松辽流域水土保持监测信息系统的设计与实现

郑国臣，刘洪超，吕 军，秦 雨,2

(1.松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021； 2.长春工程学院 水利与环境工程学院，吉林 长春 130021)

松辽流域水土保持监测信息系统的设计与实现

郑国臣1，刘洪超1，吕 军1，秦 雨1,2

(1.松辽流域水资源保护局，吉林 长春 130021； 2.长春工程学院 水利与环境工程学院，吉林 长春 130021)

水土保持监测；信息系统；松辽流域

围绕松辽流域水土保持监测业务需要，利用现有基础条件，设计了松辽流域水土保持监测信息系统。该系统汇集了水土保持区域、常规监测点、生产建设项目、野外调查单元及水文泥沙站点等数据，统筹考虑了水土保持监测数据的采集、存储、管理与共享方式；基于松辽流域水土保持监测信息标准化数据，严格按规范和标准进行规范化统一入库，构建数据库，有效地存储、管理与分发图形、图像和音像等专业数据，实现信息资源共享；遵循主流接口规程和协议标准，为进一步提升松辽流域水土保持监测信息智能管理水平提供了数据基础和技术支撑。

水土保持监测与信息化是当前水利部着力推动的重点工作之一，加强水土保持监测和信息化是落实我国生态文明建设决策部署和相关制度,适应政府职能转变和强化水利行业管理,推动水土保持改革发展的要求[1]。近年来，松辽流域水土保持监测能力有了明显增强，但在水土保持监测信息化方面仍亟待提高。为此，我们的目标是建设融合系统框架、总体功能、关键技术、业务应用等的松辽流域水土保持监测系统，基于水土保持业务需求与软件设计思想，在数据收集系统、三维仿真和多媒体等技术的支持下，实现对水土保持监测对象的空间结构、时间过程、内在规律和特征属性的全息化描述，从而实时、准确地监控分析流域内土壤侵蚀的过程[2]。

按照松辽委水土保持处的业务需求，结合松辽流域水土保持监测网络建设现状，针对水土保持监测业务中“面向对象”与“全息化描述”等需求，在数据收集系统(DCS)、三维仿真和多媒体等技术的支持下[3-4]，松辽流域水资源保护局松辽水环境科学研究所设计了松辽流域水土保持监测信息系统。该系统严格按照规范和标准进行规范化数据统一入库，构建数据库，有效地存储、管理与分发图形、图像和音像等专业数据，实现信息资源共享，以满足今后松辽流域水土保持监测业务发展的需求，从而初步实现松辽流域的“智慧水土保持监测”目标[5]。

1 数据结构类型

1.1 矢量数据

在进行数据处理前，必须保证各图层投影一致，投影转换可以直接通过地理信息系统软件的工具或菜单命令实现(选择相应图层，提供相关参数信息，用软件实现投影转换)。图形拓扑检查及编辑是为了保证图层的正确性，可对未封闭面、多余线、重复线、悬挂线进行拉伸和删除等，完成图层编辑后，应用地理信息系统软件的菜单命令创建图层的拓扑关系，之后对结果再次进行检查与编辑，每次数据编辑过后均需创建拓扑。确保图层拓扑关系正确后，可将准备好的图形数据按空间数据库结构和对应关系分类入库到空间数据库中。数据入库后，需要进行入库数据的校验，包括数据的错误检查和一致性检查。

1.2 栅格数据

对已有的遥感图像进行增强、重采样，生成不同分辨率的可供不同比例尺专题图使用的图像并存储，将不同分辨率的遥感图像拼接起来，生成不同比例尺的全省遥感图像，并形成栅格“金字塔”结构。图像增强可以采用基于线性拉伸的图像增强方法、基于分段线性拉伸的图像增强方法、基于直方图均衡的图像增强方法等，使用遥感处理软件拉伸增强功能即可实现。在浏览影像数据时，可以根据当前用户所需的分辨率，提取相应尺度“金字塔”层的数据，从而实现影像数据的快速浏览。栅格“金字塔”结构采用“多级多塔”的构架，即横向上分成原始分辨率和30、60、120、240、480、1 000 m七级分辨率的遥感影像，在纵向上每一级又分别对应多个“金字塔”结构。

1.3 属性数据

属性数据处理与入库操作相对简单，但是数据量较大。已有数据可能是电子版本的，也可能是文本形式的，无论是哪种形式都统一按照制定的数据分类与编码标准进行整理汇编，之后实现数据入库。

1.4 多媒体数据

多媒体数据处理与入库操作也比较简单。将已有的多媒体资料整理、分类，转换为Oracle数据库支持的多媒体数据格式，通过自主开发的软件系统直接实现数据入库。

2 数据库建设

2.1 元数据库

元数据库存储信息主要包括：基础空间数据、监测数据的来源、性质、精度、形成时间、坐标系统、数据生产者、数据质量、存储位置、存储数据编码方式、与其他信息的关系等。

2.2 水土保持区域监测数据库

水土保持区域监测数据库存储的信息包括行政区划、水系、DEM、土地利用、TM影像及土壤侵蚀强度等，均以相应的专题图形式展示，专题图上的地物与对象记录一一对应。

2.3 监测点数据库

监测点数据库存储信息包括基本信息(监测点名称，所属小流域名称，所属监测分站名称，所属乡镇、县、市名称，水土流失类型区，设施类型，监测点经纬度)，设施信息(径流小区、控制站、气象站)，设备信息(设备名称、规格、型号、安装位置、测量精度、备品配件及存放位置、销售商及联系方式、生产厂商及联系方式)，水蚀监测点(径流场和控制站监测信息)，降水量及降水强度，土壤含水量，径流量和泥沙量，以及控制站观测水位、流速与流量、泥沙量等。

