国家级自然保护区信息管理系统设计与实现——以小五台山为例

郭慧，王兵，牛香

(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业局森林生态环境重点实验室，100091，北京)

自然保护区是生物多样性就地保护的主要措施，我国自然保护区建设一直遵循“抢救式保护，先划后建，逐步完善”的原则［1］。我国于1956 年建立了第1 个自然保护区，目前已建成自然保护区2 669个［2］，其中，把在国内外有典型意义、在科学上有重大国际影响或者特殊科学研究价值的自然保护区列为国家级自然保护区［3］，数量已达407 处。综合分析相关数据、成果和资料后发现，国家级自然保护区的管理主要存在以下不足:一是以定期报告和统计报表为依据的管理决策模式，该模式已经不能满足自然保护区的发展要求;二是自然保护区数据量大，种类繁多，各个科室或部门分别管理和维护自己的数据资料，无法进行数据的有效融合与共享;三是信息数据源较为单一，无法体现数据的空间化特性，不能与相关空间数据进行关联分析。近年来，PDA(Personal Digital Assistant)［4-5］、手机等多种移动终端被广泛应用于资源数据的采集与更新工作［6-8］中，提高了数据获取的效率，但也增加了国家级自然保护区数据的类型，给保护区的综合信息管理带来了挑战。

为了提高国家级自然保护区的综合信息管理、科研与服务水平，进一步整合各种类型的信息资源，需要建立国家级自然保护区的综合信息管理系统。目前已建的保护区信息管理系统大多是以特定的管理需求研发专题性系统为主，如动植物资源及保护区周边信息管理系统［9］、旅游信息系统［10］、保护区办公自动化系统［11］、森林防火系统［12］等。这些信息管理系统对于自然保护区来说功能相对比较单一，数据成果仍然是各部门分散管理，不利于多部门协同合作。为了进一步整合保护区的数据和资料，实现多源异构数据的有效融合和集成高效管理，基于GIS 技术，笔者通过设计国家级自然保护区信息管理系统，全面综合各种保护区信息管理功能，并以小五台山国家级自然保护区为例进行系统应用示范研究，以期促进保护区管理由传统粗放型向精细化、科学化的综合管理决策模式转变，为国家级自然保护区科学研究与政府决策提供参考。

1 信息管理系统设计

1.1 结构体系

国家级自然保护区信息管理系统采用3 层结构体系(图1)，分别为数据层、中间层和应用层。数据层主要对基础空间数据、资源数据、生态监测数据等多源异构数据进行有效的存储、共享和管理;中间层主要根据客户端接收到的用户请求进行相应数据的分析、处理与融合加工，将处理结果反馈给应用层;应用层主要是对分析结果的展现以及与用户的交互操作。

图1 结构体系Fig.1 Structure system

1.2 系统运行和开发环境

系统平台可在Windows XP 或Windows 7 操作系统下运行。采用Access 作为基础数据存贮平台，以ArcEngine 10.0 为开发平台，在Visual Studio 2008 集成开发环境中采用C#作为开发语言。

1.3 数据库设计

根据数据情况和业务需求，系统共设计4 个数据库，主要包括基础空间数据库、资源数据库、生态监测数据库和管理局数据库。基础空间数据库包括保护区遥感、保护区边界、河流、道路和社区数据;资源数据库包括动物资源、植物资源;生态监测数据库是依据《森林生态系统定位观测指标体系》［13］构建的，主要包括气象、森林土壤、森林健康、森林水文和群落数据;管理局数据库涉及日常管理工作，主要包括人事信息、旅游信息、物资信息、文件资料、防火信息和管护站数据。

2 信息管理系统数据处理

2.1 数据标准化处理

国家级自然保护区数据不仅种类多、来源途径广、格式多样化，而且部分数据还有时态信息和空间位置信息，要实现数据的集成高效管理、可视化表达以及多部门协同共享，就必须进行数据标准化处理。图2 是信息管理系统采用的数据标准化处理框架。首先，根据各业务部门的应用需求，对自然保护区数据进行分类编码，对有空间特征的数据，进行空间字段的定义、提取和规范化，完成非空间数据向空间数据的转化，包括格式转换、坐标转换和空间配准等;其次，调整和完善数据结构，进行代码修改与转化，并对数据精度、完整性、逻辑一致性等进行数据质量控制，进一步检查和修改数据;最后，形成规范化的数据成果并提交数据标准和处理技术文档，建立数据服务，实现数据共享。

图2 数据标准化处理框架Fig.2 Framework of data standardization processing

2.2 多源异构数据融合

国家级自然保护区多源异构数据融合主要包括空间数据之间的融合、属性数据与空间数据的融合。空间数据之间的融合主要是按其类型、逻辑关系进行层次化组织，通过属性数据映射、语义转换、位置配准、格式转换等技术处理，提供相应规范和可行方法［14］，实现空间数据的有效融合。

属性数据与空间数据主要通过数据库中的对应关系进行关联。保护区专题地理数据与基础地理信息的融合，首先要进行专题地理数据的元数据提取，通过时空基准一致性处理解决时间属性描述不一致和空间属性描述不一致的问题;其次，以地理对象实体为基本单元，建立地理对象与地理位置坐标的对应关系，实现基础地理信息与专题地理数据的关联;最后，属性数据以数据表的形式存在，将数据表的记录关联空间属性，进行属性数据的空间化，实现保护区属性数据与空间数据的融合。

