蔣新新，方 瑞，樂 峰，趙 倩，苗寶文

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數據系統的研究與設計

蔣新新1，2，方 瑞3，樂 峰3，趙 倩1，2，苗寶文1，2

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029）

為準確掌握江蘇省水土流失狀況，以水土流失遙感監(jiān)測業(yè)務需求為基礎，按照統一設計原則，建設安全、高效、科學、實用的江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數據系統，對水土流失遙感監(jiān)測數據進行集中存儲、管理，統一分類、查詢、統計，為水土流失監(jiān)測和水土保持預防監(jiān)督提供數據基礎和應用平臺，為今后水土流失動態(tài)監(jiān)測提供數據支撐。

水土流失；遙感監(jiān)測；基礎地理信息；土壤侵蝕；野外調查；水土保持

0　引言

水土流失已成為當今世界危害人類生存的重大問題之一。水土流失導致土地退化、耕地毀壞、江河湖庫淤積、自然災害加劇等，對經濟和社會的發(fā)展造成多方面、全局性的及深遠的影響，甚至是不可逆的影響。我國水土流失量大面廣，危害嚴重。根據中國水土流失與生態(tài)安全綜合科學考察結果，我國水土流失面積 356 萬km2，占國土面積的37%，幾乎所有?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）都存在不同程度的水土流失現象［1］。

江蘇省丘陵山區(qū)面積為 16 047.2 km2，約占江蘇省總面積的 15.6%，水土流失主要分布于此，以水力侵蝕為主，主要表現為平原區(qū)和丘陵山區(qū)（低山丘陵、崗地）水土流失［2］。因此，監(jiān)測、預防和治理水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，建設良好的人居環(huán)境已成為備受關注的重大環(huán)境問題。為此，研究建設江蘇省水土流失遙感監(jiān)測數據系統，進一步開展水土流失動態(tài)監(jiān)測，對水土流失遙感監(jiān)測數據進行集中存儲、管理，掌握水土流失分布狀況和動態(tài)變化規(guī)律對保護水土資源、改善生態(tài)環(huán)境具有基礎性作用，可科學指導水土流失治理，為全省的生態(tài)文明建設提供保障。

1　系統目標設計

以江蘇省水土流失遙感監(jiān)測業(yè)務需求為基礎，按照統一設計原則，建設水土流失遙感監(jiān)測數據系統，為水土流失監(jiān)測和保持預防監(jiān)督提供數據基礎和應用平臺，要求系統可方便地獲取全省水土流失動態(tài)監(jiān)測成果，實現水土流失監(jiān)測、保持措施數據的動態(tài)查詢，并具備對今后水土流失監(jiān)測數據的整理和存儲的統一管理，為今后水土流失動態(tài)監(jiān)測提供數據支撐。具體目標如下：

1）遵循統一的標準體系（水土保持數據庫表結構及標識符）［3］，建成基礎地理信息、土壤侵蝕、野外調查單元、水土保持措施普查、用戶管理等數據庫，并留有小流域、重點工程、生態(tài)建設工程動態(tài)監(jiān)測數據庫接口，對動態(tài)監(jiān)測成果數據統一存儲、管理，以滿足江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測業(yè)務需求，為以后業(yè)務擴展做好準備。

2）從系統功能上劃分為基礎地理信息管理、土壤侵蝕、野外調查單元、措施普查、用戶管理等子系統，對現有成果數據統一管理與展示，以滿足目前全省水土流失動態(tài)監(jiān)測項目的業(yè)務需求，并為全面開展江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測業(yè)務保留業(yè)務擴展接口。

3）系統集成應充分利用現有的軟硬件條件和網絡環(huán)境，確保在內網環(huán)境下的數據安全。同時完成對軟件、硬件、網絡環(huán)境現場安裝調試等，實現應用系統、數據庫、軟硬件支撐環(huán)境三者之間的有機集成，保障系統穩(wěn)定、快速、高效運行。

2　系統設計

2.1數據分析

本研究所涉及的數據為水土流失動態(tài)監(jiān)測的過程和成果等數據，包括江蘇省基礎地理信息、土壤侵蝕強度、水土保持措施、野外調查單元等數據，數據格式有矢量、柵格、多媒體文件和屬性表。可實現的應用功能如下：