3 应用开发

3.1 监测点监测数据上报子系统

监测点监测数据上报子系统包含监测点基本信息和监测数据的录入、导出、查询、统计等模块，其中：基本信息包括小流域所在行政位置、地理位置、流域特征、社会经济情况、控制站名称、编号等；监测数据包括土壤类型、土层厚度、分流系数等(图1)；数据录入模块，录入气象(降水、蒸发、气温)、土壤(土壤水分)、径流场(径流、泥沙)、控制站(径流、悬移质、推移质)观测数据等(图2)；数据查询模块，实现某时段降水、径流泥沙、土壤水分、气温等观测数据的查询(图3)；数据统计模块，对数据录入内容进行逐日、月、年、多年及某时段统计(图4)。

3.2 水土保持监测数据管理子系统

(1)区域监测数据管理。主要包含基础空间数据管理、 土壤侵蚀管理等功能。①基础空间数据管理功能，主要包含图层管理、三维可视化、地图操作(平移、旋转、缩放、暂停)、断面查询、高差查询、面积量算、距离量算、汇水分析及一键通查询服务等。②土壤侵蚀管理功能，能按照行政区、水系(流域)两种途径查询、统计土地利用现状、坡度分级、土壤侵蚀信息(如土壤侵蚀类型、强度、分布等)，查询统计结果以图表的方式直观表达。

图1 径流小区录入信息操作示意

图2 降雨观测数据导出操作示意

图3 径流泥沙采样查询模块操作示意

图4 降雨量统计模块操作示意

(2)监测点数据管理。根据监测总站接收到的监测分站上报的辖区监测点数据，通过动态存储、分类统计、数据归档、本地封存，及时掌握监测点水土流失观测数据，实现对地面观测与试验设施所获得数据的有效管理。按水系(流域)、监测点、监测指标、监测时段进行数据管理、查询、统计、分析，统计分析结果直接生成报表和统计图，并能够即时打印输出。

(3)生产建设项目监测数据管理。主要对生产建设项目监测数据进行管理，具备数据查询、统计、导出等功能。

3.3 水文泥沙站点数据管理子系统

基于监测点数据库数据，按照不同行政区、流域、水文站点、监测时段查询、统计、导出水文泥沙站点监测数据，实现数据发现、分类、封包、传输、接收、解包、校验、入库等。

3.4 运行管理子系统

该子系统主要包括权限管理、日志管理系统，供业务部门使用，能保证系统信息的全面性。该子系统涉及海量、类型多样的数据，用户范围横向涉及松辽水环境科学研究所的技术、管理、决策人员，纵向涉及各级监测站点技术人员。针对不同用户、不同业务需要，授权到具体界面、菜单、按钮或子程序，对不同数据项限制其访问、读取、增加、删除、修改、存储、位置变更等操作权限，包括权限配置、权限操作、权限安全管理、用户权限初始化。还能通过日志来检查错误发生的原因，或者系统用户操作时留下的痕迹，按操作日志和异常日志两类设计，其中操作日志是用来记录用户对系统的操作信息，异常日志是用来记录用户对系统进行非法操作或系统出现异常时的信息。

4 结 语

加快水土保持监测信息系统建设是提高水土保持监管能力的内在要求。结合松辽流域水土保持监测业务需求，考虑现有监测数据、国家标准数据，以及水土保持行业标准数据的联系与区别，按水土保持业务需要把基础地理空间数据转化为符合行业标准的属性信息，确保了数据的专业性。构建松辽流域水土保持监测信息化平台，严格执行国家和行业标准，使用统一的名词术语、分类编码、数据交换格式和信息描述方式等，空间数据元数据、信息编码规范，保证了数据库系统的完整性、协调性和规范性。在统一规划的前提下，统一方法、统一指标、统一操作流程、统一精度进行空间数据的组织，使用统一的坐标系、投影方式、比例尺和通用的数据格式，保障了海量数据的无缝拼接、数据共享与应用。松辽流域水土保持监测信息平台的建设，实现了松辽流域水土保持监管工作的新跨越，推进了水土保持管理工作由传统管理方式向互联、互通管理方式的转变进程，为进一步提升松辽流域水土保持智能管理水平提供了数据基础和技术支撑。

[1] 吴炳方,周月敏.水土保持监测信息系统的设计与实现[J].计算机工程,2009,35(1):269-271.

[2] 姜德文.加快水保信息系统建设 适应现代管理新要求[J].中国水土保持,2015(1):1-2,7.

[3] 刘淑珍,刘斌涛,苏正安,等.对我国水土流失调查评价方法若干问题的思考[J].山地学报,2014,32(2):150-153.

[4] 于文军,刘琦.扎鲁特东北黑土水土保持监测分析[J].中国水能及电气化,2017(3):22-25.

[5] 王浩民.黑龙江省生产建设项目水土保持监测工作综述[J].黑龙江水利科技,2015,43(1):51-53.

郑国臣(1976—)，男，黑龙江哈尔滨市人，高级工程师，博士，主要从事水资源保护方向的研究工作。

2017-07-20

(责任编辑 李杨杨)

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1000-0941(2017)11-0064-03