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      基于SuperMap IS.NET的帶嶺地區(qū)NPP信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

      2014-08-23 02:55:38范文義王曉杰
      森林工程 2014年2期
      關(guān)鍵詞:坡向空間數(shù)據(jù)林業(yè)局

      范文義,任 義,王曉杰

      (東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,哈爾濱 150040)

      隨著溫室效應(yīng)引發(fā)的全球變暖問題越來越突出,植被作為溫室氣體CO2的主要吸收群落和陸地固態(tài)碳的主要載體,各國積極開展植被在生態(tài)系統(tǒng)中的固碳釋碳方面能力的研究。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是定量評價和估計生態(tài)系統(tǒng)的碳源或碳匯作用的關(guān)鍵因子[1],我國NPP研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的,研究的重點主要集中在NPP模型的引進及改造,然而基于模型模擬得到NPP信息的管理及數(shù)據(jù)的挖掘分析,特別是通過WEB的形式發(fā)布方面的研究很少涉及 。WebGIS是將Internet技術(shù)應(yīng)用到GIS開發(fā)的產(chǎn)物,將GIS技術(shù)的圖形屬性一體化、強大的分析能力與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)布優(yōu)勢結(jié)合一起,為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析等功能,已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢[2]。SuperMap IS.NET是超圖公司自主開發(fā)的一個WebGIS開發(fā)平臺,在森林資源的現(xiàn)代化信息管理中應(yīng)用越來越廣泛,例如2009年周玲以鄂托克旗為例開發(fā)的鄂托克旗森林資源管理系統(tǒng),2010年于麗珠等開發(fā)的塔河林業(yè)局森林資源管理系統(tǒng)。

      本研究以黑龍江省帶嶺林業(yè)局為例,采用BEPS模型生成的區(qū)域NPP數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以及研究區(qū)的行政區(qū)界、高程、坡度和坡向等作為輔助數(shù)據(jù)。建立NPP數(shù)據(jù)庫,設(shè)計并開發(fā)基于SuperMap IS.NET平臺的NPP信息系統(tǒng),將森林資源管理系統(tǒng)與NPP管理數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)合。為黑龍江省帶嶺林業(yè)局的碳循環(huán)研究提供高效、可靠的信息發(fā)布平臺。

      1 數(shù)據(jù)庫的搭建

      1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

      收集黑龍江省帶嶺林業(yè)局基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括:縣、河流、道路和行政界限以及2007年單月NPP數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的投影信息,通過柵格計算,得到研究區(qū)域各縣各月的NPP信息數(shù)據(jù),并且添加到行政區(qū)界的屬性表中。收集研究區(qū)的1:50 000等高線數(shù)據(jù),通過GIS軟件生成帶嶺林業(yè)局DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù),用以反映高程、坡度、坡向等因子對NPP的影響。根據(jù)帶嶺林業(yè)局的實際情況國家以及相應(yīng)規(guī)定,對各地形因子進行等級劃分,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)以及具體信息見表1~表3。生成的各地形因子分級圖如圖1~圖3所示。

      表1 帶嶺林業(yè)局高程劃分及各高程NPP信息

      表2 帶嶺林業(yè)局坡度劃分及各坡度NPP信息

      表3 帶嶺林業(yè)局坡向劃分及各坡向NPP信息

      圖1 帶嶺林業(yè)局DEM分級圖

      圖2 帶嶺林業(yè)局坡度分級圖

      圖3 帶嶺林業(yè)局坡向分級圖

      1.2 數(shù)據(jù)庫建立

      為了高效、方便的存儲地理信息數(shù)據(jù)以及便于對用戶系統(tǒng)后臺管理,本系統(tǒng)采用SQL Server2005作為數(shù)據(jù)訪問層對數(shù)據(jù)進行存儲和管理,建立普通數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫[3]。

      普通數(shù)據(jù)庫:普通數(shù)據(jù)庫主要用于存儲用戶信息和管理員信息。根據(jù)不同的操作權(quán)限,普通用戶只能進行訪問和下載數(shù)據(jù),而管理員用戶不僅可以對數(shù)據(jù)進行插入、刪除、更新等基本后臺操作也對可以對普通用戶進行管理。

      空間數(shù)據(jù)庫:針對地理信息數(shù)據(jù)往往具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一等特點,SuperMap IS.NET 集成了強大的空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù) SuperMap SDX+,從而可以順利實現(xiàn)將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)一體化存儲到 Oracle、SQL Server 和 Sybase 等大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫中,并能夠滿足高效、穩(wěn)定地進行空間數(shù)據(jù)訪問的需要[4]。本文通過桌面軟件SuoerMap Deskpro新建SQL+數(shù)據(jù)源建立空間數(shù)據(jù)庫,如圖4所示。

      圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立

      2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

      2.1 需求分析

      該系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)黑龍江省帶嶺林業(yè)局NPP信息的發(fā)布以及對NPP數(shù)據(jù)在時間、空間上的變化進行分析,所以本系統(tǒng)既是一個完整的地理信息系統(tǒng)也是一個針對特定專業(yè)人群的分析決策的輔助系統(tǒng)。因此應(yīng)包含以下幾種模塊。

      (1)知識普及。提供對NPP概念等基礎(chǔ)知識的普及以及研究區(qū)域介紹和開發(fā)人員等相關(guān)知識。

      (2)用戶管理。對用戶信息進行管理。包含:用戶注冊、登錄以及密碼驗證和驗證碼的獲取、驗證等。

      (3)地圖基本操作。包含地圖的放大、縮小、漫游以及距離、面積量算等基本的地圖操作。

      (4)NPP信息查詢及分析。實現(xiàn)對NPP信息的雙向查詢,實現(xiàn)單點信息和統(tǒng)計信息的雙向查詢,以及繪制NPP信息時間曲線和分析NPP信息與高程、坡度、坡向等空間數(shù)據(jù)因子分析。

      (5)數(shù)據(jù)共享。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載,實現(xiàn)真正意義上的數(shù)據(jù)共享。

      2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

      根據(jù)系統(tǒng)的需求分析,總體來將系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分為三個層次分別為:表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層[5-6],如圖5所示。

      圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

      表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)交互的接口,為用戶提供了一個可視化的界面,使用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)發(fā)布進行簡單的操作。業(yè)務(wù)層主要包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GIS服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫,用戶通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(IIS)對系統(tǒng)發(fā)出請求,然后通過GIS服務(wù)器響應(yīng),由數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù),然后返回GIS服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理,并生成圖片緩存在圖片存儲器中,最后瀏覽器直接下載到本地進行瀏覽。具體流程圖如圖6所示。數(shù)據(jù)層主要包含兩部分:用戶信息數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)兩部分,其中GIS數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù) SuperMap SDX+存儲在SQL Server 2005中。

      圖6 WebGIS系統(tǒng)發(fā)布流程

      3 程序設(shè)計

      本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式,它是隨著Internet技術(shù)的興起,對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化和改進的結(jié)構(gòu)。用戶僅通過瀏覽器就能與服務(wù)器進行交互,這樣大大簡化客戶端的負荷,采用的主體語言是C#,通過連接SQL Server 2005,實現(xiàn)對用戶信息和空間數(shù)據(jù)的調(diào)用。

      3.1 數(shù)據(jù)庫連接

      3.1.1 用戶信息數(shù)據(jù)庫連接

      本系統(tǒng)的用戶信息數(shù)據(jù)庫是采用.NET Framework框架的ADO.NET組件進行數(shù)據(jù)庫的Connection對象進行數(shù)據(jù)庫連接。在SQL Server 2005中新建表info,并且在web.config配置連接數(shù)據(jù)庫參數(shù):

      可以通過直接獲取web.config文件中的參數(shù)信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接。

      3.1.2 空間數(shù)據(jù)庫連接

      在SuperMap IS.NET Manager管理工具中的地圖設(shè)置選項填寫工作空間路徑和工作空間密碼,由于空間數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎SDX+存儲在SQL Server2005數(shù)據(jù)庫,因此需要添加下列數(shù)據(jù)庫連接語句[7]:

      Provider=SQLOLEDB:Driver=SQL Server;SERVER=97SD-20120616BP;Database=NPP;Caption=NPP;UID=sa;PWD=sa123。

      3.2 程序設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)

      3.2.1 登錄模塊

      用戶登錄模塊是保證系統(tǒng)信息安全的基本模塊,也是統(tǒng)計系統(tǒng)的受歡迎程度的重要工具,本系統(tǒng)的用戶登錄分為:普通用戶和管理員用戶。普通用戶具有簡單的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計等功能,管理員用戶則負責(zé)數(shù)據(jù)的編輯、更新等后臺操作,系統(tǒng)登錄界面如圖7所示:

      圖7 系統(tǒng)登錄及注冊界面

      3.2.2 操作模塊

      帶嶺林業(yè)局NPP信息管理系統(tǒng)是森林資源與WebGIS相結(jié)合的資源管理系統(tǒng),因此該系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的基本功能,如放大、縮小、漫游、面積量算、距離量算、鷹眼顯示等,同時也必須滿足森林NPP信息的管理、發(fā)布等基本功能,如圖形和屬性的雙向查詢、專題圖制作,報表輸出等。NPP信息管理系統(tǒng)的主界面如圖8所示。

