武汉市湖泊时空动态监测系统设计

2016-10-28邸义良

计算机时代 2016年9期

邸义良

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.015

摘要：利用地理信息系统（GIS）和网络技术，设计了武汉市湖泊时空动态监测系统的总体结构。实现了由数据层，业务层，用户层组成的B/S三层架构，以及符合实际应用的WebGIS湖泊系统应用，并简要介绍了数据库的构建。介绍了系统的地图显示与控制、地图查询、分析评价、数据库管理、用户管理等主要功能模块的数据要求和功能实现。

关键词：湖泊湿地； GIS；时空演变； B/S架构

中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）09-56-03

Spatial and temporal dynamic monitoring system of lakes in Wuhan

Di Yiliang

（Earth Sciences Academy of Yangtze University School， Wuhan， Hubei 430100， China）

Abstract： Taking the advantage of geographic information system （GIS） and network technology，the overall structure of the spatial and temporal dynamic monitoring system of the lakes in Wuhan is designed. The data layer， business layer and user layer composed of B/S three-tier architecture， as well as the WebGIS lake system which conforms to the practical application are realized， and the construction of the database is briefly introduced. The data requirement and function realization of the main function modules， such as map display and control， map query， analysis and evaluation， database management， user management and so on， are introduced too.

Key words： lake wetlands； GIS； spatial and temporal evolution； B/S architecture

0 引言

湖北素称“千湖之省”，而武汉雅称“百湖之市”。但随着武汉市经济的快速发展和扩张，武汉市的湖泊湿地面积却在不断减少。湖泊面积变化和水环境的恶化已经成为制约武汉市经济发展的重要因素，因此建设武汉市湖泊时空动态监测系统是十分必要的。

本系统的目标是结合RS技术和GIS技术，并通过数学方法构建湖泊变化模型，从湖泊面积变化和湖泊形态变化，以及湖泊水域和其他土地利用类型的转移变化特点及影响进行综合分析。进而分析湖泊的时空演变过程，总结高速城市化背景下湖泊的变化规律，从而帮助系统使用者更深入地了解和认识人类活动因素与湖泊水域动态变化之间的关系。本系统以期对城市湖泊的综合治理和保护开发提供理论依据，并对城市建设与管理提供决策支持。

1 系统总体设计

1.1 数据需求

本系统所需数据基本分为四大类：湖泊基础数据，湖泊湿地退化数据，湖泊水环境信息数据和其他数据（如用户信息，城市土地利用数据）。

湖泊基础数据包括湖北省武汉市多年的湖泊空间数据，可以利用遥感图像数字处理，获取不同时期城市湖泊的水面空间信息数据[1]，同时还包括湖泊基本属性数据，如湖泊名称，面积，水深，归属等。可进行各湖泊历年湖泊面积统计，并通过湖泊面积减小的历史研究其驱动机制，对现在及将来武汉市湖泊空间变化进行预测，为城市规划管理部门提供决策[2]。湖泊湿地退化数据包括退化特征，退化因子，退化程度等信息，用于湖泊退化分析等。湿地地形分布数据主要是突出湿地在城市用地中占地面积的比例，以及城市的其他不同用地类型对湿地的影响，同时显示武汉湖泊湿地近年来的在城市用地类型中的变化。湖泊水环境信息包括历年水质类型，水环境指标信息等，用于湖泊水环境定量分析。

1.2 系统体系结构设计

系统采用B/S 模式，在逻辑上分为三个层次：数据层，业务层，用户层，如图1所示。

图1 系统架构图

数据层是对系统所涉及的所有空间数据和属性数据的存储与管理。空间数据为湖泊、行政区划、土地利用类型等地理空间实体；而与湖泊相关的专题数据如面积数据信息、环境介绍信息等以属性数据形式存储在关系数据库中，为系统业务逻辑实现提供数据支持。数据层由SQL Server 2012属性数据库、GeoDataBase地理数据库、ArcSDE空间数据库以及各类文件文档组成，这一层包含了系统属性与空间数据处理和各类数据的存储管理逻辑[3]。

业务层是用户层与数据层的桥接通道，支持应用程序的应用逻辑，包括两个部分：Web服务器和GIS服务器。在Web服务器上提供通过IIS发布Web Service；在GIS服务器上提供通过ArcGIS Server发布了的地图服务、空间数据服务、空间分析服务等空间服务。在业务层接收到浏览器端的服务请求时，对于非GIS请求，由Web服务器直接以Web Service形式与数据层通信；对于GIS请求，通过特定的接口由Web服务器提交给GIS服务器进行处理[4]。

位于本系统架构最顶端的用户层也是表现层，表现层即图中的客户端，包含了本系统的显示逻辑。它通过解读用户的操作指令，向Web应用服务层发送用户请求，最终将服务器端的处理结果显示在客户端上反馈给用户。

1.3 数据库设计

本系统数据库内容主要由两部分构成：空间数据和非空间数据。空间数据库的建设内容主要有基础地图、湖泊层、行政层、农用地层、建设用地层、林地层、感影像图等，其中湖泊层、农用地层、建设用地层、林地层、感影像图是按不同时态存储的。非空间数据主要包含一些属性的信息。

