基于DTGIS的风蚀沙区水土流失治理决策系统设计

王永胜，李 宁，胡 影，李团宏，冯 阳，肖 彧

(1.北京地拓科技发展有限公司，北京 100084；2.新疆生产建设兵团水土保持监测总站，新疆 乌鲁木齐 830002；3.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083)

根据《第一次全国水利普查水土保持情况公报》，我国土壤侵蚀总面积294.91万km2，其中风力侵蚀165.59万km2，占土壤侵蚀总面积的56.15%，主要分布在新疆、内蒙古、青海、甘肃等干旱半干旱地区[1]。强烈的风力侵蚀不仅直接导致土地荒漠化发展，而且会引起土壤粗化、土壤养分含量降低、土地生产力下降、沙尘灾害频发等[2-4]，直接威胁农田、道路、水利设施安全，给当地居民生产生活带来严重影响。因此，在风力侵蚀地区开展水土保持工作，对于减轻区域风沙危害、维护生态安全、保障人居环境具有重要意义，治理风力侵蚀地区水土流失是我国水土保持工作的重要内容。

决策支持系统(Decision Support System)是20世纪70年代末期兴起的一种新的管理系统，是在管理信息系统(MIS)的基础上发展起来的为各级管理者提供辅助决策的应用系统，能帮助决策者提高决策能力及决策效益[5]。本研究计划利用DTGIS——流域空间信息服务平台，把风蚀沙区水土流失治理决策中需要的社会经济、自然特征、气候特征、土壤侵蚀、综合治理措施、典型水土保持植物等信息有机地管理起来，利用平台模型计算、空间分析等功能，实现对相关数据的查询、统计、分析，为风蚀沙区水土流失治理提供决策支持。

1 系统架构设计

该软件系统以C#作为开发工具，系统程序架构采用DTGIS与.NET方式构建，整个架构包括前端、后台服务和数据库三部分。前端开发采用.NET的WPF，后台服务端用DTRSServer(地拓远程服务)构建，数据库采用DTSpatial(地拓空间数据库)。风蚀沙区水土流失综合治理决策系统架构设计见图1，系统登录界面和主界面见图2、3。其中，数据层主要是用来存储水土流失综合治理相关数据，包括基础地理信息数据、风蚀模型数据、典型水土保持植物数据、水土流失综合治理典型模式数据、标准规范数据、法律法规数据及学术文献数据等，数据类型包括shp格式、tif格式、PDF格式及JPG格式等，支持数据库基本操作，支持远程客户端与数据库进行联机操作。服务层是本地控制的接口，提供共享资源并执行与局部资源相关的操作，为系统运行提供平台底层支持。系统采用组件化技术作为主要手段进行软件系统的开发，在应用界面创建应用接口，基于接口在形式上表现为对象的属性、方法和事件，为用户提供组件式GIS应用[6]。应用层能实现用户的管理功能、风力侵蚀分析功能及决策支持功能的操作和结果输出，包括地图服务、图表互查、统计报表、风力侵蚀计算、空间计算分析、数据导出等功能。

图1 风蚀沙区水土流失综合治理决策系统架构设计

图2 系统登录界面

图3 系统主界面

2 系统功能设计

软件共有3个功能模块，即数据管理功能模块、风力侵蚀分析功能模块和决策支持功能模块(图4)。

图4 风蚀沙区水土流失综合治理决策系统功能模块

2.1 基础数据管理功能

基础数据管理包括数据输入、输出、编辑、查询等功能。管理数据包括基础地理数据、风蚀模型数据、典型水土保持植物数据、水土流失综合治理典型模式数据、标准规范数据、法律法规数据及学术文献数据等。数据类型及格式包括矢量数据(.shp)、栅格数据(.tif)、图片数据(JPG)、文本数据(PDF)等，系统管理数据类型见表1。

