山區生態資源空間信息管理及可視化

發布時間：2023-07-20 10:31

引言 1

第1 章緒論 2

1.1選題背景與意義 2

1.2山區生態資源空間信息管理及可視化國內外研究現狀 2

1.2.1國外研究現狀 3

1.2.2國內研究現狀 4

1.3本文主要工作 6

1.3.1本文研究的主要內容 6

1.3.2本文主要研究技術路線 7

1.3.3本文創新點 9

1.4本章小結 9

第2 章山區生態資源空間信息建模研究 10

2.1山區生態資源空間信息建模的基本理論 10

2.1.1生態資源及生態資源空間信息 10

2.1.2GIS 在生態資源空間信息管理中的應用 11

2.1.3DEM 山體陰影模型理論 12

2.2空間信息組織與管理 13

2.2.1空間數據管理模式 13

2.2.2空間數據引擎 16

2.3山區生態資源空間信息模型構建 18

2.3.1二維矢量數據的獲取及編輯 18

2.3.2遙感影像數據的獲取及處理 19

2.3.3地表模型的構建 20

2.3.4山體陰影專題圖的構建 23

2.4本章小結 24

第3 章山區生態資源空間信息管理及可視化系統的分析與設計 25

3.1系統分析 25

3.1.1 需求分析 25

3.1.2系統功能分析 25

3.1.3系統用戶分析 27

3.1.4系統用例分析 27

3.2系統設計 33

3.2.1系統架構設計 33

3.2.2系統數據庫設計 35

3.2.3系統界面設計 38

3.3本章小結 39

第4章山區生態資源空間信息管理及可視化系統的開發與實現 40

4.1系統開發平臺及軟硬件配置方案 40

4.2系統具體功能實現 40

4.2.1系統與數據管理功能 40

4.2.2地圖基本操作功能 42

4.2.3生態資源信息空間查詢功能 43

4.2.4生態資源空間分析功能 45

4.2.5山區生態資源三維瀏覽功能 47

4.2.6專題圖制作與輸出功能 48

4.3本章小結 49

結論 50

參考文獻 51

致謝 55

導師簡介 56

作者簡介 57

學位論文數據集 58

引言

生態資源，通常指自然資源，即在一定的技術經濟條件下，自然界中可被人類用于生產和生活的一切物質［1］。山區生態資源是包括林木、林地及所在空間范圍內一切植物、動物、微生物，以及這些生命體賴以生存并對其有重要影響的自然環境在內的總稱。山區資源具有一定的結構，即水平結構、垂直結構和時間結構［2］。反映并描述這些結構的內容構成山區生態資源的空間特征和屬性特征。

山區生態資源是農林業的基礎，對其進行有效管理是實現農林業可持續發展的關鍵。過去，我們用資源管理薄和資源基本圖來反映其基本信息，常每 10 年更新一次［3］。隨著山區生態資源調查方法的進步，調查規模的擴大，山區生態資源信息的管理日益顯得重要。否則即使擁有大量信息，因為不知道存放在哪里，或沒有按分析的要求采集整理，只能是一大堆雜亂無章的數據［4］。因此，只有把長期積累下來的數據整理成可供分析使用的山區生態資源信息，才能實現有效管理。

山區生態資源信息管理包括對空間信息和屬性信息的采集、處理、分析、評價、預測和模擬等功能，它是一個復雜過程。過去 30 多年來，國際、國內學者對山區生態資源信息在如何管理上，大多是采用傳統的管理模式，以屬性數據來作為信息源和管理對象，造成山區生態資源的屬性信息和空間信息隔離，使大量圖形、圖像空間信息不能被充分利用，各種專題地圖只作為描述客觀事物的手段［5］。由于空間信息閑置或缺少，對山區生態資源內在的規律無法進行全面分析和掌握，難以滿足生產和管理的需要。

GIS的發展與廣泛應用恰恰為解決這個問題提供了理論與技術支持，GIS作為多學科交叉的產物，可以為現代生態資源環境研究提供有效的理論方法和技術支持，在生態資源管理研究中， GIS 可以將不同來源、不同類型的數據進行綜合，從而為生態資源管理者和決策者提供數據與信息支持［6］。應用地理信息系統可以做到圖上動態管理和監測，從而能夠更真實、更直觀地把握山區生態資源的狀況及變化。由于 GIS 不但能處理數據和文字信息，而且能同時處理圖形信息，兩者的綜合解析實現了現代意義的山區生態資源調整、預測、決策、監測及其評價［7］。因此， GIS 是今后山區生態資源信息管理中必不可少的手段和方法。

第 1 章緒論

1.1 選題背景與意義

生態資源是指在生態系統中，能為人類的生存和發展所利用的各種物質、信息、空間和時間。山區生態資源包括山區范圍內存在的農業資源、水資源、礦產資源、森林資源、旅游資源等。對山區生態資源進行合理的管理、利用和保護關系到人類的生存和可持續發展［8］。

目前，我國山區生態資源的調查和信息管理工作比較落后，大多是先隨機取樣，然后再去實地調查，對于各類數字和圖件信息的管理也主要是人工管理方式，這會帶來很多問題。首先，歷次的調查數據資料及其他專題數據和圖件在保管上存在紙介質易老化、易磨損，而且主要依靠手工管理數據資料，數據更新速度慢、準確性差、數據格式內容不統一，不利于資源統計和標準化管理；其次，現有資料無法反應生態資源之間的空間關系，同時山區是一個起伏不定的表面，高程信息對資源的分布影響顯著，現有資料沒有考慮這些信息；最后，山區生態資源管理決策工作常常因為手頭現有數據不詳，數據找不到或反映情況不明而具有一定盲目性，并存在不能及時有效決策的現象，這些都影響了管理工作的順利開展［9］。

GIS （地理信息系統）和計算機可視化技術的迅速發展，使基于GIS技術的生態資源空間信息管理及可視化成為可能。因此為了全面系統地掌握山區生態資源狀況，提高生態資源的科學管理水平，改變過去傳統落后的資源管理模式，適應生態資源保護工程的需要，非常有必要進行山區生態資源數據、地圖的科學化管理，使資源信息能輔助決策者科學地經營決策，本文進行了基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理及可視化研究并實現系統的編制。系統不僅提供調查數據空間與屬性相結合的管理方法，是調查數據的電子檔案，不易缺失；而且綜合考慮生態資源的位置信息和山區高程差異的高程信息，在二三維一體化的可視化平臺下提供豐富的圖文并茂的數據圖形查詢系統功能；同時，可生成各類統計報表和農林管理部門必須的各類專題地圖，為基層農林管理部門的管理提供決策服務。本研究對于山區生態資源的科學合理管理和保護，促進人類的生存和可持續發展具有重要意義。

1.2山區生態資源空間信息管理及可視化國內外研究現狀

Crain等將GIS在山區生態資源上的應用過程大致分為3個階段凹。

1）作為生態資源調查、數據管理的工具。在這個時期， GIS 的作用主要是進行地圖的制作和實現簡單的查詢功能［11］。首先是根據生態資源的空間信息建立空間數據庫，并通過GIS軟件進行生態資源分布圖及各類報表的生產和輸出。

2）作為生態資源分析的工具。在這個時期， GIS 的作用已不單單是地圖顯示和簡單查詢，其開始注重對空間圖形，及各類屬性數據進行各類分析，包括統計分析和空間分析，并由此得到新的信息［12］。

3）作為生態資源管理者輔助決策的工具。在這個時期， GIS 的作用進一步深化到用于建立各種模型，并利用模型運行結果進行輔助決策［13］。

此進程說明國內外專家學者在一步步加深對 GIS 的理解和應用。 GIS 在生態資源管理中的應用，首先在國外一些發達國家起步和發展，如美國、加拿大等。目前，這些國家在生態資源 GIS 中的應用已進入第二、第三階段。但在我國，在生態資源空間信息的管理和可視化應用中，對GIS的利用大多還在第一階段。

利用 GIS 技術對山區生態資源空間信息進行管理、經營、可視化、決策是國內外研究的重要課題。

1.2.1 國外研究現狀

國外基于 GIS 的生態資源空間信息管理系統主要集中在東亞、北美和西歐。加拿大是 GIS 的發源地和生態資源空間信息管理 GIS 應用的探路者，其國內大部分地區已經實現了生態資源管理 GIS 的建立和使用，這些系統除了對生態資源空間信息進行基本的查詢和制圖外，還能在數據管理和更新、資源清查等方面發揮重要作用［14］。 GIS 系統在美國發展和應用也較早，而且其在國民經濟各方面都已形成了相關產業應用，在生態資源管理方面，其相應管理部門也很早就進行了 GIS 的應用［17］。 GIS 在生態資源空間信息管理中主要應用于生態資源管理、生態資源空間監測以及資源的規劃設計等方面。目前美國對于 GIS 在生態資源管理方面，不光進行了生態資源空間信息的管理，而且逐漸發展到對于全球生態資源和環境的管理和變化監測，以及對森林保健 FHM 進行實時監測［18］。隨著航空航天遙感的發展，各種高分辨率遙感影像的獲取變得更加便捷和實時性，為此，美國聯邦林務局嘗試利用遙感技術及相關技術，研究利用各類遙感影像信息，通過相應的分析處理來得到全球生態資源信息空間數據庫［18］。西歐地區對于生態資源空間信息管理 GIS 的研究應用也比較成熟，例如，比利時利用 GIS 進行水土保持方面的監測研究［23］。法國利用 GIS 技術進行各類生態資源的監測，并進行了全國范圍內各類生態資源的普查［24］。東亞地區，聯合國糧農組織的一個所屬單位根據 GIS 對生態資源的管理和應用進行了研究［25］。例如基于 GIS 技術對湄公河所經過的地區的植被進行普查和保護等［26］。日本的伊藤達夫在1990年基于GIS技術獲得了當地山區生態資源的管理方案，并利用此決策進行應用后得到了很好的效果［27］。在南亞地區，印度遙感研究所的SKBhanSKSahaL.M.Pade于1997年利用GIS、GPS和RS，3S技術對印度的一片熱帶雨林區域進行了研究，并由此構建了熱帶雨林資源管理和監測的 3S 模型，為利用 3S 技術進行其他各類生態資源的管理和開發提供了經驗［18］。

由此可見，國外專家學者很早就開始了對生態資源管理及可視化系統的理論及應用的研究，理論系統比較成熟；從應用看，也已廣泛應用于生態資源管理、資源規劃、生態資源景觀分析等資源管理上。但是這些研究大多針對生態資源中的旅游資源、水資源、森林資源、礦產和農業資源等，對于特定小領域的山區生態資源進行管理的研究卻不多見。同時現有研究大多基于二維的環境，對生態資源的空間和屬性信息進行管理和應用，少有構建三維環境，進行二三維一體化環境下的空間信息管理及可視化的研究。因此本文提出了基于 GIS 二三維一體化環境下的山區生態資源的空間信息管理及可視化的研究。

