基于GIS的生态系统服务空间数据库构建研究

匡奕敩，彭 羽，桑卫国

基于GIS的生态系统服务空间数据库构建研究

匡奕敩，彭 羽，*桑卫国

(中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081)

根据我国两屏三带生态安全战略以及国家公园自然保护地体系建设的具体情况，基于ArcSDE空间数据库引擎关键技术，以湘西州1980-2018年时间段四个年度Landsat-TM遥感影像为基础数据源，结合同类型的生态系统服务多源异构指标数据及统计年鉴相关自然灾害、生态环境和社会经济方面数据，进行空间数据库的图层架构和逻辑结构属性设置，在Visual C#系统中对ArcGIS进行二次开发，建成空间数据库平台。实验结果表明，平台能更好地为各类型生态系统服务查询数据、计算价值，及生态系统服务效应评估与决策支持等利用。

地理信息系统；空间数据库平台；数据构建；生态系统服务价值；气象灾害；自然环保；社会经济

0 引言

生态系统服务评估的方法有很多[1]，数据构建在技术上的方法也有很多，如大数据[4]、异构模型[5]、生态系统数据库[6]及数据库平台[7]。数据库是利用先进的智能决策支持系统作为平台，集成了各类生态系统服务评估指标，实现了人工智能的自动化处理及互联网上的共享，具有时代性、先进性、准确性和快速性等特征。数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础[8]，是生态服务功能评价决策支持系统的数据集合，是为了满足项目和系统的应用需求[5]，是系统开发的首要环节[6]。但生态系统服务仍比较局限在传统的平面数据构建模式，且通过统计年鉴收集的数据也非常有限。传统意义上的数据库管理的信息类型主要是文字和数字，管理图形功能的空间数据十分薄弱。由于生态系统服务指标价值关系数据库只针对简单对象，无法有效地支持复杂对象（如图形、图像），在气候变化、人为破坏、自然灾害和社会经济方面表示、存储、管理、检索上存在许多缺陷，涉及土地利用变化、河流地形、气象灾害变化数据等大多数情况需要通过空间遥感等技术才能获得，从而引入了空间数据库这一数据库研究领域。

集成化空间数据库包括DEM数据TIN模型的图形矢量数据库、影像栅格数据库和属性数据库[9]。数据通路（ArcSDE）作为地理信息系统ArcGIS的空间数据引擎，提供了直接连接和应用服务器连接两种方式对数据库进行连接[10]，并提供空间操作函数给数据库管理系统（DBMS）。利用ArcGIS及MapGIS平台开发遥感解译成果图件数据库和数据库管理系统, 以特定结构文件存储关于空间要素特征的空间数据集合，实现不同格式成果图件资料和空间要素图层的信息化及一体化管理，有效提高遥感数据的服务价值[11]，使空间数据仓库、空间数据联机分析和空间数据挖掘等技术的研究更加深入。

影响生态系统服务数据指标有很多，本研究基于生态环境—区域灾害—社会经济活动耦合关系基础[12]，综合自然灾害、环境生态、社会经济以及各类型生态系统服务指标数据进行融合处理，构建区域生态系统服务评估空间数据库平台。在创新上，1）集成自然灾害、环境生态、社会经济，以及不同类型的生态系统服务多源异构指标数据；2）利用遥感和GIS技术进行生态系统服务空间数据结构体系平台的构建。这有利于数据库表的建立、服务效应设计及决策支持系统的开发，从而为南方丘陵山地屏障带生态系统服务提升工程和以国家公园自然保护地体系建设提供科技支持，具有重要的意义。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

湘西州位于湘、鄂、黔、渝四省市交界处，东经109°10′~110°22.5′，北纬27°44.5′~29°38′，是湖南的西北大门。湘西历史悠久，自然资源丰富，有南华山国家森林公园、不二门国家森林公园、峒河国家湿地公园和泸溪武水国家湿地公园等各类自然保护区32个。湘西民族区位优势，交通便利，但地域偏僻，生态环境脆弱，经济基础薄弱，发展滞后。湘西自然灾害多发，每年夏季突发的暴雨山洪，滑坡泥石流都不同程度导致当地居民社会经济损害、生活拮据，亟待采取有效措施进行治理，实现生态系统服务能力对当地环境、社会经济效益的提升。

