草原地理信息管理系统的设计与功能实现

李刚勇，彭 建，闫 洋，张楚婕

（新疆维吾尔自治区草原总站，乌鲁木齐 830049）

党的十九大报告中提出山水林田湖草系统治理的重大部署，其中生态文明建设与草原资源保护成为各级政府的重要工作内容之一。随着资源保护、生态修复工作的逐步深入，对基于数据采集、地理信息、GIS 服务为核心的地理信息技术需求也越来越迫切，草原资源信息平台管理及应用已成为构建草原生态文明的重要技术手段。

中国地理信息系统主要经历了3 个阶段，分别是20 世纪70 年代初期的起步阶段、80 年代后期的试验阶段以及90 年代末期以来的全面发展阶段［1］。近些年来，地理信息系统被大量运用在自然资源管理中，实现对自然资源规范化和精细化管理［2］。重点针对草原资源地理信息数据特点进行了研究，使其与地理信息管理系统进行有效结合。

1 需求背景

为准确掌握新疆草原资源与生态状况，促进草原保护建设与合理利用，需要逐年开展草原资源与生态监测工作，重点对全疆草原植被长势状况、草原生产力、草原资源利用状况等进行调查，即通过野外实地调查取样和现场调查了解与遥感影像和GIS 技术结合的方式，掌握和动态观测草原的生产力、载畜量、草原利用现状、植被长势状况等信息。草原资源调查和逐年草地资源动态监测工作，会产生大量的空间、业务数据。对新疆草原资源数据进行有效管理与利用意义重大，基于此建立一套智慧草原平台项目，将草地资源数据从采集、管理、分析、统计和决策充分整合，实现数据共享和综合利用。

2 数据基础

草原监测调查与管理，需要大量丰富的地面采集数据作为支撑。数据包括地面采集数据、矢量图斑数据、典型区域遥感影像和其他自然资源相关专题数据，这些数据为草原监测调查与管理提供了技术保障。在草原资源地理信息管理系统需求分析与建设中，以此数据为基础，开展草原监测，针对变化情况及时更新草原图斑信息，利用不同时相遥感影像和地形专题数据，提高草原监测数据展示效率。各类数据及利用情况见表1。

表1 草原资源数据类型

3 技术思路

基于前一原则，项目要把草原遥感监测辅助决策评价系统的当前目标和长远目标相结合，要充分考虑系统扩展需要，就必须采用最先进的信息技术。同时，它又是一项满足当前草原数字化信息化建设需求的实用工程项目，也必须保证运行的稳定和操作的简易。系统的设计与建设要尽可能采用最先进的理念、技术、软件、硬件，尽可能采用已经产品化的技术模式，一方面确保系统的先进性和可扩展性，另一方面兼顾实用性，使系统成熟、可靠。通常，在信息系统空间数据库中，对信息生成文件的通常是Oracle 数据库；对空间数据提供模型和编码的通常是ArcSDE 引擎，易于对数据库进行访问［3］。

3.1 整体性

系统研制开发应整体设计，充分整合已有资源，实现数据共享和综合利用，且符合国家标准和行业标准，满足系统间数据和业务信息的共享、交换。

3.2 先进性

采用主流GIS 平台、数据库管理系统、成熟的计算机技术和系统设计开发思想。依托先进的系统开发工具，保证系统的先进性。

3.2.1 充分考虑数据不断变化的需要 草原监测与管理数据本身不断地在更新和变化，要求数据库管理系统在设计时充分考虑以后数据更新的需求。充分考虑业务发展的需要，在数据库管理系统设计过程中，应充分考虑空间矢量数据的特征，按照业务需求进行分析，从而为系统数据库的建设及后续升级、换代提供方便。

3.2.2 充分考虑硬件技术发展的需要 在设计过程中，要求考虑硬件发展的需求，在硬件技术发展时，可以对系统进行调整和扩展，能充分利用先进的硬件处理能力拓展系统容量和性能。

3.3 实用性

软件要易于维护，具有方便、快速的数据更新能力，保证数据运行的效率和速度。系统必须做到界面友好、提示明确、操作方便、简单快捷、使用人员只需经过简单培训，即可进行使用。

3.4 安全性

系统建设要把软件安全、信息保密放在首位，应具备良好的系统稳定性，要确保基础平台稳定、可靠、高效地运行。系统设计应充分考虑运行的安全策略和机制，要在多个层次上划分和设定各级使用者的安全权限，从多方面确保业务数据的安全性和保密性。

