中国北方草地资源管理信息系统的设计与实现
2018-05-26殷建鹏高金龙冯琦胜侯蒙京孟宝平杨淑霞梁天刚
殷建鹏，高金龙，冯琦胜，葛 静，侯蒙京，孟宝平，杨淑霞，梁天刚
(1.兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2.兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室，甘肃 兰州730020)
我国是草地资源大国，各类天然草地面积约为4亿hm2，占国土面积的三分之一[1]，而全国近80%的天然草地资源分布在新疆、内蒙、甘肃、宁夏、山西、陕西、河北、吉林、黑龙江9个北方省(市)的部分地区[2]，总面积近300万km2。中国北方草地生态系统具有极其重要的作用[3-5]，不仅是全国重要的畜牧业生产基地，推动了社会经济的发展，而且具有涵养水源、调节气候、防风固沙、水土保持等重要的生态意义，是北方生态安全的一道重要屏障[6]。由于多方面因素的影响，北方草地资源一直面临着沙化、荒漠化、盐碱化的“生态危机”[7-8]，随着人们生态安全意识的提高，北方草地资源的合理利用与管理得到了更多的重视[9]，管理部门的决策人员更需要一个全面、准确、动态的草地资源监测信息管理平台来为其提供决策依据[10]。
草地资源调查数据的信息量一般比较庞大，而传统的存储方法无法满足人们了解草地资源的整体状况、空间分布以及动态变化的需求。随着地理信息系统(geographic information system，GIS)技术在草地资源管理中的应用，草地资源的空间数据和属性数据在计算机中被大容量存储，管理人员可以对这些数据进行查询、检索、输出、分析等操作，将草地资源的特征在GIS软件中直观、便捷地展现，这在提高管理效率、指导人们合理利用草地资源方面发挥着巨大的作用。目前，我国众多学者针对不同区域的天然草地资源设计了相应的管理系统。朱进忠等[11]设计了新疆草地资源管理信息系统框架，实现了新疆地区草地植物资源、草地旅游资源、草地野生动物资源等方面的评价、预测等功能。赵博[12]构建了松嫩平原草地资源的Geodatabase数据模型，实现了松嫩草地空间数据和属性数据的一体化储存，并基于Visual Basic和ArcObjects开发方法设计了松嫩草地资源管理系统，对松嫩草地形成了有效的管理。而WebGIS技术的出现将GIS软件和Web技术结合，把单机管理的草地资源系统进化为互联网共享的管理方式，成为了一个交互式、分布式、动态的系统[13]。王加亭[14]以锡林郭勒草原为研究对象，设计开发了WebGIS草地资源信息共享系统，以草地类型、土壤类型等11个属性展现了草地资源的状况。杨永顺[15]基于WebGIS设计了草原监测系统，用户可通过浏览器直观方便地获取产草量、载畜量等信息。宋春桥等[16]利用ArcGIS Server构建了藏北草地信息共享平台，为公众、科研人员以及管理部门提供信息共享。李琦等[17]基于WebGIS技术，利用JAVA语言设计了东北草地植物信息系统，实现了草地植物资源的时空统计分析等功能，其平台的开放性和通用性满足了不同用户的需求。虽然传统的WebGIS技术将GIS功能嵌入了Internet体系中，使得GIS的数据查询、地图可视化等功能在万维网上进行，具有一定的优势，但基于HTML页面模型开发的WebGIS应用程序与用户交互能力较差，重用性和与扩展性不强，空间分析功能较弱，系统的使用效率大大降低。
针对以前研究中存在的问题，设计中国北方草地资源管理信息系统基于ArcGIS Server 10.0的服务器、Microsoft SQL Server 2008数据库等环境，将富互联网应用程序(rich internet application，RIA)技术中的Flex框架与WebGIS中的相关技术结合，以期为管理者提供了一个全面的信息共享、信息处理、信息分析平台，为相关人员了解北方草地资源的利用现况提供帮助，为决策人员提供科学的决策依据，以便制定合理的北方草地发展战略，促进我国北方牧区畜牧业的可持续发展。
1 关键技术介绍
1.1 ArcGIS Server 10.0
系统开发基于ESRI公司出台的ArcGIS Server 10.0服务器平台，包括GIS服务器与Web服务器，允许多种形式、高效共享GIS资源，是当前最主流的GIS平台。ArcGIS Server 10.0支持Java和.NET平台，而且能与多种网络接口结合，简化和推进了WebGIS的应用[18]，为GIS服务的发布提供一个快捷、高效的技术支持。ArcGIS Server 10.0性能强大，不仅支持在分布式环境下数据采集、管理地理数据、制图、地理空间分析、地图可视化等基础GIS功能[19]，而且能通过易操作的Web应用，构建基于网络和移动端的GIS资源共享体系，实现跨浏览器与客户端的GIS资源访问功能，与全球互联。
1.2 Flex Viewer