1.2 关键技术与数据来源

为更好地实现生态系统服务数据库平台的开发及后期的决策支持服务，本研究采用ArcSDE10.2直接连接生态系统服务基础数据库管理系统SQL Server 2008 R2，并通过Microsoft Visual Studio2010的C#项目对GIS二次开发数据存取和运行调用。集成自然灾害、生态环境、社会经济及多源、多尺度、多类型生态系统服务指标数据，综合运用遥感影像（RS）、地理空间信息系统技术(GIS)、生态系统服务关系数据库管理系统（RDBMS）以及应用面向对象C#高级语言工具，对湘西区域空间数据库平台进行开发，并设计对数据库平台实施增修查找、建模运行、管理和后期维护等模块，系统平台开发视图如图1所示。

图1 ArcSDE空间数据引擎及关联

本研究采用Landsat-TM /ETM各期遥感影像为基础数据源，选取1980-2018年时间段四个年度（2000，2005， 2010， 2015）数据，影像采集时间主要集中在８月下旬到９月中旬，经过人机交互解释，提取动态信息，获取土地利用变化数据；并结合《湘西统计年鉴》，以及《中国气象灾害大典湖南卷》《中国县城建设统计年鉴》《中国分县区社会经济统计年鉴》收集与生态系统服务相关的自然灾害、生态环境和社会经济方面数据分图层汇入数据框、地图，形成企业地理数据库（包括子库），成为SDE空间数据库的主要数据源，如表1所示。

表1 数据库及子库的主要数据源

Table 1 Main data sources for databases and sublibraries

数据库子库 生态系统数据土地面积、类型结构、功能状态、服务价值数据 环境保护数据公园建设、自然保护地、环境污染、环境质量数据 风险因子数据气候条件、自然灾害、生物入侵、物价波动、人力成本等 社会经济数据区划面积、人口、产业、收入、粮食、道路、建筑等

2 模型构建与数据分析

2.1 空间数据库图层架构

根据国家地理信息数据库及中科院地理所中国地球系统科学数据共享试点（2004DKA20180）技术标准与规范，采取“ArcSDE空间数据库引擎+关系型数据库”的空间数据库模式进行空间数据的开发、管理和存储技术（图2a）。同时将数据库按图类（数据集）划分为不同的图层（图2b）。系统空间数据库能有效地组织和管理空间数据及其属性数据，在地理信息系统中，属性数据依附空间数据而存在，可以说空间数据是地理信息数据的元数据[13]。

图2 空间数据库模式

2.2 生态系统服务空间数据库逻辑结构设置

系统空间数据库是从使用者的角度来组织数据的逻辑结构[10]。数据库表结构可采用建模工具SQL Power Architect、Database Modeller或Power Designer进行设计[14]，空间数据的矢量和栅格两种数据库表与属性表通过表内关键字进行关联、互通。空间实体在Geodatabase中的表达方式如表2所示，以及空间数据库的属性结构如表3所示。

表2 空间实体在Geodatabase中的表达方式

Table 2 Expression of Spatial Entities in Geodatabase

实体地理表现方式要素 行政区划面多边形要素 农林作物点点要素 土地利用遥感影像栅格栅格 服务价值信息对象对象 生态环境信息对象对象 气象灾害信息对象对象 经济人文信息对象对象

表3 空间数据库的属性数据结构

Table 3 Attribute data structure of spatial database

数据项名称数据项编码类型长度说明 图元序号IDint8系统自动给出 图元编号entityNOChar8用户标准定义 图素类型编码entitypeChar8用户标准定义 图素名称prinameChar16监测点类型 图元名称entitynameChar30图元名称 ES服务类型EStypeint10按LY/T1721-2008项填写

主要数据库表设计包括气象自然灾害和社会经济相关属性的逻辑结构分设置如表4、表5所示。

表4 自然灾害基本信息表属性结构

Table 4 Attribute structure of basic meteorological disaster information table

字段名称字段代码字段类型字段长度备注 自然灾害IDdisasterIDInt9Primary key 县区namechar20 受灾面积Dami_areaNumeric10 倒塌房屋Dami_houseNumeric9 受灾人口Dami_humanNumeric9 农业损失Damiagri valuemoney10 损失金额Dami_valuemoney10

表5 社会经济基本信息表属性结构

Table 5 Attribute structure of basic socio-economic information tables

字段名称字段代码字段类型字段长度备注 人文IDSocia_IDInt9Primary key 县区nameChar20 区域面积areaNumeric10 区域人口peopleNumeric9 国民生产总值GDPNumeric9 第一产业增加值AGDPNumeric9

