水土保持监测系统解决方案

　　水土保持监测系统以国家信息化发展战略为指导，以全国水土保持生态环境监测网络建设要求为依据，以严重水土流失区为重点，以地面定点观测为基础、抽样调查为补充，以遥感、地理信息系统、全球定位系统(3S)及计算机网络等现代信息技术为支撑，实现对流域水土流失及其防治动态的快速监测，加快信息传输和处理速度，促进资源共享和开发利用，全面提高水土保持规划、科研、示范、监督和管理水平。

　　一、水土保持监测系统总体设计

　　1．系统总体功能

　　水土保持生态环境监测系统是由水土保持采集信息处理系统、水土流失分析预测系统、水土流失防治管理系统、水土保持评价系统、水土保持信息服务系统等五部分组成。集信息采集、综合数据库、GIS和遥感技术，提供一个水土保持环境监测的专业应用系统，实现对水土保持主要业务工作的运行管理和决策支持。

　　2．系统总体技术框架

　　根据水土保持监测系统的系统逻辑结构，结合目前业界比较成熟的空间数据库技术、GIS、WebGIS技术和三维地理信息技术，建立以GIS应用为手段的专业水保监测系统的系统总体技术框架。

　　(1)数据采集系统
　　数据采集系统是监测系统的基础，主要为水保的业务系统提供所需的多空间尺度、多时间尺度、多数据格式、多记录方式、多比例尺、多精度的空间数据和水保专题数据及影像。

　　(2)空间数据库
　　监测系统的空间数据库需要管理不同比例尺的二维GIS图形、三维DEM数据、不同分辨率的影像数据。

　　水保专题库包含水土保持的专题图件和专题属性表格，其数据来源是各种遥感、GIS、地形DEM分析计算的结果。

　　(3)中间件技术
　　根据信息监测系统对内数据管理和对外数据发布功能分工的不同，对于同一数据库层采用不同的中间件技术。其中对内的空间数据管理可以采用空间数据引擎的技术进行访问，而三维流域场景的生成等功能可以采用SDE的影像存储技术来获取数据。

　　对外，二维和影像的数据可以采用ArcSDE技术，通过ArcSDE进行空间数据的访问和Web发布，而三维场景数据可以采用SDE影像存储和管理技术将三维场景的预览图发布到Web浏览器中，以供外部预览和查询。

　　(4)客户端
　　客户端软件可根据应用功能、用户的不同采用不同的软件技术。空间数据查询、管理、维护、数据库安全策略等功能可以采用ArcGIS系列产品来管理。利用GIS软件，对三维数据库进行可视化管理，为用户综合应用4D数据而进行三维流域场景的生成。对外的用户信息服务可以采用统一的Web浏览器作为客户端，只是根据不同的应用服务采用不同的Web客户端技术。

　　二、数据库的组成与更新维护

　　1．数据库的组成

　　水土保持数据库由基础数据库、专业数据库、用于遥感分析和三维GIS可视化漫游分析的三维影像库组成。为了更好的服务于其他的监测分站的数据库备份和数据共享服务，还需要对该分布式数据库系统建立数据字典或元数据库。

　　(1)基础数据库
　　自然环境数据库。包括地貌、地面物质组成、土壤、植被、气候等数据。

　　经济社会数据库。包括行政区划、人口、劳力、土地利用、粮食生产、农村产业结构等数据。

　　土壤侵蚀数据库。包括土壤侵蚀形态、强度与面积分布等数据。

　　技术标准数据库。包括水土保持国家标准、行业标准、流域规程等数据。

　　规划数据库。包括不同尺度水土保持规划及相关的区域、地方经济社会发展、河流治理开发等规划。

　　(2)专业数据库
　　水土流失数据库。包括径流泥沙、水文泥沙、人为水土流失、水土流失危害等数据。

　　水土流失治理数据库。包括治理程度、委属项目、国家项目、省属项目、水土保持效益、水土保持典型等数据。

　　水土保持预防监督数据库。包括水土保持法规体系、执法体系、监测体系、执法监督、开发建设项目水土保持方案等。

　　政务数据库。包括水土保持公文管理、重要会议、重要来访、视察检查等。

　　(3)三维影像数据库
　　数字高程模型库。存储流域、重点支流、省(自治区)、重点监督区、重点预防保护区、小流域、生态工程项目区等不同空间尺度、不同分级、不同格网大小的DEM数据。

