成 波，江 波，李紅清

(長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和對(duì)地觀(guān)測(cè)能力的提高，生態(tài)監(jiān)測(cè)的方式從以往的單點(diǎn)觀(guān)測(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)網(wǎng)觀(guān)測(cè)，生態(tài)監(jiān)測(cè)的方法和手段也從單純的地面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹教?、航空和地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)監(jiān)測(cè)與人工實(shí)地采樣監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式[1-5]。湖泊濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)湖區(qū)濕地的水、大氣、土壤和生物等方面進(jìn)行觀(guān)測(cè)[6]，由此產(chǎn)生一系列的與湖泊濕地有關(guān)的生態(tài)數(shù)據(jù)。

湖泊濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往存在數(shù)據(jù)碎片化、資源整合度低、信息共享程度差等諸多問(wèn)題，難以描述和分析濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能的動(dòng)態(tài)變化，無(wú)法滿(mǎn)足濕地生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理的需求。如何有效整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源并建立生態(tài)監(jiān)測(cè)的信息共享平臺(tái)，推進(jìn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理和湖泊濕地資源的可持續(xù)利用和發(fā)展，是現(xiàn)階段湖泊濕地資源保護(hù)和利用所面臨的重要問(wèn)題和科學(xué)難點(diǎn)[7-9]。近年來(lái)，利用地理信息技術(shù)，建立了眾多濕地管理系統(tǒng)[10-12]，但這些濕地管理系統(tǒng)大多缺乏濕地生態(tài)系統(tǒng)時(shí)態(tài)特性的表達(dá)，難以進(jìn)行時(shí)空特性分析。此外，面對(duì)隨水位動(dòng)態(tài)變化的湖泊，無(wú)法揭示動(dòng)態(tài)水位與濕地生態(tài)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，很難為湖泊濕地管理提供有效的決策信息。

本文在探討和分析菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)、時(shí)空相關(guān)和水位動(dòng)態(tài)特性基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)模型層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)可視層的架構(gòu)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于ArcGIS平臺(tái)的菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，能夠更容易地發(fā)掘候鳥(niǎo)越冬期水位變化與濕地生態(tài)響應(yīng)的關(guān)系，可為菜子湖水位優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

菜子湖(東經(jīng)117°01′～117°10′、北緯30°43′～30°58′)位于大別山東南側(cè)、長(zhǎng)江北岸，地處北亞熱帶溫潤(rùn)氣候區(qū)，氣候四季分明，多年平均氣溫 16.5 ℃，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，降水受季風(fēng)氣候的影響較為明顯，多年平均降水量為1 389.1 mm[13]。菜子湖是長(zhǎng)江中下游典型的淺水型湖泊，由嬉子湖、白兔湖和菜子湖3個(gè)彼此連通的湖泊組成。自樅陽(yáng)閘建成后，菜子湖從原與長(zhǎng)江天然相通變?yōu)樗畮?kù)型湖泊。菜子湖水位在7、8月最高，9月湖區(qū)水位開(kāi)始逐漸下降，到次年3月水位又開(kāi)始逐漸上升，具有明顯的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[14]。水位動(dòng)態(tài)變化造成菜子湖濕地生態(tài)系統(tǒng)組成動(dòng)態(tài)變化，并進(jìn)而影響菜子湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[15-16]。

菜子湖濕地是越冬候鳥(niǎo)的重要棲息地，對(duì)生物多樣性維護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義。根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)資料，菜子湖湖區(qū)分布有國(guó)家Ⅰ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)水鳥(niǎo)4種，國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)水鳥(niǎo)6種，達(dá)到國(guó)際重要濕地1%標(biāo)準(zhǔn)的水鳥(niǎo)7種，越冬期候鳥(niǎo)數(shù)量也基本維持在20 000只以上的水平[16]。