2.3 生态系统服务空间数据分析与录入

2.3.1 空间数据导入与加载影像

在ArcGIS中导入最新的全国县级统计矢量数据，设为最底层，得到空间数据对应的属性表如表6所示。

表6 行政区划空间数据属性表

Table 6 Attribute table of spatial data for administrative divisions

FIDShapeAREAPERIMETERPROVINCENAMEENMAETOWNSCOMMUNITYCC ……… …………………… 1620面3230828800281652.2243龙山县longshanxian47532 1643面3865588500289374.1943永顺县yongshunxian46513 1696面1845631900225680.3443保靖县baojingxian25370 1713面1297468200161776.8143古丈县guzhangxian15185 1728面1068296400168408.5843花垣县huayuanxian21300 1748面1025147800159567.0943吉首市jishoushi14192 1749面1587885300192467.5343泸溪县luxixian19221 1762面1686704400200943.6143凤凰县fenghuangxian31344 …………… ……………

接着加载2015年中国土地利用(ld2015.aux)、中国陆地生态类型(ecp2015.aux)、中国陆地生态系统服务价值空间分布(zone.aux)遥感影像栅格数据①数据源自中国科学院资源环境科学数据中心http://www.resdc.cn/，再进行分割提取，效果如图3所示。

日粮中的纤维物质不仅具有刺激反刍动物反刍和唾液分泌的作用，而且为反刍动物提供能量，并以脂肪的形式在体内储存起来[4]。反刍动物主要利用粗纤维中的纤维素和半纤维素，对木质素难以利用。在日粮粗纤维含量相同的情况下，如果其具体组成不同，其消化降解必然存在差别。因此，在反刍动物粗纤维营养研究方面，国内外已普遍采用NDF和ADF的消化率作为衡量反刍动物对粗纤维利用能力的指标。

图3 空间数据的加载与提取

可以得到各类型生态系统影像和服务价值影像数据。将提取的湘西州遥感影像图进行解译，把LUCC分类体系的19个二级类型名称合并成6个一级类型名称，整理得出湘西州土地利用面积如表7所示。

表7 2015湘西土地利用现状遥感影像属性表及解译后整理的土地利用面积表(km)

Table 7 2015 attribute of remote sensing images of land use status in xiangxi and land use area after interpretation(km)

a) 遥感属性表 b) 解译整理后的各类型生态系统服务土地利用面积表 RowidVALUECOUNT OIDNAME耕地林地草地水域城建 01143559 0吉首市14576275767 11216416 1泸溪县2321255402614 22186695 2凤凰县444124112830 3228920 3花垣县268712117316 42332222 4保靖县3581173165268 5243926 5古丈县175950162222 ……… 6永顺县78525574353120 18662 7龙山县6012241255420

同理可将2000年、2005年、2010年、2015年中国土地利用现状遥感监测数据加载至ArcGIS，通过图层分割选取湘西州要素的土地利用数据，进行类型颜色设置，其中：金色代表农田耕地，绿色代表林地，黄色代表草地，蓝色代表水域，玫瑰红代表城乡用地，灰色代表未利用地，黑色线条代表湘西州内部各县区行政边界如图4所示。

图4 湘西州四期土地利用现状遥感监测数据图

整理可得2000—2015年湘西州主要年份各类型生态系统土地利用面积如表8所示。

表8 2000-2015年湘西州各类型生态系统土地面积利用表（m）

Table 8 Land use tables of various types of ecosystems in Xiangxi Prefecture from 2000 to 2015 (m2)

年份year耕地Cropland林地Woodland草地Grassland水域water建设地building未利用地unused 2000年193533440000111892343000056765100002758646000037294210000163215810000 2005年173791970000115936691000057102600001793761000040920860000148502250000 2010年195456410000117686597000057865710000295943200005503764000032220060000 2015年194396000000117808100000058285000000295980000004018100000032259000000

2.3.2 属性数据录入与关联视图

生态系统服务价值的数据也可在决策支持系统的数据库平台通过调用模型方法库方式录入并计算价值。同理，加载环境质量、气象自然灾害（表9）和人文信息数据图层②数据来源于《湘西统计年鉴》，也可在各自图层数据的基础上进行更多县市数据的添加。