1.2.2 國內研究現狀

在國內，生態資源管理主要基于以下兩個方面進行技術革新，從而使其管理手段從傳統管理方式向新型科學管理方式進步：

1）將傳統的栽培手段和新興的生物技術、基因技術相結合，從而使生態資源實現作物長勢更優良、產量更高、管理手段更高效的目的［30］；

2）將生態資源管理和現代計算機技術、互聯網技術、 3S 技術相結合，利用 GPS 的高精度定位功能和遙感影像的非接觸無破壞性、易于實現大面積觀測、時間分辨率高等特點，實現 3S 技術在生態資源空間信息獲取、處理、管理、分析方面的飛速進步，從而使生態資源空間信息管理系統在各類生態資源和全國范圍內生態資源的管理上得到廣泛的應用［31］。

3）隨著時代進入 21 世紀，生態資源管理系統要想實現長足的發展，就必須與信息化、數字化技術相結合，這是時代的要求，更是對生態資源管理現狀的改進及發展前提。自從時任美國副總統戈爾在 1998 年提出“數字地球”的概念后， GIS 技術在全球范圍內得到飛速的發展，生態資源空間信息管理 GIS 更是在此背景下獲得了很大的發展，其在生態資源管理信息化、數字化的工作中發揮著越來越重要的作用［32］。其主要是由于要實現“數字地球”， GIS 技術是重中之重，也是不可或缺的基本技術。而作為數字地球這個概念的重要組成部分，基于 GIS 技術的數字生態資源空間信息管理系統勢必會得到更廣泛的應用和發展。

國內對于 GIS 在生態資源管理方面的應用，基本上剛出于引進試驗和進行深入研究的地步，對其進行實際應用的較少，研究范圍不廣泛［33］。主要是由于生態資源管理部門對其完成的資金和人力投入較少，所以 GIS 在生態資源空間信息管理方面的應用沒有其他部門的應用和重視度高。而現有方面的應用主要集中于 GIS 在生態資源數據庫的建立、遙感影像分析、區域綜合治理項目，以及生物多樣性信息管理等方面。例如，截至 1992 年，在對三北防護林進行遙感調查項目的應用中，中國林科院等部門成功基于 GIS 技術進行了研究區域內的遙感影像獲取與分析，成功構建了研究區內各項資源的空間數據庫，并進行了最終的成圖展示［34］。 1991 年， GIS 同樣被用于進行森林資源現代化管理項目，該項目由唐守正院士負責建立中國林科院森林研究部，最終課題在大青山生態資源管理中進行應用試驗，取得了滿意的效果［35］。 1992 年，西南林學院和世界自然基金會共同承擔了基于 GIS 的生物多樣性保護項目，并在西雙版納和迪慶州進行了項目成果的示范，圓滿實現了預期效果［36］。

在利用 GIS 技術實現生態資源空間信息管理與可視化的系統軟件開發方面，國內學者專家也做了大量的研究工作。 1991 年，中國林科院唐守正院士負責主持的 PCGIS 研究項目，在喬彥友、張會儒等人的協作下完成了開發。 PCGIS 是國內首個實現的 GIS 軟件，其實現了完全自主研發，大部分的地理信息系統基本功能都得到了實現，開發版本為 DOS 版，在生態資源信息和經營管理方面，該系統也做了初步的嘗試和實現，首先，系統提出并實現新的生態資源經營管理模式，即生態資源經營管理由信息反饋和決策反饋等三個反饋環組成，其次，系統實現了屬性數據與圖面空間數據同步管理，在其后，這些思想得到了更廣泛的應用［37］。 1994 年中國林科院的唐小明研究員主持開發了通用化的 GIS 軟件系統---微機地理信息系統WINGIS，該軟件包含11個子系統，可實現大范圍商業化。

1996 年，以福建洋口林場作為應用示范區，福建生態資源管理廳所轄的國有林場管理局牽頭，生態資源管理部調查規劃設計院森林經理研究室參與配合，共同研制開發了基于 GIS 的森林資源管理信息系統，該系統由于只利用了研究區域內數據，因此研究結果只能應用于當地的生態資源信息管理調查需求，而無法實現在其他地區的應用，系統的可拓展性較差［38］。 1996 年，我國生態資源管理部中南院的譚寬祥等，針對柳州地區森林資源管理調查的實際需求，開發了基于 GIS 的森林資源空間信息管理系統，系統除了能實現基本的 GIS 功能模塊，還創新性地實現了對員工人事檔案和相關旅游信息的管理，同時系統還實現了多媒體的制作與播放技術，此研究對于 GIS 在生態資源空間信息管理方面的應用做了初步的探索，為 GIS 在其他生態資源管理上的應用提供了參考模板［39］。 2000 年，北京生態資源管理大學的馮秀蘭等，研發了基于 GIS 的集體林區森林資源信息管理系統，系統可實現信息統計、空間查詢、農戶經營信息管理等功能模塊，該系統是基于 Mapinfo4.1 平臺實現的。 1999 年，中國林科院唐守正院士及洪玲霞等，除了進行森林資源管理 GIS 系統的開發以外，還同時對天然林森林資源數據和圖面更新方法進行了研究，該研究選擇在吉林省汪清生態資源管理局的配合下進行，在 Mapinfo 和 PowerBuilder 平臺下進行。到目前為止，為了得到更完善的方法和功能實現，該研究和探索仍在進行中［40］。國家多項自然科學基金項目也進行了生態資源的管理研究，如 1999.12-2002.12 的國家自然科學基金課題課題--遙感與 GIS 技術，進行了森林資源空間動態定量預測方法的研究，該項目由趙憲文承擔［41］。全國生態資源管理資源綜合數據庫空間集成是一項國家重點科技攻關項目，該項目由國家生態資源管理局調查規劃設計院承擔，在對于生態資源科學化管理和可持續發展的戰略要求的契機下，需要同時推動 GIS 在生態資源方面的應用，實現人類的可持續發展，這是信息時代的需求，更是實現數字生態資源管理的重要工程。 1999 年，國家發布了全國性的生態資源和環境建設規劃，要求必須摒棄原有的人工管理方式，采取先進的現代化的森林資源信息管理方法，這給生態資源管理 GIS 的研發和在全國范圍內的應用提供了極好的發展契機。

隨著國內 GIS 的發展和廣泛應用，用 GIS 技術進行生態資源空間信息管理及可視化的研究也逐漸增多，但大多停留在前文提到的， Crain 等劃分 GIS 在山區農林生態資源上的應用過程的第一個階段，即系統只實現對生態資源簡單的顯示和查詢，沒有實現分析和輔助決策的功能，并且也少有進行三維環境下進行分析的研究。這些系統不具有特別直觀的空間可視化效果，且實現的功能較簡單，無法實現復雜的分析和輔助決策。

因此，本文基于計算機技術、 GIS 技術，三維可視化技術來構建基于二三維一體化的山區生態資源空間信息管理及可視化系統。

1.3 本文主要工作

1.3.1 本文研究的主要內容

本論文是為了改變現有基層林業單位山區生態資源信息管理落后的狀況，解決或緩解基層林業單位進行及時科學有效決策時所面臨的“信息危機”，在查閱和總結國內外山區生態資源空間信息管理及可視化研究的基礎上，通過對山區的優勢生態資源進行篩選和分析，構建其空間和屬性信息結合的信息管理方式，同時對山區地形進行三維顯示，開發了基于 GIS 的二三維一體化環境下的生態資源空間信息管理及可視化系統，以期直觀和高效的對生態資源空間信息進行管理、分析并為相應管理決策部門提供決策方案。

主要研究內容包括山區生態資源空間信息二三維模型的構建以及在搭建的二三維一體化環境下進行生態資源的管理與分析兩大部分：

1)山區生態資源空間信息二三維模型的構建

(1)將生態資源進行分類并整理出相應矢量圖層，構建二維空間環境；

(2)利用研究區 DEM 數據，建立研究區數字地表模型以及山體陰影模型，從而構建研究區三維空間環境；

2)生態資源空間信息管理與可視化系統的構建

(1)數據庫設計：完成屬性數據庫與空間數據庫的結構設計；

(2)系統的設計與開發：通過基于 GIS 的二三維一體化環境下的山區生態資源空間信息管理與可視化系統的開發，主要實現以下功能模塊：系統與管理模塊、地圖基本操作模塊、生態資源信息空間查詢模塊、生態資源空間分析模塊、山區生態資源三維瀏覽模塊、專題圖制作與輸出模塊。

1.3.2 本文主要研究技術路線

本系統是在全面分析國內外山區生態資源空間信息管理及可視化的理論方法和實際應用，以及二三維一體化理論的基礎上，以山區生態資源空間信息管理及二三維一體化環境構建為目標，以生態資源分類及分布信息作為基礎空間數據，利用 GIS 技術及三維可視化技術開發的一套面向山區生態資源管理及可視化的地理信息系統。本文研究的整體思路如下：

1)數據準備：搜集山區生態資源的分類及分布信息，以及生態資源的基本屬性信息，用于構建系統的空間及屬性數據庫；搜集研究區域的DEM數據，作為三維可視化環境的基礎空間數據。

2)將生態資源的分類及分布信息以及其他山區附屬設施進行合理分層構建矢量圖層，構建二維可視化環境；在 ArcGIS 軟件中，利用 DEM 數據進行數字地表模型的構建，并利用 3Dmax 軟件建立部分生態資源及山區附屬設施的三維模型，構建三維可視化環境。

3)在二三維一體化環境下，進行山區生態資源空間信息管理及可視化系統的

開發，實現地圖操作、信息查詢、生態資源管理，統計分析、專題圖生成與輸出等

系統模塊功能。系統的技術路線圖如圖 1所示。

圖1 系統技術路線圖

Fig.1 Technology roadmap of system

1.3.3 本文創新點

1）利用 GIS 技術，借助專業 GIS 軟件，利用山區生態資源信息二維數據、 DEM 數據和三維可視化建模技術，構建研究區地表模型、山體陰影模型，得到二三維一體化的環境，數據管理可視化效果更好，效率和準確性更高。

2）系統可實現山區生態資源的空間查詢、分析及專題圖生成，且能為管理者提供輔助決策，一改傳統的人工管理決策方式。

1.4 本章小結

首先介紹了本課題的研究背景、意義，以及國內外對于山區生態資源空間信息管理及可視化技術的研究現狀，并提出了本論文的主要研究內容、研究的技術路線以及創新點。

第 2 章山區生態資源空間信息建模研究

山區生態資源空間信息建模理論主要包括對于山區生態資源空間信息建模相關理論的研究、系統空間信息組織與管理模式的研究，以及山區生態資源空間信息二三維模型的相關理論與建模過程，具體研究內容如下。

2.1山區生態資源空間信息建模的基本理論

山區生態資源空間信息建模的相關理論主要包括生態資源及生態資源空間信息基本理論與概念， GIS 在生態資源空間信息管理中的應用研究以及利用 DEM 數據構建山體陰影模型的相關理論與方法。

2.1.1生態資源及生態資源空間信息

生態資源，一般情況下是指自然資源，包括自然界中能用于人類生產和生活的一切物質。信息是用數字、文字、符號、語言、圖形、影像、聲音等來表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征。

山區生態資源是指山區范圍內的森林、農用地及一切植物、動物及其他資源的綜合，山區生態資源還包括這些資源所在和所賴以生存的環境本身。山區生態資源包括山區所擁有的農業資源、水資源、森林資源、礦產資源、旅游資源等。

