劉 林

(山西省水土保持科學研究所，山西 太原 030013)

晉西黃土丘陵溝壑區(qū)是山西省乃至全國水土流失最為嚴重、生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一，大量的黃土流失不僅會引發(fā)下游水庫淤積、河道堵塞、河床升高等[1-2]問題，而且會導致耕地面積減少、土壤質量惡化、人民生活困難、貧困加劇等惡性效應[3]。同時，該地區(qū)立地條件復雜、梁峁交錯，實地調查工作進展緩慢，給傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測和治理工作造成了極大困難[4]。以王家溝流域為例，該流域位于北緯37°32′～37°34′、東經111°08′～111°11′，總面積約為9.1 km2，是黃河一級支流三川河的一條支溝，位于山西省西北的呂梁市，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。流域內地形破碎、溝壑縱橫，再加上毀林開荒及陡坡地耕作等人為原因，導致水土流失十分嚴重。山西省水土保持科學研究所從1955年起對該流域進行了長期的監(jiān)測和研究，積累了包括降水、徑流、泥沙、植被、地形、土壤、水土保持措施等大量數(shù)據(jù)。如何高效管理和充分利用這些數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)監(jiān)測和管理中遇到的困難，已成為王家溝流域乃至整個黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕研究和水土保持決策的當務之急。

近年來，水利部和山西省相繼出臺了有關文件，要求積極推進信息化技術在水土保持工作中的應用[5-6]，其中“3S”技術作為信息化技術研究的熱點，具有獲取數(shù)據(jù)的實時性、連續(xù)性、快速性和數(shù)據(jù)處理的準確性、空間性，以及決策服務的可視性等優(yōu)點，同時用戶可根據(jù)實際功能需求進行GIS二次開發(fā)，實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)庫的集中管理、分析、推理和決策?；诖?，本研究采用C/S結構，用Visual Studio.net開發(fā)平臺，使用C#語言和ArcEngine二次開發(fā)組件，以Access為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并集成專業(yè)數(shù)學評價模型，建立黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息管理系統(tǒng)，以期對王家溝流域水土保持相關信息進行科學有效的管理，為晉西黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息化工作提供參考。

1 水土保持信息管理系統(tǒng)的建設

1.1 信息源

該系統(tǒng)水土保持信息源分為地圖信息、屬性信息、影像信息和其他有關信息四類。這四類信息數(shù)據(jù)量大且繁雜，采集、存儲和查詢工作量巨大，系統(tǒng)的建設為水土保持信息采集、整理建庫搭建了有效平臺。王家溝流域水土保持信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)源見表1。

1.2 系統(tǒng)體系構架

系統(tǒng)運用ArcEngine、空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE在Visual Studio.net環(huán)境下實現(xiàn)對Access屬性數(shù)據(jù)庫、Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的上傳下載、快速查詢，并結合水土保持相關模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時分析、快速專題圖制作、三維虛擬漫游等功能，大大提高了水土保持信息管理與決策的科學性和準確性。系統(tǒng)采用C/S結構，業(yè)務邏輯上表現(xiàn)為用戶界面層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)層三層。用戶界面層包含4個主功能模塊及12個子功能模塊。4個主功能模塊分別為水土保持屬性信息管理功能、野外調查標繪功能、土壤侵蝕現(xiàn)狀分析功能及三維顯示分析功能。12個子功能模塊分別為：屬性數(shù)據(jù)添加、更新功能，屬性數(shù)據(jù)修改、查詢功能，屬性數(shù)據(jù)與Excel數(shù)據(jù)相互轉化功能； 航拍影像小班標繪功能，小班面積、長度、坐標測量功能，矢量數(shù)據(jù)編輯功能；DEM數(shù)據(jù)坡度提取功能，土壤侵蝕現(xiàn)狀分析功能，土壤侵蝕結果統(tǒng)計功能；航拍影像3D圖像生成功能，3D圖像關鍵幀、路徑漫游功能，漫游視頻生成及導出功能。系統(tǒng)體系構架如圖1所示。

表1 王家溝流域水土保持信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)源

圖1 系統(tǒng)體系構架示意

2 水土保持信息管理系統(tǒng)的功能及應用

2.1 水土保持屬性信息管理功能

該模塊主要為基層人員日常數(shù)據(jù)管理工作服務。在Access數(shù)據(jù)庫支持下實現(xiàn)用戶對水土保持日常監(jiān)測數(shù)據(jù)、年度調查數(shù)據(jù)、社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)及其他相關資料、數(shù)據(jù)的管理。為便于用戶使用，屬性數(shù)據(jù)庫設有兩種數(shù)據(jù)管理模式。一是常規(guī)數(shù)據(jù)管理模式。系統(tǒng)預設了相關水土保持屬性信息的根目錄，用戶只需按系統(tǒng)要求即可完成數(shù)據(jù)的輸入、更新及查詢等功能。二是Excel管理模式。系統(tǒng)能識別xls格式的數(shù)據(jù)，用戶可直接在系統(tǒng)中對Excel數(shù)據(jù)進行操作，完成后也可輸出為xls格式的Excel數(shù)據(jù)，降低了用戶使用的難度，便于基層部門對水土保持數(shù)據(jù)的共享與管理。