1）查詢全省侵蝕性降雨數據。

2）查詢各調查單元中各地塊的土地利用現狀、植被和水土保持措施狀況等，可按行政（市、縣）統計各類調查單元分布數量。

3）查詢全省降雨、土壤等可蝕因子圖。

4）按行政（市、縣）查詢水土保持措施數據和土壤侵蝕強度。

5）GIS 查詢水土流失分布、水土保持措施、野外調查單元屬性等水土流失遙感監(jiān)測要素。

6）按行政和流域分區(qū)輸出水土流失分布強度、保持措施等統計信息。

2.2架構設計

本系統采用 C/S 構架技術，主要編程語言為Silverlight/C#，空間信息服務平臺為 DTGIS，數據庫為 DTSpatial。

系統基于 DTGIS 空間信息服務平臺采用面向服務的架構思想進行設計，通過 DTGIS 空間信息服務平臺提供的元數據、遠程地圖和柵格數據等虛擬服務支撐各應用系統具體功能的實現，同時基于DTSpatial 和地拓柵格金字塔技術管理江蘇省水土流失動態(tài)監(jiān)測成果數據，為 DTGIS 空間信息服務平臺提供存儲支撐［4］。

系統以各類規(guī)范標準和保障機制為支撐，自下而上分為用戶層、應用層、應用服務層、數據層和支持技術層 5 層，總體架構如圖 1 所示。

圖1　系統架構圖

整個系統網絡與運行環(huán)境分為應用和存儲 2 個區(qū)域網絡，應用區(qū)域網絡由各類專題數據庫、應用2 個服務器構成，存儲區(qū)域網絡 SAN 由基于高速光纖網絡通信的磁盤陣列構成。

2.3數據庫設計

數據庫包含以下 5 個部分：

1）用戶管理。系統管理員針對系統用戶進行集中管理。

2）基礎地理信息。主要管理行政區(qū)劃（市級、區(qū)縣）、遙感影像、公路、鐵路、居民地、保護區(qū)等數據，行政區(qū)劃、空間信息等數據在同一坐標系下無縫應用。包含矢量、業(yè)務和柵格等 3 種數據，其中矢量數據主要是行政區(qū)劃界、保護區(qū)、河流、鐵路、公路和居民地的數據；柵格主要是遙感影像，遙感影像數據采用信息資源庫方式存儲，矢量和業(yè)務屬性數據默認采用數據庫存儲。

3）野外調查單元數據。通過行政及采樣點管理數據，具體數據包含矢量、柵格、多媒體文件等數據，其中矢量數據包含調查單元地形圖（水蝕）、水蝕地塊圖；柵格數據主要指坡度圖、坡長圖，以及坡度、坡長、措施、降雨侵蝕力、土壤可蝕性等因子圖；多媒體文件數據包括照片、水蝕野外調查表。

按照數據庫總體設計方案，矢量和柵格數據與基礎地理信息庫中矢量、柵格數據的對應處理方式一致；多媒體文件數據采用文件存儲方式。

4）水力侵蝕成果。土壤侵蝕數據庫是將水蝕的侵蝕量數據整合為一張全省土壤侵蝕普查圖。主要包括柵格數據（土壤侵蝕強度圖、R 因子圖、K 因子圖）和業(yè)務屬性表（30 年降雨數據）。數據的存儲方式與野外調查單元數據庫中各類數據的存儲方式一致。

5）水土保持措施數據。水土保持措施數據的存儲方式為數據庫存儲。

3　系統主要功能

3.1基礎地理信息管理

基礎地理信息管理主要針對江蘇省基礎地理信息數據進行管理，主要包括以下 4 方面功能：

1）三維顯示功能。主要指對行政區(qū)劃（市級、區(qū)縣）、遙感影像、公路、鐵路、居民地、保護區(qū)等要查看的數據進行三維立體展示。

2）地圖操作功能。對基礎地理信息數據進行圖層的放大、縮小、漫游等操作。

3）空間量算功能。進行距離、面積、高程測量。

4）空間疊加功能。對多個圖層數據進行疊加顯示。

3.2土壤侵蝕管理

主要包括土壤侵蝕強度、降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、降雨數據等子模塊，主要功能如下：