山區生態資源的描述有空間信息描述和屬性信息描述。山區生態資源空間信息是指能反映山區生態資源空間地理位置、空間分布結構、空間相互關系的所有數據，對其直觀描述可用各種形式的數據表示，如數字、符號、二三維矢柵地圖和遙感影像等，生態資源的空間信息可直接表達生態資源的數量、質量、分布特征、相互關系及發展規律。生態資源空間信息具有區域性、多維性和動態性［42］。區域性是指其空間位置和空間關系，例如可用坐標系及空間信息間的空間相互關系來描述空間位置；多維性一方面來說，是指對空間信息的描述可以在不同空間維度進行，如紙質 excel 資料記錄的一維信息；地圖等表達的二維信息；以及加入第三維特征以后的三維信息；從另一個方面來說，多維性是指一個坐標位置處包含多種專題信息和屬性信息來對其進行描述，例如，在某一個坐標位置處，可得到其高程信息、地表溫度信息、濕度、植被覆蓋與否等；動態性是指空間信息并不是固定不變的，而是隨時間而變化的，這就是其時相特征，利用空間信息的時相特征可以發現其分布變化規律，從而進行相關的預報和預測研究。山區生態資源的屬性信息表達的是與空間位置及空間關系無關的特征。其反映的是生態資源的固有屬性如作物名稱、作物生產價值、作物產量、播種方式等。以上山區生態資源所具有的空間和屬性信息特征，符合地理信息數據的表達方式，因此利用 GIS 技術來對山區生態資源信息進行描述和管理是可行的且必要的。

因此，本文通過建立山區生態資源空間信息管理 GIS 系統，將山區生態資源的空間與屬性信息相集合進行管理和分析。

2.1.2 GIS 在生態資源空間信息管理中的應用

山區生態資源存在一些結構特征，即水平結構、垂直結構和時間結構。山區生態資源的空間和屬性特征就是用來描述這些結構內容的。山區因為地形復雜，因此其中的生態資源遍布范圍廣，且組成結構復雜，容易受各種人為因素和自然環境因素影響，并產生各種變化。因此，要改變落后的人工管理生態資源的方法，必須及時采用新的技術來對各類生態資源的空間信息和屬性信息進行管理和分析，從而才能及時、準確地掌握生態資源的動態變化，制訂合理的經營管理措施，這方面的研究是當前山區生態資源管理工作者迫切需要解決的問題。GIS是一門綜合學科技術，它集成了地理學、計算機科學、GPS技術、遙感技術、可視化技術等多種學科的優勢，其對于空間數據的管理、顯示及分析又是其核心優勢。因此，對于生態資源的各類空間與非空間信息的管理，可充分利用 GIS 的空間數據庫管理技術來實現。利用 GIS 技術來對生態資源空間信息進行管理，可實現數據的以下操作，如數據的采集、存儲、顯示、分析、備份、編輯、輸出等。 GIS 在生態系統空間信息管理上的優勢主要有［43］： 1）良好的數據組織能力：GIS對于空間和屬性數據的采取不同的管理策略，但兩種數據之間可建立連接，可充分提高各類數據的組織和利用效率，實現生態資源數據有效的查詢與輸出，同時避免對數據進行人工實地調查采樣時由于時間長，所帶來的時間序列數據分析困難的問題。 2）良好的數據質量控制技術：不管什么樣的數據采集方式，都會由于人為和儀器、環境等的影響造成一定的誤差和錯誤信息，影響數據的質量。而 GIS 技術可以通過各種預處理技術、容差分析剔除技術等來減小甚至消除誤差的影響，保證后續的數據分析質量。

3）元數據技術：元數據是用來對數據進行定義的數據，是數據進行有效集成和共享的基礎，在數據共享、數據轉換等工作中，常需要元數據的支持。

總之， GIS 技術能快速、準確地獲取和處理多種組合形式的山區生態資源空間與屬性數據，清晰直觀地表現數據之間的空間關系、屬性聯系以及數據的時間序列變化特征，從而實現數據可視化、空間查詢、空間分析以及生態資源管理輔助決策應用。基于 GIS 技術的山區生態資源管理，使生態資源管理由以前傳統的非空間屬性信息管理與查詢，上升到了空間信息和屬性信息全面管理的新高度。

GIS 在山區生態資源空間信息管理上的應用過程大致分為三個方面［44］：1）生態資源人工調查的空間與非空間數據的聯合管理：充分利用 GIS 良好的空間與非空間聯合管理的模式，對生態資源的類型、預估產量、面積、蓄積、作物種類、作物的結構和分布及變動情況等進行管理。2）生態資源數據空間分析模型的構建：在對生態資源的空間和非空間數據進行管理的基礎上，利用 GIS 強大的空間分析功能，對生態資源數據進行進一步的分析和建模，以此實現更深一步的規劃應用，從而對生態資源信息進行有效的動態管理和監測。3）為生態資源的經營管理提供輔助決策：利用生態資源空間信息進行各種空間分析和應用建模的結果，指導生態資源經營管理部門進行更科學的決策方案制定，從而使生態資源的經營管理更科學和高效，且滿足當地的實際。

2.1.3 DEM 山體陰影模型理論

數字高程模型（Digital Elevation Model）［45］,即DEM。它是通過用一組有序數值陣列形式來表示地面高程的實體地面模型，是數字地形模型 DTM 的一個分支，其他各種地形特征值均可由此派生。 DEM 可派生出坡度、坡度變化率、坡向等地貌特征。 DEM 由于其精度較高、可提供多種派生信息，反映地形起伏的效果等特點，在各種地貌表示、地物類提取上已進行了廣泛的應用。

利用DEM數據可生成山體陰影模型［46］，即Hill shade。山體陰影模型是在 1983 年提出的， Yoeli 通過計算研究區內各個區域的照明值，用它來模擬了太陽光照射下，地形的起伏狀態和陰影明暗效果。由于存在高程信息和坡度信息，山體陰影模型可很好的表達地形的起伏狀態、陰影明暗效果以及地形遮蔽狀態，同時可以展示地形圖的渲染效果，可視化和三維效果明顯。對于山體陰影模型的構建，主要利用了3 個參數：太陽方位角、太陽高度角和表面灰度值。太陽方位角規定正北方向為起始 0°，順時針方向為正，角度依次增加，正西方向-90°。太陽高度角是太陽光照射到地面后，與地面的夾角，越靠近正午時分，太陽高度角越大，為 90°。在實際的數據處理過程中，如果不知道當時的太陽高度角值，則采用默認值為 45°。表面灰度值只得是地表地物對太陽光反射作用所表現出來的灰度值，與地表覆蓋有關。

本研究的研究區域屬于山區，地形表面起伏不定，由于地形遮擋作用，在山的背面由于太陽光無法直達，一般會有陰影存在，在山地的斷裂發育處也有一些溝壑和斷裂層，這些地貌特征往往由于遙感影像的分辨率達不到要求，而無法直接觀測到。但是，利用通過 DEM 數據提取山體陰影圖，就可以通過圖上的明暗變化分辨各處地形，山體呈三維立體狀態展現而更直觀，從而對山區地貌形態的解讀和呈現表現出更好的視覺效果和更優的表現力。對與該方向垂直的負地形有突出顯示作用，有助于山區生態資源更好的呈現和理解。

對于山體陰影模型的構建，利用的 DEM 數據和 ArcGIS 軟件的表面分析 (Surface Analyst)功能，此功能在空間分析(Spatial Analyst)模塊或3D分析 (3D Analyst)模塊中均可找到。在山體陰影模型構建時，要注意一些參數的設置和調整，主要是太陽高度角、光源位置、地圖比例尺、空間分辨率、以及渲染時的色帶選擇。這些參數都會影響山體陰影模型的最終呈現結果。

本研究利用 DEM 數據進行山體陰影模型的構建，可顯著增加山體立體感，對研究區地貌形態獲得較好的三維視覺效果，通過對生態資源所處地形及陰影的判斷，為生態資源的分析提供更多的輔助決策信息。

2.2空間信息組織與管理

空間信息組織與管理主要包括對空間數據模式的研究以及對于當前對于空間信息數據管理與處理的空間數據引擎的研究。

2.2.1 空間數據管理模式

傳統的數據庫管理系統主要是針對關系型數據進行管理和應用，無法直接進行空間數據的管理，因此為了有效的對復雜的空間數據進行管理，開始出現了以下幾種新的數據管理模式［47］：

1)文件與關系數據庫協同管理系統

該模式基于以下理論建立，可表示空間信息的數據，如圖片、圖形數據，可以用文件形式存儲，屬性數據繼續用二維關系型數據庫存儲，兩類數據分別用文件和關系數據庫形式存儲和管理，但他們之前通過目標 ID 或內部的鏈接碼建立連接，從而把對象的空間和屬性數據同時進行管理。

在文件-關系數據庫協同管理系統的模式中，空間數據與屬性數據是獨立的進行存儲、管理與查詢操作的，兩者僅通過各自的識別碼 ID 建立連接。對幾何圖形而言， GIS 系統由于采用高級語言編程，所以可直接管理這些空間數據的存儲文件，圖形圖件等空間信息可以在用戶界面直接編輯操作，無需進行中轉。但對屬性數據來說，由于傳統管理方式以及商業軟件開發模式的限制，它們依然必須采用關系數據庫管理系統來進行存儲和管理，因此屬性的編輯操作和圖形圖像的顯示操作界面是分開的，兩者不能同步操作；要建立連接，只能是通過 GIS 開發商在軟件中調用 GIS 與 ODBC 的接口軟件，通過他們之間的連接 ID 來進行操作，然后才能將空間數據、屬性數據與任何一個支持協議的關系數據庫連接。

采用文件與關系數據庫協同管理系統模式，雖然實現了空間和屬性數據的同步管理，但還沒有實現真正意義上的空間數據庫管理系統，因為管理空間數據的文件管理系統功能較弱，甚至在數據的安全性、一致性、完整性、并發控制以及數據損壞后的恢復方面的功能都難以實現。因此各種學者和 GIS 軟件商一直在研究能同時管理空間數據和屬性數據的數據庫管理系統。

2）關系型空間數據庫管理系統

該管理模式指空間數據和屬性數據都利用關系型空間數據庫管理系統管理。關系型空間數據庫管理系統的軟件廠商不對系統進行擴展和改變，但是 GIS 軟件商卻在關系數據庫的基礎上進行拓展，使之能同時管理關系型的屬性數據和非關系型的空間圖形圖像數據，此數據庫管理系統有 2 種管理模式：

第一種管理模式是在關系模型基礎上進行的，不止屬性數據，空間圖形數據也是基于關系型數據組織和存儲的，它是通過關系運算符來對圖形的組成坐標來進行運算操作。例如，對于一個多邊形面對象來說，首先要獲取多邊形邊界點的所有坐標，然后對每個坐標進行相應的關系運算和連接投影運算，得到計算結果進行顯示和處理。由于在此過程中，設計好多二維關系型表格，所以需要對各個表格進行連接和投影的操作，以此實現各表間連接。通過上例可見，對于一個簡單的多邊形對象，尚且要進行如此復雜的運算，要對復雜對象進行處理的話，則需要更長的時間，因此，此管理模式的效率并不高。