表9 湘西州2016年各县区自然灾害表

Table 9 Natural disasters tables of Xiangxi Prefecture in 2016

灾害ID县区受灾面积（hm2）倒塌房屋（间）受灾人口（人）农业损失（万元）直接经济损失（万元） 1吉首市8797.22149400176623082 2泸溪县2941.23701213455.64507 3凤凰县5498.32310024083218881 4花垣县3147.7-885947863596 5保靖县3160.71051003357743.420646.9 6古丈县10777.7661345542606033672.1 7永顺县8775431804952809140508 8龙山县6965192185485617886371 9湘西州50062.845390922474902231264

说明：本数据来源于2016年湘西统计年鉴

各空间属性表与关系数据表间也可通过关键字段如县区(NAME)进行关联，选择字段，生成视图，如表10所示。

表10 湘西州2016年分县区自然灾害、自然环保投入与社会经济数据(万元),

Table 10 Natural disasters, conservation investment and socio-economic data of Xiangxi Prefecture in 2016 (RMB 10yuan)

县区自然灾害损失建设项目投资国内生产总值人均纯收入 吉首市2308286991513651304.2043 泸溪县45072609985376291.8507 凤凰县188815137067430112.1499 花垣县35962345936043831.9868 保靖县20646.91896754800241.6272 古丈县33672.12753522366251.7913 永顺县405084398076133361.3666 龙山县863715096977285421.4736 全州231264329374353086802.0144

说明：本数据来源于2016年湘西统计年鉴

3 研究结果

3.1 数据入库

ArcSDE采用直接连接SQL Sever数据库的方式，建立生态系统服务空间数据库。在ArcCatalog中，利用ArcToolbox数据管理工具创建面向对象的空间数据存储模型ArcSDE Geodatabase，数据库实例选用服务器名Sang-PCSang，数据库命名为SDE；接着将要素类的空间矢量数据、四期遥感栅格数据和属性数据以及相关年份自然灾害、环保、社会经济数据属性库表复制或导入到基于SQL Server的关系数据库SDE中，形成生态系统服务空间数据体系；然后通过ArcSDE空间数据引擎的数据通路为数据库平台管理、应用程序开发和最终用户使用。

3.2 平台实现

图5 空间数据库平台运行结果

3.3 查找与统计

构建生态系统服务空间数据库共享平台的目的在于为生态系统服务提升效应系统评估数据和为决策支持系统提供数据支持, 从而实现数据查询、价值计算、功能服务、信息管理以及运行维护等功能。

点击“查找”下拉菜单“查找区域”，弹出对话框，选择点查询或区域查询，选择具体区域如“龙山县”，确定后结果可在MapControl地图上高亮显示龙山县区域，同时在DataGridView中显示龙山县的相关属性信息，如图6所示:

图6 空间数据库平台运行查询及结果显示

同理可查找其它区域有关灾害、环保、社会经济数据。计算区域生态系统服务价值的方法有很多种。其中，利用Wang M等[15]对中国不同地区不同类型的生态系统服务价值（ESVs）进行宏观计量估算，在中南地区，耕地的单价为10,503.09元/公顷，林地为37,385.68元/公顷，草地为15,515.32元/公顷，水域为66,555.02元/公顷，未利用地为1848.01元/公顷。根据不同生态系统服务的指标体系以及各类型生态系统共有的服务功能进行整合，得到公式（1）：

= ∑i×i(1)

其中U为生态系统服务功能总价值，Si为不同生态系统服务类型单位面积， Ai为对应Si不同类型的服务功能单位价值。

按公式（1）在VC#程序中实现计算方法，将表8的土地利用面积乘以单价，可计算出生态系统服务价值。点击“统计”下拉菜单“计算服务价值”，选择年份（如2015）和区域（如湘西州），确定后可得该年份该区域的生态系统服务价值（图7a），并存入SQL Sever数据库sde的sde.fwjzjs表中。在“查找服务价值”中复选湘西州区域（2000、2005、2010、2015）四个年份，调用数据库查得2000-2015年湘西州区域生态系统服务价值（图7b）。

图7 空间数据库平台运行价值计算及统计结果显示

整理后湘西州生态系统服务功能价值数据如表11所示。

表11 2000-2015年湘西州各类型生态系统服务功能价值（元）

Table 11 Value of ecosystem services of different types in Xiangxi Prefecture from 2000 to 2015 (yuan)

年份耕地林地草地水域未利用地总价值 2000年2032699138.3341831713298.4888072869.132482116892.4330162444946090127152.0125 2005年1825352702.1943343720299.8588596511.182723488655.7227443364346725941148.5440 2010年2052896265.3143997934557.31897805007.683663031230.9559542993.0848977829382.8607 2015年2041758683.6444043359280.08904310426.202674247258.6259614954.5949018938826.4700

