河南省水土保持三维可视化管理信息系统的研发

2015-01-27程瑞芳

中国水土保持 2015年3期

关键词：空间数据水土保持可视化

程瑞芳

(河南省水土保持监督监测总站，河南郑州 450008)

河南省水土保持三维可视化管理信息系统的研发

程瑞芳

(河南省水土保持监督监测总站，河南郑州 450008)

水土保持；三维可视化；GIS；SQL Server；管理信息系统；河南省

基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次开发模式，存储集成全省多次水土流失遥感普查和基础影像数据，开发河南省水土保持三维可视化管理信息系统。该系统能实现野外调查图像与数据库建立的三维可视化、交互显示效果，是具有输入、查询、检索、对比分析和输出等多功能的综合管理信息平台。河南省水土保持三维可视化管理信息系统基本实现了水土保持管理信息化，为水土保持工作决策、规划、治理提供了科学的依据。

受人口密度大、人为干扰强烈等多种因素影响，河南省水土流失严重，水土流失面积6.06万 km2，占全省土地总面积的36.3%[1-2]。与水土流失严重的状况不相适应的是，河南省水土保持工作信息化管理水平较低，各项数据统计还在沿用传统方法，对水土流失综合治理状况、水土保持效益等的评价仍停留在定性而难以定量的水平上。因此，开展河南省水土保持管理信息系统构建与研发，已成为十分重要和迫切的工作任务。

地理信息系统(GIS)由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息[3]。在水土保持领域，GIS主要用于水土保持基础数据库建设、水土保持调查监测数据管理、水土流失评价模型开发和水土保持规划设计等方面[4]。现有的流域水土保持信息系统大多以ArcObjects为开发平台，如基于Visual Basic 6.0与ArcObjects构建的济源市水土保持决策支持系统[5]、基于GIS和RS建立的淮河流域水土保持信息管理系统[6]。这些系统只构建了特定小区域的信息管理平台，数据库的数据量并不大，且部分系统只是实现了数据的查询、分析等简单功能。为了解决上述问题，研发组设计开发了河南省水土保持三维可视化管理信息系统。该系统基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次开发模式，既可以充分利用GIS软件对空间数据的管理、显示、分析功能，又可以利用C#.NET可视化开发语言的高效和方便编程的优点，提高了系统的开发效率。该系统主要包括全国第一次水利普查河南省水蚀野外调查单元信息管理系统、全国第一次水利普查河南省侵蚀沟道信息管理系统、河南省土壤侵蚀动态监测信息系统、河南省水土保持技术档案信息管理系统、河南省水土保持信息发布系统，为河南省水土保持研究提供了较为完整的三维可视化数据管理信息平台。

1 软件开发环境

C#语言是针对.NET平台的第一语言，与多数GIS Engine都有很好的兼容性，可实现一系列组件的无缝高效有机组合[7]。组件式GIS是GIS技术发展的一个全新阶段，在地理信息系统应用软件的开发中，采用组件式的二次开发已是必然的趋势[8]。利用GIS软件，在实现GIS功能的同时，以通用可视化软件开发工具进行C#.NET和SQL Server的集成、二次开发。因为独立开发难度较大，而单纯二次开发又受GIS工具的限制，效果不尽如人意，所以本系统开发基于GIS，采用C#.NET+SQL Server集成的二次开发模式。

2 数据来源与准备

以地理信息系统软件、遥感处理软件为平台，应用多次水土保持遥感普查和基础影像数据，供河南省水土保持三维可视化管理信息系统使用。河南省开展水土保持遥感普查工作10多年来，积累了大量普查成果数据和基础资料，主要有4类：空间及属性信息，如Coverage和Shape格式的水土流失现状图；表格信息，以表格形式记录的地块和流域观测数据；文档信息，如各类技术报告和文件等；图像或视频信息，如水土流失治理图片、多媒体文档等。

在系统实现中，为了方便数据的统一管理和应用，采用统一的数据坐标投影格式，即将非通用坐标系Coverage格式转换成WGS84通用坐标系Shape格式。针对水土保持普查中3个时期(1995、2000、2010年)的信息数据资料，按照行政区划，将省内1995、2000年的水土保持遥感普查成果以县为单位，按照四大流域、397条小流域切分处理；2010年全国第一次水利普查成果以1 002个水蚀野外调查单元和黄河流域河南省境内20个县的侵蚀沟道两个体系进行分类，供程序分级导航查询。