另一種數據庫管理系統模式，是以 Binary 二進制塊 Block 字段來存儲空間圖形數據的變長部分。由于目前多數的商業型關系數據庫管理系統都包含這樣的二進制塊類型的字段域，因此，此模型理論上來說可以實現商業應用。 GIS 對此模型進行應用的方式，主要是通過把空間圖形的坐標信息看成一個二進制塊，并把其送入關系數據庫管理系統進行存儲。這種模式與第一種模式相比，沒有了關系表間的連接映射操作，但是對二進制塊的讀寫操作比較復雜，效率低下，甚至還不如第一種直接對關系表中屬性字段的讀取，因此也極大的限制了運算效率，尤其是當存在對象的嵌套問題時。

3）對象—關系數據庫管理系統

該模型同時利用對象型和關系型的數據管理模式，這是因為，雖然關系型數據庫管理系統的運算效率不高，但其空間數據結構類型依然非常重要，無法直接舍棄，于是在現有的關系型數據管理系統軟件的基礎上進行擴展和推廣，成為了各軟件商和學者的研究方向，并提出了同時管理矢量圖形數據和屬性數據的思路。主要有兩個思路：首先是在現有的傳統關系數據庫管理系統上再加一個空間數據引擎軟件，例如超圖公司的SuperMap SDX+空間數據引擎，ESRI公司的ArcSDE空間數據引擎，以此實現對空間數據的管理；另一種方式是直接在關系型數據庫管理系統中進行擴展［24］，使之能直接存儲和管理矢量空間數據，如 Informix 和 Oracle 等都推出了空間數據管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓、長方形等空間對象的函數，這些函數將各種空間對象的數據結構進行了預先的定義，用戶使用時必須滿足它的數據結構要求，用戶不能根據要求再定義。

雖然基于空間數據管理引擎的 APO 函數，實現了對象—關系數據庫管理系統的對空間數據存儲和管理。但此模型有前提條件，即所有空間對象的數據模型和數據結構必須提前在空間數據管理引擎中進行定義，然后其才可以被用戶使用，且用戶使用時必須按照其模型定義規則進行。

4）面向對象空間數據庫管理系統面向對象模型是最新提出的空間數據管理模式，它克服了以上幾種模型的缺陷，不僅支持變長記錄，而且在對象嵌套時也能有很好的效率，因此其非常適合用來進行空間數據的存儲、表達和管理。面向對象的空間數據庫管理系統具有很強的適應性，用戶可以根據需要自行定義空間對象，以及對象的數據結構和相應操作。這種空間數據管理模型既可以定義非拓撲型數據結構，也可以定義拓撲型數據結構，因此十分適合各種類型的應用和 GIS 表達。當前市面上已經出現了面向對象的空間數據庫管理系統，比如 Oracle9i 等，以及基于 GIS 的面向對象的空間數據庫管理系統，如GDE等。

面向對象的空間數據管理系統可以實現強大的數據建模功能。這是因為它有極大的適應性和靈活性。首先，通過類定義機制，數據庫設計者可以根據需要自行定義新的數據類型和表達方式，不用局限于固有的預定義規則，甚至能自行實現實體的建模。其次，在表達目標的關系時，不需要建立復雜的關系表間連接，也不需要通過數據接口進行連接，而是直接利用 OODBMS 的指針數據類型來表達目標之間的關系，提高了計算效率。再次，子類型可以從父對象繼承變量和方法，便于表達各類型間關系，且不需要重復定義。最后，根據定義的目標行為進行建模，極大的擴展了模型的適用范圍。此外，不需要對數據類型進行標準化也可以大量減少數據冗余或 RDBMS 中的關系表數目。

但是，目前面向對象數據庫管理系統還不夠成熟，成功實現了商業應用的并不多見，僅有的幾個軟件價格又太昂貴，因此該空間數據庫管理系統模式在 GIS 領域還未實現全面應用。

文件與關系數據庫混合管理模式雖取得了較大成功，但是不具備現代商業數據庫的數據管理功能，而面向對象數據庫管理系統還不成熟，所以目前最流行的解決方案就是在已有的對象—關系數據庫中擴展，增加空間數據引擎。

2.2.2 空間數據引擎

空間數據引擎一SDE[48] （Spatial Database Engine）是美國著名的地理信息研究機構 ESRI 推出的空間數據解決方案，它在現有的關系或對象關系型數據庫管理系統的基礎上進行空間擴展，實現屬性和空間信息的關聯，目前各 GIS 軟件商都開發自己的空間數據引擎以管理空間數據。其對空間數據的訪問過程為：由于 SDE 的服務器中封裝了空間對象模型，所以當用戶通過空間數據引擎的API （應用程序接口）提出空間數據訪問的請求時，空間數據引擎的服務器便根據空間對象模型的獨有特征，在本地進行符合條件的空間數據的查詢與搜索，然后將檢索得到的結果返回給用戶。空間數據引擎是具有開放式特點的數據訪問和管理模型，該模型符合當前流行的一些標準如， Open GIS， SQL3， SQL Multimedia 等，可以實現高效的數據訪問，是目前普遍應用的空間數據庫引擎系統。總之，在傳統的關系型數據庫管理系統基礎上，加入空間數據，并利用空間數據引擎實現空間與非空間數據的訪問，可以實現高效的數據庫服務功能[49]。

本文利用了 ESRI 公司的 ArcSDE 空間數據引擎進行空間數據的訪問和處理，并基于 Client/Server 結構進行系統的開發，此系統結構中服務器和客戶端是分開各自工作的。其中，前端服務器根據客戶端需求實現空間數據的查詢和訪問，并將訪問結果傳給客戶端。由于服務器和客戶端分開工作，因此對于一些較復雜的操作，如疊置操作、路徑分析等，可以放在客戶端運行，從而減少服務器的壓力。 GIS 應用系統的開發人員可以通過ArcSDE的應用程序接口（API）訪問空間數據，從而將 ArcGIS 的空間數據查詢功能與強大的空間分析功能等應用到自己的系統。 ArcSDE 與其它模塊之間的通訊均遵循 TCP/IP 協議，同時它也支持 HTTP 協議，空間數據引擎可以通過 TCP/IP 與客戶端建立連接，然后對于用戶提出的各項數據請求進行處理和響應。 ArcSDE 對 XML 進行了升級，得到了基于 GIS 系統的 ArcXML 標準，因此可以與 ArcIMS 進行互相訪問。從應用開發的角度看， ArcSDE是GIS用戶進行基于空間信息開發系統研發的工具。

用戶在利用ArcSDE從客戶端對數據庫提出數據存取與檢索的請求時，只需輸入連接空間數據庫的一些必要參數，以及所要檢索的目標的特征標志，而不需要實現了解數據庫中數據的存儲與管理方式。同樣的，對數據進行寫入操作時，也不許要預先了解數據的存儲模式，而只需要說明寫入的相關信息。所以， ArcSDE 具有以下技術優勢［50］：

1）高性能：ArcSDE空間數據引擎通過在客戶端、數據庫服務器、以及GIS 系統服務器之間分布式協同工作，同時對空間數據的描述和訪問更加高效和簡潔，因此可以使GIS系統的運行性能顯著提高。

2）數據庫可移值性： ArcSDE 空間數據引擎可以實現空間數據的加載、數據轉換、導出操作，因此使 GIS 空間數據可以從一個數據庫管理系統移植到另一個數據庫管理系統進行利用，而在此過程中數據不會產生任何損失，保證了數據的可共享性。

3）模式可移值性： ArcSDE 空間數據引擎對于數據庫的物理模式，存在一個特定預定義的邏輯空間數據模型。因此，對于任何 GIS 應用系統，只需通過空間數據引擎的應用程序接口 API進行訪問，而無需改變即可直接運行。

4）保證數據的完整性：對于數據庫中數據的模式，以及要讀入數據庫中的數據格式， ArcSDE 有嚴格的完整性要求，甚至對于通用的數據庫管理系統無法難以實現的完整性約束規則，其也可以輕松進行定義，對于不符合完整性要求的數據，其拒絕讀入。此外，例如，非封閉的多邊形無法存取。

5）提供應用編程接口（ API）：對于各GIS應用程序，可以通過ArcSDE提供的 API 接口，來實現對于空間數據的查詢、分析和處理。

6）降低開發費用： GIS 系統研發者可通過 ArcGIS 的 ArcObjects， ArcSDE 的 C和Java接口，以及MapObjects來快速創建應用和定制數據。

除了專門的GIS公司開發的空間數據引擎，如ArcSDE，SuperMap SDX+外，一些商業的數據庫開發商也創建了自己的空間數據引擎，來實現對于空間數據的訪問。其主要實現方法是在其現有的關系型數據庫技術基礎上，加入空間數據管理的模塊，如，基于 Oracle 數據庫開發的 Oracle Spatial 模塊等。這些模塊可以直接實現對空間數據的存儲和管理，無需通過中間軟件的轉換。

但是以上兩類空間數據引擎相比而言， ArcSDE 由專門的 GIS 開發商設計實現，可以直接實現強大的空間數據和 GIS 分析功能，且其數據經導出可以應用于大部分主流的數據庫管理系統，通用性較強；而關系型數據庫廠商提供的空間數據管理模塊無法應用于其他平臺，難以實現數據的移植。因此本文采用ESRI公司的

ArcEngine平臺進行系統的開發，平臺所用的數據引擎即ArcSDE。

2.3山區生態資源空間信息模型構建

山區生態資源空間信息模型的構建主要包括二維基礎數據的獲取與編輯，包括二維矢量數據和遙感影像數據等；以及對于地表模型以及山體陰影模型等三維模型的構建。

2.3.1二維矢量數據的獲取及編輯

本系統以河北省唐山市某縣作為研究對象，基礎數據資料為土地分類矢量圖

（西安80）、交通信息矢量圖（WGS1984），如圖2所示。

因為最終系統將以三維形式展示，最終的坐標系采用 WGS1984 坐標系，需根據轉換參數，將土地分類數據轉換坐標，方法是先在 arcMap 中加載交通信息圖，將地圖文檔的框架坐標系自動設置為WGS1984；第二部加載土地分類圖層，根據提示輸入轉換參數；第三步將土地分類圖層導出，并使用數據框架坐標系。

土地分類數據只有一個面圖層，包含各類要素。為了符合 GIS 矢量數據常用表達方式，使之便于存儲、管理、空間分析和統計，將數據根據地類使用不同的顏色進行表達，最終效果如圖 3 所示：

圖 3 二維矢量地圖

Fig.3 Two-dimensional vector map

2.3.2遙感影像數據的獲取及處理

通過谷歌地圖軟件，下載了本區域的衛星遙感影像數據，影像數據如下圖左側，下載的坐標系也是WGS1984,不需要進行轉換，需調整圖像色彩，去除黑色不透明背景，最終效果如下圖4所示。