2 系統(tǒng)需求分析

為了能夠掌握菜子湖濕地生態(tài)背景狀況，探索濕地生態(tài)水文過(guò)程的變化規(guī)律，揭示越冬期水鳥(niǎo)適宜生境和重要水鳥(niǎo)種群數(shù)量及分布格局對(duì)水位變化的響應(yīng)關(guān)系，開(kāi)展了生態(tài)環(huán)境野外監(jiān)測(cè)工作，包括越冬期水鳥(niǎo)、濕地植被、濕地環(huán)境因子、濕地生境監(jiān)測(cè)等，產(chǎn)生了大量湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)性、時(shí)空相關(guān)性和水位動(dòng)態(tài)性等3個(gè)方面的特點(diǎn)。

a. 多源異構(gòu)性。從數(shù)據(jù)來(lái)源來(lái)說(shuō)，湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)包括水、大氣、土壤和生物等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分布較為分散。除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)值型數(shù)據(jù)外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更多的是半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化類(lèi)型的，例如報(bào)告文本、視頻圖像、遙感影像、地形數(shù)據(jù)等。由于各類(lèi)數(shù)據(jù)的來(lái)源多樣、結(jié)構(gòu)不一，其數(shù)據(jù)格式也不盡相同，數(shù)據(jù)量相較以往也要大得多。

b. 時(shí)空相關(guān)性。湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)是帶有時(shí)間標(biāo)簽的空間數(shù)據(jù)，具有時(shí)間和空間屬性。時(shí)間特性描述監(jiān)測(cè)對(duì)象在時(shí)間維度上的特性，反映其在一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)動(dòng)態(tài)性；而空間特性表征監(jiān)測(cè)對(duì)象在空間域上的分布，反映其在一定空間內(nèi)的異質(zhì)性。二者相結(jié)合，表達(dá)了湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

c. 水位動(dòng)態(tài)性。水位是揭示湖泊濕地生態(tài)水文相互作用過(guò)程的主要因素之一。湖泊水位動(dòng)態(tài)變化將直接改變湖區(qū)濕地的分布情況，從而對(duì)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生影響[15-16]。特別是淺水區(qū)域、泥灘和草本沼澤濕地的分布會(huì)隨水位動(dòng)態(tài)變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，影響著野生動(dòng)物的棲息和覓食，從而使湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的組成產(chǎn)生變化。

隨著GIS技術(shù)的迅速發(fā)展，可以很好地對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理和可視分析。然而，在對(duì)菜子湖監(jiān)測(cè)的湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)管理上，缺乏高效率的數(shù)據(jù)組織方法和模型讓動(dòng)態(tài)水位能關(guān)聯(lián)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象，且能表達(dá)濕地生態(tài)系統(tǒng)隨時(shí)間的變化過(guò)程。特別是隨著對(duì)地觀(guān)測(cè)能力的提高，菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)模迅速增加，與濕地生態(tài)系統(tǒng)管理決策需求間的矛盾日漸顯現(xiàn)，亟須一種新的數(shù)據(jù)模型組織數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。建立的系統(tǒng)功能需求包括：①統(tǒng)一管理不同來(lái)源、不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)；②跟蹤記錄不同時(shí)間觀(guān)測(cè)的越冬期水鳥(niǎo)、植物多樣性、濕地生境等數(shù)據(jù)；③建立不同水位與不同監(jiān)測(cè)對(duì)象之間的相互關(guān)系，為揭示水位變化對(duì)濕地類(lèi)型、重要水鳥(niǎo)種群數(shù)量和分布格局的影響機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)的3個(gè)特性，構(gòu)建了菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)從邏輯上分為數(shù)據(jù)模型層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)可視層。其中，數(shù)據(jù)模型層設(shè)計(jì)一種基于“圖層-對(duì)象-狀態(tài)”的三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型來(lái)統(tǒng)一組織；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層根據(jù)應(yīng)用需求及數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，分為矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、柵格數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)這些多源數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與管理；數(shù)據(jù)可視層基于ArcGIS Engine二次開(kāi)發(fā)，提供各種專(zhuān)題圖，實(shí)現(xiàn)生態(tài)數(shù)據(jù)的可視化。

