1、鄱阳湖湿地基础地理信息系统建立研究易光华 1，陈建群 2,(1.湖南同德职业学院，湖南 常德，410510；2. 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙， 410083)摘 要：湿地是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一，具有稳定环境、物种基因保护和资源利用功能。然而，近代湿地遭受严重破坏，危及到人类自身的持续发展。技术手段相对落后是中国湿地科学研究发展缓慢的重要原因。本文以世界六大湿地之一的鄱阳湖湿地为研究对象，利用地理信息系统、遥感、计算机网络、空间数据库和虚拟仿真等高新技术，建立了能够对湿地空间和属性数据进行采集、管理、查询、分析和应用，集知识、模型和决策为一体的
2、鄱阳湖湿地基础地理信息管理系统。本系统具有如下创新点：多分辨率海量数据集中管理、生成支持漫游的三维数字沙盘和直观生动的虚拟场景、洪水动态演进模拟以及多种形式的查询功能。本研究能够为湿地的合理开发利用、可持续管理以及旱涝灾害预防提供决策依据，具有重要意义。关键词：湿地；GIS；空间数据库；虚拟仿真；旱涝预防Research on the Establishment of Fundamental Geographic Information Management System for Poyang Lake WetlandYI Guang-hua1, CHEN Jian-qun2(1. Hunan
3、 Tongde Vocational College, Changde 410510, China; 2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Wetlands are natures ecological landscape of most bio-diversity, and one of the most important living environment of mankinds, with the functions o
4、f protect the environment, species and genetic resource utilization. However, since modern times, wetlands suffered serious damage, threatening the sustainable development of human beings. Technology relatively backward is an important reason for the slow development of wetland scientific research.
5、This article takes Poyang Lake wetland, one of the worlds six major wetlands, as the research object. Using the high technologies of geographic information system (GIS), remote sensing (RS), networking, databases, and virtual simulation, the fundamental geographic information management system for P
6、oyang Lake wetland is constructed with attribute and space data gathering,management, analysis, application, model integration and Decision making functions. The main innovative points of the dissertation are as follows: centralized management of multi-resolution mass data, Generation of three-dimen
7、sional digital sandbox supporting for roaming and intuitive vivid virtual scene, dynamic flood routing simulation and various forms of search function. This study, which is of great significance, can provide basis for decision making in drought and flood prevention and the rational development, util
