长白山火山地质公园地理信息系统研究

周彩彩，邢立新，孟 涛，韩晓静，于一凡

(吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026)

0 引言

长白山火山地质公园地处吉林省东南部，以第4纪火山地质地貌遗迹 世界著名的长白山火山地貌景观为主体，属于火山地貌类地质公园。公园内的地质遗迹分布在4个景区，由近40个景观点组成。长白山巨型复式火山是自100万年以来，历经粗面玄武岩浆造盾、粗面质岩浆造锥、近代碱流质岩浆爆破喷发和岩浆溢流3个阶段所形成的产物［1］。长白山是我国唯一一座发生大规模普林尼式爆发的火山，也是保存完好的具有高耸火山锥体、巨大的破火山口、火山碎屑流堆积和火山泥流堆积地质遗迹的休眠型火山，是火山地质科学上具有国际对比意义、保存最完好和极高美学观赏价值的地质遗迹。基于此，如何科学合理地保护地质遗迹成为了当务之急，而地理信息系统技术因其具有强大的处理和分析地理空间数据的能力，而具有重大的应用意义和十分广泛的应用领域，其中地质公园地理信息系统的开发应用已成为GIS(Geographic Information Systems)的一个新的应用领域［2］。

美国是最早应用GIS进行地质遗迹保护的国家，通过开发GIS管理系统以及网络发布系统，参与公园日常管理与遗迹保护。我国国家地质公园工作虽然起步较晚，但发展非常迅猛，在本溪、泰山、克什克腾、阿拉善沙漠、大金湖和泰宁等地质公园均采用了GIS技术进行地质公园地理信息系统建设［3-5］，其中泰山和阿拉善沙漠等地质公园采用C/S(Client/Server)和B/S(Brower/Server)混合架构同时实现了桌面和网络模式下的地质公园地理信息系统的建设［6，7］。而在目前的地质公园地理信息系统建设中对地质遗迹的评价功能研究较少，鉴于此，笔者根据长白山火山地质公园地质遗迹的特点，采用ArcGIS作为二次开发平台，以C/S与B/S相结合的方式实现了长白山火山国家地质公园地理信息系统的构建，着重研究设计了地质遗迹的评价与保护模块。使长白山火山国家地质公园的管理工作在达到科学化、规范化和标准化的同时，有效地保护地质遗迹，为申报世界地质公园提供高水平的技术支持。

1 地质公园地理信息系统建设的必要性

地质遗迹是指在地球演化的漫长地质历史时期，由于内外动力的地质作用，形成、发展并遗留珍贵的、不可再生的地质自然资源［8］。地质遗迹具有独特性、典型性、区域性和不可再生的特点，对研究地球演变史具有极高的科学价值。因此，合理保护、开发与利用地质遗迹已成为全球共识。目前建立地质公园已成为对地质遗迹保护与合理开发利用的最有效的途径之一。

地质公园是由联合国教科文组织创立的，具有特殊地质科学意义，同时具有稀有的自然属性、较高的美学观赏价值，是以具有一定规模和分布范围的地质遗迹景观为主体、并融合其他自然景观与人文景观而构成的一种独特的自然区域［9］。基于地质遗迹的形成特点与管理需求，可视化表达是对地质遗迹进行保护与科研科普教育的重要手段。因此，应用GIS技术建立地质公园地理信息系统，是地质遗迹合理保护与开发利用的基础性工作，也是国家地质公园信息基础设施建设的核心任务之一。

2 长白山火山国家地质公园地理信息系统的设计

2.1 需求分析

目前，随着人们的知识水平与生活水平的提高，对地质遗迹科普知识的需求越来越强烈。地质公园地理信息系统除了便于地质公园管理者对地质公园进行数字化管理以及普通游客在游览地质遗迹之前通过系统可视化的界面方便、快捷地了解自己感兴趣的地质遗迹景观和配套服务设施、科学地选择旅游路线以外，更重要的是通过该系统的可视化表达与分析、动态评价与预测等强大功能，对提高大众的科学素养、增强对地质遗迹与环境的保护意识、实现人与自然的和谐发展起到重要作用。

2.2 关键技术

在综合比较分析各种地理信息系统开发模式的基础上，系统采用C/S和B/S混合模式进行设计与开发，支持单机和网络两种工作方式。在日益成熟的GIS技术中，组件式GIS和WebGIS体现了其独特的优势和特点。因此，笔者使用组件式GIS和WebGIS搭建长白山火山国家地质公园地理信息平台，实现地质公园的数字化和信息化［10，11］。其中组件式 GIS以ArcEngine和Visual Studio 2005(C#)作为二次开发平台，WebGIS采用 ArcGIS API for Flex技术中的FlexViewer框架，系统开发架构如图1所示。

图1 系统开发架构Fig.1 System development framework

2.3 系统建立流程

建立长白山火山国家地质公园首先需要收集大量的地图资料、统计资料和遥感影像等信息，然后对收集到的资料进行分类处理。收集到的地图资料基本上都是MapGIS格式，因此，采用MapGIS自带格式转换工具将其转换为Shape格式，在转换的同时还要充分考虑到信息丢失的问题，转换后的数据利用ArcMap和ArcCatlog进行后期处理。其中ArcMap主要用来编辑要素、符号化处理，ArcCatlog用来管理和访问地理数据，如创建合并图层等。对数据进行处理与归并后录入数据库，采用二次开发的编程技术实现系统功能，最终生成系统(见图2)［12］。