圖 4 影像地圖

Fig.4 Image maps

以上二維矢量和遙感影像數據都是二維的數據，將上一步處理完畢的矢量數據疊加到影像數據上，將面圖層設置透明度 40%，可以將矢量的土地類型數據與遙感數據對比展示，提高可視效果，便于實際管理和定位。最終便得到了二維的研究區環境如圖 5 和圖 6 所示。

s □ ee* 1= a Wtt-point

-a

is 3 SSg oi oi.t* i- sa ^a_oi-oz.tif

•-• B aSH_02-01.W

11 B SJSH.02-02.tW

H B &S5_Polygon

3?ube^s",二

圖 5 影像和矢量疊加顯示

Fig.5 Overlay display of raster and vector data

5I« Edit Jfiew fiootanarks Insert &el«a>on £eoproc«ssing Customize Windows Hetp

Table Of Contents

3 □ B BS J 0 ^&_point

3 田 J-Rj>o<n«

列0交連 B □ HBshs

r 0 tmg

13 Bese_Polygon

•j 3 SBE.OI Ollif

r gj SBS-0M2.W r 0 2Bg_02-01.tf

v /S=— ,：，：：

3 0 Sf?_Poly9on

-CTc""p" p^s"u-lS-一

□ess 島•• g ».ii»»2-kp ^］：E3i3i5gn

&玄更］0 n:: ♦-■嗣” *_o 田二 11 芒］―弓上fig”，‘… g

圖 6 影像和矢量疊加顯示

Fig.6 Overlay display of raster and vector data

2.3.3 地表模型的構建

對于不規則的地球表面可用數字地表模型來描述其三維的地形起伏狀態。生成

地表模型主要有兩種方法：1）由高程點生成DTM （數字地形模型）面；2）由線條生成DTM面，主要是平面地形等高線。

本研究利用 DEM 數據來建立數字地表模型，并利用遙感影像和二維矢量數據作為底圖，結合DEM數據，分別得到三維柵格和三維矢量的數據模型，進而得到矢柵一體化的三維模型。

首先從“地理空間數據云”下載研究區遙感影像及DEM數據，并對其分別進行拼接和裁剪處理，得到研究區范圍內影像和 DEM 數據。使用 ArcTollBox 中的 Mosaic To New Raster 工具，對相鄰影像進行影像合并的操作，可得到最終結果如圖 7 所示：

得到統一的 DEM 數據后，打開 ArcScene 軟件進行數字地表模型的構建。將數據加載到 ArcScene 中，右鍵圖層，選擇屬性，在高程設置的選項卡中選擇本圖層作為高程數據來源，并設置縮放因子；調整圖層顯示顏色，最終產生如圖 8 所示。

將所有遙感數據加載到 ArcScene 軟件中，點擊鼠標右鍵選擇屬性，在高程設置的選項卡中選擇DEM圖層作為高程數據來源，并設置縮放因子；產生三維影像結果如圖 9 所示。

圖 7 DEM 數據

Fig.9 Three-Dimensional environment of the research area

將土地分類數據加載到 ArcScene 中，右鍵圖層，選擇屬性，在高程設置的選項卡中選擇DEM圖層作為高程數據來源，并設置縮放因子；產生如下三維矢量數據模型如圖 10 所示：

圖 10 三維矢量模型

Fig.10 Three-Dimensional vector model

2.3.4 山體陰影專題圖的構建

本研究區域屬于山區，地形起伏明顯，由于地形遮擋作用，山地的陰面由于陽光無法直接照射而常存在陰影，難以直接觀察到各類地物，因此通過構建山體陰影專題圖，可以增加山體的立體感，有助于山區生態資源更好的呈現和理解。使用 ArcToolBox 的 Hillshade 工具，加載 DEM 數據并設置輸出路徑和參數，生成一個模擬光照的山體陰影圖，如圖 11 所示。將土地分類二維矢量數據加載到 ArcMap 中，并設置透明度30%；產生山體陰影專題圖如圖12所示

圖 11 山體陰影圖

Fig.11 Hill shade map

圖 12 山體陰影專題圖

Fig.12 Hill shade thematic map

2.4 本章小結

本章節主要介紹了基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理及可視化系統的相關理論及實現的關鍵技術。首先介紹了山區生態資源空間信息建模的基本理論，包括生態資源及生態資源空間信息的概念、GIS在生態資源空間信息管理中的應用技術以及山體陰影模型的相關理論。然后，介紹了空間信息的組織與管理模型，空間數據引擎理論。最后對山區生態資源空間信息研究中的模型構建方法和數據處理過程進行了詳細介紹。

第 3 章山區生態資源空間信息管理及可視化系統的分析與設

計

本章對于山區生態資源空間信息管理及可視化系統的分析與設計主要介紹系統的詳細分析，包括需求分析、功能分析、用戶分析和用例分析，以及對于系統架構、系統數據庫以及系統界面的詳細設計。

3.1 系統分析

在構建系統之前首先要對系統的需求、系統要實現功能、系統主要面向的用戶群以及系統主要用例設計方案等進行全面的分析與設計，確定系統的可行性與具體需求性，然后在進行系統設計才有針對性和實用性。本節的系統設計主要需求分析、功能分析、用戶分析和用例分析等內容。

3.1.1 需求分析

經調查，本研究區地貌特征呈典型的低山丘陵景觀，山區生態資源豐富，主要是農業資源和部分的礦山資源、水資源。當前對生態資源信息進行管理的方式主要是采用抽樣方法來進行實地調查，或通過紙質或 excel 文件方式進行管理，不僅耗費大量的人力物力，各種資料的管理也不科學，容易丟失、編輯困難。而且由于研究區地形復雜，僅憑個人經驗和文字資料很難對各類生態資源的地理位置和分布情況得到直觀、清晰的了解和決策。這些都影響了管理工作的順利開展。

因此，基于以上情況，迫切需要建立一個二三維一體化的山區生態資源空間信息管理和可視化的系統。在聽取了當地管理部門描述后，確定本系統應包含以下功能：對研究區進行二三維的瀏覽顯示功能、對生態資源進行空間和屬性信息相結合的查詢功能、對生態資源進行空間分析的功能、分析結果進行專題圖生成與輸出的功能等。

3.1.2 系統功能分析

確定系統需求以后，就要根據這些需求，分析系統需要完成的大的功能模塊，并具體到具體的功能實現。基于以上原則，系統設計了6 個功能模塊，如圖所示，分別是系統與數據管理模塊、地圖顯示與基本操作模塊、生態資源信息空間查詢模塊、生態資源空間分析模塊、三維瀏覽模塊、專題圖制作與輸出模塊，系統功能模

塊設計如圖13 所示。

各模塊包含的具體功能如下：

1）系統與數據管理：主要包括添加用戶、用戶管理、數據備份與回復；數據導入與導出、地圖編輯等功能。

2）地圖顯示與基本操作：主要包括地圖顯示、地圖放大、地圖縮小、漫游、全圖顯示等常用地圖操作功能。

3）生態資源信息空間查詢：信息查詢有兩種方式：第一種圖查屬性，即根據用戶選擇的圖上對象查詢其屬性信息，并彈出文本框顯示。第二種屬性查圖，即根據對象的屬性表查詢符合某預設屬性條件的對象，且其結果在圖上高亮顯示。

4）生態資源空間分析：主要包括要素合并、要素疊置、緩沖區分析等空間分析功能。如，可根據需要分析某鄉鎮內包含的各類生態資源信息；距某道路一定范圍內包含的各類生態資源信息等。

5）三維瀏覽功能：三維瀏覽功能是將生態資源遙感圖像、DEM與矢量圖進行疊加顯示，DEM與遙感影像圖進行疊加顯示，利用三維視圖工具進行三維動態瀏覽。

6）專題圖制作與輸出：專題圖制作功能是把存儲在地理數據庫要素類的外觀進行定義，根據用戶的需要，同一數據能夠以不同的方式顯示，可根據屬性字段值制作常用的生態資源專題圖，如林相圖、森林資源分布圖、土地利用現狀圖、生態

功能分級圖等。

3.1.3 系統用戶分析

本系統的用戶主要是對各類生態資源進行管理的部門，如林業局、農業部門、礦產資源部門等，以及系統管理人員。系統管理人員負責對系統的維護、數據備份及恢復等，相關生態資源管理部門利用系統對相應生態資源進行查詢、分析及管理，并利用分析結果進行輔助決策。

3.1.4 系統用例分析

系統用例(Use Case)分析是給系統使用者提供一個執行結果的活動，主要用來對系統中的主要事件的流程進行圖示化，主要用來描述系統中用戶的需求，即用戶希望系統提供什么樣的功能，用來描述系統中的用戶進行的操作需求。用例圖的主要元素是用例和參與者，用例之間用關聯來連接達到把系統整體功能表達給用戶的目的，對用與開發人員來講是軟件的結構和功能分解是根據前期所進行的需求分析，圖14是系統總體用例圖，后面將針對基于GIS的山區生態資源空間信息管理及可視化系統中幾個主要模塊的用例模型進行設計：

統與數據管理＞基本操^^ 空間信息查詢二) 分析^＞三維信息瀏覽

X ff??＞c專題圖制作與輸出＞

圖 14 系統總體用例圖

Fig.14 Overall system use case diagram

1)系統與數據管理模塊

本系統模塊主要負責系統及后臺數據的管理與維護。主要包括添加用戶、用戶管理、數據備份與回復；數據導入與導出、地圖編輯等功能。其用例圖如圖 15 所示，表1 和表2 列出了部分功能的用例說明。

加用戶

戶管理

據備份與恢復

q^|||E^— 數據導入導出）

天 ~?~-*C^圖編輯2>

圖 15 系統與數據管理模塊用例圖

Fig.15 System and data management use case diagram

表 1 用戶管理用例說明

Table1 User management use case

用例名稱：用戶管理參與者：系統管理員簡要說明：系統管理員可通過用戶管理功能對各類用戶進行編輯管理及權限賦予操作。前置條件：必須具備系統管理員的權限。

基本事件流：

1）登錄系統管理的賬號；

2）對用戶的各類權限及其他信息進行更改操作；其他事件流：無；異常事件流：用戶名或密碼錯誤，重新輸入后置條件：無。

表 2 數據導入與導出用例說明

Table2 Data import and output use case

用例名稱：數據導入與導出

參與者：系統用戶簡要說明：用戶可以通過此工具實現對所需數據的導入與導出操作。前置條件：需要對所編輯數據進行加載或導出。

基本事件流：

1）用戶點擊工具欄的數據導入與導出按鈕；

2）選擇需要加載或導出的數據，并確定；其他事件流：可以對導出數據命名；可以根據數據類型對要導入的數據進行篩選；異常事件流：已存在同名文件時，選擇是否替換；系統已存在同名文件時，是否仍要加載。后置條件：無。

2）地圖基本操作模塊

本模塊主要為系統中二維地圖提供相應的基本操作功能，包括地物選擇、地圖放大操作、縮小操作、漫游瀏覽、全幅顯示、鷹眼查看、地圖輸出等，可方便用戶直觀

的查看地圖內容。其用例圖如圖 16，表3表4列出了部分功能的用例說明。

U地物選擇匚二＞ u地圖放大n

地圖縮小二^

圖 16 地圖基本操作模塊用例圖

Fig.16 Basic operation for map use case diagram

表 3 地圖漫游用例說明

Table3 Map roam use case

用例名稱：地圖漫游 —

參與者：系統用戶簡要說明：用戶可以通過系統提供的地圖漫游工具實現對地圖的漫游查看操作。

前置條件：需要查看地圖上不同位置的內容。

基本事件流：

1）用戶點擊工具欄的地圖漫游按鈕；

2）按下鼠標左鍵，并將鼠標拖動到需要查看的地圖位置；

3）松開鼠標左鍵其他事件流：無異常事件流：無后置條件：當需要其他地圖操作時，重新單擊地圖漫游按鈕，取消地圖漫游操作。

表 4 地圖輸出用例說明

Table4 Map output in use case

用例名稱：地圖輸出

參與者：系統用戶

簡要說明：用戶可以通過此工具實現對地圖的輸出保存操作。前置條件：需要對編輯好的地圖進行輸出保存的相應位置。基本事件流：

1）用戶點擊工具欄的地圖輸出按鈕；

2）選擇輸出位置和輸出文件名；

3）單擊確定按鈕，確定輸出。

其他事件流：無異常事件流：已存在同名文件時，選擇是否替換。

后置條件：無

3）空間查詢模塊空間查詢模塊包括根據屬性信息查詢空間信息，查詢結果在地圖高亮顯示或顯示屬性查詢結果；選擇圖形信息，選擇空間對象，查看其對應屬性信息或空間拓撲關系。用例圖如圖 17 所示，用例說明如表5 表6 所示。