8、ization and sustainable management of wetlands.Keyword: wetland; GIS; spatial database; virtual simulation; drought prevention湿地是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统，被誉为“地球之肾” 、 “物种基因库”和“人类摇篮” ，在世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统 1。然而，随着社会、经济的迅速发展，近代湿地遭受严重破坏,危及到人类自身的持续发展 2。鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸, 水系流域面积 16.22 万 km2，约占江西省国土面
9、积的 97%，长江流域面积的9%，是我国最大的淡水湖，同时也是世界六大湿地之一（图 1） 。鄱阳湖湿地是中国重要的生态功能保护区和世界自然基金会划定的全球重要生态区，承担着调洪蓄水、调节气候、降解污染等多种生态功能。近年来，由于湿地资源的不合理利用和管理不善，鄱阳湖湿地的生态功能正在逐年衰退，主要表现为：围垦造成的湿地面积大幅度减少直接导致调蓄能力锐减，年最高水位呈上升趋势，洪涝灾害频繁；连年不断的水土流失引起湖内不断淤积，河床抬高，且大量泥沙覆盖原有湿地，破坏了湿地的物理特征，使湿地生产力下降，资源质量明显退化。同时，水状态发生改变，湖区气候调节功能下降，水禽栖息空间锐减，并严重影响着生物资
10、源多样性的保护。鄱阳湖湿地资源的破坏直接影响着鄱阳湖地区乃至整个江西省社会经济的可持续发展。在这种迫切形势下，研究鄱阳湖湿地生态功能，生产潜力及合理开发利用湿地对进一步探讨其可持续管理以及旱涝灾害预防提供决策依据具有重要意义。 为了保护鄱阳湖湿地自然生态环境，江西省委、省政府于 2008 年提出了建立“鄱阳湖生态经济区”的战略部署。另外，国务院于 2009 年 12 月正式批复鄱阳湖生态经济区规划 ，这标志着鄱阳湖生态经济区建设上升为国家战略。然而，由于湖区现有的基础资料缺乏，不能准确定量反映湿地资源受破坏和威胁状况和动态变化，严重制约了鄱阳湖湿地研究和生态经济区建设的进程。同时，技术手段相对
11、落后以及先进设施与基地缺乏是中国湿地科学研究发展缓慢的重要原因 3,4。因此，用科学、现代化手段辅助合理开发、利用和管理鄱阳湖湿地已经刻不容缓，这对我国的湿地科学的研究具有重要意义。地理信息系统（GIS）具有强有力的数据输入、存储、管理、可视化表达和空间分析能力,可为湿地管理和研究提供新的技术方案和分析方法 5。同时，GIS 与遥感（RS） 和计算机虚拟现实等先进研究技术手段和方法相结合，能够在湿地管理和研究中发挥巨大的作用，为研究人员准确、及时、宏观解决湿地问题提供有力的辅助决策手段 6-9 1011。因此，本文结合湿地的特点，建立鄱阳湖湿地地理信息管理系统,以期为我国湿地的保护与合理开发利
12、用提供技术手段与决策支持图 1 鄱阳湖湿地地理位置Fig.1 Location of the Poyang Lake wetland1 系统目标鄱阳湖湿地基础地理信息管理系统的开发目标是：以地理信息系统（GIS）为支撑平台，以大型的关系型数据库为后台管理数据库，将调查、测量的鄱阳湖区域各类数据进行分类存储，实现对基础地理的图形、属性、栅格影像空间数据及其非空间数据的一体化管理，实现对鄱阳湖湿地地理数据的查询、管理、统计和专题分析，满足鄱阳湖基础地理数据服务于鄱阳湖区域国民经济建设和生态建设、生态保护的要求。系统设计过程中，充分考虑系统的功能与结构，数据库的建立和管理，数据的分类、解释与定义，数
13、据的编码、交换与共享，整个系统的可扩充性，适用性，通用性，经济效益，以及从技术流程到操作流程，从数据质量到成果评价的规范化。2 总体设计2.1 系统体系结构系统以 Arcgis Server 为开发平台 12，Orcal 数据库为数据库管理平台 13。系统从逻辑结构上分成三层，表示层、业务过程层和数据层(图 2)。表示层主要负责信息的显示，包含的类主要是页面类，基本不涉及业务的管理。业务逻辑层主要功能是进行业务的处理，包含的主要是控制类，实现业务管理功能。数据层包括业务实体、数据访问逻辑组件和应用程序数据，业务实体是系统业务对象的实体，根据系统的逻辑关系，划分为若干个业务实体，数据访问逻辑组件