　　影像数据库。包括不同分辨率的航空影像、卫星影像、不同专题的影像分类图、控制点数据、正射影像、校正影像等。

　　模型库。包括各尺度流域的水土保持工程措施及配置方案。例如土坝等的三维模型以及对应的纹理影像。

　　(4)元数据库
　　建立标准的数据字典或者叫元数据库，包括空间图形数据的元数据、属性表字典，地址代码字典，行业代码字典，职业代码字典等。

　　2．数据的预处理

　　在实施数据库建设之前，数据大部分是杂乱无章的，数据的存在形式是多样的，数据存在着冗余和缺失，数据之间的关系模糊，数据文件的格式也不统一，这就需要在入库之前，对这些数据进行预处理。

　　(1)二维空间数据和专题空间数据预处理
　　二维地理数据的预处理要进行分类、分级、萃取、建立关系，然后转换为统一的投影方式和坐标系统，根据空间数据的分幅索引图存储于不同的专题、不同分区、不同比例尺的空间数据库中。

　　(2)三维影像数据预处理
　　三维影像数据包括遥感影像、DEM数据和水工模型数据，其中遥感影像数据和DEM数据在数据库中都被视为GIRD的影像数据。由于影像数据庞大、种类较多，对研究水土保持的影响因素复杂，因而必须设计统一坐标配准的影像数据库来支持系统的运行。

　　(3)其他数据预处理
　　除了空间数据、专题空间数据和影像数据外，综合数据库中还包含有其他数据，如办公文档、多媒体数据、监测数值数据等，这些数据的预处理比较简单，只需统一文件的格式和数据的精度，然后通过Oracle专有的工具将这些数据导入到数据库中即可。

　　3．数据的更新与维护

　　(1)空间数据更新
　　利用遥感或数字摄影测量技术快速的从航片或卫片中提取不同比例尺的数据产品。通过数字技术更新空间数据、正射影像或专题影像、二维矢量数据和专题要素等。

　　(2)专题属性数据更新
　　利用自动化监测设备，获取水土保持的各种数据，建立实时采集，利用统一的关系数据库访问接口，快速更新数据库中的相关字段和数据；对于自然、社会、人文、经济信息，需要建立各专业部门和市、区、县层次的自然、社会、人文、经济要素属性信息搜集汇总的网络，定期搜集行政区域、交通、地名、重大水土保持设施等变化的信息和资料、数据，即时予以更新。

　　(3)数据库维护
　　空间数据库的维护功能包括索引、关系、特征子类、字段域等空间数据库约束机制的维护。

　　属性数据库的维护可采用关系数据的一套约束机制，包括从数据库、存储方案、表格、字段、键值、索引、关系、数据类型、触发器、有效值、唯一性等约束机制来维护数据库的完整性和一致性。

　　三、水土保持监测系统主要组成

　　水土保持监测系统建设的目标就是结合水土保持业务，开发能够对水土保持信息进行处理、对水土流失进行分析预测、对水土流失防治进行管理、对水土保持效果进行评价、对监测信息进行查询和发布的应用系统。总体的功能可分为水土保持信息服务子系统、地理信息管理系统、遥感水土流失预测与评估系统、水土保持模型计算模块、利用这些系统计算的结果进行水土流失的预测分析，在这些分析的基础上进行重点区域小流域综合治理的决策规划分析，并实现水土保持生态工程管理网上信息的服务。

　　1．地理信息系统功能

　　监测系统建设对地理信息系统的技术要求可以分为信息服务和空间决策支持两个层面：

　　(1)网络地理信息发布
　　WebGIS是利用Internet向各种类型的用户提供地理空间信息服务的地理信息系统，为用户提供空间数据及相关属性数据的浏览、查询和分析功能。WebGIS已成为GIS技术发展的必然趋势。

　　WebGIS优于传统的GIS的功能：

　　① 适应性强。适用于不同的软硬件平台。
　　② 应用面广。网络功能将使GIS更容易被全社会所接受，真正实现GIS无所不在，无所不能。
　　③ 实时性强。网上发布数据，能真正做到实时更新。
　　④ 维护社会化。数据的采集、输入、分析、发布，将在社会的调节下进行。
　　⑤ 使用简单。WWW界面留给用户的只是鼠标的移动。

　　(2)空间决策分析
　　监测系统建设对空间决策分析方面的技术要求主要有：

　　① 不同图层之间的空间叠加(OVERLAY)分析，尤其是多边形叠加，如降雨区域与流域边界的叠加等。
　　② 缓冲区(BUFFER)分析，如抢险物资的有效辐射区域分析，暴雨、台风的影响区域分析等。
　　③ 数字高程模型(DEM)和数字地形模型(DTM)技术应用。数字高程模型(DEM)技术主要用于灾情评估子系统对洪水淹没范围和淹没水深的计算。
　　④ 网络(NETWORK)分析，包括最佳路径分析、确定最近的设施、确定服务范围等，如分洪区内人口迁移路径分析、抢险物资的快速调拨分析等。

