基于“3S”技術(shù)的黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息管理系統(tǒng)建設(shè)

劉 林

(山西省水土保持科學(xué)研究所，山西 太原 030013)

晉西黃土丘陵溝壑區(qū)是山西省乃至全國水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，大量的黃土流失不僅會(huì)引發(fā)下游水庫淤積、河道堵塞、河床升高等[1-2]問題，而且會(huì)導(dǎo)致耕地面積減少、土壤質(zhì)量惡化、人民生活困難、貧困加劇等惡性效應(yīng)[3]。同時(shí)，該地區(qū)立地條件復(fù)雜、梁峁交錯(cuò)，實(shí)地調(diào)查工作進(jìn)展緩慢，給傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測(cè)和治理工作造成了極大困難[4]。以王家溝流域?yàn)槔?，該流域位于北?7°32′～37°34′、東經(jīng)111°08′～111°11′，總面積約為9.1 km2，是黃河一級(jí)支流三川河的一條支溝，位于山西省西北的呂梁市，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。流域內(nèi)地形破碎、溝壑縱橫，再加上毀林開荒及陡坡地耕作等人為原因，導(dǎo)致水土流失十分嚴(yán)重。山西省水土保持科學(xué)研究所從1955年起對(duì)該流域進(jìn)行了長期的監(jiān)測(cè)和研究，積累了包括降水、徑流、泥沙、植被、地形、土壤、水土保持措施等大量數(shù)據(jù)。如何高效管理和充分利用這些數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理中遇到的困難，已成為王家溝流域乃至整個(gè)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕研究和水土保持決策的當(dāng)務(wù)之急。

近年來，水利部和山西省相繼出臺(tái)了有關(guān)文件，要求積極推進(jìn)信息化技術(shù)在水土保持工作中的應(yīng)用[5-6]，其中“3S”技術(shù)作為信息化技術(shù)研究的熱點(diǎn)，具有獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、快速性和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性、空間性，以及決策服務(wù)的可視性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)用戶可根據(jù)實(shí)際功能需求進(jìn)行GIS二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)庫的集中管理、分析、推理和決策?；诖?，本研究采用C/S結(jié)構(gòu)，用Visual Studio.net開發(fā)平臺(tái)，使用C#語言和ArcEngine二次開發(fā)組件，以Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并集成專業(yè)數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，建立黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息管理系統(tǒng)，以期對(duì)王家溝流域水土保持相關(guān)信息進(jìn)行科學(xué)有效的管理，為晉西黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息化工作提供參考。

1 水土保持信息管理系統(tǒng)的建設(shè)

1.1 信息源

該系統(tǒng)水土保持信息源分為地圖信息、屬性信息、影像信息和其他有關(guān)信息四類。這四類信息數(shù)據(jù)量大且繁雜，采集、存儲(chǔ)和查詢工作量巨大，系統(tǒng)的建設(shè)為水土保持信息采集、整理建庫搭建了有效平臺(tái)。王家溝流域水土保持信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)源見表1。

1.2 系統(tǒng)體系構(gòu)架

系統(tǒng)運(yùn)用ArcEngine、空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE在Visual Studio.net環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)Access屬性數(shù)據(jù)庫、Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的上傳下載、快速查詢，并結(jié)合水土保持相關(guān)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、快速專題圖制作、三維虛擬漫游等功能，大大提高了水土保持信息管理與決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)邏輯上表現(xiàn)為用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層三層。用戶界面層包含4個(gè)主功能模塊及12個(gè)子功能模塊。4個(gè)主功能模塊分別為水土保持屬性信息管理功能、野外調(diào)查標(biāo)繪功能、土壤侵蝕現(xiàn)狀分析功能及三維顯示分析功能。12個(gè)子功能模塊分別為：屬性數(shù)據(jù)添加、更新功能，屬性數(shù)據(jù)修改、查詢功能，屬性數(shù)據(jù)與Excel數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)化功能； 航拍影像小班標(biāo)繪功能，小班面積、長度、坐標(biāo)測(cè)量功能，矢量數(shù)據(jù)編輯功能；DEM數(shù)據(jù)坡度提取功能，土壤侵蝕現(xiàn)狀分析功能，土壤侵蝕結(jié)果統(tǒng)計(jì)功能；航拍影像3D圖像生成功能，3D圖像關(guān)鍵幀、路徑漫游功能，漫游視頻生成及導(dǎo)出功能。系統(tǒng)體系構(gòu)架如圖1所示。

