基于“3S”技术的黄土丘陵沟壑区水土保持信息管理系统建设

刘 林

(山西省水土保持科学研究所，山西 太原 030013)

晋西黄土丘陵沟壑区是山西省乃至全国水土流失最为严重、生态环境最为脆弱的地区之一，大量的黄土流失不仅会引发下游水库淤积、河道堵塞、河床升高等[1-2]问题，而且会导致耕地面积减少、土壤质量恶化、人民生活困难、贫困加剧等恶性效应[3]。同时，该地区立地条件复杂、梁峁交错，实地调查工作进展缓慢，给传统水土保持监测和治理工作造成了极大困难[4]。以王家沟流域为例，该流域位于北纬37°32′～37°34′、东经111°08′～111°11′，总面积约为9.1 km2，是黄河一级支流三川河的一条支沟，位于山西省西北的吕梁市，属于典型的黄土丘陵沟壑区。流域内地形破碎、沟壑纵横，再加上毁林开荒及陡坡地耕作等人为原因，导致水土流失十分严重。山西省水土保持科学研究所从1955年起对该流域进行了长期的监测和研究，积累了包括降水、径流、泥沙、植被、地形、土壤、水土保持措施等大量数据。如何高效管理和充分利用这些数据，解决传统监测和管理中遇到的困难，已成为王家沟流域乃至整个黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀研究和水土保持决策的当务之急。

近年来，水利部和山西省相继出台了有关文件，要求积极推进信息化技术在水土保持工作中的应用[5-6]，其中“3S”技术作为信息化技术研究的热点，具有获取数据的实时性、连续性、快速性和数据处理的准确性、空间性，以及决策服务的可视性等优点，同时用户可根据实际功能需求进行GIS二次开发，实现对各类数据库的集中管理、分析、推理和决策。基于此，本研究采用C/S结构，用Visual Studio.net开发平台，使用C#语言和ArcEngine二次开发组件，以Access为后台数据库管理系统，并集成专业数学评价模型，建立黄土丘陵沟壑区水土保持信息管理系统，以期对王家沟流域水土保持相关信息进行科学有效的管理，为晋西黄土丘陵沟壑区水土保持信息化工作提供参考。

1 水土保持信息管理系统的建设

1.1 信息源

该系统水土保持信息源分为地图信息、属性信息、影像信息和其他有关信息四类。这四类信息数据量大且繁杂，采集、存储和查询工作量巨大，系统的建设为水土保持信息采集、整理建库搭建了有效平台。王家沟流域水土保持信息管理系统数据源见表1。

1.2 系统体系构架

系统运用ArcEngine、空间数据引擎ArcSDE在Visual Studio.net环境下实现对Access属性数据库、Geodatabase空间数据库数据的上传下载、快速查询，并结合水土保持相关模型实现数据实时分析、快速专题图制作、三维虚拟漫游等功能，大大提高了水土保持信息管理与决策的科学性和准确性。系统采用C/S结构，业务逻辑上表现为用户界面层、业务逻辑层、数据层三层。用户界面层包含4个主功能模块及12个子功能模块。4个主功能模块分别为水土保持属性信息管理功能、野外调查标绘功能、土壤侵蚀现状分析功能及三维显示分析功能。12个子功能模块分别为：属性数据添加、更新功能，属性数据修改、查询功能，属性数据与Excel数据相互转化功能； 航拍影像小班标绘功能，小班面积、长度、坐标测量功能，矢量数据编辑功能；DEM数据坡度提取功能，土壤侵蚀现状分析功能，土壤侵蚀结果统计功能；航拍影像3D图像生成功能，3D图像关键帧、路径漫游功能，漫游视频生成及导出功能。系统体系构架如图1所示。

表1 王家沟流域水土保持信息管理系统数据源

图1 系统体系构架示意

2 水土保持信息管理系统的功能及应用

2.1 水土保持属性信息管理功能

该模块主要为基层人员日常数据管理工作服务。在Access数据库支持下实现用户对水土保持日常监测数据、年度调查数据、社会统计数据及其他相关资料、数据的管理。为便于用户使用，属性数据库设有两种数据管理模式。一是常规数据管理模式。系统预设了相关水土保持属性信息的根目录，用户只需按系统要求即可完成数据的输入、更新及查询等功能。二是Excel管理模式。系统能识别xls格式的数据，用户可直接在系统中对Excel数据进行操作，完成后也可输出为xls格式的Excel数据，降低了用户使用的难度，便于基层部门对水土保持数据的共享与管理。