3.5 灵活性

系统各模块应具有高内聚、低藕合，可扩展性要高，能根据生产信息化不断发展的需要，方便扩展系统容量和处理能力，具备支持多种应用的能力。同时可以根据应用发展的需要进行灵活、快速调整，实现信息应用的快速部署。

3.6 开放性

具备较好的开放性，相关系统和设备应是业界主流产品，遵循业界相关标准，实现系统和数据的集中运行和统一维护管理。

4 建设框架

目前，草原资源业务数据是基于离散的文件型数据格式管理，且没有形成标准、不统一，数据放置分散，工作人员在工作中需要花费大量的精力去查找这些数据，有的甚至由于管理不善导致数据丢失，这使得原本具有高价值利用率的草原数据因管理不规范导致数据的价值很大程度没有被挖掘出来，造成资源浪费。因而建立一套标准化、规范化的草原空间地理信息数据库，运用数据库、地理信息数据、网络技术对数据进行规范化管理迫在眉睫［4］。

面向资源数据的信息化管理方面，采集数据是手段，目的是挖掘数据价值、分享价值，供指挥决策者根据草原资源的分类状况、载畜平衡状况、生态评价状况等数据做出准确的判断和符合实际生产的决策，所以基于采集的数据需要搭建一个共享平台，供本级单位或下级单位进行资源共享、分析，使得草原相关单位的信息达到一个互联互通的目的［5］。

4.1 数据库层

数据库层是系统基础数据源，数据包括了各级属性数据、空间数据和非结构数据。数据模型均是从草原管理工作数据库领域的需求出发，包括了基础地理空间数据库以及各种专题产品的空间数据，采用面向对象技术建立的。这样为系统的运行提供了灵活的运行形式，可以通过空间数据引擎连接到网络大型数据库（SQL Server）上运行。Excel 格式的文件是为了支持系统运行而存在的中间数据或导出的数据存储容器，XML 格式文件可以保存系统的导出数据、系统元数据、系统运行需要的一些支撑数据。

4.2 数据访问层

数据访问层是用来完成对后台数据库进行访问，为业务处理层提供服务的组件层，由数据访问组件通过对ADO.NET（或JDBC）、ArcSDE 等数据库引擎实现对数据库的访问操作，完成前台各专题具体业务所需的属性数据、空间数据、非结构性数据操作。

4.3 业务处理层

业务处理层主要采用B/S 模式，其主要功能是处理客户层提交的业务逻辑。业务层调用空间组件具体实现空间查询、空间分析等空间操作功能。业务处理层的属性Web 服务和空间Web 服务可以部署在相同或不同的SOA 服务器上，而空间SOA 服务器可以是一台或多台服务器的集群。

4.4 网络传输层

网络传输层是前台客户与业务交互的通信通道，客户层的要求是基于HTTP、TCP/IP 等协议进行传输的。

4.5 客户应用层

客户应用层是基于浏览器端的应用操作集成，系统中的各项功能如数据入库、数据管理、数据应用、数据分发均在客户应用层展现。

5 系统开发

系统空间数据支撑平台，ArcGIS 系列软件，包括桌面版（ArcGIS Desktop）、服务版（ArcGIS Server）及数据库链接中间件（ArcSDE），承担GIS 数据的管理和计算分析工作。项目建设中，使用ArcGIS Server实现空间数据的发布与管理，空间数据发布产品实现空间数据的发布显示（B/S），并通过ArcGIS Desktop来实现GIS矢量数据与栅格数据的归纳整理，系统使用以下GIS基础平台：ArcGIS Server-标准版-V10.X、ArcGIS Desktop-高级版-V10.X、ArcGIS SDE（空间数据管理中间件）。

草原信息管理系统采用B/S 架构进行开发，该系统是一个组合型管理系统，其核心功能是对草原各项业务指标进行分析评价，由多项内容组合而成，按照卫星遥感数据处理、业务数据计算分析、成果图表生成3 大功能系统进行建设。

5.1 遥感数据处理子系统

主要开展MODIS 数据自动下载、解压、影像批量处理工作，形成覆盖全疆的卫星影像数据，为业务数据分析子系统准备。

5.2 业务处理分析子系统

根据卫星影像提取的植被信息，结合草原类型开展产草量估算、载畜量估算、载畜平衡分析、植被盖度提取、长势分析、草原质量评价、草地退化沙化评价、生态健康评价等。

5.3 成果图表生成子系统

根据不同的业务需求制作相关图表，提取各类统计报表。基于形成的各专题成果以及统计数据进行专题制图，生成饼状图、柱状图等，并根据用户需求提取各类统计报表。