1）柵格計算功能。針對柵格圖進行計算。

2）查詢統計功能。針對數據按市和縣級進行查詢統計。

3）空間定位功能。針對查詢出來的某一條數據，進行空間定位。

4）圖表展示功能。用柱狀和餅狀圖展示數據。

5）導出功能。用戶可將查詢與統計的數據進行導出。

3.3野外調查管理

包括野外調查多媒體數據下載、屬性數據展示、數據查詢統計、空間定位、數據導出等功能。

1）屬性數據展示。將野外調查單元涉及的現場照片和屬性數據等進行展示，并與其對應的采樣點關聯，映射到相關的圖層上進行瀏覽。

2）數據查詢統計功能。對字段的屬性進行行政、流域查詢，并統計空間定位功能；對查詢出來的數據，進行空間定位。

3）數據導出功能。將查詢統計出來的數據進行導出。

3.4水土保持措施

主要功能為數據的查詢統計、導出，包括按行政和流域管理 2 個子模塊。

1）數據查詢與統計功能。對字段的屬性進行按行政、流域查詢與統計。

2）數據導出功能。將查詢統計出來的數據進行導出。

3.5用戶管理

用戶管理子系統主要是系統管理員針對系統用戶進行集中管理，具有用戶管理、角色分配、權限分配、日志管理等權限，可以添加、刪除和修改用戶，還可以為具體的用戶添加、修改和刪除某項功能。

4　系統實現技術

4.1系統架構的優(yōu)勢

系統采用的 DTGIS 流域地理信息服務平臺是具備通用 GIS 平臺功能［4］，重點面向水利、農業(yè)、林業(yè)、環(huán)境等相關行業(yè)的專業(yè)大型網絡地理信息系統平臺軟件。以空間數據庫、流域-水系拓撲模型、分布式計算、遠程網絡服務、空間信息共享、元數據等技術作為強勁內核，支持 PB 級多尺度數據的一體化管理和連續(xù)分析［5］，實現 GIS 平臺“以空間信息服務為核心”的技術特點。

系統支持 C/S 網絡遠程服務設計，保證數據安全的同時，方便客戶端更新維護和數據資源交互操作。支持通過網絡提供多類型的行業(yè)數據管理、查詢和分發(fā)模式，快速生成不規(guī)則結合圖的動態(tài)結果集。

采用空間數據庫、數據金字塔等技術，支持大型商業(yè)數據庫平臺，支持集中和分布式數據庫建設模式。對不同時期的基礎地理、遙感影像、行業(yè)專題等多源異構數據進行分類管理和無縫集成，實現高效穩(wěn)定的 PB 級海量數據管理。遵從 OGC 國際規(guī)范，提供元數據建庫、搜索、查詢、更新工具，實現實用、簡捷的元數據管理。

支持對分布式數據庫的基礎數據遠程調用，實現數據共享服務；基于模型分析，提供流域特征等專業(yè)信息服務；結合基礎空間數據與專業(yè)信息，提供專題服務。

4.2柵格數據的處理

將江蘇省不同分辨率的遙感圖像處理入庫是本系統的難點。由于遙感圖像數據量龐大，因此鑲嵌、入庫及操作的流暢性需要重點考慮。

鑲嵌處理的關鍵在于相鄰影像的配準。對于重疊區(qū)影像灰度配準，可以采用直方圖匹配技術。進行直方圖匹配后，確定相鄰圖幅的接邊，對于接縫區(qū)域可以通過加權平滑處理，使地物由于時相或其他因素的變化而產生的信息分量在交迭中構成穩(wěn)定的漸變，從而消除假接邊。鑲嵌時，要注意使鑲嵌的影像投影相同，比例尺一致，有足夠的重疊區(qū)域。鑲嵌結果在整體質量上滿足要求，但局部的幾何和灰度誤差不符合要求時，應對圖像局部區(qū)域進行二次幾何校正和灰度調整［6］。鑲嵌后的影像應是一幅信息完整、比例尺統一和灰度一致的圖像［7］。

操作的流暢性采用柵格數據的多尺度優(yōu)化組織，使用建立影像金字塔結構實現。簡單地講，柵格數據的金字塔結構由原始影像數據開始，建立起一系列影像，各幅影像反映不同尺度下遙感圖像的詳盡程度。通常原始影像數據反映最詳細、真實的遙感圖像，由它逐步生成其他低分辨率的影像，以反映原始影像在各尺度下的概貌。這樣，在瀏覽影像數據時，可以根據當前用戶所需的分辨率，提取相應尺度金字塔層的數據，從而實現影像數據的快速瀏覽［8］。本方案中柵格“金字塔”結構采用“多級多塔”的構架，即橫向上分成 30，60，120，240，480 和 1 000 m 等 6 級分辨率的遙感影像，而在縱向上每一級又分別對應多個金字塔結構，示意圖如圖 2所示。