      圖8 系統(tǒng)主界面

      3.2.3 NPP分析模塊

      NPP分析模塊分別統(tǒng)計帶嶺林業(yè)局2007年單月NPP量以及高程等地形因子信息,擬合出相應(yīng)的NPP時間序列曲線和簡單的NPP值與高程、坡度、坡向等因子的數(shù)據(jù)分析,如圖9~圖10所示。在系統(tǒng)中通過設(shè)定地形因子、報表類型、以及線性寬度等屬性制作NPP信息報表,并且對NPP的變化進行初步分析,詳細分析了解帶嶺林業(yè)局NPP信息的時空變化,探討地形因子對于NPP信息的影響規(guī)律,對于研究區(qū)生產(chǎn)力評估、提高生物固碳能力、生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境建設(shè)等工作具有參考價值。

      圖9 NPP隨時間變化曲線

      圖10 各高程等級的NPP信息柱狀圖

      目前,國內(nèi)外的研究重點是研究NPP的生態(tài)過程模型對區(qū)域NPP或NEP進行模擬,但是大多數(shù)研究者的結(jié)果數(shù)據(jù)相互之間共享性差。通過本系統(tǒng)的研發(fā)和初步應(yīng)用表明,不同區(qū)域或同一區(qū)域的不同研究結(jié)果信息可以通過本系統(tǒng)快速共享。同時,系統(tǒng)研發(fā)基于GIS的空間分析功能,對于模型模擬的NPP結(jié)果能進行進一步的空間分析,如NPP圖形屬性雙向查詢、NPP空間分布分析,特別是系統(tǒng)研發(fā)了NPP時間規(guī)律擬合模塊,為NEP和NBP的模擬計算提供了重要的輸入數(shù)據(jù),因為影響NPP的因素除了自然因素外,不同年齡的林分的NPP顯然具有很大區(qū)別。

      4 結(jié)論與討論

      帶嶺地區(qū)NPP信息系統(tǒng)的開發(fā)平臺是基于北京超圖公司的SuperMap IS.NET,選用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù),使用C#為主體開發(fā)語言。本研究的總結(jié)可歸納為以下幾個方面:

      (1)針對目前不同NPP模擬研究結(jié)果之間共享性差的問題,本研究選擇SuperMap IS.NET為開發(fā)平臺,利用SuperMap IS.NET平臺在地理信息系統(tǒng)空間分析和數(shù)據(jù)共享方面的優(yōu)勢,研究開發(fā)了NPP專題信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),解決不同區(qū)域或同一區(qū)域不同研究結(jié)果的快速共享問題。

      (2)系統(tǒng)采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一存儲和管理數(shù)據(jù),在用戶和空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)之間提供了一個接口,同時客戶也可以通過空間數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)發(fā)布的NPP分析數(shù)據(jù)以SuperMap IS.NET工作空間的形式存放,具有靈活的擴展性。

      (3)系統(tǒng)提供了NPP模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析功能,特別是對NPP進行時間變化分析擬合,對于NEP和NBP進一步研究提供了最重要的輸入數(shù)據(jù)。擴展了常規(guī)信息管理系統(tǒng)的功能。

      本文在已有的帶嶺林業(yè)局NPP模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,基于SuperMap IS.NET平臺,從WEB的角度介紹了系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)過程,既可以滿足森林資源管理系統(tǒng)的一般功能需求,同時將NPP信息的發(fā)布、分析作為重點,初步具備了簡單的數(shù)據(jù)挖掘和分析能力,對于森林生態(tài)功能的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布具有重要意義,然而本系統(tǒng)在界面處理、系統(tǒng)運行和數(shù)據(jù)存儲效率等方面存在著處理海量數(shù)據(jù)響應(yīng)時間較長等問題。今后的工作重點是實現(xiàn)地圖效果的三維顯示以及森林在固碳釋氧、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能方面的信息分析。

      【參 考 文 獻】

      [1] 董文娟,齊 曄,李惠民,等.植被生產(chǎn)力的空間分布研究——以黃河小花間盧氏以上流域為例[J].地理與地理信息科學(xué),2005,21(3):105-108.

      [2] 北京超圖地理信息技術(shù)有限公司.理解SuperMap IS.NET[M].北京超圖地理信息技術(shù)有限公司,2004.

      [3] 夏 軍,塔西甫拉提·特依拜,張 飛,等 基于.NET和SuperMap的干旱區(qū)Web典型地物.光譜信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].光譜學(xué)與光譜分析,2011,30(7):1878-1882.

      [4] 北京超圖地理信息技術(shù)有限公司.SuperMapSDX+技術(shù)白皮書[M].北京超圖地理信息技術(shù)有限公司,2003.

      [5] 張柏林,石文杰,魏中輝.WebGIS幾種體系結(jié)構(gòu)研究[J].地理空間信息,2008,6(3):97-99.

      [6] 趙 駝,羅傳文.基于skyline的三維網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的研究[J].森林工程,2013,29(3):110-113.

      [7] 于麗珠,范文義,金 森,等基于SuperMapIS.NET的分布式森林資源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東北林北大學(xué)學(xué)報,2011,39(6):120-124.

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