江苏省水土流失遥感监测数据系统的研究与设计

蒋新新，方 瑞，乐 峰，赵 倩，苗宝文

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

江苏省水土流失遥感监测数据系统的研究与设计

蒋新新1，2，方 瑞3，乐 峰3，赵 倩1，2，苗宝文1，2

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

为准确掌握江苏省水土流失状况，以水土流失遥感监测业务需求为基础，按照统一设计原则，建设安全、高效、科学、实用的江苏省水土流失遥感监测数据系统，对水土流失遥感监测数据进行集中存储、管理，统一分类、查询、统计，为水土流失监测和水土保持预防监督提供数据基础和应用平台，为今后水土流失动态监测提供数据支撑。

水土流失；遥感监测；基础地理信息；土壤侵蚀；野外调查；水土保持

0　引言

水土流失已成为当今世界危害人类生存的重大问题之一。水土流失导致土地退化、耕地毁坏、江河湖库淤积、自然灾害加剧等，对经济和社会的发展造成多方面、全局性的及深远的影响，甚至是不可逆的影响。我国水土流失量大面广，危害严重。根据中国水土流失与生态安全综合科学考察结果，我国水土流失面积 356 万km2，占国土面积的37%，几乎所有省（自治区、直辖市）都存在不同程度的水土流失现象［1］。

江苏省丘陵山区面积为 16 047.2 km2，约占江苏省总面积的 15.6%，水土流失主要分布于此，以水力侵蚀为主，主要表现为平原区和丘陵山区（低山丘陵、岗地）水土流失［2］。因此，监测、预防和治理水土流失，改善生态环境，建设良好的人居环境已成为备受关注的重大环境问题。为此，研究建设江苏省水土流失遥感监测数据系统，进一步开展水土流失动态监测，对水土流失遥感监测数据进行集中存储、管理，掌握水土流失分布状况和动态变化规律对保护水土资源、改善生态环境具有基础性作用，可科学指导水土流失治理，为全省的生态文明建设提供保障。

1　系统目标设计

以江苏省水土流失遥感监测业务需求为基础，按照统一设计原则，建设水土流失遥感监测数据系统，为水土流失监测和保持预防监督提供数据基础和应用平台，要求系统可方便地获取全省水土流失动态监测成果，实现水土流失监测、保持措施数据的动态查询，并具备对今后水土流失监测数据的整理和存储的统一管理，为今后水土流失动态监测提供数据支撑。具体目标如下：

1）遵循统一的标准体系（水土保持数据库表结构及标识符）［3］，建成基础地理信息、土壤侵蚀、野外调查单元、水土保持措施普查、用户管理等数据库，并留有小流域、重点工程、生态建设工程动态监测数据库接口，对动态监测成果数据统一存储、管理，以满足江苏省水土流失动态监测业务需求，为以后业务扩展做好准备。

2）从系统功能上划分为基础地理信息管理、土壤侵蚀、野外调查单元、措施普查、用户管理等子系统，对现有成果数据统一管理与展示，以满足目前全省水土流失动态监测项目的业务需求，并为全面开展江苏省水土流失动态监测业务保留业务扩展接口。

3）系统集成应充分利用现有的软硬件条件和网络环境，确保在内网环境下的数据安全。同时完成对软件、硬件、网络环境现场安装调试等，实现应用系统、数据库、软硬件支撑环境三者之间的有机集成，保障系统稳定、快速、高效运行。

2　系统设计

2.1数据分析

本研究所涉及的数据为水土流失动态监测的过程和成果等数据，包括江苏省基础地理信息、土壤侵蚀强度、水土保持措施、野外调查单元等数据，数据格式有矢量、栅格、多媒体文件和属性表。可实现的应用功能如下：