圖2　柵格金字塔建立示意圖

這樣通過一系列技術手段實現了大數據量影像數據的存儲。

5　結語

本研究建成了安全、高效、科學、實用的水土流失遙感監(jiān)測數據系統。對水土流失遙感監(jiān)測數據進行集中存儲和管理，統一分類、查詢、統計，具有人機易用性和較高的可擴展性，為水土流失監(jiān)測和保持預防監(jiān)督提供了數據基礎和應用平臺，也為建立全省水土流失應用系統提供了實驗平臺和技術儲備。

建議加強水土保持監(jiān)測網點的建設與投入，提高水土保持監(jiān)測的水平與預報工作，注意以下幾點：

1）要抓好規(guī)劃，明確重點。目前，江蘇省級水土保持監(jiān)測機構與各市縣相繼成立了監(jiān)測站，但如何開展工作必須通過科學、全面的規(guī)劃予以確立。

2）引用更先進的遙感資料，全面提升基于遙感的水土流失計算成果的可靠性。

3）依托重點治理工程，開展定位監(jiān)測，拓展應用，尤其可以將水土保持監(jiān)測從定性監(jiān)測走向定量監(jiān)測，從單一的監(jiān)測水土流失工作職能走向更寬闊的服務與應用空間的綜合職能，如可以為水情和旱澇災害等提供預警、預報，可以為水土流失引起的農業(yè)面源污染，提供一體化定量監(jiān)測，更好地為國民經濟服務。

［1］ 張洋. 江蘇省水土流失重點防治區(qū)劃分研究［D］. 南京：南京農業(yè)大學，2013: 1.

［2］ 姚俊琪，高見，夏晶. 江蘇省丘陵山區(qū)水土流失現狀及綜合治理措施研究［J］ .江蘇水利，2011 （11）: 14-15.

［3］ 中華人民共和國水利部. 水土保持數據庫表結構及標識符標準：SL 513—2011 ［S］. 北京：中國水利水電出版社，2011: 1-83.

［4］ 劉憲春，曹文華，趙院，等. 全國土壤侵蝕普查數據庫設計與實踐［J］. 水利信息化，2014 （1）: 17-19，43.

［5］ 何媛，袁愛萍，張超，等. 北京市侵蝕溝道普查方法及結果分析［J］. 北京水務，2013 （5）: 1-5.

［6］ 崔丹. 縣級水土保持監(jiān)測信息系統的研究［D］. 北京：北京林業(yè)大學，2013: 22-31.

［7］ 汪福學. 退耕還林監(jiān)測與管理信息系統建設研究［D］. 北京：北京林業(yè)大學，2004: 26-32.

［8］ 陳珂. 基于 GIS 的區(qū)域石漠化監(jiān)測信息系統研究——以貴州為例［D］. 北京：北京大學，2010.

Research and Design of Water and Soil Loss Remote Sensing Monitoring Data System of Jiangsu Province

JIANG Xinxin1，2， FANG Rui3， LE Feng3， ZHAO Qian1，2， MIAO Baowen1，2
（1. Jiangsu Naiwch Co.Ltd， Nanjing 210012， China；2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring， the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012， China；3. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Jiangsu Province， Nanjing 210029， China）

In order to accurately grasp the situation of water and soil loss in Jiangsu province， based on business requirements of water and soil loss remote sensing monitoring， the article constructs the safe， efficient and practical water and soil loss remote sensing monitoring data system of Jiangsu province in accordance with the principle of uniform design. It does centralized storage， management， unified classification， query and statistics for the data，provides data base and application platform for water and soil loss monitoring and soil and water conservation supervision and prevention， and provides data support for the water and soil loss dynamic monitoring in the future.

water and soil loss； remote sensing monitoring； basic geographic information； soil erosion； field survey； soil and water conservation

S157.1

A

1674-9405（2016）04-0048-05

10.19364/j.1674-9405.2016.04.011

2016-05-24

蔣新新（1983- ），女，江蘇連云港人，工程師，主要從事水利信息化研究工作。