Cj查屬

Cj性查

圖 17 空間查詢模塊用例圖

Fig.17 Spatial query use case diagram

表 5 圖查屬性用例說明

Table5 Query attributes by map use case

用例名稱：圖查屬性參與者：系統用戶簡要說明：用戶可以通過此工具，根據地圖上圖形信息來查看其相應屬性或空間拓撲關系。前置條件：需要對圖上空間對象查看其屬性或拓撲關系。

基本事件流：

1）鼠標單擊工具欄的選擇工具；

2）在地圖上通過鼠標點選或拉框的方式選擇對象；

3）單擊工具欄的圖查屬性工具按鈕。其他事件流：無異常事件流：單擊對象時如果未選中，會彈出“未選中對象，請重新選擇”的提示框。后置條件：對查詢結果進行輸出，導出為 excel 等格式。

表 6 屬性查圖用例說明

Table6 Query map by attributes use case

用例名稱：屬性查圖

參與者：系統用戶

簡要說明：用戶可以通過給出的屬性特征條件來對滿足條件的空間對象進行查詢。前置條件：需要查看滿足某屬性條件的空間實體或實體的其他屬性

基本事件流：

1）確定需要查詢對象所在圖層，單擊右鍵，選擇查看屬性表；

2）選擇或輸入相應的屬性條件或空間拓撲關系條件；

3）確定并選擇查詢按鈕。

其他事件流：無

異常事件流：當沒有輸入任何查詢條件時，彈出提示框提示“輸入信息不能為空”。后置條件：將查詢結果中的空間對象導出為單獨的圖層

4）空間分析模塊

空間分析模塊主要包括緩沖區分析、疊置分析。緩沖區分析可對道路拓寬對周圍生態資源的影像、各類資源對周圍的輻射范圍等進行分析；疊置分析可對各類資源的空間拓撲關系進行分析。其用例圖如圖 18 所示，部分用例說明如表7 和表8 所示

表 7 緩沖區分析用例說明

Table7 Buffer analysis use case

用例名稱：緩沖區分析

參與者：系統用戶

簡要說明：用戶可以根據一定的緩沖半徑來對某圖層或某空間對象進行緩沖區分析。前置條件：需要對某一圖層或空間對象進行輻射影響范圍的分析

基本事件流：

1）點擊緩沖區分析按鈕；

2）選擇緩沖區圖層或某一空間對象，輸入緩沖半徑，選擇緩沖區結果保存位置及名稱；

3）點擊確定按鈕執行操作。

其他事件流：無異常事件流：在進行緩沖區操作時，若圖層或圖形處于編輯狀態，則無法進行分析。

后置條件：無

表 8 疊置分析用例說明

Table8 Overlay analysis use case

用例名稱：疊置分析（以相交工具為例）

參與者：系統用戶

簡要說明：此工具可提取兩圖層相交的部分，提取出來的圖層包含之前圖層的所有屬性字段。前置條件：需要對兩個輸入圖層求交

基本事件流：

1）點擊疊置分析-相交工具；

2）選擇輸入圖層和參與相交操作的要素，選擇保存路徑及文件名稱；

3）點擊確定并運行操作。

其他事件流：無異常事件流：兩圖層沒有交集，或因坐標系不一致沒有交集時，提示“生產的輸出為空”。后置條件：無

5）三維信息瀏覽模塊此模塊可進行三維地圖—如數字地表模型和山體陰影模型場景的瀏覽。對其瀏覽時的操作與二維地圖基本操作功能類似，再次不做具體說明。其用例圖如下所示。

Fig.19 Three-dimensional information scan use case diagram

6）專題圖制作與輸出模塊此模塊可進行各類專題地圖的制作，如符號專題圖、顏色專題圖等，方便進行各類要素的顯示與操作，使地圖更直觀，專題圖制作結果還可進行保存輸出。此模塊的用例圖如圖 20 所示，用例說明如表 9 和表 10 所示。

Fig.20 Thematic map production and output use case diagram

表 9 專題圖制作用例說明

Table9 Thematic map production use case

用例名稱：專題圖制作

參與者：系統用戶

簡要說明：用戶可以對數據進行各種類型的符號化操作。前置條件：選中某一圖層，選擇某一符號類型基本事件流：

1）選擇某一圖層，鼠標單擊右鍵，選擇屬性；

2）點擊符號化標簽，選擇對應的符號化類型，和屬性字段，符號化分級策略等；

3）點擊確定按鈕。

其他事件流：無

異常事件流：無

后置條件：無

表 10 專題圖輸出用例說明

Table10 Thematic map output use case

用例名稱：專題圖輸出

參與者：系統用戶

簡要說明：用戶可以對制作的專題圖進行輸出保存操作。

前置條件：需要先制作好對應的專題圖

基本事件流：

1）點擊專題圖輸出按鈕；

2）選擇要輸出的專題圖，及保存路徑和名稱；

3）點擊確定并保存輸出。

其他事件流：無

異常事件流：當保存位置處有同名文件時，彈出“是否替換現有文件”的對話框。

后置條件：無

3.2 系統設計

系統的設計主要包括對于系統架構的設計、系統數據庫的設計以及系統界面的設計，其中數據庫的設計包括屬性數據庫設計和空間數據庫的設計。

3.2.1 系統架構設計

系統架構是對已經確定好需求的系統，實現構架和規劃，確定好計算機硬件和軟件之間的連接，然后運用成套、完整的工具，在規劃好的架構和步驟中去完成任務。具體是由計算機服務器及軟硬件等其他相關配套的設備、設施組成，然后根據系統要實現的目標、功能和規則對數據進行采集、存儲、傳輸、分析、輸出等處理的管理信息系統。

本系統主要采用面向分層的架構設計，遵循標準的J2EE架構，采用分層設計模式，根據低耦合、高內聚的思路進行系統的架構設計。使用三層架構的開發模式，分為表現層、應用層和數據層，其中應用層包含控制層、業務應用層、基礎服務層。三層架構的開發模式把所做的工作分成若干個部分去做，這樣條理清楚，維護方便，易于移植。

本系統主要針對的是山區生態資源空間信息的管理及可視化的實現，系統基于 GIS 平臺實現，提供基于位置的服務。系統采用 Client/Server 的開發模式，桌面平臺在 C/S 模式下在局域網內運行，并完成數據編輯、更新、顯示、分析等功能。因此從面向分層設計的視角，可以將系統設計分為如下層次：基礎設施層、數據層和基礎服務層。

1)基礎設施層：基礎設施層是整個框架體系的基礎，主要包括基礎軟硬件配置、用戶交互層和交互控制層。這層的穩定保證了系統的正常運行。

本文開發的基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理與可視化系統是以山區生態資源的管理為背景開發的，其基礎設施層主要包括：

(1)各管理部門和用戶內部局域網、廣域網和基礎軟硬件配置。

(2)用戶交互層：利用 C/S 技術，構建用戶與系統的人機交互界面。

2)數據層：數據層是整個系統的管理、分析、應用的基礎，它能為其它層提供數據支持，同時它是數據的管理、操作、查詢及統計分析的基礎，同時也能進行數據庫訪問及系統模塊間交互操作。它包括兩個層次，數據訪問層和數據存儲層，數據存儲層存儲了系統需要的各類空間數據庫和非空間屬性數據庫，空間數據以 Geodatabase 來進行統一存儲和管理，非空間屬性數據庫采用 SQL Server 數據庫進行數據的存儲和管理。數據訪問層利用 ADO.NET 對基于二維關系表進行存儲管理的屬性數據訪問支持，空間數據則利用 ArcGIS 空間數據引擎 ArcSDE 來進行數據訪問。

本文開發的基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理及可視化的二三維一體化系統包含的數據主要有：

(1) 研究區二維數據：包括二維矢量數據和二維柵格數據。矢量數據包括土地分類矢量圖、交通信息矢量圖等，其中包含各種地理空間數據和屬性數據。空間數據主要是點、線、面類型的各類對象，如，各級村鎮行政中心；鐵路、鄉村路、公路等道路；河流、湖泊及各類農業、礦業等生態資源。屬性數據主要通過在各種數據集的屬性表中添加數據而獲得。柵格數據主要是研究區的遙感影像。

(2) 研究區三維數據：主要是利用 DEM 和遙感影像、二維矢量獲得的研究區三維矢量地圖、三維柵格地圖(數字地表模型、山體陰影模型)。

3)應用層：這一層包括業務應用層和基礎服務層，主要用來實現各基礎功能模塊，以及其對應的實現技術及關鍵算法，為其它層的正常運行提供保障。

本文開發的基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理及可視化系統的基本功能模塊見系統功能分析，而基礎服務層主要包括數字地表模型構建算法、山體陰影模型構建算法，以及空間分析功能中的各類算法，如凸角圓弧法算法實現緩沖區分析、Dijkstra算法實現最短路徑分析以及空間查詢過程中所用到的算法。這些關鍵算法為二三維一體化平臺的構建，以及各類空間分析功能，如緩沖區分析功能、最短路徑分析功能以及查詢功能等的實現，以及其他層的運行提供了基礎。本系統基礎服務層結構如圖 21 所示：

3.2.2 系統數據庫設計

本系統是一個基于 GIS 的，二三維一體化平臺下的，山區生態資源空間信息管理及可視化平臺，所以數據庫設計內容包括空間數據庫設計和業務數據庫設計，其中空間數據庫又包括二維數據和三維數據。

1）空間數據庫設計：

空間數據類型包括二維的矢量數據、影像數據和DEM數據，并由DEM數據生產得到的三維數字地表模型圖和山體陰影模型圖，系統將利用ArcSDE對空間數據進行存儲，將各類地物以點、線、面的方式來進行表達，并將這些空間實體以圖形表示，實體的屬性以屬性表的形式存儲。

根據現有的土地分類矢量圖和交通信息矢量圖，通過在 ArcGIS 軟件中進行坐標轉換和數據合理分層，得到點、線、面和文本類型的二維矢量數據結構，便于直觀地表達地理對象。

通過下載研究區遙感影像和DEM數據，得到柵格數據。同時利用DEM數據和相應的二維矢量和柵格遙感影像，得到數字地表模型和山體陰影模型等三維數據。

本系統二維矢量和柵格數據如表11所示，三維數據如表12所示。

表 11 二維矢柵數據

Table11 Two-dimensional vector and raster data

類型所含圖層

點層 Elevation-point （DEM 高程點層）、Village （村莊點）、Town （鄉鎮點）

線層 Contry-line （縣界）、、Other （其它）

面層 Town（鄉鎮）、 Country （縣）、 Railway （鐵路）、 Country-road （鄉村路）、Other-road （其他道路）、Agri-resource （農業資源）、Timber-resouce （森林資源）、Mine-resource （工礦資源）、Water-resource （水資源，河湖）

