北京市延庆县水土保持监测信息系统的开发研究概述（田玉柱,王明芹,王厚）

延庆县水土保持监测信息系统可以在Windows9x和WindowsNT、Windows2000/XP操作平台运行。该系统选择课题组前期自主开发的GIS Region Manager软件管理为工作平台。系统为中文界面, 可与其他不同系统的数据格式相互交换。同时建立了与等应用程序之间的接口程序。

基础数据库是水保监测信息系统的核心, 它的数据组织、数据结构、质量的好坏直接影响到信息系统的正常运行和应用模型的进一步开发。因此, 必须严格把握建库作业流程中的每一技术环节。具体地说, 建库作业就是要确保所有数据正确无误地进人数据库系统。

1 数据采集

在监测信息系统的建设中, 数据采集是一个很重要的环节, 数据的详实程度和数据的精确度决定着信息的准确性,也就决定着整个监测信息系统的准确性和系统的应用价值。

1.1 墓础数据收集

考虑到成图比例、判读精度、数据成本等因素, 本次工作选取遥感数据为美国LandSat号星2001年5月19日过境时TM专题制图仪获取的延庆县7个波段数据;法国SPOT4号星获取的延庆县境内SPOTAN数据, 2001年9月20日的2景和2002年1月17日的2景, 共4景数据;以及1/4景IKONOS数据。数据选取时主要是考虑到时段内地表植被叶子完全萌放, 植物所具有的信息性最好, 不仅信息量大, 而且类型差异明显。

要完成基础信息获取, 除了选取遥感图像外, 还必须收集其他相关的背景资料, 用于辅助判读或作为检验分类精度的参考。

1.2 遥感数据处理

在进行土地利用现状提取过程中, 制作了3套遥感地图。由于SPOT数据有较高的地面分辨率, 而TM遥感影像有较高的波谱信息, 可以结合二者的优点进行信息提取。TM遥感影像融入SPOTAN波段, 其成图比例最高可做到1:2.5万。

TM和SPOT数据已用于比例尺调查与制图。目前条件下, 借鉴前人研究与实验结果, 用TM和SPOT数据做土地利用的二级分类已比较成熟。按照全国农业区划委员会制定的土地利用分类, 结合延庆县土地利用情况, 根据土地经营特点与利用方式, 划分延庆县土地类型, 并对照遥感影像特征和野外验证情况, 制定延庆县1:1万TM、SPOT复合影像土地利用类型解释标志。

2 图形数据库的建立

数据外业收集完成以后, 需经过内业整编处理才能输入计算机。整编包括对数字的专业化分类, 属性编码。图形矢量化处理, 图幅编制, 其他有关的声音, 图片索引关系建立等。

2.1 图斑勾绘

对于已经建立了解释标志的遥感图像在Photoshop或其他图像处理软件中, 勾绘出图斑。图斑勾绘比较复杂之处在于确定边界。一般情况下行政界线、道路、河流、分水岭等作为图斑的天然界线首先勾绘出来;然后根据不同的土地现状、不同的地貌部位、不同的土壤、不同的植被、不同的气候等进一步细划, 直到图斑对所调查的属性内容能够全部表现出来为止, 这时的图斑称之为最小图斑。

2.2 地图扫描矢量化

延庆县1:1万地形图共110张, 把这些地形图用数字化仪输入到计算机工作量太大, 我们是通过工程扫描仪以TIF格式将地形图扫描到计算机中, 在扫描过程中将扫描图的类型设为灰度图, 分辨率设为400, 这样可以减少在矢量化过程中的冗余数据又可以节省磁盘空间。

地形图扫描完成后, 将图像矢量化为图形(平原区等高线间距为5m, 山区等高线间距为10m)。

2.3 图形分层处理

图形分层针对矢量数据结构而言, 它由点、线多边形等若干层组成, 每一个图层代表一个专题。由此, 一个矢量结构的综合图是由若干图层叠加而成, 3S工程建设项目就是使用这种表达方式。

对于矢量化和已经裁剪的图形, 或多或少会出现一些断线或冗余线, 这就要求对弧段进行如连接、删除等处理。在转换面图层时要求每条线应在合点精度范围以内, 否则不能形成闭合的多边形。

2.4 DEM(数字高程模型)图的生成

根据1:1万地形图标准分幅原理, 结合延庆县地理分布状况, 草拟延庆县地形图拼接快视图, 将矢量化后的110幅地形图拼接在一起。

3 属性数据库的建立

水土保持监测信息系统的功能主要有2点建立、更新数据库和查询、显示、分析、出图、出报表等。建立信息系统的开端是基础数据库的建设。

图形、图像处理结束后, 下一步就是数据表的修改。在Regionmanager中除了注记图层外其他的图层都有自己唯一的数据表。表的结构包括“字段名称” 、“数据类型” 、“字段大小” 和“是否空值” , 统称为字段属性。在字段属性中,除了“字段名称” 、其他属性的值一经确定则无法修改。在添加字段时, 打开数据表结构只需在下拉表中的“字段名称” 栏的最后一栏空处双击鼠标使光标进入, 即可用键盘输入。输人字段名称后, 再选择对该字段的定义。