4 结论、讨论与展望

本文综合湘西州土地利用现状遥感、生态系统服务功能价值、自然灾害和社会经济等数据，利用ArcGIS层次结构和ArcGIS空间数据库引擎，来说明生态系统服务空间数据库平台的构建过程，通过ArcGIS Engine平台建成生态系统服务空间数据库平台，进一步通过计算实证数据库平台的运行结果，旨在为区域生态系统服务决策支持系统奠定基础，服务可应用于南方丘陵山地。

生态系统服务空间数据指标体系复杂，数据库表的设计更为庞大，在异构数据源、联结表单、备份和实现信息共享方面难度增大[17]，且增加系统负担导致运行缓慢。本文将评估指标分层设置，存储在GIS空间数据库、SQL Sever关系数据库，并通过ArcSDE数据通路互联，有利于模型方法库的调用和使用，使融合处理技术得到有效的提升。

在数据库平台调用计算生态系统服务价值的方法上，针对湘西地方所在的南方区域具体情况，选用了Wang M等[15]各类型生态服务评估指标宏观均价进行价值估算，也可选择谢高地等[18]总结的中国陆地不同生态系统单位面积生态系统服务功能价值，选取耕地、林地、草地、水体等十个方面的功能服务进行数据评估计算，或选用欧阳志云等[19]计算一个地区或国家的生态系统生产总值的方法进行结算。由于各专家学者收集的功能指标和区域标准不同，单位面积生态系统服务价值也不一样，不可避免会带来一些误差，各种生态系统服务中的指标有待完善、评价方法也有待提高。本文在实证分析上做了生态系统服务价值的计算，当然还可与气象灾害、社会经济作相关系数与多元回归效应分析[19]，得到更一般的规律，便于预测，提供科学依据。将评估结果存入数据库，为科研机构提供技术支撑，为当地政府相关部门进行决策支持利用。

当然，数据库的设计牵涉到规则、关系模式范式等，保持数据独立性，减小沉余，空间数据库还涉及空间数据的查找规则，不同图层的地理坐标系和位置一致，多维数据集和关联规则范式等问题，这些远比上述结构设计复杂。需要经过概念结构设计、逻辑结构和物理结构设计阶段步骤，需要经过数据层的叠加分析和数据字典结构内容和定义的设置过程，还需要一些数据的完善。同时模型方法库也涉及到具体编程语言的实现，有固定的编码规则，要经过汇编语言翻译成机器指令，才能控制计算机执行运算指令和自动化的处理操作。这里仅涉及到数据库平台的建立及简要实证分析，要完整实现由数据库管理系统统一管理和控制，达到数据共享，将在下一步的工作中进一步完善。

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Research on Construction of Ecosystem Service Spatial Database Based on GIS

KUANG Yi-xiao, PENG Yu,*SANG Wei-guo

(College of Life and Environmental Sciences, Minzu University of China，Beijing 100081, China)

According to China's two-screen and three-belt ecological security strategy and the specific situation of the construction of the National Park Nature Reserve system, based on the key technology of ArcSDE spatial database engine, the Landsat-TM remote sensing images of four years from 1980 to 2018 in Xiangxi are taken as the basic data source. According to the data of number of heterogeneous indicators of the same type of ecosystem services are combined, and the natural disasters, ecological environment and social economy related to the statistical yearbook, the layer structure and logical structure attributes of spatial database are set up. ArcGIS is redeveloped in Visual C# system, and a spatial database platform is built. The results can better query and calculate the data for various types of ecosystem services. It has higher calculation value and can achieve better ecosystem service effect assessment and decision support utilization.

Geographic information system; spatial database platform; data construction; ecosystem service value; meteorological disasters; natural environment protection; socio-economic

X826

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.06.007

1674-8085(2019)06-0032-09

2019-08-02；

2019-10-15

国家重点研发项目(2017YFC0505606，2017YFC0506402）

匡奕敩(1977-)，男，江西吉安人，中级经济师，博士生，主要从事民族生态学研究(E-mail:17400195@muc.edu.cn);

彭羽(1973-)，男，河南信阳人，副研究员，博士，主要从事生态学研究(E-mail:yuupeng@163.com);

*桑卫国(1965-)，男，山东青岛人，教授，博士生导师，主要从事生态学研究(E-mail：swg@muc.edu.cn).