草原地理信息管理系統的設計與功能實現

李剛勇，彭 建，閆 洋，張楚婕

（新疆維吾爾自治區(qū)草原總站，烏魯木齊 830049）

黨的十九大報告中提出山水林田湖草系統治理的重大部署，其中生態(tài)文明建設與草原資源保護成為各級政府的重要工作內容之一。隨著資源保護、生態(tài)修復工作的逐步深入，對基于數據采集、地理信息、GIS 服務為核心的地理信息技術需求也越來越迫切，草原資源信息平臺管理及應用已成為構建草原生態(tài)文明的重要技術手段。

中國地理信息系統主要經歷了3 個階段，分別是20 世紀70 年代初期的起步階段、80 年代后期的試驗階段以及90 年代末期以來的全面發(fā)展階段［1］。近些年來，地理信息系統被大量運用在自然資源管理中，實現對自然資源規(guī)范化和精細化管理［2］。重點針對草原資源地理信息數據特點進行了研究，使其與地理信息管理系統進行有效結合。

1 需求背景

為準確掌握新疆草原資源與生態(tài)狀況，促進草原保護建設與合理利用，需要逐年開展草原資源與生態(tài)監(jiān)測工作，重點對全疆草原植被長勢狀況、草原生產力、草原資源利用狀況等進行調查，即通過野外實地調查取樣和現場調查了解與遙感影像和GIS 技術結合的方式，掌握和動態(tài)觀測草原的生產力、載畜量、草原利用現狀、植被長勢狀況等信息。草原資源調查和逐年草地資源動態(tài)監(jiān)測工作，會產生大量的空間、業(yè)務數據。對新疆草原資源數據進行有效管理與利用意義重大，基于此建立一套智慧草原平臺項目，將草地資源數據從采集、管理、分析、統計和決策充分整合，實現數據共享和綜合利用。

2 數據基礎

草原監(jiān)測調查與管理，需要大量豐富的地面采集數據作為支撐。數據包括地面采集數據、矢量圖斑數據、典型區(qū)域遙感影像和其他自然資源相關專題數據，這些數據為草原監(jiān)測調查與管理提供了技術保障。在草原資源地理信息管理系統需求分析與建設中，以此數據為基礎，開展草原監(jiān)測，針對變化情況及時更新草原圖斑信息，利用不同時相遙感影像和地形專題數據，提高草原監(jiān)測數據展示效率。各類數據及利用情況見表1。

表1 草原資源數據類型

3 技術思路

基于前一原則，項目要把草原遙感監(jiān)測輔助決策評價系統的當前目標和長遠目標相結合，要充分考慮系統擴展需要，就必須采用最先進的信息技術。同時，它又是一項滿足當前草原數字化信息化建設需求的實用工程項目，也必須保證運行的穩(wěn)定和操作的簡易。系統的設計與建設要盡可能采用最先進的理念、技術、軟件、硬件，盡可能采用已經產品化的技術模式，一方面確保系統的先進性和可擴展性，另一方面兼顧實用性，使系統成熟、可靠。通常，在信息系統空間數據庫中，對信息生成文件的通常是Oracle 數據庫；對空間數據提供模型和編碼的通常是ArcSDE 引擎，易于對數據庫進行訪問［3］。

3.1 整體性

系統研制開發(fā)應整體設計，充分整合已有資源，實現數據共享和綜合利用，且符合國家標準和行業(yè)標準，滿足系統間數據和業(yè)務信息的共享、交換。

3.2 先進性

采用主流GIS 平臺、數據庫管理系統、成熟的計算機技術和系統設計開發(fā)思想。依托先進的系統開發(fā)工具，保證系統的先進性。

3.2.1 充分考慮數據不斷變化的需要 草原監(jiān)測與管理數據本身不斷地在更新和變化，要求數據庫管理系統在設計時充分考慮以后數據更新的需求。充分考慮業(yè)務發(fā)展的需要，在數據庫管理系統設計過程中，應充分考慮空間矢量數據的特征，按照業(yè)務需求進行分析，從而為系統數據庫的建設及后續(xù)升級、換代提供方便。

3.2.2 充分考慮硬件技術發(fā)展的需要 在設計過程中，要求考慮硬件發(fā)展的需求，在硬件技術發(fā)展時，可以對系統進行調整和擴展，能充分利用先進的硬件處理能力拓展系統容量和性能。

3.3 實用性

軟件要易于維護，具有方便、快速的數據更新能力，保證數據運行的效率和速度。系統必須做到界面友好、提示明確、操作方便、簡單快捷、使用人員只需經過簡單培訓，即可進行使用。

3.4 安全性

系統建設要把軟件安全、信息保密放在首位，應具備良好的系統穩(wěn)定性，要確保基礎平臺穩(wěn)定、可靠、高效地運行。系統設計應充分考慮運行的安全策略和機制，要在多個層次上劃分和設定各級使用者的安全權限，從多方面確保業(yè)務數據的安全性和保密性。

