基于GIS電子地圖的三江源國(guó)家公園信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王麗娟 杜秀娟

摘? 要： 本文聚焦于三江源生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、智慧國(guó)家公園建設(shè)、主流地圖三江源區(qū)域空白等問(wèn)題，依托青海省地理信息中心、三江源國(guó)家公園管理局等單位提供的地理信息數(shù)據(jù)，基于ArcGis、PostgreSQL、VSCode2015平臺(tái)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了三江源國(guó)家公園信息化平臺(tái)。本平臺(tái)融合了三江源國(guó)家公園基礎(chǔ)設(shè)施、珍稀高寒動(dòng)植物物種分布及豐富度、園區(qū)體系監(jiān)控等地理數(shù)據(jù)，面向公園管理人員、游客、動(dòng)植物學(xué)家，實(shí)現(xiàn)了地面工作情況遠(yuǎn)程監(jiān)管、公園概覽、生物物種預(yù)測(cè)和評(píng)估等功能。同時(shí)，三江源地區(qū)在主流地圖（百度地圖、高德地圖等）上呈現(xiàn)空白區(qū)域，自主設(shè)計(jì)研發(fā)的三江源國(guó)家公園電子地圖緩解了該地區(qū)“無(wú)圖可查”的尷尬之境。

關(guān)鍵詞： 三江源國(guó)家公園;GIS;電子地圖

中圖分類(lèi)號(hào)： TP302? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.024

本文著錄格式：王麗娟， 杜秀娟. 基于GIS電子地圖的三江源國(guó)家公園信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2020，41（09）：8487

【Abstract】： Focusing on the protection of Sanjiangyuan ecosystem， the construction of smart National Park， and the blank of Sanjiangyuan area as the mainstream map， we created a GIS information platform of Sanjiangyuan National Park based on ArcGIS， PostgreSQL and VSCode2015 by using the geographic information data provided by Qinghai provincial Geographic Information Center， Sanjiangyuan National Park Administration and other units. This established platform fused some geographic data such as the infrastructure in the park， species distribution and richness of rare alpine animals and plants and monitoring of park system， contributing to the remote monitoring of ground work， park overview， biological species prediction and assessment. At the same time， Sanjiangyuan area presents a blank area on the mainstream map （Baidu map， Gaud map， etc.）， and the self-developed electronic map of Sanjiangyuan National Park alleviates the problem of “no map to check”.

【Key words】： Sanjiangyuan national park; GIS; Electronic map

0? 引言

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種空間信息系統(tǒng)。GIS技術(shù)是一門(mén)多技術(shù)交叉的空間信息科學(xué)，主要依托于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，其基本技術(shù)是數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖可視化及空間分析[1-3]。因其具有良好的數(shù)據(jù)輸入、輸出、分析、檢查、管理、顯示和輔助決策等功能而在社會(huì)諸多領(lǐng)域得到大量應(yīng)用[4]。我國(guó)較早的GIS軟件設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，我國(guó)較早的GIS應(yīng)用系統(tǒng)有譚永剛等人[5]的基于GIS的西南交通大學(xué)校園電子地圖。近年來(lái)，有關(guān)電子地圖設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)大量涌現(xiàn)： 2018年黃冠等人實(shí)現(xiàn)了一種集成地圖、全景與GIS數(shù)據(jù)的Web全景旅游電子地圖系統(tǒng);2019年薛晨等人[6]開(kāi)發(fā)了基于ArcGIS的某方向海軍軍事醫(yī)學(xué)地理信息系統(tǒng);2019年王金吉等人[7]設(shè)計(jì)了昆山市銀行網(wǎng)點(diǎn)布局的地理信息系統(tǒng)。

以上GIS應(yīng)用系統(tǒng)針對(duì)不同的地理對(duì)象為實(shí)現(xiàn)特定的功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[8-10]。本平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與三江源有關(guān)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)——三江源國(guó)家公園電子地圖的GIS信息化平臺(tái)。三江源是世界上高海拔地區(qū)獨(dú)一無(wú)二的大面積濕地生態(tài)系統(tǒng)，獨(dú)特的地理、生態(tài)環(huán)境，使得三江源成為我國(guó)重要的珍稀物種繁衍地和世界高原種質(zhì)基因庫(kù)。黨的十八屆三中全會(huì)明確提出“建立國(guó)家公園體制”，三江源國(guó)家公園體制試點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生。園區(qū)覆蓋青海省三個(gè)縣，集冰川雪山、草原草甸、森林灌叢、湖泊濕地、野生動(dòng)物、世界自然遺產(chǎn)為一體，展現(xiàn)了地球上年輕的地貌，造就了獨(dú)特的高原高寒山地氣候，保存了大面積原真的原始風(fēng)貌。三江源國(guó)家公園包括長(zhǎng)江源、黃河源、瀾滄江源三個(gè)園區(qū)。是世界上最大的國(guó)家公園。長(zhǎng)江源區(qū)以俊美的高山冰川著稱(chēng)，黃河源頭湖泊星羅棋布，鄂陵湖和扎陵湖如兩顆鑲嵌在高原草地的明珠，瀾滄江源頭峽谷兩岸不僅風(fēng)光無(wú)限，更是高原生靈的天堂。從保護(hù)三江源重要的生態(tài)資源出發(fā)，同時(shí)為了方便國(guó)家公園管理局和對(duì)三江源珍稀動(dòng)植物研究的科學(xué)家提供可視化的管理、研究平臺(tái)，本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三江源國(guó)家公園的GIS信息化平臺(tái)。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 總體設(shè)計(jì)

