WebGIS下的黑龙江省植被NPP碳汇分析系统

李 冰，赵颖慧

(东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040)

植被净初级生产力(Net Primary Productivity，简称NPP)是地表碳循环的重要组成部分，直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力和陆地生态系统的质量状况[1]。NPP也是生态系统碳汇和调节生态过程的主要因子，对于全球变化、碳平衡具有重要的意义。因此，植被净第一性生产力的研究受到越来越多国家的关注。

网络地理信息系统(WebGIS)指基于互联网平台和应用软件运行在网络上的地理信息系统。WebGIS是通过Internet/Intranet连接的多主机、多数据库与多台终端组成[2]。WebGIS通过Internet/www机制，有效的实现了分布式地理信息的处理。WebGIS为GIS资源利用开拓了的新领域，为GIS信息的提供者和使用者的数据共享提供了有效途径。

本文采用黑龙江省气象观测数据，结合多种软件，对基于WebGIS的植被NPP碳汇系统进行研究，使植被NPP碳汇资源数据得到共享，并通过互联网快速、完整、准确的传递给用户。

1 研究区域概况与数据源

黑龙江省位于中国的东北部，与俄罗斯接壤，面积47.3万km2，是我国东北地区面积最大的省份。人口3820万，辖区有13个地级市[3]。黑龙江省西起121°11′，东至135°05′，南起43°25′，北至53°33′，南北跨10个纬度，2个热量带；东西跨14个经度，3个湿润区。全省年平均气温-4～5℃。冬季漫长而寒冷，夏季短暂，春秋干燥凉爽，年降水量400～650 mm。

本研究数据源包括：黑河、佳木斯、哈尔滨、牡丹江、鸡西、肇州、佳木斯、宝清县、齐齐哈尔、鹤岗、嫩江县、呼玛县、七台河、绥化13地区的气象观测站点观测的1952-2012年每年的平均降水量、平均温度、陆地表面所获得的净辐射量等观测值，以及黑龙江省1∶400万的矢量图。

2 研究方法

黑龙江省植被NPP碳汇分析系统，采用Miami、Thornthwaite、Chikugo、朱志辉四个模型分别计算出黑龙江省植被初级生产力值，基于B/S的WebGIS的三层体系结构，采用Silverlight技术，以ArcGIS Server 10.0为GIS服务平台，C#、xaml、silverlight等语言为开发语言，进行系统的构建，为碳汇相关专业的研究提供一个交互有好的数据查询和分析平台[4]。

2.1 主要相关技术介绍

ArcGIS Server是具有强大的地理信息服务器产品。它可以构建集中管理的、支持多用户的、具备高级GIS功能的企业级GIS应用与服务[5]。ArcGIS Server提供广泛的基于Web的GIS服务，支持分布式环境下实现地理数据管理、制图、地理处理、空间分析、编辑和其他GIS功能[6]。

ArcGIS ServerWPF/Silverlight是ESRI公司推出的基于微软WPF/Silverlight技术的应用程序开发接口，充分综合了ArcGIS Server地图发布能力和微软WPF技术良好的用户体验，提供了大量的控件和丰富的对象模型，加快了开发人员应用程序构建的效率[4]。

2.2 NPP计算模型

根据气候因子估算的植物可能产量称为植物气候生产力，一般多用自然植被的净第一性生产力表示，即NPP[6]。传统方法计算NPP主要有4种模型：Miami模型、Thornthwaite模型、Chikugo 模型、朱志辉模型。本文利用这4种模型分别计算出各个地区的NPP数值，以便研究人员根据研究需求选择使用。

2.2.1 Miami模型

植被NPP受一些环境气候因子的影响，其中温度和降水影响最大。Lieth根据世界五大洲约50个地点可靠的植被NPP实测资料和相对应的年平均温度、年均降水量资料，利用最小二乘法构建的模型，称为迈阿密模型[6]。

y2=3000(1-e-0.00065R)。

(1)

式中：y1为根据年平均温计算的植被NPP(g/m2·a)；y2为根据年降水量计算的植被NPP(g/m2·a)；t为年平均温度(℃)；R为年降水量(mm)。根据Liebig定律，选取二者中最小值作为计算点的植被NPP值[3]。

2.2.2 Thornthwaite模型

Thornthwaite和Rosenzweig注意到蒸腾蒸发量(ET)与气温、降水、植被之间的关系，并据此建立了植被净第一性生产力和ET之间的统计关系，Lieth基于Thornthwaite的研究及世界五大洲50个地点植被净第一性生产力资料，采用最小二乘法，提出了ThornthwaiteMemorial模型[7]。

NPP=3000[1-e-0.0009695(v-20)]，

L=3000+25T+0.05T3。

(2)

式中：NPP为植被净第一性生产力(g/m2·a)，V为年实际蒸散量(mm)，L为该地年蒸散量(mm)，t为年均温(℃)，R为年降水量(mm)。

2.2.3 Chikugo模型

日本岛内以Uchijima的研究结果为基础，利用叶菲莫娃和Canne等人IBP期间取得的世界各地的生物量数据和气候要素进行相关分析，建立了根据净辐射和辐射干燥度计算NPP的Chikugo模型[7]。