圖1 菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The framework of Caizi Lake wetland ecological database management system

3.1 基于“圖層-對(duì)象-狀態(tài)”的三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型

菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)底層采用的是一種三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型來(lái)組織湖區(qū)的濕地生態(tài)數(shù)據(jù)，從上到下依次是圖層、對(duì)象和狀態(tài)3個(gè)域。采用“分層”的思想將相同來(lái)源、相同結(jié)構(gòu)、相同類(lèi)型的對(duì)象組織在同一圖層，一個(gè)對(duì)象在某個(gè)時(shí)段或某個(gè)特定位置的行為、狀態(tài)等由相應(yīng)時(shí)空范圍內(nèi)的若干連續(xù)對(duì)象狀態(tài)來(lái)描述，對(duì)象狀態(tài)帶有空間位置、水位信息和時(shí)間標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)、時(shí)空關(guān)聯(lián)和水位動(dòng)態(tài)的湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織，表達(dá)濕地生境的演化過(guò)程，便于后續(xù)分析生態(tài)水文現(xiàn)象的變化機(jī)制。根據(jù)以上分析，本文提出一種基于“圖層-對(duì)象-狀態(tài)”的三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型，用于存儲(chǔ)與管理湖泊濕地生態(tài)水文過(guò)程中所涉及的時(shí)空數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 基于“圖層-對(duì)象-狀態(tài)”的三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型Fig.2 Three-domain spatio-temporal data model based on “l(fā)ayer-object-state”

a. 圖層。圖層是數(shù)據(jù)組織和管理的基本單位，按照一定的需要把相關(guān)的對(duì)象組合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜信息的分層管理[17]?？紤]到存儲(chǔ)管理和應(yīng)用的需要，同一圖層存放相同類(lèi)型的對(duì)象，可以是矢量、柵格和監(jiān)測(cè)類(lèi)別的。矢量類(lèi)型數(shù)據(jù)主要包括點(diǎn)、線(xiàn)、面圖層；柵格類(lèi)型數(shù)據(jù)主要包括未經(jīng)處理的原始影像圖層和經(jīng)校正、解譯的土地覆蓋類(lèi)型圖層；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括水位、植物、水鳥(niǎo)等要素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖層。圖層間彼此可以相互獨(dú)立，對(duì)一個(gè)圖層進(jìn)行修改，不會(huì)引起其他圖層的改變；圖層間也可以相互疊加使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)湖泊濕地生態(tài)水文相互作用過(guò)程的完整表達(dá)。

b. 對(duì)象。對(duì)象是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界客觀(guān)存在的物理實(shí)體或自然現(xiàn)象的抽象表達(dá)，是生態(tài)水文現(xiàn)象表達(dá)的主體部分，是整個(gè)數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)[18]。對(duì)象參與和主導(dǎo)著生態(tài)水文現(xiàn)象的發(fā)生，決定著生態(tài)水文現(xiàn)象發(fā)展的方向。根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，對(duì)象分為矢量、柵格和監(jiān)測(cè)對(duì)象，都具有空間特征和專(zhuān)題屬性的描述。研究生態(tài)水文交互過(guò)程需要圍繞對(duì)象展開(kāi)，通過(guò)空間特征和專(zhuān)題屬性上的變化來(lái)對(duì)其進(jìn)行刻畫(huà)和表達(dá)。

c. 狀態(tài)。狀態(tài)是對(duì)象在某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)快照，描述了對(duì)象隨時(shí)間的變化過(guò)程[19]。狀態(tài)通常記錄了對(duì)象在當(dāng)前時(shí)刻的空間特征和專(zhuān)題屬性，其中空間特征描述了對(duì)象所在的空間位置和具有的幾何形態(tài)信息，專(zhuān)題屬性刻畫(huà)了對(duì)象自身蘊(yùn)含的語(yǔ)義信息。對(duì)象的空間特征或者專(zhuān)題屬性可能隨時(shí)間而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生一系列的在時(shí)間軸上無(wú)縫、有序排列的對(duì)象狀態(tài)信息，能夠表達(dá)對(duì)象的整個(gè)變化過(guò)程。在湖泊濕地生態(tài)水文交互過(guò)程中，由于濕地生態(tài)數(shù)據(jù)的水位動(dòng)態(tài)特性，狀態(tài)同時(shí)記錄了對(duì)象當(dāng)前時(shí)刻的水位信息，通過(guò)狀態(tài)序列數(shù)據(jù)，有助于分析和挖掘濕地生態(tài)系統(tǒng)隨水位變化的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