14、主要是可以划分为各个业务实体的数据访问组件和通用的数据访问组件，每个业务实体数据访问组件都是调用通用的数据库访问组件来实现对数据库的访问。图 2 系统体系结构图Fig.2 System architecture graph2.2 系统硬件结构系统的硬件结构分为三层，客户层、WEB 服务器层和数据服务器层(图 3)。客户层主要是用来显示，WEB 服务器层处理所有业务，数据库服务器存储数据。公众用户和不能进入企业内部网的内部用户通过Internet 来访问 WEB 服务器。WEB 服务器处于企业防火墙内部，外部用户通过防火墙安全访问 WEB 服务器。内部用户直接访问 WEB 服务器。WEB 服务器
15、通过内部网与数据库服务器相连接。鄱阳湖基础地理数据的主要内容包括三类：基础空间数据、空间专题数据和业务应用数据，因此数据库设计内容主要包括基础空间数据、空间专题数据和业务应用数据这三个方面的设计。企 业 防 火 墙I n t e r n e t企业内部网系统硬件结构图W E B 服务器数 据 库 服 务 器图 3 系统硬件结构图Fig.3 System hardware structure2.3 空间数据库设计 一个实用信息系统的数据库的开发造价通常占整个系统造价的 70-80 10。鄱阳湖湿地基础地理信息管理系统空间数据库建设过程中，以国家制定的不同比例尺、不同来源的数据规范为基准，并参考有
16、关空间数据标准和规范，同时根据具体业务要求进行基于级别和类型的细化分层。空间数据包括基础空间数据和空间专题数据。其中基础空间数据包括以下三个方面：（1）数字线划地图(DLG)；（2）比例尺为1:10000 的数字正射影像（DOM）数据。（3）比例尺为 1:10000 的数字高程模型。空间专题数据主要包括土地利用现状图、植被分布图、水利工程分布图和鄱阳湖区重点圩堤专题地形图。数据建库是将设计的数据库付诸实施的过程，包括物理数据库的建立，数据入库前的检查、数据入库、索引建立、质量检查、数据库验收等步骤。空间数据库建库过程如图 4 所示：图 4 空间数据库建库过程Fig.4 The process
17、of spatial databases construction空间数据物理数据库建设（数据准备）的主要内容如表 1表 1 空间数据库建设（数据准备）的主要内容Table 1 The main contents of spatial databases construction (data preparation)数据类型 数字线划图（DLG） 数字正射影像图（DOM） 数字高程模型(DEM)分幅分层矢量图形 分幅影像 分幅数据空间数据及其属性属性数据 附加文件 附加文件格式要求 Shp 格式 Tif 格式 grid 格式（.Adf）为提高系统检索速度，灵活调用、更新及管理基础数据，满足实际
18、需求，将不同类的图形要素按层存放，每层存放一类信息，避免系统检索整个数据表，从而减少磁盘I/O 操作，并对数据建立空间索引，加快系统检索速度。建立空间和属性的关联是实现 GIS 空间、属性相互查询和空间分析的关键，必须唯一对应。关联实现的方式通过关键码建立关联，每个工程的空间编码与工程的属性编码统一。空间-属性的主要关联表如表 2。表 2 空间-属性数据的主要关联表设计Table 2 Design of the main correlation tables for spatial-attribute data关系数据表 关键码 空间数据层 关键码河流_河涌 河流_河涌代码 河流河涌 河流_河
19、涌代码水库 水库名称代码 水库 水库代码控制站 控制站名称 控制站 控制站代码堤防（联围） 堤防（联围）名称代码 堤防（联围） 堤防（联围）代码堤段 堤段代码 堤段 堤段代码水闸（船闸） 水闸（船闸）名称代码 水闸（船闸） 水闸（船闸）代码险点险段 险点险段名称代码 险点险段 险段险点代码机电排灌站 机电排灌站名称代码 机电排灌站 机电排灌站代码穿堤建筑物 穿堤建筑物代码 暗窦 暗窦代码蓄滞洪区 蓄滞洪区代码 蓄滞洪区 蓄滞洪区代码防洪城市 防洪城市代码 防洪城市 防洪城市代码2.4 系统功能组成鄱阳湖湿地基础地理信息管理系统是以鄱阳湖湿地空间数据库为基础，通过计算机软、硬件的支持，对湿地空间
20、和属性数据进行采集、管理、查询、分析和应用，集知识、模型和决策为一体的系统。鄱阳湖湿地基础地理信息管理系统主要包括数据采集、数据管理、数据统计分析、专题分析、业务应用、系统管理和三维数字沙盘等功能模块(图 5):图 5 系统功能结构图Fig.5 Structure chart of the system function3 关键技术和创新点系统采用了地理信息系统、遥感、网络、数据库和虚拟仿真等高新技术，主要有以下几个方面的创新点:3.1 多分辨率海量数据集中管理和共享 系统中所用到的多分辨率数据集中在服务器上，通过空间数据引擎 ArcSDE 和关系数据库 Oracle 进行统一管理，不仅极大地