NPP=0.29·Rn·e0.216RDI2，

RDI=Rn·(L·r)-1。

(3)

式中：NPP为自然植被净第一性生产力(g/m2·a)；Rn为陆地表面所获得的净辐射量(mm)，RDI为辐射干燥度，L为蒸发潜热(0.596·kcal/g)，r为年降水量(cm)。

2.2.4 朱志辉模型

朱志辉利用751组各类植被数据，建立了估算NPP的解析模型[1]。

(4)

式中：NPP为自然植被净第一性生产力(g/m2·a)；RDI为辐射干燥度，Rn为陆地表面所获得的净辐射量(mm)。

通过以上4个模型的计算，可以得出黑龙江省各个地区1952-2012年4个模型对应NPP的值。

2.3 系统的总体设计

采用基于B/S(浏览器/服务器)的WebGIS的三层体系结构，体系分为表现层、应用层、数据层三个层次(如图1所示)。

(1)表现层：表现层所面对的对象是用户，负责用户通过浏览器与服务器进行数据交换，为用户提供高交互性的可视化操作界面。通过浏览器为用户显示空间数据，向应用层发送用户请求，并获取处理结果呈现给用户。用户通过表现层来访问整个GIS系统的功能。系统借助ArcGIS API for Silvelight及silverlight框架来设计实现表现层。

(2)应用层：用于对用户请求的数据进行分析、处理、并返回分析结。Web服务器负责与用户之间的交互、承载运行在GIS Server资源上的Web应用程序和Web服务。处理Web客户端与服务端之间的信息的传递[4]。GIS Server层主要提供各种技术服务，包括数据访问服务，系统资源释放服务，各种相关功能的实现、制图以及需要与地图交互的工具[4]。本层主要采用ArcGIS Server服务器及其提供的API进行开发。

(3)数据层：位于服务器端，包括空间数据引擎和数据库，负责存储本系统所需所有基础数据，接受服务器对数据调用的请求，提供数据给应用层。本层采用ArcGIS的File Geodatabase数据模型。

2.4 系统的功能设计

该系统分为主要包括计算工具、地图的基本操作、查询分析、统计模块和渲染模块4大模块。系统的功能设计如图1所示。

图1 功能设计图

(1)地图基本操作。包括地图放大、缩小、平移、全图、鹰眼、测距、绘图、放大镜、坐标显示、图例、书签和全屏等功能，为用户提供地图的基本操作[8-10]。

(2)查询分析模块。数据查询分析模块为用户提供NPP等信息查询的功能。包括几何查询、属性查询和MapTip查询3种方式，用户可以根据需求选择查询方式。

(3)统计分析模块。统计分析模块主要是根据需要，对系统提供的信息和查询的结果进行统计，并以折现图或饼状图的形式进行进行结果的展示。

(4)渲染模块。该模块主要是对用户需要的信息提供地图分级渲染功能，使用户所需信息直观的在地图上显示。人们通常用级别来表示不同程度，同样将空间几何对象的某个属性值进行分级以便来区分几何对象，这就是分级渲染。

(5)在线计算。提供信息的计算功能，用户可以利用此工具，对所需信息数据进行计算。

3 系统的实现

3.1 数据的发布与调用

地图服务对应的GIS资源是地图文档(.mxd)，发布地图服务之前应该首先制作地图文档。在ArcMap下载入空间数据，利用ArcMap的各种功能对地图进行配置，如地图的叠加显示、分级显示、标注和符号化等操作。然后将地图文档通过ArcCatalog或ArcGIS Server Manager工具，发布地图到GIS服务器中[11]。

利用ArcGIS API for Silverlight提供的方法接口，通过调用数据服务url地址的方式在应用层调用数据。

Url=“http：//lb-pc/ArcGIS/rest/services/heilongjiang/MapServer”/>

3.2 系统功能的实现

3.2.1 地图的基本操作

在系统的主界面(如图2所示)有地图基本操作工具条，该工具条包括地图放大、缩小、平移、全图、测量(距离测量、面积测量)、局部放大、鹰眼、绘图(包括点、线、面、矩形、箭头、圆和椭圆等几何图形绘制)和全屏等功能。用户可以根据需求，使用工具条中的工具对地图进行操作。

图2 系统主界面

3.2.2 查询分析模块

查询分析模块是系统的核心模块，主要为用户提供基于Miami、Thornthwaite、chikugo和朱志辉四种模型计算的各个地区不同年份的数据的查询，并在地图上显示。该模块提供几何查询、MapTip查询和属性查询三种查询方式。几何查询方式是利用手动绘图的方式，选择需要查询的地区并显示出该地区数据，应对该地区进行高亮显示(如图3所示)；MapTip查询的方式为根据鼠标所在的位置，弹出对话框显示所在位置地区的数据(如图4所示)；属性查询的方式为通过下拉菜单选择某一地区，地图会自动定位到该地区，对该地区高亮进行显示，同时弹出对话框显示出该地区的数据(如图5所示)。