當(dāng)下，各大主流網(wǎng)絡(luò)媒體平臺(tái)對(duì)青海旅游資源的宣傳著實(shí)讓大美青?；鹆艘话眩?，外交部舉辦的青海全球推介活動(dòng)讓青藏高原走入世界的舞臺(tái)。本平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與青海旅游相關(guān)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)——基于GIS電子地圖的三江源國(guó)家公園的信息化平臺(tái)。通過(guò)與青海省地理信息中心、三江源國(guó)家公園管理局、中科院西北高原生物研究所等單位合作，初步獲取了三江源地區(qū)地理信息和珍稀動(dòng)植物部分?jǐn)?shù)據(jù)，借助GIS空間分析和可視化技術(shù)，使用ArcMap、QGis繪制三江源國(guó)家公園電子地圖，實(shí)現(xiàn)了三江源國(guó)家公園的規(guī)劃范圍、河流湖泊、行政區(qū)劃、基礎(chǔ)設(shè)施、景區(qū)景點(diǎn)以及動(dòng)植物物種分布及豐富度等地理信息的展示。旨在打造智慧國(guó)家公園平臺(tái)，為三江源國(guó)家公園管理局提供可視化網(wǎng)站管理平臺(tái)，為三江源地區(qū)珍稀動(dòng)植物物種豐富度以及物種分布的預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1.2? 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

國(guó)內(nèi)外研發(fā)出很多GIS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用較廣的國(guó)外GIS 產(chǎn)品主要有ArcGIS、MapInfo、MicroStation等，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要有SuperMap、MapGIS 等[11-13]。ArcGIS 平臺(tái)在空間數(shù)據(jù)技術(shù)、組件開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集等多項(xiàng)指標(biāo)方面領(lǐng)先于其他GIS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本平臺(tái)結(jié)合三江源國(guó)家公園GIS功能需求，采用ArcGIS平臺(tái)作為國(guó)家公園空間數(shù)據(jù)處理的工具。QGis是一款桌面GIS軟件，因其操作靈活，功能可滿足數(shù)據(jù)處理的需求，也是本平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的軟件平臺(tái)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用到的其他技術(shù)平臺(tái)還包括VSCode2015、MapBox Studio和PostgreSQL。VSCode2015用于編寫(xiě)網(wǎng)站的前端和后臺(tái)代碼，實(shí)現(xiàn)Vuex狀態(tài)管理和網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的處理等功能。MapBox Studio由地圖盒子公司研發(fā)，致力于打造全球最漂亮的個(gè)性化地圖。是一款在線使用的瀏覽器應(yīng)用，用于渲染地圖中疊加的各個(gè)圖層。PostgreSQL是本平臺(tái)使用到的一種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，用于存儲(chǔ)地理數(shù)據(jù)和網(wǎng)站用戶(hù)數(shù)據(jù)，同樣地，JSON文件是本平臺(tái)使用到的另一種輕量型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。

1.3? 技術(shù)選型

（1）數(shù)據(jù)獲取：三江源地處青藏高原腹地，有著地勢(shì)險(xiǎn)、海拔高、動(dòng)物蹤跡難以尋覓等特點(diǎn)，這給三江源地理信息數(shù)據(jù)的獲取帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。因此，與青海省旅發(fā)委、三江源國(guó)家公園管理局、中科院西北高原生物研究所、青海省地理信息中心等單位合作，初步獲取了三江源地理信息和珍稀動(dòng)植物部分?jǐn)?shù)據(jù);

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將獲取的地理數(shù)據(jù)shapfile文件經(jīng)Qgis導(dǎo)入PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)或轉(zhuǎn)換為json文件，實(shí)現(xiàn)兩種方式的存儲(chǔ)：PostgreSQL空間數(shù)據(jù)庫(kù)，geojson文件。