2 系统主要功能

本系统主要分为五大个模块：地图显示与控制，地图查询，分析评价，数据库管理，用户管理。见图2。

地图显示与控制包括图层控制，地图编辑，地图浏览。地图显示武汉市湖泊分布范围涵盖武汉全市，地域广泛。图层控制可以显示不同年份武汉市湖泊空间分布的叠加显示。地图编辑可以对地图进行编辑，绘制湖泊范围的变化情况，地图浏览是对图像的缩放，地图的刷新、专题图层的显示等操作，可以清楚地了解其分布特征及相关信息。

地图查询实现对湖泊基本信息，退化信息特征，水环境信息等的查询，能实现在地图上点击单一湖泊以百度百科的方式显示湖泊基础信息，包括文字简介、水文、退化信息，水环境信息等内容，并可根据工作需要实时进行扩展。同时用户也可以根据自己的需求选择想要查询的某个湖泊信息，支持模糊查询和多项条件查询，满足开发用户更多需求。

分析评价模块包括湖泊湿地退化分析，湖泊变迁定量分析，湖泊水环境定量分析三个功能模块。湿地退化分析引入湖泊萎缩强度等测度指标，利用湖泊湿地多年地理退化特征、湖泊外环境对湖泊退化的影响、湖泊湿地植被退化信息等数据，有效利用数据库管理技术，采用数据结构分层关系设计，反应湖泊湿地退化程度[5]。湖泊变迁定量分析实现对主城区湖泊面积变化分析和被填占湖泊用地分析，其中被填占湖泊用地分析将分析被填湖中各用地类型所占比重（包括农业用地，建设用地，其他用地等），以及各用地类型增长趋势[6]。通过分析可对将来湖泊空间变化和用地类型监督有辅助决策作用。湖泊水环境定量分析实现武汉市各湖泊水质历年变化分析，湖泊所含环境污染物容量值，水质评价分析，湖泊生态承载压力综合评价[7]等。对这些评价分析建立模型后，还可以实时输入参数，进行水环境的实时评价。其中还可进行空间缓冲区分析和叠加分析。缓冲区分析可以实现湖泊周围土地利用情况的调查。叠加分析是对不同年份湖泊空间属性的叠加，并对其分析。最后也可以根据实际需要，制成分级专题图，统计专题图等，如湖泊压力指标分布图[7]，湖泊承载指标分布图，湖泊承载压力综合评价地理柱状图[5]，并输出打印。

数据库管理功能模块，由于湖泊动态监测数据需要实时更新，数据库管理功能需要实现属性数据和空间数据的录入、修改、更新以及删除等操作。本功能模块主要编辑的数据包含湖泊基本属性数据、湖泊退化数据，水环境数据等，同时根据湖泊湿地数据的公开性，不同用户对数据信息持有浏览、修改、更新、删除以及添加等多个级别的操作，增加数据库的权限管理，保障数据库安全和有效管理。

用户信息管理模块包括注册处理，登录处理，个人信息及权限管理等一系列有关用户个人身份相关信息，给不同用户不同的权限。实现基本信息查询、注册登记管理等。

3 结束语

本系统以武汉市湖泊湿地为研究对象，从应用需求和数据需求出发，基于B/S架构，设计了武汉市主要湖泊的基本数据查询和管理功能，并提供了湖泊湿地退化分析，湖泊变迁定量分析，湖泊水环境定量分析等分析功能。结合GIS技术和Web技术的武汉市湖泊动态监测系统，将大大提高湖泊湿地环境研究的工作效率和管理效率。

由于作者的专业知识限制以及武汉市湖泊水环境数据的不足，本文主要介绍了湖泊退化方面的分析，对于水环境的实时监测和分析讨论较少，所以本研究所实现的系统尚需进一步提高和完善。同时，由于武汉市在夏季经常发生洪涝，这不仅与武汉市夏季多雨，且紧邻长江有关，还与武汉市湖泊的蓄水力和分布情况密切相关，所以下一步将研究和开发与武汉市湖泊相关的洪涝系统，并与本系统有机结合。

参考文献（References）：

[1] 曾忠平，卢新海.城市湖泊时空演变的遥感分析——以武汉

市为例[J].湖泊科学，2008.20（5）：648-654

[2] 臧柏如，林孙胜，苏嘉亮等.近20年武汉城市化与湖泊演化的

时空耦合研究[J].科技资讯，2014.12（1）：101-105

[3] 李贝.基于GIS的武汉东湖水环境信息管理系统研究与开发[D].

华中科技大学，2007：21-32

[4] 赵纯真，李晓玫，何宝金.B/S多层结构的湖泊数据库

WebGIS服务系统的设计与应用[J].地球信息科学，2007.9（4）：89-93

[5] 夏念.基于ArcGIS Engine的武汉城市湖泊湿地信息系统开

发与实现[D].华中农业大学，2012：32-43

[6] 王芳.基于RS/GIS的武汉城市湖泊演化研究[D].武汉大学，