Flex Viewer是对ArcGIS Viewer for Flex的简称，是ESRI公司基于ArcGIS API for Flex设计的WebGIS开发框架。Flex Viewer采用了控制反转(Inversion of Control，IoC)、消息总线(Viewer Container)以及面向接口编程(Interface-Oriented Programming)的思想[20]，将事件作为各功能模块之间交流的渠道，较大的减少了模块间的耦合度，有助于开发人员删减繁琐的底层操作，将精力主要放在功能模块设计上，极大地提高了系统的开发效率和灵活性，降低了后期维护难度。Flex Viewer框架与服务器端的通信基于Web服务器，客户端可通过简单的调用操作就能实现；同时该框架是典型的Flex应用，可通过浏览器中的Flash Player进行加载和管理，不仅消除了浏览器和平台的限制，而且用户可以感受到较好的视觉体验。
1.3 SQL Server 2008
SQL Server 2008是基于Microsoft平台的关系型数据库，功能强大，不仅可以存储各种类型的数据，按照用户需求对各类信息分类汇总、归纳统计，极大提高了数据库的工作效率，而且可以对数据进行修改、添加和删除，实现了信息的实时控制与监测，数据的安全性得到保障。SQL Server 2008数据库中数据的浏览和检索则是通过结构化查询语言(structured query language，SQL)实现，该语言是非过程化编程语言，拥有极强的灵活性和功能性，用户可便捷地对数据进行更新、查询等操作。由于使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成度高的优点大大降低了系统负担[21]，提高了系统稳定性，SQL Server 2008数据库被广泛应用于管理系统的开发。
2 系统设计
2.1 系统架构设计
该系统基于RIA的B/S体系架构，在设计上采用面向对象服务的方式[22]，将系统总体架构设计成4层：数据层、服务层、表示层以及客户层(图1)。
2.1.1数据层 数据层指应用数据的存储层，是系统应用的基础，具有一定的可移植性。数据层不仅负责北方草地监测数据和地理空间数据的存取、管理和维护，而且给用户提供了数据访问的接口[23]。该系统通过ArcGIS Server10.0中的ArcSDE空间数据引擎访问SQL Server 2008关系型数据库，提供了空间数据和属性数据进行高效率操作的数据库服务。
2.1.2服务层 服务层也叫业务逻辑层、连接数据层和表示层，由各种服务器端构成，是服务器响应Flex应用客户端数据请求的关键，也是系统架构中最具核心价值的部分。该系统服务层主要为ArcGIS Server服务器，其包括GIS服务器和Web服务器。GIS服务器主要用于对外发布各种空间服务并处理Web服务器发来的空间请求[24]；Web服务器提供浏览器的网络浏览服务，会首先接收Flex客户端的请求，再将请求传达给ArcGIS Server服务器，通过ArcSDE实现对底层数据层的数据库查询操作，最后将服务层的响应结果回馈给Flex客户端。
图1 系统架构示意图Fig. 1 Illustration of system structure
2.1.3表示层 表示层是Flex应用程序和系统用户之间进行交互的接口，Flex应用程序可通过Flex类库中的各种组件向数据服务层请求不同的数据服务。WebGIS技术与Flex框架结合后将数据通讯分解成了既能与用户直接交互，又能与服务器进行通信的小模块[25]，并为外部留有GIS服务接口，提供地图服务(包括地图显示、图例、图层目录组件等)、几何计算服务、图例编辑等。
2.1.4客户层 客户层是指应用程序的客户端。此处指安装Flash播放器的浏览器，如IE浏览器或者火狐浏览器(FireFox，FF)等。Flash播放器可用来执行编译后的SWF文件(已编译的Flex应用程序)，并通过Web服务器连接ArcGIS Server应用服务器，此运行方式具有安全性、可升级、高适应性等特点。因为Flash插件在浏览器的普遍应用，客户端无需再安装额外的插件。用户利用Flash播放器中的应用程序进行交互操作与体验，最终实现对北方草地资源信息的访问。
2.2 系统功能设计
根据系统的设计目的和使用人员的一般需求，北方草地资源管理信息系统功能的设计包括了基础功能、查询功能以及数据管理功能(图2)。
图2 系统功能设计图Fig. 2 System function design
2.2.1基础功能 基础功能主要包括地图服务功能。Flex Viewer开源框架本身自带地图显示与浏览功能，用户可以对地图进行放大、缩小、平移、鹰眼、图层控制以及图例的显示等操作，方便对目标地点的快速定位、地图信息的解读、识别地物特征。
2.2.2查询功能 空间查询分为点查询和面查询，该系统为用户提供点查询或者面查询工具，用户可以根据自己的需求在地图上勾选点要素或者手动绘制面要素，查询该点或该区域相应的属性信息，属性信息可根据用户需要以窗口列表的方式呈现。
2.2.3数据管理功能 系统对北方草地资源调查数据的管理涉及数据权限管理、数据检索查询和数据下载。
1)数据权限管理。系统数据库所涉及的野外实测数据需要花费大量人力、物力和时间才能获得，数据类型复杂，覆盖区域较广，所以这些数据来之不易。功能设计中考虑到权限管理，因此只有通过一定方式的验证后，用户才能获得访问数据服务的权限，并且对数据进行检索和下载。
