郝 捷,田颖超，王永峰

(1.河南省水土保持监督监测总站，河南 郑州450008； 2.南开大学 信息与技术学院，天津300071；3.北京新智感科技有限公司 天津技术研发部，天津300000)

基于三维GIS的河南省数字水土保持管理信息系统研究

郝 捷1,田颖超1，王永峰2,3

(1.河南省水土保持监督监测总站，河南 郑州450008； 2.南开大学 信息与技术学院，天津300071；3.北京新智感科技有限公司 天津技术研发部，天津300000)

三维GIS；水土保持；管理信息系统；设计开发

以河南省历次水土保持普查数据为基础，分析对比土壤侵蚀调查成果，按照四大流域、小流域、市(县)行政区划，从水蚀野外调查、侵蚀沟道普查、土壤侵蚀动态变化、技术档案管理、信息发布等方面开展研究。在深入分析水土保持监测信息业务需求和特点的基础上，进行了基于三维GIS平台的数字水土保持监测信息管理系统的设计开发。对系统建设背景、目标、基础理论方法、框架结构与支撑技术、系统功能、系统实现等进行了详述。该系统能通过水土流失动态变化数据分析，为水土保持决策提供有力的数据支撑。

全国水土保持行业共开展过四次遥感普查，受不同年代信息化水平和普查技术路线的影响，各次遥感普查成果数据类型各异，其中20世纪80年代的成果数据为未数字化建库的纸质格式，1995和2000年的成果数据为北京54坐标Albers投影的coverage格式，2010年的成果数据为WGS84坐标UTM投影的shp格式。这四类数据库相对独立，信息数据管理和对比分析能力低。截至2012年全国第一次水利普查结束时，河南省仍没有一个系统的水土保持信息化管理平台。为尽快填补此项业务空白，基于GIS，从全国第一次水利普查的水蚀野外调查、黄土高原侵蚀沟道普查和历次遥感普查的土壤侵蚀动态变化等三部分入手，借助C#.NET、SQL Server集成的二次开发模式，研究建立了河南省数字水土保持管理信息系统，以提高水土保持科学研究成果水平，强化水土保持协同工作的效能，推进水土保持信息现代化，为生态文明建设和水土资源可持续利用服务。

1 开发平台

系统的设计采用C#.NET+组件式GIS Engine+SQL Server集成的二次开发模式，既可以充分利用GIS软件对空间数据的管理、显示、分析功能，又可以利用C#.NET可视化开发语言的高效、方便等编程的优点，提高了系统的开发效率，易于移植和维护。

2 系统建设

2.1 系统建设目标

利用数字地球引擎，构建具有输入、查询、检索、对比分析、输出等多功能的信息系统。以三维可视化的方式展现水土流失动态变化情况，为相关部门的科学决策提供可视化的分析工具。

2.2 系统结构设计

采用数据层、中间层、应用层等三层体系结构，见图1。

图1 系统设计结构示意

(1)数据层。所有基础数据、专题数据及成果数据均存储在统一的数据库系统中，各类数据按照统一的标准进行分类存储，为水土保持监测数据的应用提供科学的数据支持。

(2)中间层。为上层应用开发提供工具化接口、地图服务中间件和信息服务中间件组件的开发工具接口，减少数据库成本，为系统提高效率。

(3)应用层。为系统人机交互接口，完成各类信息的检索查询、专题图输出、水土流失分析等功能，为水土保持管理与决策提供科学依据。

2.3 关键技术

基于三维GIS技术，依托云计算、软件工程、空间数据库技术，将空间位置信息与水保数据相结合，提供数据的三维可视化综合展示平台。将数据库中的信息与实时场景中的模型进行绑定，从而达到对各种信息的即查即用，并通过友好的界面实现丰富的查询和分析等功能，从而实现水土保持多层次信息资源共享[1]。

3 数据库建设

数据库设计按照3NF规范，分为空间数据库和属性数据库两部分。

图2 数据库结构

(1)空间数据库的设计。针对河南省水土保持空间地理要素，采用Geodatabase 数据模型，以墨卡托投影的WGS84坐标系，通过空间数据引擎(简称SDE)，将不同年代的水土保持多源空间数据存储于SQL Server中，建立空间数据库[2]。SDE融于关系数据库管理系统(RDBMS)后，在用户和异种空间数据库的数据之间提供了一个高效、开放的数据接口，使系统GIS 功能应用与后台数据访问实现分离，从而降低了系统的复杂度，确保海量、多源入库数据的正确性、完整性、可靠性和一致性，以便在任意应用中嵌入查询和分析数据。