空间数据是通过各种不同属性的专题图分层叠加得到的最小图斑图, 为区别图斑的不同属性, 每一图斑都对应一图斑号, 也称之为地块号, 地块号是为了便于管理而设计的。

在数据表结构修改完成以后, 接下来是对图斑赋属性。为了便于输入, 通常以代码形式输入, 然后再通过DAO数据库管理器将其替换为汉字。延庆县水土保持监测信息系统所需指标可以根据专业要求确定。

在新建的地图中, 加入DEM图和地块图, 选中要计算高程、坡度的地块, 将DEM图确定为当前图层, 执行DEM查询即可得到平均高程、平均坡度、最大高程、最小高程、表面积等指标。然后将计算结果保存下来。

4 监测结果

监测成果以数据库、图形库、图片库、图像库和视频文件等多种方式表达, 各县通过网络上报统计数据, 逐级汇总, 最后到监测中心。监测结果从4个层面来反映:①全县域的监测;②乡镇域的监测;③小流域的监测;④典型工程的监测。监测的具体内容分为:①土壤侵蚀动态监测;②水土流失治理监测;③治理效益监测。

延庆县县域范围的水土保持监测, 以采集到的1:5万土壤图、岩石类型图、林业资源图等为基础, 以TM4、5、3合成的影像图为数据源, 做宏观控制。以1983年为本底条件, 对不同时段所采集的数据进行对比分析, 得到不同时段的监测结果。

4.1 侵蚀监测结果

延庆县处于水力侵蚀类型区, 其侵蚀强度可以通过专家知识模型来判别, 得到延庆县土壤侵蚀强度情况数据结果。

4.2 治理监测结果

(1)进度监测结果。主要是指对区域水土保持综合治理的实施进度进行的监测。

(2)质量监测结果。根据项目监测评价的要求, 要对各项已完工工程的质量进行验收评价, 以各工程项目的设计报告为基本依据, 结合各项工程的有关技术标准进行验收评价。对完成的工程, 用相应的技术指标进行验收评价后, 统计出各质量级工程所占的比例, 然后确定被监测工程的质量, 对不合格的工程要进行相应的技术处理。

4.3 效益监测结果

(1)经济效益监测。经过对全县各利用面积的统计分析得出梯田、苗圃、果园等的面积, 再根据直接经济效益计算公式即可得到全县的经济效益。

(2)社会效益监测。通过查阅《延庆县2001年社会情况统计手册》可得到延庆县2001年生产总值、总人口、粮食总产量、恩格尔系数等。通过计算可得到耕地面积、人均耕地面积、人均生产总值、土地利用结构、人口密度等。

5 系统的更新

信息系统是从过去当时的现状中获取的信息。然而自然界无时无刻都在发生着变化, 随着时间的推移, 计算机中的信息只能代表历史, 这时应该补充新的信息, 使系统得到更新。这样, 系统经过多年应用之后就形成了动态时间序列，这正是信息系统的优势。

5.1 动态变化时间间隔确定

信息的时间序列变化有一定规律的, 为适应客观规律,同时满足生产的要求, 要制定合理动态更新的时间间隔。概括地说, 时间段的选择由以下几点所决定:①实体变化速率;②生产实践的要求;③投资的可行性;④规范性与标准化。

对于影响水土流失因子的指标, 如土地利用现状、社会经济、植被、气象、水文等, 应该以1年为监测周期。土壤地貌、地质等变化速率缓慢的指标, 可以以50年或10年为监测周期。

5.2 动态更新与存贮

动态更新的数据有以下情况增加数据库字段, 把变化后的情况保存在新的字段中把变化的图形文件和数据库文件分别存为其他文件把图形和数据库中变化的部分经修改保存为其他文件。

6 结论

(1)县级水土保持监测管理信息系统的建立, 综合运用3S技术、数据库、管理信息系统等技术和方法。应用RS、GPS采集空间数据和其他数据建立各种层次、各种类型的水土数据库。这些数据资料在集成的“3S” 系统内可以通过RS、GPS技术及时更新。同时利用GIS的空间查询和分析功能, 可以实现科学定量的分析。县级水土保持监测信息系统的建立, 在方法、效率上比以往均有较大改进。

(2)县级水土保持监测信息系统的建立, 有利于解决目前县域范围的水土保持监测工作缺乏完整、系统的管理信息现状。应用该系统, 可以方便、有效、快捷地实现按流域、乡镇、全县等不同行政级别及按指标需要等进行数据的查询、统计、分析, 为指导县域范围内的水土保持工作, 反馈水土保持工作中出现的问题, 以及正确分析水土保持的各项效益, 提供了一套方便快捷的工具。

(3)该信息系统通过在延庆县的应用, 对我县2001年的ETM/SPOT/IKONS等数据的处理与分析, 以及观测、调查、统计等, 建立了属性数据库和空间数据库。比较客观、真实地得到延庆县、乡镇、小流域3个级别的土壤侵蚀、治理情况、效益等监测结果, 并可用以未来时间序列的预测与预警, 系统的实用性及应用前景良好。

作者简介：田玉柱（1963-）, 男, 高级工程师。

来源：《北京水利》2005年第6期