3.2 基于Geodatabase的時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

空間數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)真實(shí)世界實(shí)體的空間特征和空間過(guò)程的抽象表達(dá)，記錄了對(duì)象的幾何、屬性和位置關(guān)系數(shù)據(jù)，以存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描述[20]。Geodatabase是一種常用的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，可以方便地存儲(chǔ)空間位置、形狀、范圍和分布信息，并建立高效的空間索引，從而快速地將空間信息與屬性信息聯(lián)系起來(lái)，為上層應(yīng)用的分析和決策提供支撐。

考慮到三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型中對(duì)象存儲(chǔ)管理和應(yīng)用的不同需求，利用Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)，分別建立矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、柵格數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，存儲(chǔ)和管理不同來(lái)源、不同結(jié)構(gòu)、不同類(lèi)型的湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的查詢(xún)、分析和應(yīng)用?，F(xiàn)有菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)組成見(jiàn)圖3。

圖3 菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)組成Fig.3 Data composition of Caizi Lake wetland ecological database management system

3.2.1矢量數(shù)據(jù)庫(kù)

矢量數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放經(jīng)數(shù)字化后的一系列湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)，涉及點(diǎn)、線(xiàn)和面3種不同的要素類(lèi)。根據(jù)數(shù)據(jù)的不同來(lái)源，按照行政區(qū)劃、基礎(chǔ)地形和水系等圖層進(jìn)行組織。其中，基礎(chǔ)地形圖層包括菜子湖地形測(cè)量的等高點(diǎn)和等深線(xiàn)等數(shù)據(jù)；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)包括菜子湖所在區(qū)域的行政村、居民點(diǎn)數(shù)據(jù)；水系數(shù)據(jù)包括菜子湖水系線(xiàn)和水系面數(shù)據(jù)。

3.2.2柵格數(shù)據(jù)庫(kù)

柵格數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放長(zhǎng)時(shí)序的不同分辨率的原始影像和解譯成果數(shù)據(jù)。原始影像數(shù)據(jù)包括資源三號(hào)、高分一號(hào)、Landsat5、 Landsat7和Landsat8等影像數(shù)據(jù)，原始影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)影像配準(zhǔn)、融合、鑲嵌、裁剪和分類(lèi)等操作后，得到解譯成果數(shù)據(jù)，典型的解譯成果數(shù)據(jù)包括濕地類(lèi)型分布圖和植被類(lèi)型分布圖。按照原始影像和解譯成果圖層來(lái)組織柵格數(shù)據(jù)，使得它們能夠快速地被加載。

3.2.3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放氣候、水文以及生物多樣性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為了更好地了解菜子湖濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變化情況，除了采用遙感手段外，還需要利用傳統(tǒng)的采樣監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)觀(guān)測(cè)越冬期水鳥(niǎo)種類(lèi)、數(shù)量、時(shí)空分布等水鳥(niǎo)多樣性信息，植物種類(lèi)和植物區(qū)系、植被類(lèi)型和分布等植物多樣性信息，同時(shí)結(jié)合水文監(jiān)測(cè)信息，可以研究湖區(qū)水鳥(niǎo)生境和種群分布、數(shù)量等變化情況，跟蹤分析水位抬升對(duì)其帶來(lái)的影響。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄菜子湖遷徙水鳥(niǎo)及其棲息地生境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以圖層來(lái)組織水鳥(niǎo)、植物、水文等監(jiān)測(cè)對(duì)象。其中，水鳥(niǎo)是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的對(duì)象，采用路線(xiàn)調(diào)查與定點(diǎn)觀(guān)察相結(jié)合的方法，水鳥(niǎo)狀態(tài)表中記錄觀(guān)察范圍內(nèi)出現(xiàn)的水鳥(niǎo)種類(lèi)和數(shù)量等信息；植物監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)包括植物的類(lèi)別、數(shù)量、分布等特征信息；水文監(jiān)測(cè)對(duì)象是一系列的水位站點(diǎn)，采集的信息主要是水位、水深等數(shù)據(jù)。