表1 王家溝流域水土保持信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

圖1 系統(tǒng)體系構(gòu)架示意

2 水土保持信息管理系統(tǒng)的功能及應(yīng)用

2.1 水土保持屬性信息管理功能

該模塊主要為基層人員日常數(shù)據(jù)管理工作服務(wù)。在Access數(shù)據(jù)庫支持下實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)水土保持日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、年度調(diào)查數(shù)據(jù)、社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及其他相關(guān)資料、數(shù)據(jù)的管理。為便于用戶使用，屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)有兩種數(shù)據(jù)管理模式。一是常規(guī)數(shù)據(jù)管理模式。系統(tǒng)預(yù)設(shè)了相關(guān)水土保持屬性信息的根目錄，用戶只需按系統(tǒng)要求即可完成數(shù)據(jù)的輸入、更新及查詢等功能。二是Excel管理模式。系統(tǒng)能識(shí)別xls格式的數(shù)據(jù)，用戶可直接在系統(tǒng)中對(duì)Excel數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，完成后也可輸出為xls格式的Excel數(shù)據(jù)，降低了用戶使用的難度，便于基層部門對(duì)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的共享與管理。

2.2 野外調(diào)查標(biāo)繪功能

該模塊主要是為水土保持野外調(diào)查工作服務(wù)。廣大野外工作者在進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)的過程中，常常需要開展實(shí)地勘測(cè)、野外標(biāo)繪小班等工作。該模塊功能可大大減少開展相關(guān)工作的人力及物力消耗。用戶只需在系統(tǒng)中調(diào)入項(xiàng)目區(qū)相關(guān)航拍影像、衛(wèi)星影像或無人機(jī)航測(cè)圖等數(shù)據(jù)，使用系統(tǒng)的標(biāo)繪功能，即可在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)標(biāo)繪點(diǎn)、線、面矢量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供了測(cè)量功能，可在影像數(shù)據(jù)上直接進(jìn)行測(cè)量，解決了傳統(tǒng)野外勘測(cè)受地形、地物限制而無法實(shí)地勘察的問題。系統(tǒng)還提供了多種數(shù)據(jù)輸出格式，便于用戶在AutoCAD、ArcGIS、MapGIS、Global Mapper等軟件中進(jìn)行二次編輯和利用。

2.3 土壤侵蝕現(xiàn)狀分析功能

該模塊主要是為水土流失治理工作服務(wù)。受特殊的立地條件和自然環(huán)境影響，晉西黃土丘陵溝壑區(qū)土壤流失形式以溝道、坡面侵蝕為主。傳統(tǒng)方式對(duì)土壤侵蝕現(xiàn)狀的調(diào)查和分析常常存在勘測(cè)難度大、持續(xù)時(shí)間長、現(xiàn)狀分析滯后且盲點(diǎn)多等問題，給當(dāng)?shù)厮亮魇е卫頉Q策造成了困難。為了更好地推廣和應(yīng)用該系統(tǒng)，在模塊設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)了“一鍵式”的設(shè)計(jì)理念，大量的地理信息算法、遙感解譯算法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法通過編程語言被鑲嵌在各功能按鈕中。對(duì)于廣大軟件用戶，無需專業(yè)的“3S”技術(shù)背景，只需要按系統(tǒng)要求提供所需數(shù)據(jù)，即可“一鍵”生成項(xiàng)目區(qū)各類專業(yè)的水土保持專題圖，如流域坡度分類圖、土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖等，同時(shí)系統(tǒng)提供了專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工具，用戶可在第一時(shí)間得到流域內(nèi)各侵蝕強(qiáng)度的分布面積?！耙绘I式”的設(shè)計(jì)理念使軟件更容易被用戶接受和使用，真正實(shí)現(xiàn)了讓更多基層人員用起來、更好服務(wù)于基層水土保持工作的目的。

