洱海湖泊区域管理信息系统研发技术问题探讨

收稿日期:2004-08-18;　修订日期:2005-02-15 基金项目:云南省科技计划信息技术开发专项(2002IT02) 作者简介:赵俊三(1964-),男,博士,昆明理工大学教授,从事国土资源管理信息系统、GIS 与生态模拟、3S 系统集成等科研与推广应

用,已发表论文40余篇。E -mail :jzhao @

洱海湖泊区域管理信息系统研发技术问题探讨

赵俊三1,张惠萍2,许文胜3,赵胜恩3,龚纯伟4,陈芳媛4

(1.武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;2.大理环境保护局,云南大理671000;

3.昆明云金地科技有限公司,云南昆明650106;

4.昆明理工大学,云南昆明650093)

摘要:湖泊区域管理信息系统(LVMIS )的建立涉及众多技术、学科领域。该文以洱海湖泊区域管理信息系统

(EHLVMIS )为例,阐述系统建立的技术路线和实现方法,重点介绍系统功能目标与数据需求,水体、水资源管理和

生态环境综合评价相关专业模型以及软件体系结构配置和系统建设等问题。关键词:湖泊区域管理;地理信息系统;遥感;生态环境;水资源;洱海

中图分类号:P208;P343.3 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2005)02-0043-05

20世纪90年代以来,美国、加拿大对湖泊流域的演化过程进行模拟和评估[1],利用3S 和计算机技术建立了比较完整和详细的湖泊或流域的数据库,并结合当地社会经济发展规划与政府管理职能特点建立了湖泊或流域管理信息系统,为当地的湖泊—。

洱海是云贵高原第二大淡水湖泊,湖泊面积250万km 2,容积2818亿m 3,平均水深1012m ,具有调节气候、提供工农业生产和生活用水、航运、水产养殖、旅游观光等多种功能,对该流域的经济发展起着重要作用[2]。随着人类经济活动的加剧,目前该流域的生态环境遭到不同程度破坏,湖泊水质受到很大污染,水体富营养化水平逐步升级,严重威胁湖泊区域的生态和水资源可持续发展[3,4]。为此,笔者开发了洱海湖泊区域管理信息系统(Erhai Lake Valley Management Information System ,EHLVM IS ),为政府部门及时、准确地了解湖泊(水资源特征、湖泊流域的土地利用现状、人口分布、地形地貌、环境污染情况、生态环境状况),预测水资源质量与数量变化情况,为统一管理水资源开发、利用、治理、配置等涉及的水环境问题提供基础信息。

1　建立EHLVM IS 的总体思路

建立EHLVM IS 的总体思路是:以信息处理技术为手段,以现代化的管理理论、技术为指南,以区域可持续发展为宗旨;综合利用水利灌溉、城市供水、旅游资源、发电、航运、养殖、气候调节和环保等多学科技术;使用遥感(RS )、全球卫星定位系统(GPS )、地理信息系统(GIS )集成技术和M IS 等技

术,获取洱海湖泊区域的环境与生态信息;在专业模型支持下,辅助政府部门对湖泊区域水资源及生态资源的综合开发利用进行科学管理与决策;对湖泊的环境、水质、水量等变化适时提供监测、预警以及预测信息。

系统开发与建立的步骤:1)以3S 技术为支撑,开发湖泊区域基础地理信息系统,实现对多尺度(各种比例尺地形图或其它专题图)、多源(矢量、栅格、多媒体等)、多维(二维、三维、DEM 、D TM 等)数据的三库一体化管理,建立基础地理信息数据获取、数据处理、数据更新维护、数据分发、输出与可视化显示的机制和技术体系。2)以生态环境、自然与人文地理、土地利用、环境监测与保护、水资源管理、水文地质等为知识背景,结合湖泊区域的特征建立相应的水体模型、水量平衡分析与水资源调度模型、水质生态宏观控制模型、水资源与生态环境综合评价及等级分析模型、土地利用与水资源质量及数量关系模型等,并以此为基础,建立水资源管理信息系统和生态环境管理信息系统,实现湖区水资源、生态环境资源、土地利用状况、人口分布、环境污染、工业与旅游资源的可视化管理,提高湖区生态保护、水资源利用与保护、水质水文环境监测的水平。3)将技术管理与政策法规的实施、综合事务管理等有机联系,并通过知识管理(K M )的技术架构实现上述各子系统的有机集成,以数据共享和标准统一为基础建立湖泊区域管理信息系统。