(2)属性数据库的设计。属性数据库包括地理实体的非空间信息和非地理实体信息，其承载的信息包含各自内部及两种信息之间存在的直接和间接联系。

4 主要系统功能实现

4.1 空间数据查询

分市(县)行政区划、四大流域、小流域等三种体系管理数据。以三维可视化的方式，将空间位置与分类后的信息数据关联，按照水土流失强度等级生成数据图层，直观展示水土流失情况。

4.2 属性数据查询

通过信息查询按钮，在地图上获取目标点水保数据图层，实现属性查图和图查属性的双向功能，从而使属性数据可视化，增强其可操作性和准确性。

4.3 土壤侵蚀趋势分析

利用入库的历次水土保持普查成果数据，在同一区域进行空间数据差值计算，获取不同时期土壤侵蚀变化的分析成果。

4.4 水蚀野外调查成果展示

以GIS for.net SDK提供的接口，可任意调取河南省1 002个野外调查单元的空间数据，通过专题图渲染技术，结合C#语言的Renderer接口对象，用图层叠加的方式，建立第一次水利普查成果的信息展示平台。该平台还具有JPG格式图片与野外调查单元交互可视化显示功能，实现图形、图像、图斑等多源信息一体化管理。

4.5 侵蚀沟道成果展示

首次建立的黄土高原侵蚀沟道数字化系统涉及40 971条侵蚀沟道，可以准确定位目标区域内侵蚀沟道的数量、长度、控制面积、沟壑密度、沟道纵比等几何特征，为黄土高原地区的水土保持规划和生态综合治理提供基础技术支撑。

5 系统应用分析

基于GIS的三维数字地球引擎，具备海量、多源数据的集成、管理能力，内嵌丰富的遥感数据资源，可加载各种高清影像及配套采集的高精度数字高程模型数据，能有效增加水保数据管理的科学性和安全性，实现数据的高效管理和共享应用。还能够通过系统分析对比功能，获取区域水土流失强度变化趋势。

从入库的1995、2000、2010年河南省水土流失面积变化情况看(表1)，15年间，河南省土壤侵蚀强度总体呈降低趋势，水土流失总面积有所减少，但出现中度以上水土流失面积增加的现象。究其原因，省内各级政府加大了对水土流失的治理力度，取得显著效果，但由于自然环境中水土流失面积大、侵蚀强度高，加之干旱频发、地表水资源匮乏，小流域综合治理后的林草措施生长缓慢，在短时间内未能完全发挥水土保持效益，尤其是低山丘陵地区人类生产活动频繁，退耕还林措施保存率低，以及开矿等经济活动，导致强烈及以上水土流失的发生。

表1 1995、2000、2010年河南省水土流失面积统计 km2

6 结 语

运用Visual C#开发语言与ArcGIS组件开发的河南省数字水土保持综合管理信息系统，首次建立了全省的土壤侵蚀、黄土高原侵蚀沟道和基础数据库，分析出1995—2010年河南省水土流失面积的动态变化趋

势。该系统将分散异构的水土保持空间数据、多媒体数据和基础数据有机融合，在填补河南省水土保持行业信息化空白的同时，实现了数据的高效管理和共享应用，为水土保持决策提供了有力的数据支撑。由于某些高级功能还不能够实现，如高质量的地图输出、表面模型和网络分析等高级空间分析，因此下一步将加强这方面的工作，增强系统的功能。

[1] 郭索彦,李智广.新技术在我国水土保持监测工作中的应用[J].中国水利,2006(12):25-27,33.

[2] 易国彪,白振兴.基于ArcSDE的空间数据库研究与应用[J].微计算机信息,2008, 24(18):161-163.

(责任编辑 李杨杨)

S157

A

1000-0941(2015)02-0056-03

郝捷(1969—)，男，河南宁陵县人，高级工程师，学士，从事水土保持工作。

2014-10-28