(duì)鹽漬化災(zāi)情進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，并做出判斷。該系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)，適用性廣，操作方便，用戶只需通過網(wǎng)頁登錄，就可完成數(shù)據(jù)進(jìn)庫、刪除、修改、瀏覽、查詢、處理等。為各級(jí)政府和地質(zhì)管理部門提供一個(gè)高效率、更快捷、更可靠的應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 屬性數(shù)據(jù)

通過收集多年研究區(qū)人文經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境專題數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)灌溉數(shù)據(jù)等歷史統(tǒng)計(jì)資料，包括各種相關(guān)專題圖、地理環(huán)境及地質(zhì)數(shù)據(jù)、降雨量統(tǒng)計(jì)資料等。通過野外調(diào)查，獲取地面監(jiān)測(cè)資料和野外測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)：溫度、土壤含水量、礦化度、土壤PH值、電導(dǎo)率、地下水礦化度、地下水埋深、蒸發(fā)量、土壤粘土、粉砂百分含量、歸一化植被指數(shù)、歸一化水體指數(shù)以及地下水的分配等，按照主題對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)重組、編碼與格式轉(zhuǎn)化，儲(chǔ)存以表格形式，為之后的模型庫模塊做參數(shù)準(zhǔn)備。

1.2 圖像數(shù)據(jù)

采用新疆渭干-庫車河綠洲地區(qū)高分一號(hào)(2m PAN/8m MSS)對(duì)地觀測(cè)遙感影像數(shù)據(jù)，利用影像處理軟件ENVI5.1實(shí)現(xiàn)遙感圖像去條帶、光譜增強(qiáng)、正射校正、輻射定標(biāo)、幾何校正、重新設(shè)定增益偏置參數(shù)以及Flash大氣校正、圖像融合等預(yù)處理。影像數(shù)據(jù)時(shí)間選在7-9月份，拍攝效果較好，圖像較清晰、易分辨。由于影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)投影、比例尺和投影方式等存在誤差，因此，需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一投影變換等標(biāo)準(zhǔn)化處理工作，最終以層的形式傳送并裝載到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，方便用戶調(diào)用圖像文件的空間信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)GIS系統(tǒng)的總體思想是：通過調(diào)用ArcGIS Server中的功能，采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式架構(gòu)與HTML語言，將WEB技術(shù)與鹽漬化監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，建立數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)庫的集成，利用系統(tǒng)中的模型庫、方法庫中的相關(guān)算法應(yīng)用等技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)修改、瀏覽、查詢等，完成預(yù)測(cè)預(yù)警發(fā)布，即通過數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫這三庫之間的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換與分析等流程的相互支撐，來更好地實(shí)現(xiàn)鹽漬化的監(jiān)測(cè)預(yù)警。數(shù)據(jù)庫包括相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，采用具有使用方便、伸縮性好與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點(diǎn)的SQL Server數(shù)據(jù)庫處理與儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)研發(fā)工具采用Visual Studio .NET 2005。

根據(jù)用戶需求分析、系統(tǒng)需求分析以及干旱區(qū)安全監(jiān)測(cè)具備的特點(diǎn)，將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)庫處理模塊、業(yè)務(wù)分析模塊、信息發(fā)布模塊。數(shù)據(jù)獲取模塊負(fù)責(zé)屬性數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、進(jìn)庫、關(guān)聯(lián)與共享等。數(shù)據(jù)庫處理模塊為數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與維護(hù)。業(yè)務(wù)分析模塊是模型庫與方法庫的邏輯耦合，在于提取監(jiān)測(cè)信息并進(jìn)行預(yù)警分析。信息發(fā)布模塊則用來為用戶發(fā)布最終決策結(jié)果。該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

在鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)來自于不同數(shù)據(jù)源，海量、繁雜的數(shù)據(jù)不能滿足系統(tǒng)需求。因此，只有設(shè)計(jì)出方便系統(tǒng)調(diào)用的最優(yōu)數(shù)據(jù)庫模型，建立合適的空間數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過一系列加工、整理和匯總信息后，才能完成數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化與一體化管理(談樹成等，2014)，構(gòu)建渭干-庫車河流域集屬性、影像、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)人文為一體的綜合數(shù)據(jù)庫，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的修改、更新、處理等操作，為渭干-庫車河地區(qū)土壤鹽漬化的監(jiān)測(cè)與輔助決策系統(tǒng)做基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of system function structure

2.2.1 圖像數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫一體化表達(dá)