2)数据检索。由于数据量较大，设计此功能时参考图书馆图书信息的查询模式，对数据库中的数据进行多条件关键字检索查询，用户就可以根据自己的实际需要准确检索到自己期望的数据。
3)数据下载。在Flex界面中是很难实现对查询到的数据进行其他的操作处理(如生成图表、统计分析等)，用户可以使用数据下载功能将检索到的数据以Excel表格的形式另存到本地计算机，实现对数据的后续处理、分析。
2.3 数据库构建
系统数据库由空间数据库和属性数据库构成。空间数据库基于ArcGIS Server 10.0构建，空间数据包括基础地理数据、草地类型数据、CSCS草地综合顺序分类数据、植被指数、土地利用数据及草地退化数据等。其中基础地理数据包括区域边界图、县级行政区划图、道路分布图、湖泊与水系图。在发布地图服务之前，需要在ArcMap中制作地图文档，由于msd文档相比于mxd文档提供了更高的地图渲染效率，所以将空间数据全部储存在msd文档中再发布地图服务。属性数据库基于Microsoft SQL Server 2008关系型数据库构建，是系统数据库中的重要部分，主要涉及北方草地的野外样方监测数据，包括土壤监测数据、草食动物监测数据以及植被监测数据等。
3 系统实现
3.1 基础功能实现
Flex Viewer开源框架本身自带的基本功能模块包括地图管理(Map Manager)、界面UI管理(UI Manager)。其中，界面管理组件包括导航工具(Navigation Widget)、地图浏览工具(Overview Map Widget)、地图转换工具(Map Switcher Widget)和图例控制工具(Header Controller Widget)。4个工具组件在程序初始化时全部加载。
3.2 图层查询实现
Flex Viewer支持对空间数据的查询，被查询的空间数据必须为矢量数据，因此首先需要创建系统所要展示图层的矢量文件，并将其在ArcGIS软件的GIS Server发布为地图服务，然后在Flex Viewer的地图及图层配置信息中进行调用。系统中地图图层主要分为两类：基础背景地图和业务操作图层。
查询是该系统中最重要也最基础的服务，可以实现地图中要素(点、线、面)属性的多方式查询(点击查询、拉框查询及多边形查询等)，系统根据用户请求去执行特定的查询任务，并将查询结果以弹出窗口的形式返回给用户。在进行空间数据的查询操作时，需要在Flex Viewer使用
3.3 数据管理实现
数据管理模块主要针对北方草地资源的土壤、群落等属性数据的检索、下载和共享。该系统主要通过WebService组件，基于ASP.NET发布的Web服务来调取存储在SQL数据库中的数据。
考虑到野外实测数据的珍贵性，该系统通过设置数据访问权限而限制用户对数据的浏览。用户只有通过申请获得特定的许可之后，方可进入数据库，检索以及下载所需要的数据。
3.4 系统展示
图3所示为系统在用户浏览器中显示的主界面，分为标题区、功能区和展示区三部分，标题区显示系统的名字及logo；功能区为用户提供了权限登录、查询图层勾选、查询工具选择等服务；展示区用来显示地图，并进行放大缩小、鹰眼图、漫游等服务。
图4所示为系统的空间查询功能展示，用户可查询任意图层中某一点或某一区域的属性，例如勾选草地综合顺序分类图后在任意位置运用点查询，就可以得到该点所对应的潜在草地植被类型名称。
图5所示为数据管理功能的展示，用户可在系统数据库进行多条件的检索，准确获取自己需要的数据，并通过“导出数据”按钮将数据导出为Excel表格的形式，方便进行后续的数据处理与分析。
4 结语
本文介绍了北方草地资源信息管理系统的架构与功能设计理念，以及基于Flex框架、ArcGIS Server等技术设计开发的方法。该系统实现了北方草地资源多层数据在互联网上的浏览、查询、管理等功能，为相关人员提供了一个准确、灵活、高效的信息共享平台，推动了我国草地资源的数字化建设。与国内同类系统相比，不仅研发技术上有革新，通过Flex技术与WebGIS技术的结合，降低了系统开发的困难程度，开发的系统用户界面更为友好，交互性增强，运行速度更高。此外，该系统收集了数据量庞大、数据类型丰富的北方草地资源信息，在大尺度范围内描述了北方草地资源的状况。
图3 系统主界面Fig. 3 System main interface
图4 空间查询功能Fig. 4 Space query function
图5 数据管理功能Fig. 5 Data management functions
但该系统正处于试用起步阶段，系统功能还不够完善，如描述草地资源状况的属性数据较少，要全面描述北方草地资源的状况，补充和完善属性数据库应是后续开发中的重点；此外，为提高该系统的实用性，在后续开发中将对系统中的图层进行专题展示，如基于CVOR算法制作的北方草地退化分布图、基于机器学习方法制作的北方草地生物量空间分布图、北方牧区土地覆盖类型图等，以便让决策人员更加直观感受到北方草地资源的动态变化。随着网络技术、数据库技术以及GIS技术的不断革新，3D技术也将逐渐被应用到网页和客户端中，用户可在系统中浏览草原景观的立体影像。
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