3 系统数据库构建

将不同年代的水土保持多源空间数据通过空间数据引擎(SDE)存储在SQL Server数据库中。SDE融于关系数据库管理系统(RDBMS)后，在用户和异种空间数据库的数据之间提供了一个对空间和非空间数据进行高效率操作的开放数据接口，使系统GIS功能应用与后台数据访问实现分离，从而降低了系统的复杂度，同时保证了海量和多源数据的无缝可用性。技术人员统一采用Geodatabase数据模型，以便在任意应用中嵌入查询和分析这些数据的功能。系统空间数据库结构如图1所示。

4 河南省水土保持三维可视化管理信息系统

4.1 河南省水蚀野外调查单元信息管理系统

河南省水蚀野外单元调查是全国水利普查水土保持专项普查的重要内容之一，该子系统综合应用野外分层抽样调查、遥感解译、统计报送等多种技术手段，全面查清土壤侵蚀现状，掌握土壤侵蚀的分布、面积和强度。

4.1.1 空间数据库的建立

全省水蚀野外调查单元共计1 002个，野外调查人员借助GPS定位仪进入所调查单元的区域。拍摄照片后，针对不同的地块选择有代表性的点，利用GPS测量各点的经纬度，并将其标注在野外调查工作底图上，依次勾绘出地块边界。在水蚀野外调查表上填写该地块信息，并将拍摄的各个地块的景观照片按不同方向标注在底图上。将野外调查表信息录入计算机，把拍摄的景观照片存储到计算机，按照底图上的编号一一对应。扫描野外调查工作底图，以jpg格式存储。数字化扫描图，将数据转换为WGS1984坐标UTM投影，以线性shp文件存储。建立18个字段属性数据库，每个字段根据其填写内容分别为文本型和浮点型。

4.1.2 系统功能

(1)空间数据存储。采用SQL Server2008 R2关系型数据库存储矢量数据，通过GIS Map的格式转化接口，将现有的shp文件以gdb数据作为媒介建立空间数据库。利用空间数据引擎提供的api，将数据检索、分析等功能集成到应用工具中，实现前端应用的存储、查询、分发服务等功能。

(2)三维可视化浏览查询。通过空间数据请求获取目标土壤调查单元数据，通过GIS for .NET SDK提供的接口，获取空间数据库中存储的相应数据，并通过专题图渲染技术区分单元数据描述类型，利用图层叠加的方式以不同颜色渲染不同类型地块区域，使该功能有效地结合C#语言的Rendereer接口对象进行自定义颜色划分。

(3)多媒体数据存储。该子系统是整个系统应用内容最多的一个，除其他子系统的图形浏览、数据提取、缓冲区分析等功能外，还增添了多媒体数据处理功能。利用SQL Sevrer的二进制文件存储技术，将收集到的上万幅野外调查的JPG格式图片保存于属性数据库中。

4.2 河南省侵蚀沟道信息管理系统

全面清查侵蚀沟道的数量、特征和分布状况，建立河南省侵蚀沟道空间数据库，不仅为全面掌握土壤侵蚀动态变化情况提供基础数据，而且可为水土保持生态建设决策提供技术保障。

4.2.1 空间数据库的建立

(1)侵蚀沟道提取。根据丘陵沟壑区及高塬沟壑区侵蚀沟道的分布情况，采用两种侵蚀沟道遥感解译方法，即自动提取和手工提取。在丘陵沟壑区，以系统自动提取为主。自动提取沟道范围设定长度>500 m、汇水面积≤5 km2，自动提取侵蚀沟道及分水岭，参照遥感影像对自动提取的侵蚀沟道进行核查和调整。在高塬沟壑区，由于地形地势比较复杂，数据精度达不到所需要求，自动提取的效果不佳，因此采用人机交互的方法提取。技术人员参照遥感影像，对长度>500m、汇水面积≤5 km2的侵蚀沟道和沟沿进行勾绘，并参考自动提取数据进行适当调整。