3.5 靈活性

系統各模塊應具有高內聚、低藕合，可擴展性要高，能根據生產信息化不斷發(fā)展的需要，方便擴展系統容量和處理能力，具備支持多種應用的能力。同時可以根據應用發(fā)展的需要進行靈活、快速調整，實現信息應用的快速部署。

3.6 開放性

具備較好的開放性，相關系統和設備應是業(yè)界主流產品，遵循業(yè)界相關標準，實現系統和數據的集中運行和統一維護管理。

4 建設框架

目前，草原資源業(yè)務數據是基于離散的文件型數據格式管理，且沒有形成標準、不統一，數據放置分散，工作人員在工作中需要花費大量的精力去查找這些數據，有的甚至由于管理不善導致數據丟失，這使得原本具有高價值利用率的草原數據因管理不規(guī)范導致數據的價值很大程度沒有被挖掘出來，造成資源浪費。因而建立一套標準化、規(guī)范化的草原空間地理信息數據庫，運用數據庫、地理信息數據、網絡技術對數據進行規(guī)范化管理迫在眉睫［4］。

面向資源數據的信息化管理方面，采集數據是手段，目的是挖掘數據價值、分享價值，供指揮決策者根據草原資源的分類狀況、載畜平衡狀況、生態(tài)評價狀況等數據做出準確的判斷和符合實際生產的決策，所以基于采集的數據需要搭建一個共享平臺，供本級單位或下級單位進行資源共享、分析，使得草原相關單位的信息達到一個互聯互通的目的［5］。

4.1 數據庫層

數據庫層是系統基礎數據源，數據包括了各級屬性數據、空間數據和非結構數據。數據模型均是從草原管理工作數據庫領域的需求出發(fā)，包括了基礎地理空間數據庫以及各種專題產品的空間數據，采用面向對象技術建立的。這樣為系統的運行提供了靈活的運行形式，可以通過空間數據引擎連接到網絡大型數據庫（SQL Server）上運行。Excel 格式的文件是為了支持系統運行而存在的中間數據或導出的數據存儲容器，XML 格式文件可以保存系統的導出數據、系統元數據、系統運行需要的一些支撐數據。

4.2 數據訪問層

數據訪問層是用來完成對后臺數據庫進行訪問，為業(yè)務處理層提供服務的組件層，由數據訪問組件通過對ADO.NET（或JDBC）、ArcSDE 等數據庫引擎實現對數據庫的訪問操作，完成前臺各專題具體業(yè)務所需的屬性數據、空間數據、非結構性數據操作。

4.3 業(yè)務處理層

業(yè)務處理層主要采用B/S 模式，其主要功能是處理客戶層提交的業(yè)務邏輯。業(yè)務層調用空間組件具體實現空間查詢、空間分析等空間操作功能。業(yè)務處理層的屬性Web 服務和空間Web 服務可以部署在相同或不同的SOA 服務器上，而空間SOA 服務器可以是一臺或多臺服務器的集群。

4.4 網絡傳輸層

網絡傳輸層是前臺客戶與業(yè)務交互的通信通道，客戶層的要求是基于HTTP、TCP/IP 等協議進行傳輸的。

4.5 客戶應用層

客戶應用層是基于瀏覽器端的應用操作集成，系統中的各項功能如數據入庫、數據管理、數據應用、數據分發(fā)均在客戶應用層展現。

5 系統開發(fā)

系統空間數據支撐平臺，ArcGIS 系列軟件，包括桌面版（ArcGIS Desktop）、服務版（ArcGIS Server）及數據庫鏈接中間件（ArcSDE），承擔GIS 數據的管理和計算分析工作。項目建設中，使用ArcGIS Server實現空間數據的發(fā)布與管理，空間數據發(fā)布產品實現空間數據的發(fā)布顯示（B/S），并通過ArcGIS Desktop來實現GIS矢量數據與柵格數據的歸納整理，系統使用以下GIS基礎平臺：ArcGIS Server-標準版-V10.X、ArcGIS Desktop-高級版-V10.X、ArcGIS SDE（空間數據管理中間件）。

草原信息管理系統采用B/S 架構進行開發(fā)，該系統是一個組合型管理系統，其核心功能是對草原各項業(yè)務指標進行分析評價，由多項內容組合而成，按照衛(wèi)星遙感數據處理、業(yè)務數據計算分析、成果圖表生成3 大功能系統進行建設。

5.1 遙感數據處理子系統

主要開展MODIS 數據自動下載、解壓、影像批量處理工作，形成覆蓋全疆的衛(wèi)星影像數據，為業(yè)務數據分析子系統準備。

5.2 業(yè)務處理分析子系統

根據衛(wèi)星影像提取的植被信息，結合草原類型開展產草量估算、載畜量估算、載畜平衡分析、植被蓋度提取、長勢分析、草原質量評價、草地退化沙化評價、生態(tài)健康評價等。

5.3 成果圖表生成子系統

根據不同的業(yè)務需求制作相關圖表，提取各類統計報表?；谛纬傻母鲗ｎ}成果以及統計數據進行專題制圖，生成餅狀圖、柱狀圖等，并根據用戶需求提取各類統計報表。