數(shù)據(jù)庫的建設(shè)包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)傳送。首先根據(jù)用戶需求分析，完成屬性數(shù)據(jù)庫的初始設(shè)計(jì)。ArcGIS Server是一個(gè)支持Coverage、Shape格式的后臺(tái)空間數(shù)據(jù)庫，為了得到更加明確、純凈的數(shù)據(jù)，需要對(duì)屬性數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，處理結(jié)果通過SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。本系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)庫是在圖像數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，在創(chuàng)建各圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，錄入相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，如電導(dǎo)率、降雨量統(tǒng)計(jì)資料等，并以(*.dbf)表的格式儲(chǔ)存，與之對(duì)應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)則采用基于Access文件的Geodatabase格式(稱為Personal Geodatabase),以Shape文檔形式儲(chǔ)存。最后，利用Arccatalog中的新建關(guān)系類子模塊(New Relationship Class)，設(shè)置數(shù)據(jù)文件的搜索路徑，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，提供有效的檢查與維護(hù)手段，確保數(shù)據(jù)的完整性與一致性。

2.3 模型庫子系統(tǒng)

模型庫由用于預(yù)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)的多個(gè)監(jiān)測(cè)模型組成，用來提供相應(yīng)的接口和模型程序，方便用戶實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)造應(yīng)用程序，是該預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。模型庫的邏輯結(jié)構(gòu)是由模型庫字典、模型庫、模型庫管理系統(tǒng)組成。其中模型庫字典是對(duì)庫中各種監(jiān)測(cè)模型的解析、劃分功能定義、模型中所需的數(shù)據(jù)等相關(guān)說明。用戶只需通過與之對(duì)應(yīng)的接口鏈接，就能調(diào)用模型，產(chǎn)生實(shí)際用途。模型庫管理系統(tǒng)是對(duì)模型的建立、運(yùn)行和維護(hù)進(jìn)行集中控制的系統(tǒng)。本文綜合考慮鹽漬地氣候、地形地貌等特點(diǎn)，采用先進(jìn)的遙感技術(shù)等手段，并通過大量文獻(xiàn)，總結(jié)出模型庫中鹽漬化監(jiān)測(cè)方法包括：電阻率探針技術(shù)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、原位電導(dǎo)率(EC)光譜指數(shù)技術(shù)(Abderrazaketal., 2016)、模擬量輸送模型(Florianetal., 2013)、化學(xué)降解指標(biāo)監(jiān)測(cè)(M.J. Martínez-Sánchezetal., 2011)、支持向量機(jī)(Xiaoyanetal., 2013)、三維土壤鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)模型SVWSI(Soil salinization fraction-Vegetation fraction -Water contents Soil Index)和SDI(Soil Distance Index)(丁建麗等，2014)、熱紅外發(fā)射率模型(夏軍等，2012；阿爾達(dá)克·克里木等，2015)等，模型庫的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)模型庫示意圖 Fig. 2 Schematic diagram of system model library

2.4 方法庫子系統(tǒng)

方法庫是存儲(chǔ)和管理各種數(shù)值方法和非數(shù)值方法的模塊工具。包括適用性和靈活性較強(qiáng)的嚴(yán)密數(shù)學(xué)計(jì)算方法與提取算法、存儲(chǔ)、刪除等問題。其由常用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方法和各種實(shí)用程序的集合組成，以供模型庫調(diào)用，使之完成與模型庫之間的耦合協(xié)同作用。對(duì)于本系統(tǒng)來說，要解決對(duì)方法的靈活調(diào)用與數(shù)據(jù)輸入，從而更好地構(gòu)造模型并修改模型，一種切實(shí)可行的方法就是：以國內(nèi)外現(xiàn)有的各種方法軟件程序?yàn)榛A(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行篩選、改進(jìn)、處理，并建立一個(gè)適用性更廣的方法庫系統(tǒng)。因此，才能真正能使資源共享成為可能(Hua Zhangetal.，2012)。本系統(tǒng)方法庫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3 。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境

(1)數(shù)據(jù)庫：SQL Server；

(2)用戶操作系統(tǒng)：Windows 7；

(3)空間數(shù)據(jù)引擎：ArcSDE 9.3；

(4)WEB服務(wù)器：IIS5.0；

(5)系統(tǒng)開發(fā)工具：Visual Studio .NET 2005;