(2)侵蚀沟道特征指标提取。根据遥感影像纹理结构、色调、形状，利用GIS软件勾绘侵蚀沟道，从沟口沿沟底向沟头划线，采用拓扑分析自动获得沟道长度；以侵蚀沟道线为轴线，沿分水岭或沟沿线进行勾绘，连续划线成为侵蚀沟形状的闭合线，经拓扑分析自动获得沟道面积；在GPS环境下，导入DEM和遥感影像，软件自动读取侵蚀沟道沟头、河沟口高程，二者之差与沟道长度之比即为沟道纵比。

4.2.2 系统功能

(1)空间数据存储。侵蚀沟道数据包括沟道数据和侵蚀沟道控制面积数据两部分，为方便综合信息管理，将两部分数据分别存储，以图层叠加方式控制显示。

(2)三维可视化功能。通过GIS for .NET SDK提供的接口，获取空间数据库中存储的空间数据，并通过专题图渲染技术区分单元数据描述类型，利用图层叠加的方式以不同颜色渲染不同类型地块区域，使展示效果更准确、更通用。

(3)空间检索。利用GIS的IEnumLayer技术，通过三维可视平台获取目标点位置的图层列表信息，默认选取最上层图层数据，显示选中图层的相关信息。

4.3 河南省土壤侵蚀动态监测信息系统

利用现有数据信息，研究建立土壤侵蚀动态监测信息系统，对掌握水土流失动态变化情况、科学评价水土保持效益和生态服务价值、推进水土资源合理配置和高效利用具有重要的现实意义。

(1)空间数据存储。该子系统空间数据库是基于SQL Server 的多源空间数据库，为保证海量、无缝数据的可用性，统一采用Geodatabase数据类型，即入库前将Coverage、Shapefile及Grid Raster数据转换为Geodatabase数据模型，再通过空间数据引擎加载到SQl Server数据库中，并保证入库数据的正确性、完整性、可靠性和一致性。

(2)三维可视化功能。依据水土流失强度等级，利用GIS引擎，动态渲染生成专题图，以图层叠加的方式加载显示水土流失数据图层，并可借助水土流失数据图层获取土层属性，查询相应信息。

(3)空间分析。该子系统开发的三维可视化平台不仅是展现三维场景，还提供包括地表空间分析、缓冲分析、土层对比分析等高级三维分析工具来解决复杂的空间分析问题。通过空间分析技术对不同年限的土壤侵蚀成果数据进行空间分析，对比分析其水土流失强度的变化，在不同年限的水土流失强度专题图的基础上，对相同区域侵蚀强度空间数据进行差值计算，生成土壤侵蚀强度动态变化的空间数据专题图。

4.4 河南省水土保持技术档案管理信息系统

档案管理信息系统采用Client/Server运行模式。C/S模式适合于用户数量不大的可信赖的局域网，有利于档案的安全管理。该子系统采用“目录全文一体化管理”的设计思想。电子档案原文信息和背景信息的存储采用数据库存储方式，目录数据库的存储采用关系型数据库，针对目录信息与电子档案原文信息建立对应关系，利用目录与原文的关联信息检索和查询电子档案。水土保持技术档案的管理按照科学研究、生态建设、生产建设三大类进行管理，在Visual C#开发环境下，结合PDF控件技术，实现河南省水土保持技术档案的综合信息管理功能，其中系统集成的PDF功能支持文档信息的导出、下载、保存和打印等。

4.5 河南省水土保持信息发布系统

水土保持信息发布系统把多源数据和分析工具部署在网络内不同的计算机上。通过使用基于向量的图像图形技术，支持任何尺寸图像的无缝整合，对基于Asp .NET、AJAX在内的Web开发环境实现了无缝连接。各级用户只要把请求发送到服务器，就可以从网络的任何地方访问本系统发布的信息。服务器还会把分析工具和数据传送给用户，实现水土保持空间数据查询展示。WebGIS是分布式系统，数据库和应用程序部署在网络内的不同计算机上，方便管理员及时更新，网络上的每个用户随时都可以得到最新可用的数据和应用。