2.2 野外调查标绘功能

该模块主要是为水土保持野外调查工作服务。广大野外工作者在进行水土保持监测、水土保持规划设计的过程中，常常需要开展实地勘测、野外标绘小班等工作。该模块功能可大大减少开展相关工作的人力及物力消耗。用户只需在系统中调入项目区相关航拍影像、卫星影像或无人机航测图等数据，使用系统的标绘功能，即可在项目区内标绘点、线、面矢量数据。系统提供了测量功能，可在影像数据上直接进行测量，解决了传统野外勘测受地形、地物限制而无法实地勘察的问题。系统还提供了多种数据输出格式，便于用户在AutoCAD、ArcGIS、MapGIS、Global Mapper等软件中进行二次编辑和利用。

2.3 土壤侵蚀现状分析功能

该模块主要是为水土流失治理工作服务。受特殊的立地条件和自然环境影响，晋西黄土丘陵沟壑区土壤流失形式以沟道、坡面侵蚀为主。传统方式对土壤侵蚀现状的调查和分析常常存在勘测难度大、持续时间长、现状分析滞后且盲点多等问题，给当地水土流失治理决策造成了困难。为了更好地推广和应用该系统，在模块设计时强调了“一键式”的设计理念，大量的地理信息算法、遥感解译算法和数理统计算法通过编程语言被镶嵌在各功能按钮中。对于广大软件用户，无需专业的“3S”技术背景，只需要按系统要求提供所需数据，即可“一键”生成项目区各类专业的水土保持专题图，如流域坡度分类图、土壤侵蚀强度分级图等，同时系统提供了专业的数据统计工具，用户可在第一时间得到流域内各侵蚀强度的分布面积。“一键式”的设计理念使软件更容易被用户接受和使用，真正实现了让更多基层人员用起来、更好服务于基层水土保持工作的目的。

2.4 三维显示分析功能

该模块主要是为水土保持数据展示服务。前述3个主功能模块已经实现了将普通数据转换为2D GIS数据进行展示的目的，但为了让用户更好地理解和分析数据，进一步挖掘数据价值，系统利用IRasterSurface、ILayerExtensions、I3DProperties等接口将2D GIS数据显示为3D GIS数据，实现对复杂流域地区的三维虚拟显示。用户只需按照系统要求添加相应的影像数据、DEM数据，设定相应的膨胀系数，系统就能通过内部算法自动匹配对应地物坐标和特征点，快速生成相应流域的3D虚拟影像。为更直观地展示3D GIS数据的效果，系统提供了两种3D数据漫游模式，用户可自定义关键帧进行局部特征位置飞行展示，也可设定飞行路径按航线展示，多角度展示数据和提供决策依据。

3 结 语

黄土丘陵沟壑区水土保持信息管理系统建设的目的是为黄土丘陵沟壑区水土保持监测和管理工作信息化、自动化探索新模式。该系统在需求分析、数据源采集、功能设计、结果展示等方面充分考虑了晋西黄土丘陵沟壑区自然环境、社会经济及应用人群等因素，简化了操作流程，降低了用户专业要求，强调“一键式”设计理念，以实现真正在基层水土保持工作中推广和应用的目的。

该系统所选择的软、硬件平台和系统开发工具合理，便于实现Client/Server架构，且系统提供了多个组件式接口，可根据项目区流域实际情况进行二次开发，具有很好的灵活性和拓展性；数据库(包括空间数据库)设计合理，Access+Excel模式既考虑了设计规范和标准，又考虑到用户操作的实用性，充分保证了数据的共享性；在目前水利信息化高速发展的背景下，系统采用“3S”技术及热门的无人机(UAV)航测技术，实现了水土保持信息的获取、管理、分析、展示的自动化、高速化和准确化，为推进晋西黄土丘陵沟壑区乃至山西省水土保持信息化工作进行了探索与尝试。

[1] 申俊峰,孙岱生,李胜荣,等.解决水土流失与水库淤积的有效途径[J].水土保持学报,2001,15(2):96-98.

[2] 刘林,王小平,孙瑞卿.半干旱黄土丘陵沟壑区沟道侵蚀特征研究[J].水土保持研究,2015,22(1):38-43.

[3] 周浩文.水土流失对农村贫困的影响及治理分析[J].新农村(黑龙江),2017(20):16.

[4] 乔玉良.水土流失区土地利用动态的遥感监测——以晋西三川河流域为例[J].遥感学报,2015(3):172-181.

[5] 朱清科,马欢.我国智慧水土保持体系初探[J].中国水土保持科学,2015,13(4):117-122.

[6] 王春玲,孟丹,王冬梅,等.我国水土保持信息化建设的现状与建议[J].中国水土保持,2016(3):69-72.