(6)開發(fā)語言：HTML；

(7)發(fā)布平臺(tái)：ArcGIS Server10.0。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以阿克蘇地區(qū)，渭干-庫車河綠洲為研究實(shí)驗(yàn)區(qū)，該區(qū)土壤鹽漬化較嚴(yán)重，在此研究區(qū)建立鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，具有典型代表性。本系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)庫處理模塊、業(yè)務(wù)分析模塊和信息發(fā)布模塊，其中主要為數(shù)據(jù)庫處理模塊、業(yè)務(wù)分析模塊和信息發(fā)布模塊，下面就這三個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖3 方法庫結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of method library structure

3.2.1 數(shù)據(jù)庫處理模塊

鹽漬化是一個(gè)緩慢的積累過程，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入都需要不停更新，數(shù)據(jù)還必須遵循統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)庫不斷進(jìn)行管理維護(hù)，以確保系統(tǒng)在開放式環(huán)境下正常運(yùn)行。

進(jìn)入系統(tǒng)管理中的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)頁面，界面從數(shù)據(jù)庫讀取研究區(qū)已有的各項(xiàng)指標(biāo)信息，并提供對(duì)數(shù)據(jù)庫中信息的建立、儲(chǔ)存、增加、刪除、編輯、備份和還原等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的基本操作與更新維護(hù)，保證服務(wù)質(zhì)量和后續(xù)模塊工作能夠正常進(jìn)行。數(shù)據(jù)庫管理的主要內(nèi)容有數(shù)據(jù)庫的安全管控、調(diào)優(yōu)、匯總、重構(gòu)、報(bào)錯(cuò)問題和數(shù)據(jù)備份。系統(tǒng)界面見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)庫處理界面Fig. 4 Database processing interface

3.2.2 業(yè)務(wù)分析模塊

渭干-庫車河綠洲鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的業(yè)務(wù)分析模塊包括：(1)監(jiān)測(cè)模型信息獲取；(2)模型計(jì)算；(3)專題圖(分類圖)生成。其中，監(jiān)測(cè)模型分別收集現(xiàn)階段已有較成熟或最新的鹽漬化監(jiān)測(cè)模型，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算與驗(yàn)證，選擇合適于當(dāng)前研究區(qū)的多種監(jiān)測(cè)模型。同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型添加、修改、刪除等操作，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，對(duì)鹽漬化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在模型計(jì)算子模塊中，系統(tǒng)利用方法庫中數(shù)值分析、關(guān)聯(lián)分析等強(qiáng)大的空間分析能力，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深層次處理分析。方法庫能夠很好的與模型庫完成有機(jī)融合，根據(jù)系統(tǒng)需求，從庫中調(diào)出若干算法，對(duì)模型求解。所謂專題圖，是指通過計(jì)算得到各項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的加權(quán)平均值，利用不同顏色、區(qū)域等對(duì)地圖要素加以修飾，方便用戶更加直觀的了解專題信息，本系統(tǒng)專題圖的生成實(shí)現(xiàn)了鹽漬化災(zāi)害等級(jí)的色塊圖分布與渲染。

以BP監(jiān)測(cè)模型分析模塊為例(圖5)的分析中，該模型利用獲取的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，通過誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄟM(jìn)行預(yù)測(cè)，在綜合分析與對(duì)比下，完成鹽漬化區(qū)域監(jiān)測(cè)工作。通過野外考察與大量監(jiān)測(cè)資料核對(duì)，選擇輸入的訓(xùn)練參數(shù)有：測(cè)點(diǎn)信息、最大訓(xùn)練次數(shù)、允許誤差、數(shù)據(jù)變換方式與監(jiān)測(cè)信息等。計(jì)算得到訓(xùn)練后的輸出結(jié)果，并與下一個(gè)模塊接口，完成本模塊流程。

圖5 鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模型分析模塊Fig. 5 Analysis module of monitoring model of salinization monitoring and early warning system

3.2.3 信息發(fā)布模塊

發(fā)布模塊是根據(jù)模型庫與方法庫的邏輯集成與耦合，再經(jīng)過方法庫中一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算，模型求解，得出系統(tǒng)預(yù)警綜合指數(shù)與預(yù)警區(qū)間，將制作好的影像(格式為.mxd文檔)以Web Service形式發(fā)布。上一步驟模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示之后，單擊圖像顯示模塊，將彈出預(yù)警控制面板；可根據(jù)需要選擇地圖、光譜影像與全色影像，系統(tǒng)將自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)算后最終生成的鹽漬化預(yù)警分布圖。以基于SI-Albedo特征空間的鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警模型為例(圖6)，對(duì)其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理后，并通過警度運(yùn)算，得到最終鹽漬化分類影像。