此外，由于監(jiān)測(cè)對(duì)象可能一直產(chǎn)生新的狀態(tài)信息，單個(gè)對(duì)象狀態(tài)表的承載能力是有限的，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)表存儲(chǔ)的記錄數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其所能支持的數(shù)量時(shí)，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)端造成極大的負(fù)載，嚴(yán)重影響對(duì)象狀態(tài)查詢(xún)等的效率，因此考慮以時(shí)間段來(lái)拆分對(duì)象狀態(tài)表。當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)表超過(guò)規(guī)定的時(shí)間段后，自動(dòng)建立一個(gè)新的對(duì)象狀態(tài)表，將后續(xù)數(shù)據(jù)寫(xiě)入新的對(duì)象狀態(tài)表。分區(qū)表記錄了每個(gè)對(duì)象狀態(tài)表的起始時(shí)間范圍，以及對(duì)應(yīng)的圖層。當(dāng)需要查詢(xún)某一時(shí)段范圍內(nèi)的對(duì)象狀態(tài)記錄時(shí)，借助分區(qū)表，縮小查詢(xún)的范圍，將查詢(xún)目標(biāo)確定在一個(gè)或幾個(gè)對(duì)象狀態(tài)表，以提高查詢(xún)的效率。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的組成結(jié)構(gòu)Fig.4 The component structure of monitoring database

3.3 基于ArcGIS Engine的時(shí)空數(shù)據(jù)可視化

對(duì)湖泊濕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理后，菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)還需要滿(mǎn)足與時(shí)空信息有關(guān)的可視化需求，使得生態(tài)水文現(xiàn)象隨時(shí)間變化的過(guò)程表達(dá)更直觀(guān)、更容易被理解，從而有利于管理部門(mén)對(duì)湖泊濕地的監(jiān)管、保護(hù)和利用。ArcGIS Engine是一款能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和可視化的組件庫(kù)，具有強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)功能和獨(dú)立性，可以快速方便地定制出滿(mǎn)足不同需求的地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序的平臺(tái)。ArcGIS Engine提供了漫游和縮放地圖、繪制和查詢(xún)要素、制作專(zhuān)題圖等制圖綜合功能。數(shù)據(jù)可視模塊以專(zhuān)題圖的形式實(shí)現(xiàn)這些湖泊濕地生態(tài)數(shù)據(jù)的空間可視化，大大提高了數(shù)據(jù)的直觀(guān)性。

由于湖泊氣候、水位、地形條件等因子直接影響濕地生境，借助于數(shù)據(jù)可視層，通過(guò)不同圖層生成的專(zhuān)題圖，可以直觀(guān)理解湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)組成與各因子間的響應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)主要使用基礎(chǔ)信息專(zhuān)題和濕地生態(tài)專(zhuān)題2種專(zhuān)題圖層，其中，基礎(chǔ)信息專(zhuān)題圖主要是對(duì)菜子湖所在區(qū)域的行政區(qū)劃、水系、地形、水位等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)渲染，并以專(zhuān)題圖形式直觀(guān)表達(dá)；濕地生態(tài)專(zhuān)題圖主要是對(duì)菜子湖濕地生境的植被和動(dòng)物等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化和繪制等操作，表達(dá)它們?cè)诳臻g上的分布。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio.NET 2015開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用兩層的C/S模式實(shí)現(xiàn)矢量、柵格和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，其中客戶(hù)端采用DevExpress 15.2開(kāi)發(fā)的可視化界面，服務(wù)器端則是基于Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)，二者通過(guò)ArcGIS Engine 10.2組件庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的通信?，F(xiàn)階段菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了菜子湖2010—2018年(水位6.97～8.6 m)Landsat系列和資源三號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)及其解譯成果數(shù)據(jù)、2018年8月測(cè)量的等深線(xiàn)數(shù)據(jù)、2018年10月至2019年3月的越冬期候鳥(niǎo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、1956—2019年逐日的水位數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量約30 GB。系統(tǒng)主界面包括菜單欄、工具欄、圖層管理區(qū)、地圖顯示區(qū)等，如圖5所示。