　　2．水土保持评价分析系统

　　(1)土壤侵蚀计算机模型
　　美国土壤流失通用方程USLE在世界各国得到了广泛的应用。但是该方程的通用性受到一定的限制。尤其是不能合理预报陡坡地上的土壤侵蚀。因此，结合土壤侵蚀特点，构造RUSLE对原方程中的各个因子加以修正，同时结合地理信息系统(GIS)、遥感技术和多媒体技术进行设计，建立土壤侵蚀计算机模型。该模型具备以下主要功能：

　　① 进行各种数据的存储、处理、更新、查询、显示，这些数据包括降雨、土壤、土地利用、水土保持措施、地形、行政区域等；
　　② 方便地进行模型的模拟预测和结果的分析显示；
　　③ 便于水土保持规划者的实际应用。用户不必了解模型的细节构造，就能很快地熟练操作和使用，充分发挥了计算机技术模拟输出的直观、形象和可视化优势。

　　(2)小流域综合治理规划决策模型
　　以小流域为单元综合治理水土流失是符合我国国情的成功经验，根据我国国家标准水土保持治理规划通则和小流域综合治理规划的基本原理，应用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)等技术手段，以ArcGIS为平台设计开发小流域综合治理规划模块。它分为坡面治理和沟道治理两个部分，坡面治理包括土地质量评价、土地利用优化规划、坡面综合治理规划等内容；沟道治理包括沟道信息提取、沟道综合治理规划及综合效益分析评价等方面的内容。

　　3．水土保持信息服务系统

　　(1)查询检索
　　基于WebGIS网上信息发布平台进行径流小区、小流域及各行政单元的各类信息的查询：

　　基础数据查询：实现遥感影像的浏览与显示，能检索数字图像的接收时间与轨道号。查询土壤信息、土地利用信息、地形信息、植被信息、水土治理类型、区域水保发展现状与规划目标等。

　　定量监测与遥感调查结果查询：采用遥感调查和土壤侵蚀定量监测模型可以得到系统动态监测结果。

　　历史信息查询：方便查询分析历史数据。

　　(2)统计分析
　　专题报表：可以随意生成各种格式的水土流失专题报表。

　　统计分析：通过各种统计分析(如时间序列分析)预测未来变化。

　　统计图表：将各种水土流失专题信息提取后生成各种统计图表，如直方图、曲线图、饼图等。

　　(3)专题图查询
　　可查询服务器端决策支持系统生成的土壤侵蚀定量分析专题图、土壤侵蚀强度分级图、水力侵蚀类型图、水土流失评价图等。

　　(4)动态监测分析
　　动态监测分析主要指利用实时的遥感图像对土壤侵蚀强度的年度动态变化监测结果、土壤侵蚀总量以及年度变化趋势、植被资源动态变化趋势、工程措施治理效益分析、林草种植措施效益分析。

　　4．三维可视化水土保持模拟系统

　　三维可视化水土保持模拟系统的总体设计是以监测系统提供相应的数据和服务接口为基础的，系统必须提供用于创建三维流域的DEM、DOM和水工模型的数据接口和用于水土保持模型计算结果的服务接口。其中数据接口必须符合一定的测绘标准，服务模型必须是与DirectX技术兼容的技术。

　　三维可视化水土保持模拟系统是监测系统应用的亮点之一，是从三维影像库中获得重点流域的三维地形DEM、正射影像DOM和相应地区的三维水工模型的基础上，快速重建三维流域，在此基础上进行三维可视化漫游和二、三维结合的查询以及淤地坝淤地的过程模拟，可以利用这种三维可视化技术有效的预测和模拟水土保持的效益。

　　四、结论

　　水土保持监测系统就是以“3S”技术(RS、GPS、GIS)为核心，结合站网监测实现水土保持监测信息采集现代化；以地面定点监测为基础、抽样调查为补充、以3S系统以及计算机网络等现代信息技术为手段，实现对水土流失及其防治的动态监测；以计算机网络为纽带，加快信息传输和处理速度，实现信息传输现代化；以计算机技术、海量数据存储技术为基础，实现信息分析处理科学化；以仿真模拟技术、高端显示技术为手段实现信息可视化。全面提高规划、科研、示范、监督和管理水平，促进信息资源共享及合理开发利用，实现水土保持管理现代化。　■

(作者罗万勤、马红斌为水利部黄河水利委员会黄河上中游管理局，刘莉萍为航天量子数码科技有限公司)
责任编辑 党维勤(实习)