2.2 风力侵蚀分析功能

风力侵蚀分析功能主要是基于张亦超等[7]研究中的耕地风蚀模数模型、林草地风蚀模数模型和沙地风蚀模数模型，通过输入风力因子数据、植被盖度因子、土壤粒径因子、土壤含水量因子、风蚀措施因子和土地利用因子，最终计算出区域土壤侵蚀模数空间分布，根据土壤侵蚀分类分级标准，将土壤侵蚀强度进行分级，为区域水土流失综合治理提供土壤侵蚀背景数据。风蚀模型所需的风力因子数据可通过输入风速数据由系统计算得出。目前该模块能实现风力因子辅助计算、风力侵蚀模数计算、风力侵蚀强度分级等功能。

表1 风蚀沙区水土流失治理决策系统管理数据类型

2.3 决策支持功能

(1)靶向筛选功能。水土流失综合治理规划设计前期，往往需要确定项目实施区域，可通过系统的靶向筛选功能辅助完成。靶向筛选可以实现按照因子属性值筛选(如筛选土地利用为沙地和草地的区域)，也可以根据需要筛选因子的取值范围(如筛选3月平均风速在5～6 m/s的区域)。靶向筛选可以单因子筛选，也可以多因子综合筛选。选定区域后可实现选定区域矢量边界的导出功能。目前，该模块可实现水土保持植物、自然气候、社会经济、典型治理模式、标准规范等信息靶向筛选功能。

(2)空间分析功能。确定水土流失综合治理项目区后，需要对项目区基本情况进行了解，以便合理分区和布局水土保持措施。系统具有对项目区背景信息进行空间统计分析的功能，能通过导入项目区矢量边界(导入矢量文件或者输入项目区边界拐点坐标)，确定分析区域(项目区)。选择需要空间分析的因子，如土地利用、风力侵蚀强度、植被盖度等，系统自动分析项目区选取因子的基本情况，分析结果以电子表格和柱状图两种方式显示，并可以输出相关成果。

(3)缓冲分析功能。规划设计水土流失综合治理措施时，除需要掌握项目区空间范围内背景资料外，有时还需要关注项目区外一定区域的背景信息，通过系统的缓冲分析功能可实现对项目区外一定空间区域的背景资料的分析统计，为区域水土流失综合治理措施规划设计提供数据参考。缓冲范围可根据需要进行设置。

3 结 语

该软件是基于DTGIS核心服务平台开发的一款服务于典型风蚀沙区水土流失治理的软件，可实现基于风力侵蚀模型的风力侵蚀模数的计算，空间基础地理信息和专题信息的录入、显示、修改及空间计算，水土保持植物、水土流失典型治理模式、区域自然气候信息、社会经济信息、标准法律法规等资料的录入、修改、查询、分析，通过软件可进行点、线、面的绘制和空间计算分析，为风蚀沙丘水土流失综合治理提供了新的技术手段和方法，增加了风蚀沙区水土流失综合治理的科学性，为风蚀沙区水土流失综合治理提供了决策支持。

[1] 中华人民共和国水利部.第一次全国水利普查水土保持情况公报[J].中国水土保持,2013(10):2-3,11.

[2] 史培军,严平,高尚玉,等.我国沙尘暴灾害及其研究进展与展望[J].自然灾害学报,2000,9(3):71-77.

[3] 张国平,张增祥,刘纪远.中国土壤风力侵蚀空间格局及驱动因子分析[J].地理学报,2001,56(2):146-158.

[4] 朱震达,王涛.从若干典型地区的研究对近十余年来中国土地沙漠化演变趋势的分析[J].地理学报,1990(4):430-440.

[5] 俞瑞钊,陈奇.智能决策支持系统实现技术[M].杭州:浙江大学出版社,2000:3．

[6] 刘宪春,曹文华,赵院,等.全国土壤侵蚀普查数据库设计与实践[J].水利信息化,2014(1):12-14.

[7] 张亦超,史明昌,岳德鹏,等.基于GIS的土壤风蚀模型软件构建[J].中国水土保持科学,2013,11(1):69-74.