（3）地圖制作：三江源國(guó)家公園電子地圖是由10多個(gè)圖層疊加而成，包括三大源區(qū)范圍、行政區(qū)劃、居民點(diǎn)、國(guó)道省道鄉(xiāng)道等路網(wǎng)、動(dòng)植物、景點(diǎn)、河流湖泊等圖層，效果如圖2所示。

再使用MapBox Studio對(duì)每個(gè)圖層進(jìn)行樣式渲染，逐個(gè)添加圖層后，可以對(duì)圖層進(jìn)行樣式配置，包括設(shè)置圖標(biāo)、調(diào)整顯示級(jí)別、配置顏色、設(shè)置標(biāo)簽等。最終形成完整的三江源地區(qū)電子地圖。其中，對(duì)“黃河源區(qū)”圖層的設(shè)置對(duì)應(yīng)的代碼如下：

{

"id"： "hhyq case"，

"type"： "line"，

"source"： "composite"，

"source-layer"： "hhyq"，

"layout"： {

"visibility"： "visible"

}，

"paint"： {

"line-color"： [

["linear"]，

["zoom"]，

3，

"#006400"，

}

}

（4）功能完善：網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)了地圖顯示、圖層控制、圖層要素搜索、要素的文字介紹和圖片展示等基本功能，針對(duì)公園管理人員，制定了園區(qū)客流量監(jiān)控、預(yù)警，園區(qū)攝像頭遠(yuǎn)程訪問(wèn)，園區(qū)工作人員巡林軌跡顯示等功能。

1.4? 數(shù)據(jù)庫(kù)和模型設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與構(gòu)建是GIS設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)非常重要的內(nèi)容，數(shù)據(jù)庫(kù)性能的穩(wěn)定是GIS穩(wěn)定性的前提和保證。三江源國(guó)家公園GIS數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的目的是在充分了解基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和國(guó)家公園空間數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定且可共享、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)三江源國(guó)家公園數(shù)據(jù)的穩(wěn)定存儲(chǔ)和高效管理。平臺(tái)采用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式有兩種：PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和geojson文件。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)集成PostGIS插件，提供空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)，能很好地支持QGis和ArcGis平臺(tái)。其中，PostgreSQL數(shù)據(jù)表有29個(gè)，涉及的數(shù)據(jù)條目達(dá)800條，其中animals數(shù)據(jù)表包含90條動(dòng)物棲息點(diǎn)地理數(shù)據(jù)，搜集的動(dòng)植物圖片約450張。

1.5? 功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)功能設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

A. 主界面和總體功能 平臺(tái)主界面包含“首頁(yè)”、“地圖”、“登錄”、“注冊(cè)”四個(gè)按鈕。首頁(yè)即為網(wǎng)站歡迎頁(yè)，是數(shù)據(jù)源國(guó)家公園景色展示。點(diǎn)擊“地圖”按鈕，呈現(xiàn)的即為三江源國(guó)家公園電子地圖全貌，通過(guò)滾動(dòng)鼠標(biāo)滾輪，調(diào)整地圖的縮放級(jí)別，實(shí)現(xiàn)國(guó)道、省道、縣道、河流湖泊、政府機(jī)構(gòu)、動(dòng)植物等圖層地理信息依次顯示。地圖右側(cè)懸浮的功能菜單包括各個(gè)圖層的顯示/隱藏控制、圖層地理數(shù)據(jù)屬性信息的檢索等;“登錄”和“注冊(cè)”按鈕分別為用戶(hù)提供登錄、注冊(cè)接口。

B. 園區(qū)流量監(jiān)測(cè)和預(yù)警模塊 三江源國(guó)家公園生態(tài)較為脆弱，無(wú)論是長(zhǎng)江源區(qū)，還是黃河源區(qū)、瀾滄江源區(qū)，都需要對(duì)進(jìn)園人數(shù)進(jìn)行控制。該功能模塊針對(duì)國(guó)家公園管理人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，只有登錄者為管理員身份才可使用。當(dāng)園區(qū)內(nèi)游客人數(shù)達(dá)到警報(bào)閾值，網(wǎng)站會(huì)彈出警報(bào)框，提示預(yù)警級(jí)別和人數(shù)，并發(fā)出警報(bào)鈴聲。其中預(yù)警級(jí)別分為三種：藍(lán)色預(yù)警、黃色預(yù)警、紅色預(yù)警;同時(shí)，網(wǎng)站調(diào)用短信模塊，向管理員的手機(jī)發(fā)送短信，報(bào)告預(yù)警信息。

