基于WebGIS的河南省草地资源信息化系统的设计与实现

翟 皓，景德广，李 黎，王 磊，王 荣，郭 孝，朱伟然，梁亚爽，张国启

(1.河南省地图院，河南 郑州 450003； 2. 河南省饲草饲料站 ，河南 郑州 450003； 3. 河南牧业经济学院，河南 郑州 450046)

随着人口的增加和人类社会的发展，草地生态价值和经济价值越来越凸显。草地作为畜牧产业的物质基础，野生动植物的栖息繁殖场所，是我国的重要战略资源，也是我国重要的生态屏障和发展畜牧业的基础[1-2]。党中央十九大针对草地资源的管理和保护提出了“全面开展公共资源清查”和“推进全民所有自然资源资产清算核算”的统一要求。为了贯彻党的十九大精神，破解草地资源数量和质量台账不清、数据不全、无法定性定量评价的瓶颈，2018年河南省成功开展了草地资源清查工作，共对全省1 692个草地样地进行了清查，全省天然草地面积共52.24万公顷，可分为暖性灌草丛、热性灌草丛、低地草甸和山地草甸共4个类，30个型，其中国家级珍稀濒危保护植物63种，省级保护植物64种[3]。

本次草地清查工作取得了一系列丰硕成果，从数据性质上分类，可分为体系化、专业化的各类属性和统计数据以及空间位置和时间维度数据。对三维草地资源数据实施有效的组织、管理和利用，实现草地清查工作成果的信息化管理和应用，直接关系到本次草地资源清查工作成果的生态、社会和经济价值[4]。目前，草地资源信息化建设存在相当数量的研究，在草地资源保护、管理和利用等方面起到了积极作用，但是研究方向多关注草地评价模型的局部研究忽视草地各项指标的综合应用，重草地资源数据挖掘轻草地及相关资源监测信息有效管理，数据依附于平台缺乏草地资源基础地理信息数据的共享机制。为了加快草地资源的数字化进程，实现信息共享和互动操作，促进草地生态信息科学的发展，本文结合网络地理信息系统(Web Geographic Information System，WebGIS)技术、数据库技术与.NET平台架构上的动态服务器网页(Active Server Page.NET，ASP.NET)技术，进行了河南省草地资源的信息化过程研究，构建了河南省草地资源信息管理系统。

1 系统技术分析

1.1 ASP.NET技术

ASP.NET技术是Microsoft公司推出的用于Web应用开发的一种编程技术，它包括：用于静态网页文档设计的超文本链接标示语言(Hypertext Markup Language，HTML)技术、为网页添加各式各样的动态功能和交互行为的Javascript网页脚本技术和用于获取服务器资源、查询数据库、执行数据运算、响应文件请求的后台技术[5]。ASP.NET技术是系统Web管理应用的解决方案，HTML和Javascript技术设计系统的前台界面和功能入口，后台技术提供前台需要的各种数据和文件服务。

1.2 WebGIS技术

WebGIS是传统的GIS在Internet上的延伸和发展，它既具有空间数据的检索、地图互操作、空间分析、制图输出、编辑等GIS功能，也能在Internet上进行地理信息的发布、共享和交流协作[6-7]。本次WebGIS开发实践采用ArcGIS Web App Builder开源二次开发框架[8]作为解决方案，区别于传统的WebGIS应用开发解决方案具有以下优势：集成了基础的地图操作和数据访问接口，采用组件式开发架构模块间相对独立，拥有可配置化架构数据与功能分离，系统的开发和维护难度较低，支持灵活的功能扩展和专项定制。方案中以ArcGIS JavaScript API技术实现浏览端地图和空间数据相关操作的用户界面和入口，以ArcGIS Server地图服务器管理和发布后台地图服务并提供空间数据查询、量测和分析等服务，满足浏览端的访问和调用。

2 系统设计和数据组织

该系统旨在建立一个集草地信息管理、应用和基础地理信息服务于一体的系统[9]。基于该系统，决策部门可以把握河南省草地资源的空间和数量分布特征，也可以查看区域内草地资源的各类指标统计数据和系列专题图件；数据管理技术人员可以查阅和管理草地资源清查外业工作的文件和成果，也可以采用空间和属性两种方式对感兴趣的草地图斑进行筛选、统计和分析。

2.1 平台总体框架设计

在河南省草地资源信息管理系统的设计过程中，采用了多层体系架构模式(见图1)，采用组件技术实现基础模块的可复用性，实现平台的灵活性、开放性和可扩展性[10]。

根据数据结构、平台应用领域和技术应用的相关要求，河南省草地资源管理系统整体采用4层B/S(Browser/Server，浏览器和服务器)架构，分为客户层、业务逻辑层、服务器层和数据层[11]。共享用户通过网络发送不同的信息服务请求，服务端的网络服务层接收请求并驱动应用服务层和数据层开始进行计算和分析操作，处理完毕后网络服务层返回请求结果，客户终端最终获取服务内容。