1）查询全省侵蚀性降雨数据。

2）查询各调查单元中各地块的土地利用现状、植被和水土保持措施状况等，可按行政（市、县）统计各类调查单元分布数量。

3）查询全省降雨、土壤等可蚀因子图。

4）按行政（市、县）查询水土保持措施数据和土壤侵蚀强度。

5）GIS 查询水土流失分布、水土保持措施、野外调查单元属性等水土流失遥感监测要素。

6）按行政和流域分区输出水土流失分布强度、保持措施等统计信息。

2.2架构设计

本系统采用 C/S 构架技术，主要编程语言为Silverlight/C#，空间信息服务平台为 DTGIS，数据库为 DTSpatial。

系统基于 DTGIS 空间信息服务平台采用面向服务的架构思想进行设计，通过 DTGIS 空间信息服务平台提供的元数据、远程地图和栅格数据等虚拟服务支撑各应用系统具体功能的实现，同时基于DTSpatial 和地拓栅格金字塔技术管理江苏省水土流失动态监测成果数据，为 DTGIS 空间信息服务平台提供存储支撑［4］。

系统以各类规范标准和保障机制为支撑，自下而上分为用户层、应用层、应用服务层、数据层和支持技术层 5 层，总体架构如图 1 所示。

图1　系统架构图

整个系统网络与运行环境分为应用和存储 2 个区域网络，应用区域网络由各类专题数据库、应用2 个服务器构成，存储区域网络 SAN 由基于高速光纤网络通信的磁盘阵列构成。

2.3数据库设计

数据库包含以下 5 个部分：

1）用户管理。系统管理员针对系统用户进行集中管理。

2）基础地理信息。主要管理行政区划（市级、区县）、遥感影像、公路、铁路、居民地、保护区等数据，行政区划、空间信息等数据在同一坐标系下无缝应用。包含矢量、业务和栅格等 3 种数据，其中矢量数据主要是行政区划界、保护区、河流、铁路、公路和居民地的数据；栅格主要是遥感影像，遥感影像数据采用信息资源库方式存储，矢量和业务属性数据默认采用数据库存储。

3）野外调查单元数据。通过行政及采样点管理数据，具体数据包含矢量、栅格、多媒体文件等数据，其中矢量数据包含调查单元地形图（水蚀）、水蚀地块图；栅格数据主要指坡度图、坡长图，以及坡度、坡长、措施、降雨侵蚀力、土壤可蚀性等因子图；多媒体文件数据包括照片、水蚀野外调查表。

按照数据库总体设计方案，矢量和栅格数据与基础地理信息库中矢量、栅格数据的对应处理方式一致；多媒体文件数据采用文件存储方式。

4）水力侵蚀成果。土壤侵蚀数据库是将水蚀的侵蚀量数据整合为一张全省土壤侵蚀普查图。主要包括栅格数据（土壤侵蚀强度图、R 因子图、K 因子图）和业务属性表（30 年降雨数据）。数据的存储方式与野外调查单元数据库中各类数据的存储方式一致。

5）水土保持措施数据。水土保持措施数据的存储方式为数据库存储。

3　系统主要功能

3.1基础地理信息管理

基础地理信息管理主要针对江苏省基础地理信息数据进行管理，主要包括以下 4 方面功能：

1）三维显示功能。主要指对行政区划（市级、区县）、遥感影像、公路、铁路、居民地、保护区等要查看的数据进行三维立体展示。

2）地图操作功能。对基础地理信息数据进行图层的放大、缩小、漫游等操作。

3）空间量算功能。进行距离、面积、高程测量。

4）空间叠加功能。对多个图层数据进行叠加显示。

3.2土壤侵蚀管理

主要包括土壤侵蚀强度、降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、降雨数据等子模块，主要功能如下：