圖5 菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)主界面Fig.5 The main interface of Caizi Lake wetland ecological database management system

系統(tǒng)包括圖庫(kù)控制、查詢(xún)操作和專(zhuān)題制圖3個(gè)模塊。其中，圖庫(kù)控制模塊可以對(duì)矢量、柵格和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加載和管理；查詢(xún)操作模塊分為圖形查屬性和屬性查圖形功能；專(zhuān)題制圖模塊可以生成基礎(chǔ)信息專(zhuān)題圖和濕地生態(tài)專(zhuān)題圖。

2018年12月，菜子湖車(chē)富嶺平均水位為 7.34 m，共監(jiān)測(cè)到國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)水鳥(niǎo)6種，其中國(guó)家Ⅰ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)水鳥(niǎo)3種：白頭鶴、白鶴、東方白鸛；國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)水鳥(niǎo)3種：白琵鷺、白額雁、小天鵝(圖6(a))。2019年1月，菜子湖車(chē)富嶺平均水位為7.42 m，共監(jiān)測(cè)到國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)水鳥(niǎo)6種，與2018年12月監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致(圖6(b))。通過(guò)對(duì)比不同水位下的生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出隨著水位的變化和時(shí)間的推移，菜子湖濕地的面積和結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，對(duì)越冬期水鳥(niǎo)的種類(lèi)、數(shù)量及其棲息分布產(chǎn)生影響。

(a) 水位7.34 m

(b) 水位7.42 m圖6 不同水位下菜子湖濕地重要水鳥(niǎo)分布Fig.6 The distribution of important water birds in Caizi Lake under different water levels

2018年開(kāi)始在菜子湖開(kāi)展野外觀(guān)測(cè)工作，本系統(tǒng)對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，能夠直觀(guān)地呈現(xiàn)菜子湖濕地生境、越冬期水鳥(niǎo)種群數(shù)量和分布格局、棲息地選擇對(duì)水位變化的響應(yīng)關(guān)系，用于制定菜子湖水位調(diào)度方案，為菜子湖不同適應(yīng)性水位下越冬期水鳥(niǎo)種群數(shù)量和空間分布格局的預(yù)測(cè)和評(píng)估提供依據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，提出一種基于“圖層-對(duì)象-狀態(tài)”的三域時(shí)空數(shù)據(jù)模型，以支持濕地生境演化過(guò)程的表達(dá)；利用Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)矢量、柵格和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理；借助ArcGIS Engine實(shí)現(xiàn)各種專(zhuān)題圖的可視化表達(dá)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了矢量、柵格和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)和管理以及可視化，能直觀(guān)反映菜子湖濕地生境對(duì)水位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，從而為菜子湖不同適應(yīng)性水位調(diào)度對(duì)水鳥(niǎo)種群數(shù)量和空間分布格局的預(yù)測(cè)和評(píng)估提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)菜子湖水位的優(yōu)化調(diào)控和菜子湖濕地的科學(xué)管理。目前系統(tǒng)的主要功能是對(duì)菜子湖濕地生態(tài)數(shù)據(jù)管理、查詢(xún)以及可視化，后續(xù)需要進(jìn)一步在數(shù)據(jù)處理分析和業(yè)務(wù)化應(yīng)用等方面進(jìn)行研究，為水利工程與生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展提供參考。