2.2 平台功能设计

平台功能设计的主要原则是为草地资源的信息化和数字化提供技术支持，为草地资源利用、保护等宏观决策提供可靠依据[12]。系统设计的功能模块有：登陆管理、草地资源清查汇总、指标统计数据展示、外业调查记录管理、图件展示、草地一张图以及报告汇编(见图2)。

2.3 系统数据组织与建库

草地资源数据的共享和管理是草地清查工作一项核心内容，系统融合地理数据库(GeoDatabase)和关系型数据库(Relational Database Management System，RDBMS)和超文本传输协议文件系统(HyperText Transfer Protocol File System，HTTP File System)建立集空间、属性和文件数据管理为一体的草地资源数据库[13]。数据源和数据类型的选取、数据实时性和精确性的保证以及科学的数据处理和数据组织方式则是搭建数据库前提。

图1 系统框架设计图

图2 系统功能设计图

2.3.1数据组织与空间数据分层 共享平台所包含的数据种类复杂多样，从数据来源看，有草地资源空间及属性数据、外业调查数据、草地资源图集图件成果、草地专题地图数据、草地指标统计数据、基础地理信息数据、文本资料以及普通的网页及注册用户数据[14]。其中，外业调查以清查工作底图为依据，通过外业调绘、仪器检验和入户访问等手段，获取草地的位置、类、型、权属、土壤质地、植物记名、生物量、退化程度、牲畜存栏量等等属性，是草地基础数据主要来源。下面重点介绍指标统计数据和地图数据的组织与分层方式。

(1)指标统计数据的组织

指标统计数据来自于草地资源清查内外业工作中的汇总、统计和计算，内业以遥感解译、查阅相关资料和分析数据为主，外业以实地踏勘和入户调查为主。草地指标统计数据包括草地资源状况、生态状况、利用现况3类。

A. 资源状况方面主要包括草地资源类型、权属、平均产草量、载畜量、质量分级；

草地资源类型：包括4个草地类(暖性灌草丛类、热性灌草丛类、低地草甸类、山地草甸类)，30个草地型[15]对应的草地面积(单位hm2)。

权属：包括国有草地、集体草地两个分类对应的草地面积(单位hm2)。

平均产草量：是单位草地面积的地上生物量(单位kg·hm-2)，以今年夏季草场清查时的产量为准。

载畜量：是指放牧期内单位面积草场所能放牧牲畜的头数，并将数量结果折算为羊单位[16]。

质量分级：根据草地植被的饲用价值结合草地的自然条件，河南省天然草地划分为5等。根据饲草产量的高低，河南省天然草地划分为8级。质量分级是在草地等和草地级评定的基础上，对草地等和草地级进行叠加组合，综合评定指标归并为优质高产、优质中产、优质低产、中质高产、中质中产、中质低产、劣质高产、劣质中产共9类[17]，统计数据即为9类对应的草地面积(单位hm2)。

B. 生态状况方面包括草地植被盖度、草地退化程度；

草地植被盖度：指某一区域各主要草地类型的植被盖度与其所占面积比重的加权平均值(单位%)。

草地退化程度：从植物群落特征、指示植物、地上部产草量、土壤养分、地标特征、土地理化性质、土壤养分等方面检测，对草地退化程度分级，分为未退化、轻度退化、中度退化、重度退化4个等级[18]。统计数据即4类对应的草地面积(单位hm2)。

C.利用现状方面包括利用方式、承包情况、超载率、保护区情况、功能区分类；

利用方式：包括全年放牧、冷季放牧、暖季放牧、春秋放牧、打草场、禁牧对应的草地面积(单位hm2)。

承包情况：包括国有承包、国有未承包、集体承包和集体未承包对应的草地面积(单位hm2)。

超载率：利用区域内放牧草地和割草地的合理承载量之和与草地现存饲养量比较，计算草地区域的超载率P[16]，结果划分为3类：P≤10%，10%

保护区情况：叠加保护区范围，判断草地是否位于生态红线、各类保护区内，包括自然文化保护区和湿地保护区等，统计数据即各类保护区域范围内对应的草地面积(单位hm2)。

功能区分类：叠加功能区范围，判断草地是否位于重点开发区域、一类限制开发区域、二类限制开发区域、禁止开发区域内，统计数据即4类功能区域范围内对应的草地面积。

(2)地图数据的组织与分层

空间数据是草地资源管理系统的数据主体，按照不同的用户需求，可分为地理底图数据、草地基础地理信息数据和专题数据[19-20]。地理底图数据包括河南省市、县两级行政区划和河南省DOM影像；草地基础地理信息数据为图属一体的草地资源空间数据；专题地图数据包括草地类型数据、利用状况数据、质量分级数据、植被盖度数据、草地退化数据和承包数据等。上述数据经属性上图、符号化处理服务发布后形成图层，图层组织顺序如图3所示。