1）栅格计算功能。针对栅格图进行计算。

2）查询统计功能。针对数据按市和县级进行查询统计。

3）空间定位功能。针对查询出来的某一条数据，进行空间定位。

4）图表展示功能。用柱状和饼状图展示数据。

5）导出功能。用户可将查询与统计的数据进行导出。

3.3野外调查管理

包括野外调查多媒体数据下载、属性数据展示、数据查询统计、空间定位、数据导出等功能。

1）属性数据展示。将野外调查单元涉及的现场照片和属性数据等进行展示，并与其对应的采样点关联，映射到相关的图层上进行浏览。

2）数据查询统计功能。对字段的属性进行行政、流域查询，并统计空间定位功能；对查询出来的数据，进行空间定位。

3）数据导出功能。将查询统计出来的数据进行导出。

3.4水土保持措施

主要功能为数据的查询统计、导出，包括按行政和流域管理 2 个子模块。

1）数据查询与统计功能。对字段的属性进行按行政、流域查询与统计。

2）数据导出功能。将查询统计出来的数据进行导出。

3.5用户管理

用户管理子系统主要是系统管理员针对系统用户进行集中管理，具有用户管理、角色分配、权限分配、日志管理等权限，可以添加、删除和修改用户，还可以为具体的用户添加、修改和删除某项功能。

4　系统实现技术

4.1系统架构的优势

系统采用的 DTGIS 流域地理信息服务平台是具备通用 GIS 平台功能［4］，重点面向水利、农业、林业、环境等相关行业的专业大型网络地理信息系统平台软件。以空间数据库、流域-水系拓扑模型、分布式计算、远程网络服务、空间信息共享、元数据等技术作为强劲内核，支持 PB 级多尺度数据的一体化管理和连续分析［5］，实现 GIS 平台“以空间信息服务为核心”的技术特点。

系统支持 C/S 网络远程服务设计，保证数据安全的同时，方便客户端更新维护和数据资源交互操作。支持通过网络提供多类型的行业数据管理、查询和分发模式，快速生成不规则结合图的动态结果集。

采用空间数据库、数据金字塔等技术，支持大型商业数据库平台，支持集中和分布式数据库建设模式。对不同时期的基础地理、遥感影像、行业专题等多源异构数据进行分类管理和无缝集成，实现高效稳定的 PB 级海量数据管理。遵从 OGC 国际规范，提供元数据建库、搜索、查询、更新工具，实现实用、简捷的元数据管理。

支持对分布式数据库的基础数据远程调用，实现数据共享服务；基于模型分析，提供流域特征等专业信息服务；结合基础空间数据与专业信息，提供专题服务。

4.2栅格数据的处理

将江苏省不同分辨率的遥感图像处理入库是本系统的难点。由于遥感图像数据量庞大，因此镶嵌、入库及操作的流畅性需要重点考虑。

镶嵌处理的关键在于相邻影像的配准。对于重叠区影像灰度配准，可以采用直方图匹配技术。进行直方图匹配后，确定相邻图幅的接边，对于接缝区域可以通过加权平滑处理，使地物由于时相或其他因素的变化而产生的信息分量在交迭中构成稳定的渐变，从而消除假接边。镶嵌时，要注意使镶嵌的影像投影相同，比例尺一致，有足够的重叠区域。镶嵌结果在整体质量上满足要求，但局部的几何和灰度误差不符合要求时，应对图像局部区域进行二次几何校正和灰度调整［6］。镶嵌后的影像应是一幅信息完整、比例尺统一和灰度一致的图像［7］。

操作的流畅性采用栅格数据的多尺度优化组织，使用建立影像金字塔结构实现。简单地讲，栅格数据的金字塔结构由原始影像数据开始，建立起一系列影像，各幅影像反映不同尺度下遥感图像的详尽程度。通常原始影像数据反映最详细、真实的遥感图像，由它逐步生成其他低分辨率的影像，以反映原始影像在各尺度下的概貌。这样，在浏览影像数据时，可以根据当前用户所需的分辨率，提取相应尺度金字塔层的数据，从而实现影像数据的快速浏览［8］。本方案中栅格“金字塔”结构采用“多级多塔”的构架，即横向上分成 30，60，120，240，480 和 1 000 m 等 6 级分辨率的遥感影像，而在纵向上每一级又分别对应多个金字塔结构，示意图如图 2所示。