2　EHLVM IS 数据需求分析

该系统建设需要获取4类数据:1)结构化的专

第21卷　第2期2005年3月 地理与地理信息科学G eography and G eo -Information Science

Vol.21　No.2

March 2005

业业务数据,如指标体系数据、洱海动植物资源数据、水产品产量数据、各种统计数据报表,这类数据可用简单的二维表格形式表达。2)非结构化的管理业务数据,如编制实施洱海自然环境和水污染防治综合治理计划、计划管理、通知文件传递下达等。文档型信息占信息传输主体,可以用多媒体、文档、工作流程控制等方式存储与管理。3)基础地理信息数据,包括洱海区域地面和水下地形图、土地利用现状图、遥感影像、水环境要素分布图、湖区水体和流域区污染分布图、湖泊洪水风险图等。这类信息数据的获取与处理是系统研发中需要重点考虑和缜密设计的部分。4)水资源与生态环境等专业动态监测业务数据,这类数据由洱海环境保护部门、气象部门以及国土资源部门的专业人员按测试站点设置专门仪器设备定期获取。后两类数据是动态数据,尤其是基础地理信息数据,要根据实际需求,选择适当比例尺的地形图数据和合理几何分辨率的遥感影像数据。在EHLVM IS研发中,对于洱海的水下部分,使用1∶5000数字地形图建库,环洱海湖滨带使用1∶500的带状地形图,以满足每10cm作为一层计算湖水容量的要求,并在系统支持下进行三维显示及淹没分析;对于洱海周边地区,使用1∶5000数字地形图建库,以研究洱海湖水流入、流出的情况;对洱海流域,使用1∶5万数字地形图建库,而流域内的村镇,使用1∶1万数字地形图建库,研究土地利用及土地覆盖变化状况。这些基础数字图件都可以在GIS 支持下,用GPS或其它测量手段进行修改与数据更新。在遥感图像处理软件支持下,可获取土地利用和土地覆盖方面的信息,辅以地面调查可以提取植被种类、土壤类别、水质富营养化等潜在信息。笔者选定SPO T-5卫星遥感图像数据,该数据全色波段几何分辨率为215m、多光谱几何分辨率为20m。

3　系统总体技术架构设计

EHLVM IS可分为专题信息、湖泊基础地理信息和行政管理信息3个子系统。专题信息子系统又可分为水资源管理、模型管理和生态环境管理3个二级子系统。专题信息子系统与湖泊基础地理信息子系统中的信息数据将作为行政管理决策的依据。各子系统及数据库之间的关系如图1所示。

EHLVM IS使用的软件可按照图2所示的逻辑拓扑图构建。软件体系按照三层构架设计,使湖泊区域管理目标、功能设置、模型等适应系统需求的改变。在EHLVM IS的开发技术路线中,元数据[5](metadata)的设置与利用是数据管理的一个重要措施。EHLVM IS构建在网络化的多源、异构、分布式的数据库群,即数据仓库(data warehouse)之上,使用元数据配备相应的数据引擎是最佳选择。

图1　系统总体功能结构及数据库关系

Fig.1　G eneral structure and relationships of the

d atab ases of th

e system

湖泊区域管理信息系统

ArcInfo/MapObjects/ArcObjects

Java/JavaScript/.net/delphi

应用端二次开发ArcSDE

(空间数据引擎)

ArcIMS

(WebGIS中间件)

CORBA/

JavaBean

ENVI

(图像处理软件)

Oracle数据库及其它数据管理软件

计算机硬件网络及操作系统

图2　系统软件逻辑拓扑

Fig.2　Logic diagram of the system

EHLVM IS的底层使用Oracle[6](或其它大型)数据库系统,通过利用空间数据引擎(SDE)在该数据库中既可存放空间地理数据,又可存放属性文档数据[7]。在开发行政办公系统时可采用工作流程自定义及表单定制控件,构建部门办公自动化系统。采用Java技术在XML协议支持下进行系统开发,可方便地实现异构数据链接与信息共享[8]。EHLVM IS的软件开发平台还包括AacInfo、ENV I、ArcSDE、ArcIMS等。

4　LVM IS中的主要专业模型

4.1　水体模型

EHLVM IS水体模型包括湖流模型、水质模型、水温分层模型、水体光照模型。

4.1.1　湖流模型　绝大部分湖泊水域开阔,水流状态分为前进和振动两类,前者指湖流和混合作用,后者指波动和波漾。引起洱海海水水面波动的主要原因为作用在湖面上的风。洱海主导风为西南季风,年平均风速为411m/s,大风一般在12～14m/s,最高达2719m/s。基于这个因素,洱海比其它湖泊的湖水运动更强烈,主要运动类型有波浪、波漾、湖流、增水和减水等。根据洞庭湖湖流模型的建立思路,结合洱海特殊的水流状况,建立洱海湖流模型,并对风涌水和定振波影响进行预测,以更好地说明洱海水体动力状态。

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第地理与地理信息科学 第21卷