C. 園區(qū)攝像頭接口模塊 隨著信息時(shí)代的發(fā)展，如今國(guó)內(nèi)大部分景區(qū)都安裝有攝像頭，為了國(guó)家公園的財(cái)產(chǎn)設(shè)置安全，園區(qū)內(nèi)安裝有網(wǎng)絡(luò)攝像頭。該功能為國(guó)家公園管理者提供攝像頭視頻實(shí)時(shí)查看的接口，可以隨時(shí)監(jiān)控園區(qū)運(yùn)行情況，以便突發(fā)狀況來(lái)臨時(shí)，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地面工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮調(diào)度。

D. 園區(qū)內(nèi)人員軌跡檢查模塊 三江源國(guó)家公園占地12萬(wàn)平方公里，面積之大對(duì)進(jìn)園者活動(dòng)范圍的監(jiān)控帶來(lái)一定困難。該功能同樣為公園管理者提供人員軌跡查看的接口，通過(guò)點(diǎn)擊人員當(dāng)前位置的“小紅點(diǎn)”，即可查看游客進(jìn)園后的個(gè)性化游覽路線，以及地面工作人員的日常巡林軌跡。

2? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三江源國(guó)家公園規(guī)劃全貌、珍稀高寒動(dòng)植物物種分布和豐富度GIS數(shù)據(jù)、園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施GIS數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合顯示。從地圖上，我們可以看到長(zhǎng)江源區(qū)為綠色，黃河源區(qū)為黃色，瀾滄江源區(qū)為藍(lán)色。隨著用戶(hù)圖面比例尺由小逐漸增大，地圖主體內(nèi)容將依次呈現(xiàn)園區(qū)電子概覽地圖、園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施圖層、珍稀高寒動(dòng)植物物種分布圖層，顯示效果如圖4（a）、（b）、（c）所示。隨著地圖主體內(nèi)容的變化，地圖所承載與表達(dá)的信息量、地圖顯示方式、地圖交互方式也將呈現(xiàn)出多樣性。

對(duì)于游客來(lái)說(shuō)，平臺(tái)豐富了旅游系統(tǒng)中旅游信息的表現(xiàn)力與表達(dá)形式，較好地輔助了用戶(hù)對(duì)三江源國(guó)家公園的概覽，增強(qiáng)了用戶(hù)對(duì)景點(diǎn)的直觀了解程度;對(duì)于公園管理者來(lái)說(shuō)，平臺(tái)有力地支撐他們對(duì)園區(qū)設(shè)施、人員的管理;對(duì)于三江源高寒珍稀動(dòng)植物的研究人員來(lái)說(shuō)，平臺(tái)可成為他們科研成果展示的平臺(tái)，同時(shí)為物種分布以及豐富度預(yù)測(cè)提供了參考。

3? 系統(tǒng)應(yīng)用

按照使用需求和權(quán)限級(jí)別的不同，平臺(tái)用戶(hù)主要分為三種：三江源國(guó)家公園管理人員、三江源動(dòng)植物學(xué)家、游客。對(duì)于游客，具有景區(qū)景點(diǎn)、衛(wèi)生機(jī)構(gòu)、車(chē)站等出行游玩信息的查詢(xún);對(duì)于動(dòng)植物研究人員，該平臺(tái)為其分配了數(shù)據(jù)庫(kù)登錄、操作部分?jǐn)?shù)據(jù)表的權(quán)限，可以將調(diào)研的動(dòng)植物數(shù)據(jù)整理到animals和plants兩個(gè)數(shù)據(jù)表中，具體信息包括名稱(chēng)、活動(dòng)范圍（經(jīng)緯度）等;針對(duì)公園管理人員，在以上功能基礎(chǔ)上，增加了園區(qū)流量監(jiān)測(cè)和預(yù)警、園區(qū)攝像頭視頻實(shí)時(shí)查看、園區(qū)內(nèi)地面人員軌跡檢查等功能，支撐其實(shí)現(xiàn)對(duì)三江源國(guó)家公園的全面化管理。

4? 結(jié)語(yǔ)

利用測(cè)繪部門(mén)地理信息數(shù)據(jù)全面精準(zhǔn)的資源優(yōu)勢(shì)，以旅游出行、生態(tài)保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，使用GIS可視化和空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三江源國(guó)家公園GIS信息化平臺(tái)，使得用戶(hù)對(duì)三江源國(guó)家公園有了更為直觀、全面的了解，為用戶(hù)的旅游出行提供了參考，為三江源動(dòng)植物學(xué)家開(kāi)展物種預(yù)測(cè)和評(píng)估提供了依據(jù)，有良好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣使用價(jià)值。

在今后的研究中，還可在電子地圖的動(dòng)植物分布預(yù)測(cè)的使用上向熱力圖和疊加分析的方向深入研究，探究GIS多樣化可視技術(shù)在本平臺(tái)中的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。

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