柵格圖層遙感影像、 DEM 數據

文本標注生態資源類型、城鎮名稱、村莊名稱、道路名稱

由于獲取的土地分類矢量圖空間分辨率高，因此各類道路和生態資源等全部

用面狀對象來表達，便于更精確的表達對象的位置和形狀。

表 12 三維數據

Table12 Three-dimensional scene data

類型所含圖層

三維模型 Surface-model （地表模型）

三維模型 Hillshade-model （山體陰影模型）

2）屬性數據庫設計：

屬性數據庫主要包括系統數據，以及用傳統二維關系表表示的對象屬性信息。

系統數據主要涉及到用戶和數據的管理方式、流程、權限等。數據管理功能包括各種數據的基本信息包括版本、日期、管理人員、可調用權限。業務流程采用工作流引擎進行配置，將業務數據的操作員、操作記錄、流程標簽存儲到數據庫中。權限管理分為用戶表、角色表、菜單表和數據組表，根據用戶—角色—菜單的形式對數據和功能進行權限劃分。

屬性數據以二維關系型數據表的方式來表達，用來存儲對象與空間無關的屬性信息。本系統建立的屬性數據表主要包括系統數據表及生態資源屬性信息表，其中系統數據表主要存儲與系統用戶有關的數據，包括用戶表、權限表、用戶權限關系表。各表的結構如表13、 14、 15 所示。生態資源屬性信息表主要用來描述各類生態資源非空間的詳細屬性信息，其中由于此地區森林資源較多，屬性信息的描述偏重對林地的描述，由于生態資源屬性信息較多，本文只選擇了一部分重要屬性列于表 16 所示。

表 13 用戶表

Table13 The user table

字段名稱字段類型是否為空備注

UserID Int 否編號，主鍵

UserName Varchar(50) 是登錄名

UserPass Varchar(50) 是密碼

RealName Varchar(50) 是真實姓名

UserTele Varchar(11) 是電話

UserMail Varchar(50) 是郵箱

Remark Varchar(200) 是備注

用戶表主要用來存儲系統用戶注冊過程中的一些個人基本信息，包括用戶的登錄名、密碼，以及個人基本信息，包括用戶的真實姓名、電話、郵箱地址以及一些其他的備注信息，是用戶登錄與注冊模塊的基礎數據，有新用戶使用本系統時要先進行注冊，注冊的信息保存在用戶表中。

表 14 權限表

Table14 The authority table

字段名稱字段類型是否為空備注

AuID Int 否權限編號，主鍵

Type Int 否權限類型，主鍵

AuName Varchar(50) 是權限名稱

Remark Varchar(200) 是備注

系統為用戶設定了不同的權限和角色，不同角色的用戶具有對系統不同的操作權限，權限表用來存儲用戶的權限信息，包括權限的唯一編碼、類型、名稱以及一些備注信息，權限表如表 15 所示。

表 15 用戶權限關系表

Table15 The user authority relationship table

字段名稱字段類型是否為空備注

ID Int 否編號，主鍵

UserID Int 是用戶編號

AuID Int 是權限編號

Remark Varchar( 200) 是備注

權限用戶表用來建立用戶表和權限表之間的聯系，為不同類型的用戶設置具體

的權限，以使不同權限的用戶可以在系統中進行不同的操作。

權限表主要存儲編號，用來唯一標識一個對象；用戶編號，用來對用戶進行標

識和記錄；權限編號，作為外鍵和權限表建立聯系；備注主要用來存儲一些需要備

注的其它信息。

表16 生態資源屬性信息表

Table16 Attribute table of ecological resources

字段名稱字段類型是否為空備注

ID Int 否編號，唯一標識

Locate_town String(24) 是坐落鎮

Locate_village String(24) 是坐落村

Compartment String(8) 是林班號

Subcompartment String(8) 是小班號

Area Float 是面積

length Float 是周長

Ownership String(8) 是權屬信息

Land_type String(8) 是地類

Land_type_new String(8) 是新地類

Forest_category String(8) 是林種

Dominant_tree String(8) 是優勢樹種

Administration_part String(8) 是管理部門

Center-x Double 是中心橫坐標

Center-y Double 是中心縱坐標

Soil-type String(8) 是土壤類型

Soil-depth Short-integer 是土層厚度

3.2.3 系統界面設計

系統界面是一個程序的門面，它是直接面對系統用戶的，直接實現用戶與程序的溝通，所以系統界面設計好壞與否，直接影響到用戶的體驗。所以系統界面的設計在整個系統設計中也尤其重要，它直接影響到程序的易用性。

本系統基于界面直觀、對用戶透明、無需過多尋找即可實現各工具的總體原則來對界面進行設計。使系統的用戶一接觸軟件便能對系統功能一目了然，無需過多培訓即可熟練使用本系統。下面是系統界面設計的具體原則

1）布局合理、協調化原則。每個窗口內的空間擺設大小、位置、空間關系等要合理，空間擺放均勻，使界面美觀協調。

2）界面一致性原則。各個頁面的風格，如字體、顏色等要統一，避免使用過多鮮艷會引起視覺疲勞的色彩，從而達到良好的使用效果。

3）信息最小量原則。界面設計要盡量簡單，使用戶可以通過主要菜單及二級菜單即可找到所有功能項，盡量減少用戶記憶負擔，采用有助于記憶的設計方案。

4）幫助和提示原則。當用戶出現操作不當或參數輸入錯誤時，要彈出系統框進行提示和幫助，系統運行過程中的速度及時間也要及時提醒，使用戶對功能的運行時間做到心中有數。

本系統采用標準的界面，由菜單工具欄、圖形區、導航區、狀態欄等組成，界面友好標準，簡單易用，層次清晰，上手容易，系統主界面如圖 22 所示。

圖 22 系統主界面

Fig.22 Main interface of system

3.3 本章小結

本章對基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理及可視化系統的實現進行了總體的分析與設計。其中系統的分析包括需求分析、系統功能分析、系統用戶分析以及系統用例分析。系統的設計方面，詳細介紹了系統的設計架構、系統數據庫的設計（包括空間數據庫與屬性數據庫）、以及界面設計（設計原則及主界面）。

第 4 章山區生態資源空間信息管理及可視化系統的開發與實

現

本章主要對山區生態資源空間信息及可視化系統的軟硬件配置方案及系統具體功能的實現過程進行介紹。

4.1系統開發平臺及軟硬件配置方案

本系統基于計算機技術、 GIS 技術、數據庫系統技術、三維模型構建理論等為基礎進行建設。系統中各類非空間型關系數據存儲于 SQL Server 數據庫中，地圖數據以二維地圖和三維場景形式在ArcGIS控件中展示，并依靠ArcSDE空間數據引擎來管理地理空間信息和圖形數據。系統采用三層框架結構進行設計開發，開發框架為.Net Framework4.0，采用Microsoft Visual Studio2012作為集成開發環境進行實現，利用 ADO.Net 訪問關系型數據，基于 DevExpress 和 ArcEngine 實現人機交互界面。系統采用 C/S 架構設計，設立系統管理員和普通用戶兩類權限。

4.2系統具體功能實現

系統的具體功能主要包括以下功能模塊：系統與數據管理功能、地圖基本操作功能、生態資源信息空間查詢功能、生態資源空間分析功能、山區生態資源三維瀏覽功能、專題圖制作與輸出功能。

4.2.1 系統與數據管理功能

系統與數據管理功能主要實現對于系統維護和數據的管理，主要包括系統用戶的添加和管理功能，數據的備份與恢復功能，該功能只由系統管理員有權限進行操作。用戶要使用該系統，首先需要個人注冊信息，在注冊過程中錄入個人信息，包括用戶名、密碼、真實姓名、用戶類型、電話、電子郵箱等。注冊后的用戶信息在關系數據庫中進行保存，并在后續的編輯和管理時，通過 ADO.net 進行關系數據庫的連接，可實現對用戶個人信息數據的查看、刪除和編輯等操作，但該操作只限具有系統管理員權限的人員進行操作。

該系統模塊還可以實現對各類數據的加載功能，如矢量數據、柵格數據、數據庫數據、圖層數據等，加載數據時要先選擇數據類型，然后對相應數據進行加載操作。

該功能模塊的界面如圖 23、24、25 所示，分別實現添加用戶、用戶管理和加載數據的功能。

圖 23 添加用戶

Fig.23 Add users

圖 24 用戶管理

圖 25 數據加載

Fig.25 Add data

4.2.2 地圖基本操作功能

地圖基本操作模塊可以實現對所加載地圖的基本操作功能，如地圖的放大、縮小、漫游、全幅顯示、地圖鷹眼及地圖輸出保存的功能，該功能模塊是實現其他功能模塊的基礎。基于這些功能可以方便的查看地圖各部位的內容。

地圖通過 MapControl 控件來進行顯示操作，并通過 SuperMap.UI.Action 來實現對于地圖的各種操作，如放大、縮小、漫游等。鷹眼功能是當研究范圍較大時，可以通過鷹眼選擇感興趣研究區，并定位，使地圖窗口只顯示感興趣范圍的地圖內容，該功能通過自定義的函數實現。地圖輸出功能是通過 MapControl 控件封裝的類來進行實現，將地圖輸出為圖片。該功能模塊的主要界面如圖 26 所示。

地圖操作空間分析三維信息瀏憑系纟克與數擁管理

a 黑逐級縮小：：逐級放大血放大卿全局視圉

打開地圖添加園層另存為… 指針平移 <□上一視圍U>下一視圖 Q縮小 <a屬性查詢

文件操作瀏覽工具

圖 26 地圖輸出

4.2.3生態資源信息空間查詢功能

空間信息查詢功能包括兩類，即通過屬性查詢圖上信息，以及通過圖上的對象，查詢其對應的屬性信息。

對于生態資源信息查詢來說，具體也包括兩方面，首先是根據地圖上用戶感興趣的對象，查詢其對應的詳細屬性信息，從而將對象的空間信息和屬性信息結合起來，方便用戶在已知對象地理位置的情況下，同時查看其非空間的屬性信息，從而全面了解對象。其操作過程是，先點擊工具欄的屬性查詢按鈕，然后在圖上對應的感興趣對象單機，即可彈出對話框，顯示對象屬性表中的所有信息，如圖 27 所示。

第二種是根據對象的屬性信息，查詢符合條件的對象，查詢結果可在地圖上高亮顯示。首先需要打開相應圖層的屬性表，在彈出的屬性表對話框中，單機最上面一欄菜單的屬性篩選按鈕，彈出屬性篩選對話框，然后根據屬性字段和屬性值構造查詢條件進行查詢。如圖 28、29 所示，查詢屬性表中的“優勢樹種”為“板栗” 的對象。

圖 27 圖查屬性

Fig.27 Attribute query by map

圖 28 屬性查詢過程

Fig.28 Attribute query process

圖 29 屬性查詢結果

Fig.29 Attribute query results

4.2.4 生態資源空間分析功能

生態資源空間分析模塊包括緩沖區分析和疊置分析兩大功能。緩沖區分析是以點、線、面實體為基礎，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區多邊形圖層，來判斷某類對象的影響范圍或輻射范圍。首先選擇緩沖區圖層，輸入緩沖半徑，并制定輸出圖層位置及名字，本文以鄉鎮點圖層為例，建立 1000 米范圍的緩沖區，以此可判斷鄉鎮中心范圍，緩沖區分析的過程和結果如圖30、31 所示。