3 信息管理系统功能设计

国家级自然保护区信息管理系统主要设计8 大功能模块，分别为植物、动物、防火、旅游、社区、生态监测、保护区管理和用户管理信息系统。系统主要功能包括信息查询、信息统计、专题分析、成果输出、信息发布和系统管理。

1)信息查询:主要实现对植物、动物、管护站、管理局人员、物资信息等字段进行属性查询，包括模糊查询和下拉框设定查询方式。空间数据的信息查询包括点选查询、多边形查询和模糊属性查询，还可以实现属性数据和空间数据的互查询。

2)信息统计:在查询的基础上或者直接对空间数据和属性数据进行信息统计，统计其空间分布规律和数量变化情况，对多项不同时期内生态监测结果进行统计，对物资数据变化情况进行统计等。

3)专题分析:主要实现对动物、植物、管护站、生态监测等信息的空间格局描述、变化分析和时间序列变化趋势分析等。

4)成果输出:针对不同的成果类型，输出不同的数据格式。以报表格式导出空间和属性数据库的查询结果;以“.jpg”格式输出空间专题图、生态监测信息统计图和照片资料;以“.pdf”格式输出文档文献和书籍资料;以“.mp4”“.avi”“.mpg”等格式输出视频录像等。

5)信息发布:针对各种上传下达的通知、文件、介绍性资料和多种形式的宣传材料(如视频、图片、报纸等)进行保存、管理、查询和修改等。

6)系统管理。对系统进行维护与管理，如登陆系统的用户管理、注册新用户管理，设置修改用户信息和登陆密码，随时查看用户登陆和退出情况等。

4 信息管理系统应用案例

4.1 研究区概况

小五台山国家级自然保护区成立于1983 年，位于河北省蔚县和涿鹿县境内，总面积2 万5 126 hm2［15］，属于森林、野生动物类型保护区，主要保护对象是天然针阔混交林、亚高山灌丛、草甸、国家一级重点保护动物褐马鸡(Crossoptilon mantchuricum)等。动植物资源丰富，种类繁多，生态旅游资源众多。保护区实行管理局、管理区和管护站3 级管理体制，保护区管理局参与小五台山森林生态站的日常管理。目前，保护区的各类数据资料还是以文档管理模式存在，作为国家级自然保护区，管理效率低下，应用国家级自然保护区信息管理系统进行日常管理势在必行。

4.2 基本应用

主要是对小五台山国家级自然保护区进行信息统计分析，包括信息查询与统计、专题分析与成果输出等。信息查询与统计主要是对数据库中的空间数据和属性数据进行查询与统计，查询方式包括点选查询、多边形查询和模糊属性查询，信息统计的主要内容包括数据空间分布格局和数量变化情况等。专题分析与成果输出主要是对动物、植物、管护站、生态监测信息等进行专题分析，并根据不同的成果类型和用户要求输出不同类型的数据格式。例如，依托小五台山森林生态站采集整理生态监测数据，导入系统并对数据进行专题分析。如图3 是应用信息管理系统对小五台山国家级自然保护区进行的日气温变化趋势分析结果。

图3 2012 年10 月的日气温变化分析Fig.3 Daily temperature variation in October 2012

4.3 专题应用

应用多源异构数据融合和GIS 技术，将自然保护区业务管理决策过程与空间信息服务进行有效集成，为自然保护区实际业务的分析决策提供技术支持。基于国家级自然保护区信息管理系统，不仅可以进行小五台山国家级自然保护区业务数据的空间分布特征和时间变化趋势分析，而且可以打破部门壁垒，促进业务协同，实现资源信息与数据成果的共享，使各部门在一个整体信息管理系统下实现协调运作，可大大提升保护区的管理水平，进一步节约管理成本。

根据实际业务需求，基于系统平台可以辅助进行巡护监测、森林防火和病虫害防治等方面的决策应用，基本原理都是基于GIS 的空间分析和可视化表达来实现。以森林防火专题应用为例，森林防火工作的重点就是做好预防工作，加强防火管理，消灭各种火险隐患。系统主要防火应用模块有:1)防火资源管理模块，系统对区内的防火扑火队、基站分布、防火物资仓库等防火基础设施进行了汇总分析，构建了防火信息空间分布数据库(图4)，可以在空间上直观展示防火资源;2)火灾快速空间定位模块，一旦发现火灾火情，基于系统平台，可以利用防火数据库通过录入火点坐标快速准确地进行火灾空间定位，主要包括点选查询定位，多边形查询定位和模糊查询定位等;3)辅助灭火决策模块，基于系统可以根据道路数据和扑火队伍的空间位置选择最优行进路线，同时可以显示河流、水源、防火基础设施的空间分布情况，供指挥中心制定合理方案，实现森林防火资源的最优调配，提高灭火效率。

5 结论与讨论

基于GIS 技术研发的国家级自然保护区信息管理系统可以综合集成资源、社区、生态、旅游和管理等方面的时空信息资源，实现保护区多源异构数据融合，形成对保护区信息资源的定性分析、定量计算和直观展示相结合的新型一体化管理模式，可以为全国自然保护区的信息化管理提供参考和借鉴。

国家级自然保护区信息管理系统已在小五台山国家级自然保护区开展了应用示范研究，在建设和应用过程中还应该特别注意数据采集与更新、规范化与标准化建设、报送与管理机制问题。今后还需进一步完善各模块的功能，加快信息资源数据的加工处理速度，研发专业决策模型，如继续研发林火态势模拟模型和灾后损失评估模型与该系统进行无缝集成等，为自然保护区的各级管理部门决策提供科学依据。

图4 防火信息空间分布Fig.4 Spatial distribution of fire prevention information