該模塊鏈接用戶端口之后，能快速精確地進(jìn)入鹽漬化監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，并獲得鹽漬化信息，進(jìn)行快速查詢、處理分析、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)等工作，實(shí)現(xiàn)鹽漬化信息的網(wǎng)上存取、發(fā)布與共享。

圖6 鹽漬化預(yù)警分布圖Fig. 6 Distribution of salinization in early warning

3.3 系統(tǒng)預(yù)警綜合指數(shù)與預(yù)警區(qū)間

由預(yù)測(cè)、分析結(jié)果，得出鹽漬化影響范圍與鹽漬化程度的分布圖，根據(jù)遙感圖像、屬性信息等推算出直接造成影響，并得出系統(tǒng)預(yù)警指數(shù)與預(yù)警區(qū)間，從而方便進(jìn)行易損性分析。預(yù)警綜合指數(shù)即為鹽漬化評(píng)估的數(shù)值化表達(dá)，是警度評(píng)估的重要依據(jù)，物理意思是各項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的加權(quán)平均值，其數(shù)學(xué)公式為：

(1)

其中，E——預(yù)警綜合指數(shù)(E=1～5)；

Dk——第k個(gè)預(yù)警指標(biāo)鹽漬化評(píng)價(jià)等級(jí)(Dk=1～5)；

Mk——第k個(gè)預(yù)警指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)(Mk=0～1)且M1+M2+……Mk=1。

預(yù)警綜合指數(shù)取值越大，表示鹽漬化程度越高，反之則表示鹽漬化程度中或者較輕。警度是鹽漬化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本系統(tǒng)的預(yù)警程度將警度區(qū)間劃分為3個(gè)等級(jí)，分別是：無警區(qū)間、中輕警區(qū)間、重警區(qū)間，對(duì)應(yīng)鹽漬化程度為：非鹽漬地、中輕度鹽漬地、重度鹽漬化地。若預(yù)警綜合指數(shù)E到達(dá)警限臨界值1.75時(shí)，此時(shí)已出具鹽漬化現(xiàn)象，系統(tǒng)即進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，并開始報(bào)警。警度計(jì)算公式為：

(2)

其中，Ma為預(yù)警綜合指數(shù)E=1時(shí)狀態(tài)，Mb為預(yù)警綜合指數(shù)E=5時(shí)狀態(tài)，R(x)為警度，且R(x)=0～1。若通過對(duì)研究區(qū)的警度計(jì)算方法可知，鹽漬化預(yù)警警限的值為0.75(即超過數(shù)值0.75時(shí)可出現(xiàn)警情)，則該研究區(qū)的預(yù)警指標(biāo)劃分為：

無警報(bào)區(qū)間(非鹽漬地)：R(x)∈[0,0.75)專題圖中顯示為綠色。

中警報(bào)區(qū)間(中輕度鹽漬地)：R(x)∈[0.75,1.5)專題圖中顯示為紅色。

重警報(bào)區(qū)間(重度鹽漬地)：R(x)∈[1.5,2.25)專題圖中顯示為藍(lán)色。

4 結(jié)論

本文基于WEBGIS系統(tǒng)，利用決策支持系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫,即“三庫一體技術(shù)”，對(duì)渭干-庫車河綠洲建立鹽漬化監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建立對(duì)于干旱區(qū)土壤鹽漬化長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)與嚴(yán)重鹽漬化的預(yù)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在對(duì)研究區(qū)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)獲取的基礎(chǔ)上, 從軟件開發(fā)工程的角度概括了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程，為用戶或決策者提供所需的重要信息。本系統(tǒng)界面較為美觀、操作方便、運(yùn)行狀況較滿意, 并取得了如下成果：

(1)渭干-庫車河研究區(qū)屬于大陸性暖溫帶極端干旱氣候，透水性差，蒸發(fā)量大，地下水位高，且灌區(qū)植被類型較少，造成土壤鹽漬化現(xiàn)象較為普遍?？紤]到本文研究目的，選取其作為本文的典型示范區(qū)，對(duì)今后渭干-庫車河流域乃至干旱區(qū)鹽漬化土壤的綜合防治、保護(hù)和恢復(fù)都具有重要意義。

(2)通過前期大量資料與文獻(xiàn)研究，本系統(tǒng)提出了以“三庫一體”為理論基礎(chǔ)的鹽漬化監(jiān)測(cè)預(yù)警模式，并集成了適用于鹽漬地特點(diǎn)的21種監(jiān)測(cè)模型，監(jiān)測(cè)模型方法數(shù)量較多，使系統(tǒng)更加完善與可靠，真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)實(shí)體的信息化表達(dá)和各鹽漬化成因相互作用的物理過程模擬。