2.4 三維顯示分析功能

該模塊主要是為水土保持?jǐn)?shù)據(jù)展示服務(wù)。前述3個(gè)主功能模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了將普通數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2D GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行展示的目的，但為了讓用戶更好地理解和分析數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，系統(tǒng)利用IRasterSurface、ILayerExtensions、I3DProperties等接口將2D GIS數(shù)據(jù)顯示為3D GIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜流域地區(qū)的三維虛擬顯示。用戶只需按照系統(tǒng)要求添加相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，設(shè)定相應(yīng)的膨脹系數(shù)，系統(tǒng)就能通過內(nèi)部算法自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)地物坐標(biāo)和特征點(diǎn)，快速生成相應(yīng)流域的3D虛擬影像。為更直觀地展示3D GIS數(shù)據(jù)的效果，系統(tǒng)提供了兩種3D數(shù)據(jù)漫游模式，用戶可自定義關(guān)鍵幀進(jìn)行局部特征位置飛行展示，也可設(shè)定飛行路徑按航線展示，多角度展示數(shù)據(jù)和提供決策依據(jù)。

3 結(jié) 語

黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息管理系統(tǒng)建設(shè)的目的是為黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)和管理工作信息化、自動(dòng)化探索新模式。該系統(tǒng)在需求分析、數(shù)據(jù)源采集、功能設(shè)計(jì)、結(jié)果展示等方面充分考慮了晉西黃土丘陵溝壑區(qū)自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及應(yīng)用人群等因素，簡化了操作流程，降低了用戶專業(yè)要求，強(qiáng)調(diào)“一鍵式”設(shè)計(jì)理念，以實(shí)現(xiàn)真正在基層水土保持工作中推廣和應(yīng)用的目的。

該系統(tǒng)所選擇的軟、硬件平臺(tái)和系統(tǒng)開發(fā)工具合理，便于實(shí)現(xiàn)Client/Server架構(gòu)，且系統(tǒng)提供了多個(gè)組件式接口，可根據(jù)項(xiàng)目區(qū)流域?qū)嶋H情況進(jìn)行二次開發(fā)，具有很好的靈活性和拓展性；數(shù)據(jù)庫(包括空間數(shù)據(jù)庫)設(shè)計(jì)合理，Access+Excel模式既考慮了設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，又考慮到用戶操作的實(shí)用性，充分保證了數(shù)據(jù)的共享性；在目前水利信息化高速發(fā)展的背景下，系統(tǒng)采用“3S”技術(shù)及熱門的無人機(jī)(UAV)航測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水土保持信息的獲取、管理、分析、展示的自動(dòng)化、高速化和準(zhǔn)確化，為推進(jìn)晉西黃土丘陵溝壑區(qū)乃至山西省水土保持信息化工作進(jìn)行了探索與嘗試。

[1] 申俊峰,孫岱生,李勝榮,等.解決水土流失與水庫淤積的有效途徑[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(2):96-98.

[2] 劉林,王小平,孫瑞卿.半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)溝道侵蝕特征研究[J].水土保持研究,2015,22(1):38-43.

[3] 周浩文.水土流失對(duì)農(nóng)村貧困的影響及治理分析[J].新農(nóng)村(黑龍江),2017(20):16.

[4] 喬玉良.水土流失區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)的遙感監(jiān)測(cè)——以晉西三川河流域?yàn)槔齕J].遙感學(xué)報(bào),2015(3):172-181.

[5] 朱清科,馬歡.我國智慧水土保持體系初探[J].中國水土保持科學(xué),2015,13(4):117-122.

[6] 王春玲,孟丹,王冬梅,等.我國水土保持信息化建設(shè)的現(xiàn)狀與建議[J].中國水土保持,2016(3):69-72.