图2　栅格金字塔建立示意图

这样通过一系列技术手段实现了大数据量影像数据的存储。

5　结语

本研究建成了安全、高效、科学、实用的水土流失遥感监测数据系统。对水土流失遥感监测数据进行集中存储和管理，统一分类、查询、统计，具有人机易用性和较高的可扩展性，为水土流失监测和保持预防监督提供了数据基础和应用平台，也为建立全省水土流失应用系统提供了实验平台和技术储备。

建议加强水土保持监测网点的建设与投入，提高水土保持监测的水平与预报工作，注意以下几点：

1）要抓好规划，明确重点。目前，江苏省级水土保持监测机构与各市县相继成立了监测站，但如何开展工作必须通过科学、全面的规划予以确立。

2）引用更先进的遥感资料，全面提升基于遥感的水土流失计算成果的可靠性。

3）依托重点治理工程，开展定位监测，拓展应用，尤其可以将水土保持监测从定性监测走向定量监测，从单一的监测水土流失工作职能走向更宽阔的服务与应用空间的综合职能，如可以为水情和旱涝灾害等提供预警、预报，可以为水土流失引起的农业面源污染，提供一体化定量监测，更好地为国民经济服务。

［1］ 张洋. 江苏省水土流失重点防治区划分研究［D］. 南京：南京农业大学，2013: 1.

［2］ 姚俊琪，高见，夏晶. 江苏省丘陵山区水土流失现状及综合治理措施研究［J］ .江苏水利，2011 （11）: 14-15.

［3］ 中华人民共和国水利部. 水土保持数据库表结构及标识符标准：SL 513—2011 ［S］. 北京：中国水利水电出版社，2011: 1-83.

［4］ 刘宪春，曹文华，赵院，等. 全国土壤侵蚀普查数据库设计与实践［J］. 水利信息化，2014 （1）: 17-19，43.

［5］ 何媛，袁爱萍，张超，等. 北京市侵蚀沟道普查方法及结果分析［J］. 北京水务，2013 （5）: 1-5.

［6］ 崔丹. 县级水土保持监测信息系统的研究［D］. 北京：北京林业大学，2013: 22-31.

［7］ 汪福学. 退耕还林监测与管理信息系统建设研究［D］. 北京：北京林业大学，2004: 26-32.

［8］ 陈珂. 基于 GIS 的区域石漠化监测信息系统研究——以贵州为例［D］. 北京：北京大学，2010.

Research and Design of Water and Soil Loss Remote Sensing Monitoring Data System of Jiangsu Province

JIANG Xinxin1，2， FANG Rui3， LE Feng3， ZHAO Qian1，2， MIAO Baowen1，2
（1. Jiangsu Naiwch Co.Ltd， Nanjing 210012， China；2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring， the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012， China；3. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Jiangsu Province， Nanjing 210029， China）

In order to accurately grasp the situation of water and soil loss in Jiangsu province， based on business requirements of water and soil loss remote sensing monitoring， the article constructs the safe， efficient and practical water and soil loss remote sensing monitoring data system of Jiangsu province in accordance with the principle of uniform design. It does centralized storage， management， unified classification， query and statistics for the data，provides data base and application platform for water and soil loss monitoring and soil and water conservation supervision and prevention， and provides data support for the water and soil loss dynamic monitoring in the future.

water and soil loss； remote sensing monitoring； basic geographic information； soil erosion； field survey； soil and water conservation

S157.1

A

1674-9405（2016）04-0048-05

10.19364/j.1674-9405.2016.04.011

2016-05-24

蒋新新（1983- ），女，江苏连云港人，工程师，主要从事水利信息化研究工作。