图2 系统建立流程图Fig.2 System to create flow charts

2.4 系统数据库设计

根据长白山火山国家地质公园数据的特点将数据库分为两部分:空间数据库和属性数据库(见图3)。其中空间数据又细分为点、线、面3部分，并分别以专题图层的形式加以存储和管理。每层对应于一个专题，包含一种或几种不同的地理信息，服务于某一特定的用途和目的，这样不仅便于前期数据的收集、分解和组织，也便于后期的数据查询和检索。空间数据库采用Shape文件格式，借助Arcmap图形编辑软件及ArcCatalog对地图进行编辑和管理。属性数据库采用SQL Server 2005关系型数据库，自定义数据表存储地物文字描述信息，存储并调用照片、影音文件之间的连接。

图3 长白山火山国家地质公园GIS数据库结构图Fig.3 Changbaishan volcanoes national geological park GIS database structure

3 长白山火山国家地质公园地理信息系统主要功能的设计与实现

3.1 空间信息查询与定位

查询和定位空间对象是地理信息系统的基本功能之一，也是地理信息系统在地质公园建设中的重要应用。能否有效地从公园海量数据库中检索出所需的信息，对地质公园数字化的进程具有重要作用。空间信息查询一般有3种形式:1)从地物的空间位置查询或检索地物的属性;2)从地物的属性条件查询或检索地物的空间位置特征;3)让用户通过图形手段，查询指定范围中地物的空间位置和属性双重特征(见图 4)［13］。

图4 空间信息查询和定位Fig.4 Spatial information query and positioning

3.2 空间分析与统计

GIS不仅能为用户提供静态的数据查询和检索服务，还可建立相应的空间分析模型，通过动态的分析评价为决策提供依据，其中应用最广泛的空间分析方法有叠加分析、缓冲区分析等。

缓冲区分析是根据地质公园的点、线、面实体，自动建立各种类型要素的缓冲多边形，用以确定不同地理要素的空间邻近度。如，在长白山火山地质公园地理信息系统中可对公园景点进行景点缓冲区分析(见图5)，统计距离某景点一定范围内的服务设施，既可为游客选择此景点提供依据，也为公园管理者对此景点的进一步建设规划提供技术支持。

图5 景点缓冲区分析Fig.5 Attractions buffer analysis

3.3 地质遗迹评价与保护

不论是地质公园的建立还是地质公园地理信息系统的开发建设，其首要目的都是为保护地质遗迹，因此，如何借助GIS技术对地质遗迹进行保护是该系统研究的一个重点。地质遗迹资源评价分为定性评价和定量评价两种。定性评价主要是根据评价者的实际经验对旅游资源的性质、特点、质量和功能等方面进行文字描述与分析。由于定性评价存在很大程度的主观性，因此，该系统采用定性评价与定量评价相结合的方式，其中定量评价方法采用层次分析法。具体评价体系与评价因子的权重如表1和图6所示，评价结果以柱状图的表现形式呈现出来，下一步根据评价结果对长白山火山国家地质公园内的地质遗迹进行分级保护，针对不同级别的地质遗迹采取不同的保护措施。

表1 地质遗迹评价体系Tab.1 Geological heritage assessment system

图6 地质遗迹评价体系与评价结果Fig.6 Assessment system and the results of geological heritage

3.4 三维景观模拟

三维可视化技术正在使传统的、二维的、静态的地图表示向三维的、动态的场景表示方向发展［14］。采用GIS的三维显示技术设计一个虚拟公园系统，直观地演示公园的地貌状况，以逼真的三维视觉效果展现公园地质旅游景观，给游客一种身临其境的感觉。长白山火山三维视景图与二维GIS相比，对客观世界的表达能力更能给人以真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。

3.5 网络发布地质公园地理信息服务

WebGIS是互联网技术应用于GIS开发的产物，将地质公园的地理信息服务通过GIS技术发布到网络上，实现GIS服务共享，可大大提高地质公园的知名度。由于传统的基于网页的WebGIS图形界面单一、交互能力差、用户体验不好，因此，RIA(RichInternet Applications)开始登上了WebGIS开发的舞台。ArcGIS Flex API是ArcGIS在RIA领域的第一个产品，使用ArcGIS Flex API可以开发运行于浏览器中的Web应用，并且使地图的展示更加美观。而FlexViewer框架使用了ArcGIS Flex API技术，集成了一个完整的用户界面和一些GIS常使用的功能。该系统把长白山国家地质公园的相关图层通过Flex Viewer展现，并通过Flex Viewer自带的Widget实现查询、定位和空间分析等功能(见图7)。

图7 长白山火山国家地质公园WebGISFig.7 Changbaishan volcano national geological park WebGIS

4 结论与展望

GIS技术在地质公园信息化建设中体现了不可替代的作用，包含从数据的采集与编辑、数据库组织与管理、空间信息查询与定位等GIS的基本功能到空间分析与统计、三维景观模拟、地质遗迹的评价与保护和网络发布地理信息服务等高级功能。GIS的优势在地质公园的数字化建设中得到了充分体现，为地质公园管理人员全面掌握地质遗迹的空间分布和景观结构特征，实现地质资源的合理保护与开发提供了重要参考。该系统有效集成了MIS(Management Information System)的数据管理功能和GIS的空间分析功能，并采用了组件式GIS技术和ArcGIS Flex API技术，改变了传统静态的信息管理模式，整合了地质公园的数据，辅助地质公园的管理保护与建设。随着地质公园数据信息的不断充实和系统的深入开发，地理信息系统技术在地质遗迹的保护与开发中的应用将不断完善和深入，应用范围越来越广泛、直观化、全面化和便捷化。

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