(3)根據(jù)模型庫中監(jiān)測(cè)參數(shù)輸入，利用方法庫中調(diào)用合適的數(shù)學(xué)方法將其定量表達(dá)，通過警度計(jì)算，最終將鹽漬化結(jié)果專題圖發(fā)布于WEB平臺(tái)，并以中輕度、重度和非鹽漬地類繪制成鹽漬化程度分類圖，極大的提升了決策能力，為用戶的鹽漬化監(jiān)測(cè)與預(yù)警工作提供智能化的技術(shù)支持。

(4)從系統(tǒng)建設(shè)角度出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)、開發(fā)方法，最終采用SQL Server數(shù)據(jù)庫，B/S模式，HTML計(jì)算機(jī)語言開發(fā)設(shè)計(jì)，用戶只需通過瀏覽器登錄訪問，便能在各功能界面下，實(shí)現(xiàn)快速獲取遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息編輯、提取、處理，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等一體化工作流程，最終實(shí)現(xiàn)資源共享，網(wǎng)頁也具備較為方便、簡(jiǎn)潔、以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

(5)該系統(tǒng)通過采用系統(tǒng)科學(xué)方法，所建立的更加完善的業(yè)務(wù)分析模塊，提高了災(zāi)害分析與處理、系統(tǒng)化防治、信息獲取的能力，促進(jìn)了遙感技術(shù)與GIS應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。在系統(tǒng)各功能界面下，實(shí)現(xiàn)了諸多功能，克服了傳統(tǒng)WEBGIS軟件與遙感影像處理軟件的不足之處，成為應(yīng)用性更強(qiáng)的操作型系統(tǒng)，對(duì)今后鹽漬化地區(qū)的監(jiān)測(cè)預(yù)警建設(shè)具有客觀參考價(jià)值。

然而本系統(tǒng)仍存在不足，比如：模型庫中監(jiān)測(cè)模型是否與方法庫中的數(shù)學(xué)方法耦合，模型是否有效且具有實(shí)用性。今后的重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)模型與各算法不斷嘗試實(shí)驗(yàn)，以完善與改進(jìn)該系統(tǒng)，研究更適合的典型算法模型，擴(kuò)大典型示范區(qū)的范圍，建立更高效、科學(xué)、多樣的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化完善系統(tǒng)。

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Development of a Monitoring and Early Warning System for Soil Salinization Based on a Model with Integrated WEBGIS and Three Libraries

LI Huan1,2,DING Jian-li1,2

(1.CollegeofResourceandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi,Xinjiang830046; 2.XinjiangKeyLaboratoryofoasisecology,Urumqi,Xinjiang830046)

With the development of computer application and operation technology, the continuous improvement of software technology and the vigorous development of visualization technology, the operable performance of the WEBGIS system has become increasingly improved. Taking the Weiku oasis saline in Xinjiang as the background, this work proposes the WebGIS and "three-library" technology platform based on the combination of GIS, network technologies and safety monitoring. First, the SQL Server database is established based on a large number of field measured data, literature, humanity and economic data, basic geography and geology and other data. Second, an integrated model applicable to saline soil characteristics including 21 kinds of monitoring modes is used as the guide, calling the salinization analysis method, relevant data are extracted for calculation, solving the model with help of expert decision-making. This system uses the B/S mode, HTML (Hypertext Markup Language) design and builds the salinization monitoring and early warning model, evaluates the degree of salinization, and analyzes its development trend. The purpose is to develop an engineering application system which combines salinization monitoring and early warning intelligent analysis network. The system has realized the data storage, analysis and management of the database, and the analysis of soil salinization monitoring model, information release and other functions. This system improves the performance of geospatial information, promotes the application of information technology in arid areas and expands the information sharing platform, which provide strong technical support to regional sustainable development.

WEBGIS, salinization monitoring and early warning, three-library integrated technology

2016-01-19；[修改日期]2016-09-07；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(2016D03001)、新疆大尺度土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)(201591101)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1303381，41261090，41161063)、教育部促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目聯(lián)合資助。

李 煥(1992年-)，女，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)資源環(huán)境及遙感應(yīng)用研究。E-mail:1369093294@qq.com。

丁建麗(1974年-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事干旱區(qū)資源環(huán)境及遙感應(yīng)用研究。E-mail:342931382@qq.com

X833

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0495-5331(2016)06-1167-09