图3 几何查询方式

图4 MapTip查询方式

图5 属性查询方式

查询模块核心查询功能是通过ArcGIS API for Silverlight中的Task方式实现的。使用Task通常包括三个步骤：Task对象的实例化、对象注册完成和失败事件监听；参数对象实例化，必要属性赋值，请求发送；在事件处理函数中处理错误信息[12]。使用Task代码如下：

QueryTask queryTask=new

QueryTask(“http：//lb-pc/ArcGIS/rest/services/heilongjiang/MapServer/5”)；

queryTask.ExecuteCompleted+=QueryTaskx_ExecuteCompleted；

queryTask.Failed+=QueryTaskx_Failed；

ESRI.ArcGIS.Client.Tasks.Query queryx = new ESRI.ArcGIS.Client.Tasks.Query()；

query.OutFields.AddRange(newstring[]{“city”})；

query.ReturnGeometry=false；

query.Where=“1=1”；

queryTask.ExecuteAsync(query，“initial”)；

3.2.3 统计模块

用户可以根据自己的需求，对需要的数据进行统计。该模块有折线图和饼状图(如图7和8所示)两种表现方式。折线图统计方式自动可以生成黑龙江省某一地区NPP、降水量、平均温度和净辐射量度值随年份变化的折线图；饼状图统计方式可以生成某一年全省各个地区的NPP、降水量的饼状图以及计算出各个地图数值占全省的比重。

统计模块的图标制作，主要是通过Silverlight的Visifire插件制作。具体过程分为3部分：通过Task方式对属性数据的访问、创建图表和添加图表数据。

图6 饼状统计图

图7 线状统计图

3.2.4 渲染模块

渲染模块提供NPP数据的分级渲染功能。该模块分为四部分，分别是Miami模型渲染、Thornthwaite模型渲染、chikugo模型渲染和朱志辉渲染。四部分对别对应4种模型所计算的NPP数据渲染，用户可以选择不同的色彩、不同年份根据NPP指标分为不同的等级对全省各个地区的进行分级渲染。

渲染功能采用的分级方式是等分方式。即分级指标为数据的最大值减去最小值之后除以级别个数。

核心代码如下：

Double portion = totalRange/_classCount1；

for(inti=2；i<_classCount1；i++)

{

startRangeValue+=portion；

thematicItem.RangeStarts.Add(startRangeValue)；

}

图8 系统渲染功能

3.2.5 在线计算

该工具可以通过输入某一地区的计算参数，选择所需的计算模型计算该地区的NPP数值。

4 结束语

本文阐述了WebIGIS下的黑龙江省植被NPP碳汇分析系统的开发过程，并采用WebGIS的三层体系结构，便于系统的升级和维护，为黑龙江省碳汇分析平台的研究提供了新的思路。该研究开发了黑龙江省NPP碳汇分析系统，该系统实现了黑龙江省植被净初级生产力的可视化查询与分析，实现了NPP资源和信息的共享，为用户提供良好的交互界面，可以辅助碳汇相关专业的研究。系统采用功能强大的Silverlight技术创造出内容丰富、界面炫丽，并且能在多种浏览器中运行的、交互有好的Web应用程序。基于B/S架构，无需安装客户端应用程序，只需添加Silverlight插件即可利用浏览器操作系统，增强了用户使用的便捷性以及数据的安全性。提供Miami、Thornthwaite、Chikugo和朱志辉四种主要模型计算的黑龙江省各个地区不同年份的NPP数值，使用人员可以根据自己的研究需求及模型的适用范围，选择使用，提高了数据及系统的可应用性，对NPP信息进行信息化、科学化、规范化管理，为决策提供了依据。

【参 考 文 献】

[1]苏清河，安沙舟，赵 玲.基于5种气候生产力模型的天山北坡主要草地类型NPP计算[J].新疆农业科学，2010，47(9)：1786-1791.

[2]黄 夏，李荣全，云丽丽，等.森林植被净初级生产力遥感估算研究进展[J].辽宁林业科技，2013(3)：43-46.

[3]江建能.我国对俄边境口岸物流发展问题研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[4]周 平，刘智勇，李吉跃，等.全球陆地碳汇分析系统研发与应用[M].北京：中国林业出版社，2011.

[5]钟 晟.基于WebGIS的铁路工程施工管理信息系统关键技术研究与实现[D].北京：中南大学，2009.

[6]孙善磊，周锁栓，石建红，等.应用三种模型对浙江植被净第一性生产力(NPP)的模拟与比较[J].中国农业气象，2010，31(2)：271-276.

[7]苏清荷，安沙舟，赵 玲.基于5种气候生产力模型的天山北坡主要草地类型NPP计算分析[J].新疆农业科学，2010，47(09)：1786-1791.

[8]胡 阳.基于WebGIS的森林健康评价研究[D].北京：北京林业大学，2012.

[9]刘 平.基于WebGIS的惠州市环境监测系统研究与实现[D].长沙：中南大学，2012.

[10]吴利军.基于ArcGIS Server的城镇地价专题图制作及发布系统设计与实现[D].昆明：西南交通大学，2009.

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