2.3.2数据库总体架构设计 数据库采用面向对象的方法和统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)[21]进行统一设计，对河南省草地清查工作形成的系列成果数据依次执行入库检查、对象化处理、数据入库、关联关系建立等过程后，将各种数据集中统一在草地资源清查数据库中，实现各种数据一体化无缝化建库。河南省草地资源清查数据库技术架构如图4所示：

3 系统的实现和应用

河南省草地资源信息管理系统采用ASP.NET、HTML、XML、C#等编程语言，以Microsoft Visual Studio 2013作为开发平台，网络地理信息及地图服务采用ESRI公司的WebGIS解决方案[22]，依据既定的总体架构和功能设计，在草业数据组织和建库、地图可视化、指标统计和分析、GIS服务和应用，图件和文档管理5大草业信息化领域下，进行了开发实现。整个系统运行在网络环境中，系统和数据布设在河南省草地管理部门的服务器上，用户通过内部局域网或互联网访问系统提供的数据和服务。

图3 草地空间数据组织与分层

图4 草地资源数据库技术架构

3.1 草地资源清查汇总

草地资源清查汇总是对河南省草地资源分布的宏观展示。利用电子地图呈现河南省草地资源的空间分布特征，利用统计图表呈现河南省草地资源属性统计特征，通过二者的有机结合、相互补充可使用户快速把握河南省草地资源的总体情况。界面中展示的数据都可以选择性的开关，用户通过左上角按钮可以控制不同草地专题地图、统计图表的加载和卸载(见图5)。

3.2 指标统计数据展示

功能模块展示了河南省、市、县三级草地资源在资源状况、生态状况、利用现况的三个类别下的指标统计特征，可辅助地方草业部门制定因时、因地制宜、分类指导的草地管理决策。系统支持指标数据动态更新，后台可接入批次草地清查数据。前台界面提供两个下拉列表供用户选择评价指标类型和行政区范围，左边饼状图与右侧柱状图联动。切换评价指标类型，左侧饼状图展示行政区内某一指标的不同评价结果占比；点击饼状图扇面，以柱状图说明该扇面对应的评价结果在行政区辖区内分布(见图6)。

图5 草地资源清查汇总界面

图6 指标统计数据展示界面

3.3 外业调查记录管理

外业调查记录是本次草地资源清查工作的核心成果，系统借助信息化技术重构了调查成果间的逻辑组织关系，为草业部门清查成果的管理、追溯清查工作的完整性和可靠性提供了一个高效、易用的工具。系统以条目和分页的形式管理了天然草地样地调查表、中小草本及小半灌木样方调查表、灌木及高大草本样方调查表、非草地样地调查表、访问调查表、样地景观照片和样方俯视照片等外业原始记录。用户可通过切换调查类别、行政区划以及任意字段的模糊关键字对记录进行筛选，同时也可对记录执行详情查看、下载等操作(见图7)。

图7 外业调查记录界面

3.4 图件展示

系统将纸质的草地专题图件扫描数字化，以行政区为单位管理，并辅以文字和图表进行定性、定量的说明，直观展示了河南省草地资源核心的自然和社会经济要素，满足草业部门对图件的管理和应用需求。系统中某行政区下的图件以缩略图形成列表，点击缩略图即可对图件进行详情查看和下载(见图8)。

图8 图件展示界面

3.5 草地一张图

草地“一张图”是系统的核心GIS模块，它将草地资源空间数据、属性数据以及管理数据全部落地化，统一数据格式和坐标基准形成草业基础地理信息数据服务，并提供一系列分析工具，支撑草业信息化建设和规划应用。界面左下角为树状地图资源目录管理，用户可对图层实现加载、卸载、透明度调解和图例显示等功能。界面上部提供功能菜单，可实现草地图斑、草地样地空间和属性的双向查询、专题数据同步对比、感兴趣区标注和测量，另外还提供了草地资源数据发掘工具，供用户对高品质草地所处空间位置、坡向、坡位、土壤特征、地表特征及其气候特征进行统计和分析，进而指导牧草种植和畜牧业发展(见图9)。

图9 草地一张图界面

3.6 报告汇编

系统以条目和分页形式管理草地清查工作的技术标准和规范、技术设计、实施方案、书面成果、技术总结和验收报告等文档和资料。文件条目支持模糊查询、在线查看和下载等操作。

4 结语

基于Internet平台的WebGIS技术将地理对象的位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输送给用户，是解决自然资源清查成果共享和应用问题的关键技术。本文以河南草地资源信息管理系统为例，系统的介绍了草地资源信息管理系统的技术体系、总体框架、系统功能以及数据组织和建库的设计和实现。由于WebGIS技术限制以及系统侧重于清查成果的共享和应用，未提供针对清查成果在线编辑功能，未来随着WebGIS服务自然资源的深入，这方面功能和技术将会得到完善。系统建成后，以网页技术、信息化管理、GIS分析、空间定位管理、影像场景等直观表达方式，将为河南省草地资源保护、牧草种植和畜牧业发展提供多层次、全方位的分析与研究手段，为畜牧局进行重大项目的论证和重要问题的决策分析提供有效的技术支撑，将取得很好的社会和经济效益。