圖 30 緩沖區分析過程

Fig.30 Buffer analysis process

疊置分析是將兩層或多層地圖要素進行疊置產生一個新要素層的操作，疊置條件有求交、求并、識別等規則。疊置分析可用來提取 GIS 空間特征。在本文中，上一步緩沖區分析的結果包括省范圍內的全部鎮的緩沖區，需要提取出研究的縣范圍內的緩沖區，因此就可以利用疊置分析功能，將緩沖區和本縣的面圖層求交，即可得到本縣范圍內的緩沖區，在對話框中選擇輸入圖層和疊置圖層，選擇分析方式及輸出路徑和文件名，點擊分析按鈕即可，分析過程和結果如圖32、33 所示。

圖 32 疊置分析過程

Fig.32 Overlay analysis process

圖 33 疊置分析結果

4.2.5 山區生態資源三維瀏覽功能

山區生態資源的三維瀏覽模塊可以實現對研究區數字地表模型和山體陰影模型的三維顯示和瀏覽操作。通過將數字地表模型和二維矢量地圖疊加，可以二三維一體化的呈現研究區空間特征。本文數字地表模型和山體陰影模型的構建過程見第二章中詳述，在 ArcScene 構建好相應的三維場景后，在 ArcEngine 中利用 SceneControl 控件加載三維場景并顯示。結果如圖 34 和 35 所示。

圖 34 三維地表模型瀏覽

Fig.34 Three dimensional surface model scan

圖 35 三維山體陰影模型瀏覽

Fig.35 Three dimensional hill shade model scan

4.2.6 專題圖制作與輸出功能

專題圖制作是根據各圖層內容進行要素、類別、數量、圖表等類型的專題地圖的制作，便于直觀地表達地理對象。操作過程如下：首先在圖層列表的圖層名稱上單擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇符號化，即彈出符號化窗口，如圖 36 所示。在符號化窗口中選擇專題圖類型，本文是進行基于類別的專題圖，選擇依據的值字段，單擊添加所有值，并選擇色帶，點擊確定，即可得到如圖37 的結果。

圖 36 專題圖制作過程

圖 37 專題圖制作結果

Fig.37 Thematic map result

4.3 本章小結

本章介紹了基于 GIS 的山區資源空間信息管理及可視化系統的具體開發與實現過程，包括系統的軟硬件配置以及系統主要功能的實現過程，其中功能的實現說明了每個功能的作用以及技術實現還有操作界面。

結論

生態資源是自然資源的一個重要的組成部分，對其進行合理的管理、利用和保護關系到整個人類和社會的可持續發展前景。目前，我國山區生態資源的調查和信息管理工作較為落后，大多通過實地調查的方式進行，所獲取的各類信息則采用人工管理方式，對生態資源的統計分析和有效管理十分不方便，嚴重影響了管理工作的順利開展。本文正是在這樣的背景下提出的，對山區生態資源的空間信息進行基于 GIS 的管理和可視化應用，確定了系統所采用的相關技術和理論，并對系統進行了總體設計、數據庫設計和詳細設計以及開發工作。

通過本課題的研究，本文最終得出了以下主要結論：

1）基于 GIS 技術、計算機技術、數據庫技術、三維可視化等技術進行山區生態資源空間信息的管理及可視化系統的開發，在理論上、技術上是可行的。

2）傳統的山區生態資源空間信息管理方式依靠實地采樣調查和人工管理，效率低下，數據共享困難，數據直觀性差。對其進行基于 GIS 的二三維一體化顯示和管理，可以有效進行資源的管理，提高管理效率和質量，并為管理者提供輔助決策。

3）通過二三維一體化環境的構建，山區生態資源的可視化效果更好，考慮三維信息后，由此進行查詢和空間分析，可得到更好的可視化效果。

本文只是對該課題進行了初步的研究，在研究和系統設計過程中還存在著不足：

1）在對三維方面的構建，只是利用 DEM 數據中的高程信息進行了地表模型的構建，體現了山區的地形起伏狀態，對于研究區的各三維地物等，未進行三維模型的構建，難以實現山區真正的三維場景構建。

2）系統的數據庫建設還不夠完善，對于農業資源的數據較全，其他如礦產資源、水資源、動物資源的數據較少。

如今，隨著計算機技術、GIS技術以及三維建模技術的迅猛發展，以及對于生態資源空間信息管理的需求不斷增加，基于 GIS 的山區生態資源空間信息管理及可視化技術將更加成熟深入地應用到生態資源的管理中去。

參考文獻

[1]魯春霞，李亦秋，閔慶文，等.首都生態圈生態功能分區與評價[J].資源科學，2015, 37(08):1520-1528.

[2]王迪，田旭飛，曲波.GIS在生態學中的應用研究進展[J].生態科學,2015, 34(03):162-169.

[3]肖宇.基于“一張圖”GIS技術的基本生態控制線劃定規劃研究一以惠州市為例[A].中國風景園林學會. 中國風景園林學會2014年會論文集(上冊). 中國風景園林學會， 2014:6.

[4]張慧霞，婁全勝，夏斌.基于GIS的森林資源信息管理關鍵技術[J].中南林業科技大學學報， 2005， 25(5):131-134.

⑸ 溫金奎，羅傳文.基于GIS的森林資源管理信息系統研究與開發[J].森林工程， 2015(2):31-36.

[6]張瑞.基于GIS的丘陵型生態農業觀光園規劃布局研究[D].南京:南京林業大學,2015.

[7]張斌.基于GIS技術的羅霄山脈生態信息系統構建與實現[J].萍鄉高等專科學校學報, 2014， 31(06):68-72.

[8]奚為民，傅樺，任亞楠，等.北京山區資源信息管理系統的研建與應用[J].首都師范大學學報:自然科學版， 1997(2):113-118.

[9]錢樂毅.基于GIS的多尺度多維貧困識別[D].北京:首都師范大學,2014.

[10]鄭江華，鄭志華，劉平.基于GIS的新疆山區森林資源信息系統的研制[J].森林與環境學報， 2003， 23(4):317-321.

[11]陶陶.數字生態模型支持下的“生態優先”城鄉規劃方法[J].城市發展研究，2013, 20(12):76-81.

[12]魯瓅.湖北省小池濱江新區生態框架研究[D].武漢:華中農業大學,2013.

[13]劉瑩.基于ESDA_GIS的鄱陽湖生態經濟區生態足跡研究[D].南昌:南昌大學,2012.

[14]SONDER K. Use of remote sensing and GIS for improved natural resources management: case study from different agroecological zones of West Africa[J]. International Journal of Remote Sensing， 2010， 31(23):6115-6141.

[15]ZURAYK R. Participatory GIS-Based natural resources management: experience from a country of the south[J]. Arid Lands Newsletter， 2003， 30(6):128-140.

[16]TRIFU M C， CRACIUNESCU V， RUSU C， et al. Development of an Open-GIS decision aid system for ecological and economical management of surface and groundwater resources in the Bistrita River Basin (Romania)[J]. Hydrology & Earth System Sciences Discussions, 2007, 4(4):2035-2071.

[17]SUN W J, WANG X Q. Forest resources classification management based on GIS technology in Changting County[J]. Journal of Fujian Forestry Science & Technology, 2007: 34(4): 158164.

[18]MARCELLI M, PIERMATTEI V, MANFREDI FRATTARELLI F, et al. Sea-Use Map Of Lazio: GIS Supporting a Sustainable Marine Resources Management[J]. Egu General Assembly, 2010, 12:4433.

[19]LIU Y G, WANG N L, WANG L G, et al. Application of GIS in regional ecological risk assessment of water resources[J]. Environmental Engineering & Management Journal, 2013, 12(7):1465-1474.

[20]ZANG S Y. A project of sustainable utilization of forest resources supported by GIS[J]. 中國地理科學:英文版, 2000, 10(2):188-192.

[21]BALL G L. Ecosystem modeling with GIS[J]. Environmental Management, 1994, 18(3):345- 349.

[22]WANG J, MA L, WU B, et al. Technical Plan for Developing a GIS-based Decision Support System for Ecological Environment Construction[J]. Forest Resources Management, 2002, 8(4): 61-64.

[23]DENG G, ZHANG X, Fan D, et al. WEBGIS and the Forest Resource and Ecological Information Sharing System[J]. Forest Resources Management, 2004, 8(4): 56-59.

[24]GUO H, LU Y C, LEI X D, et al. GIS-based Ecological Classification System of Forest Landscape in Qingshan Forest Farm[J]. Forest Resources Management, 2013, 8(4):126-130.

[25]MAHBOUBI P, PARKES M, STEPHEN C, et al. Using expert informed GIS to locate important marine social-ecological hotspots[J]. Journal of Environmental Management, 2015, 160:342.

[26]LI J L, JIANG P, ZHAO D H, et al. The Application of RS, GIS and GPS on the formative Reason Analysis of Grassland Yields and Estimation of Agricultural Resources[J]. Grassland of China, 2003, 25(3):16-24.

[27]XIE H L, LI X B. A Method for Identifying Spatial Structure of Regional Critical Ecological Land Based on GIS[J]. Resource Science, 2011, 33(1):112-119.

[28]CLARK D A. Deciphering landscape mosaics of neotropical trees: GIS and systematic sampling provide new views of tropical rain forest diversity[J]. Annals of the Missouri Botanical Garden, 1998, 85(1):18-33.

[29]PEW K L, CPS L. GIS analysis of spatial and temporal patterns of human-caused wildfires in

the temperate rain forest of Vancouver Island, Canada[J]. Forest Ecology & Management, 2001, 140(1):1-18.

[30]夏念.基于ArcGIS Engine的武漢城市湖泊濕地信息系統開發與實現[D].武漢:華中農業大學, 2012.

[31]吳耀宇.城市森林景區生態評價與開發模式研究[D].南京:南京師范大學,2012.

[32]石云.基于GIS的彭陽縣生態敏感性分析[A].中國地理學會.地理學核心問題與主線一 —中國地理學會 2011 年學術年會暨中國科學院新疆生態與地理研究所建所五十年慶典論文摘要集. 中國地理學會, 2011:2.

[33]王瑞永.三維虛擬草原中生態信息管理技術研究[D].北京:中國農業科學院,2011.

[34]許斌.基于GIS的黔東南原生態旅游業發展研究[D].重慶:西南大學,2010.

[35]歐陽江南.基于遙感和GIS的東莞市生態資源核實研究[D].東莞:東莞市地理信息與規劃編制研究中心, 2010.

[36]任鵬.基于RS-GIS的武漢花山新城景觀生態格局規劃研究[D].武漢:華中農業大學， 2009.

[37]周忠發.貴州省縣域農業生態資源環境GIS設計與應用研究[D].貴陽:貴州師范大學， 2007.

[38]張會儒，唐守正，王彥輝.德國森林資源和環境監測技術體系及其借鑒J].世界林業研究, 2002, 15(2):63-70.

[39]秦潔.基于GIS的生態環境保護決策支持系統研究J].無線電工程,2007, (09):48-50.