2.2 野外調查標繪功能

該模塊主要是為水土保持野外調查工作服務。廣大野外工作者在進行水土保持監(jiān)測、水土保持規(guī)劃設計的過程中，常常需要開展實地勘測、野外標繪小班等工作。該模塊功能可大大減少開展相關工作的人力及物力消耗。用戶只需在系統(tǒng)中調入項目區(qū)相關航拍影像、衛(wèi)星影像或無人機航測圖等數(shù)據(jù)，使用系統(tǒng)的標繪功能，即可在項目區(qū)內標繪點、線、面矢量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供了測量功能，可在影像數(shù)據(jù)上直接進行測量，解決了傳統(tǒng)野外勘測受地形、地物限制而無法實地勘察的問題。系統(tǒng)還提供了多種數(shù)據(jù)輸出格式，便于用戶在AutoCAD、ArcGIS、MapGIS、Global Mapper等軟件中進行二次編輯和利用。

2.3 土壤侵蝕現(xiàn)狀分析功能

該模塊主要是為水土流失治理工作服務。受特殊的立地條件和自然環(huán)境影響，晉西黃土丘陵溝壑區(qū)土壤流失形式以溝道、坡面侵蝕為主。傳統(tǒng)方式對土壤侵蝕現(xiàn)狀的調查和分析常常存在勘測難度大、持續(xù)時間長、現(xiàn)狀分析滯后且盲點多等問題，給當?shù)厮亮魇е卫頉Q策造成了困難。為了更好地推廣和應用該系統(tǒng)，在模塊設計時強調了“一鍵式”的設計理念，大量的地理信息算法、遙感解譯算法和數(shù)理統(tǒng)計算法通過編程語言被鑲嵌在各功能按鈕中。對于廣大軟件用戶，無需專業(yè)的“3S”技術背景，只需要按系統(tǒng)要求提供所需數(shù)據(jù)，即可“一鍵”生成項目區(qū)各類專業(yè)的水土保持專題圖，如流域坡度分類圖、土壤侵蝕強度分級圖等，同時系統(tǒng)提供了專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具，用戶可在第一時間得到流域內各侵蝕強度的分布面積?！耙绘I式”的設計理念使軟件更容易被用戶接受和使用，真正實現(xiàn)了讓更多基層人員用起來、更好服務于基層水土保持工作的目的。

2.4 三維顯示分析功能

該模塊主要是為水土保持數(shù)據(jù)展示服務。前述3個主功能模塊已經實現(xiàn)了將普通數(shù)據(jù)轉換為2D GIS數(shù)據(jù)進行展示的目的，但為了讓用戶更好地理解和分析數(shù)據(jù)，進一步挖掘數(shù)據(jù)價值，系統(tǒng)利用IRasterSurface、ILayerExtensions、I3DProperties等接口將2D GIS數(shù)據(jù)顯示為3D GIS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對復雜流域地區(qū)的三維虛擬顯示。用戶只需按照系統(tǒng)要求添加相應的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，設定相應的膨脹系數(shù)，系統(tǒng)就能通過內部算法自動匹配對應地物坐標和特征點，快速生成相應流域的3D虛擬影像。為更直觀地展示3D GIS數(shù)據(jù)的效果，系統(tǒng)提供了兩種3D數(shù)據(jù)漫游模式，用戶可自定義關鍵幀進行局部特征位置飛行展示，也可設定飛行路徑按航線展示，多角度展示數(shù)據(jù)和提供決策依據(jù)。

3 結 語

黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持信息管理系統(tǒng)建設的目的是為黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持監(jiān)測和管理工作信息化、自動化探索新模式。該系統(tǒng)在需求分析、數(shù)據(jù)源采集、功能設計、結果展示等方面充分考慮了晉西黃土丘陵溝壑區(qū)自然環(huán)境、社會經濟及應用人群等因素，簡化了操作流程，降低了用戶專業(yè)要求，強調“一鍵式”設計理念，以實現(xiàn)真正在基層水土保持工作中推廣和應用的目的。

該系統(tǒng)所選擇的軟、硬件平臺和系統(tǒng)開發(fā)工具合理，便于實現(xiàn)Client/Server架構，且系統(tǒng)提供了多個組件式接口，可根據(jù)項目區(qū)流域實際情況進行二次開發(fā)，具有很好的靈活性和拓展性；數(shù)據(jù)庫(包括空間數(shù)據(jù)庫)設計合理，Access+Excel模式既考慮了設計規(guī)范和標準，又考慮到用戶操作的實用性，充分保證了數(shù)據(jù)的共享性；在目前水利信息化高速發(fā)展的背景下，系統(tǒng)采用“3S”技術及熱門的無人機(UAV)航測技術，實現(xiàn)了水土保持信息的獲取、管理、分析、展示的自動化、高速化和準確化，為推進晉西黃土丘陵溝壑區(qū)乃至山西省水土保持信息化工作進行了探索與嘗試。

[1] 申俊峰,孫岱生,李勝榮,等.解決水土流失與水庫淤積的有效途徑[J].水土保持學報,2001,15(2):96-98.

[2] 劉林,王小平,孫瑞卿.半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)溝道侵蝕特征研究[J].水土保持研究,2015,22(1):38-43.

[3] 周浩文.水土流失對農村貧困的影響及治理分析[J].新農村(黑龍江),2017(20):16.

[4] 喬玉良.水土流失區(qū)土地利用動態(tài)的遙感監(jiān)測——以晉西三川河流域為例[J].遙感學報,2015(3):172-181.

[5] 朱清科,馬歡.我國智慧水土保持體系初探[J].中國水土保持科學,2015,13(4):117-122.

[6] 王春玲,孟丹,王冬梅,等.我國水土保持信息化建設的現(xiàn)狀與建議[J].中國水土保持,2016(3):69-72.