21、方便数据的管理和维护，而且还能赋予用户不同的权限，有利于维护数据的安全14。系统中的海量数据允许用户并发访问，并发访问的速度与服务器的配置关系较大，但与用户机器配置关系不大。系统采用基于关系数据库管理的两层结构，通过局域网联接到服务器，读取数据，实现基础地理数据的查询、浏览和分析等。3.2 三维数字沙盘三维数字沙盘平台建设利用了地理信息系统、遥感、网络、数据库、虚拟现实等现代高新技术，从技术的先进性、理论上的可靠性和应用上的实用性等方面具有很大的特色。鄱阳湖三维数字沙盘是基于地理信息系统、遥感、网络、数据库、虚拟现实等现代高新技术，利用不同比例尺的地形数据以及不同分辨率的遥感数据，建立鄱阳湖数
22、字三维场景，并在三维场景的基础上展示基础地理数据。如图 6 是三维数字沙盘初始化界面，默认视图为整个地球。图7 是在鄱阳湖湿地漫游的三维场景。三维数字沙盘鄱阳湖基础地理信息管理系统数据采集数据管理数据统计分析专题分析业务应用系统管理图 6 三维数字沙盘启动界面Fig.6 Start-up interface of the three-dimensional digital sand table图 7 鄱阳湖湿地三维漫游效果Fig.7 Three-D navigating effect of the Poyang Lake wetland3.3 直观生动的虚拟场景功能 系统为使场景更为美观，采用
23、 3Dmax建模方法，对遥感影像利用图像处理软件进行颜色处理，使影像颜色与真实场景颜色更为接近。同时，在场景中加入了用三维建模软件制作的鄱阳湖湿地水利枢纽工程仿真模型 15，形象逼真地展现了鄱阳湖湿地水利枢纽工程细部结构特征，在三维漫游观看宏观场景的同时，也可以看到重点工程的详细结构，图 8 为鄱阳湖水利枢纽工程虚拟仿真图。图 8 鄱阳湖湿地水利枢纽工程虚拟仿真Fig.8 Virtual simulation of the hydro-junction project in Poyang Lake wetland3.4 洪水动态演进模拟洪水动态演进系统运用地理信息系统技术对洪水淹没水深进行三维
24、模拟，并直观全面的展示洪水的动态演进与水深变化过程。模型计算的理论基础主要是根据水力学的平面二维非恒定流圣维南方程，运用组件进行封装实现 16。模型可视化部分完全架构于 ArcGIS 组件平台上，将模型组件和地理信息系统平台组件库无缝结合，对淹没三维可视化效果进行颜色渲染，演示不同洪水条件下的洪水演进过程，并可检索洪水传播过程中的水位、流速、流场等重要信息。如图 9 展示的是某一时刻淹没水深分布。图 10 展示的不同时刻淹没范围及流场分布。图 9 某时刻洪水淹没水深分布图Fig.9 Water depth distribution map of flood inundation at a gi
25、ven time图 10 不同时刻洪水淹没范围及流场分布图Fig.10 Distribution map of flood inundation area and flow field at different time鄱阳湖基础地理信息管理系统中的二维洪水演进淹没分析系统主要有以下技术创新点： （1）地理信息系统平台与水力学模型的无缝结合应用对水力学的平面二维非恒定流数学模型的求解方法，利用当代计算机主流 COM技术进行封装实现，并提供对外接口，同时结合 ArcGIS 地理信息平台的二次开发环境组件库，在湖区的 DEM 数据基础之上，求解湖区内任意场洪水在任意时刻的淹没范围与淹没水深值。（2
26、）洪水淹没模型三维可视化及洪水演进过程的动态表现在进行模型设计时，考虑到最终模型与地理信息平台的结合及三维可视化表达，将模型计算数据结果的数据结构与目前通用 DEM 数据结构保持一致，并可以在此基础上运用地理信息平台，进行色彩渲染和不同手法的三维表现；同时，采用 ArcGIS的三维可视化动画技术，为了实时、快速、全面的动态演示洪水的发展趋势及时空变化提供依据。3.5 多种形式的查询功能 系统既可以对各类数据基本信息的查询，也可以对文档（包括文本、Word、html 等） 、图片和图像、音频和视频等多媒体资料的查询；能实现对数据的空间和属性的相互查询，并能链接它们的文档、多媒体信息等。 4. 结
27、论本文通过综合运用 3S 技术、网络、空间数据库和三维虚拟仿真等高新技术，建立了鄱阳湖湿地资源数据库和湿地地理信息管理系统，实现了多分辨率海量湿地数据采集、修改、更新和共享等功能，并可用于信息查询与检索，提供数据和图件，生成三维数字沙盘和直观生动的虚拟场景，建立分析模型，以及模拟洪水动态演进等，为鄱阳湖湿地区域经济开发、社会发展决策提供科学依据。同时，对我国湿地科学的研究与发展具有重要的借鉴和推动作用。参考文献1 McComb A J, Dans J A. Wetlands for the futureM. Gleneagles Publishing, 1998: 10-21.2 Lathro
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