红树林(Mangrove)是生长在热带、亚热带地区海岸带上, 受周期性潮水浸淹, 以红树植物为主体的常绿灌木或乔木组成的潮滩湿地木本植物群落。红树林湿地作为重要的海岸湿地类型已列入拉姆萨尔公约国第四届成员国大会制订的拉姆萨尔湿地分类系统及我国海岸湿地分类系统。红树林不仅具有促淤沉积、改善环境、护堤防波、保护农田和村庄等生态功能, 而且还为许多海洋动物提供重要的栖息地和食物(林鹏, 2001; 林益明等, 1999; 张乔民等, 2001)。由于长期以来不合理的开发利用和保护管理制度不完善, 红树林资源遭受严重破坏, 面积日趋减少。因此及时准确地掌握红树林资源的现状, 对红树林的保护、合理开发与利用有着重要意义。地理信息系统(GIS)可以综合有效地采集、存贮、管理各种地理信息并能对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理和动态分析(常晋义等, 2001; 陈俊等, 1998), 已被广泛地应用在各种自然资源调查及其数据管理上, 它为红树林资源的信息管理提供了可靠基础。

为了查清红树林资源现状, 加强红树林资源的保护管理, 根据国家林业局要求, 在福建省林业厅野生动植物管理站的组织下, 完成了福建省红树林资源的全面调查与汇总, 其中外业调查和统计由福建省林业调查规划院负责, 内业地理信息系统工作由福建省林业科学研究院完成。本文以此为背景, 论述利用地理信息系统建立福建省红树林资源调查管理系统的技术方法, 从而为福建省红树林资源的保护与管理提供依据和决策支持。

1 调查区域概况

红树林资源调查区域范围为福建省沿海宁德市、福州市、莆田市、泉州市、厦门市、漳州市等6个市的32个沿海县(市、区)。沿海气候分别属于中、南亚热带海洋性季风气候或过渡带, 年平均气温20 ℃, 年均日照为1 780~2 340 h, 年平均降水量1 000~1 400 mm; 土壤以红壤、赤红壤、滨海盐土、水稻土和滨海风沙土为主; 海岸带植被成分较复杂。

2 系统结构与功能 2.1 计算机硬软件配置

计算机硬件系统为SUN WORKSTATION工作站, IBM微机, 外围设备有扫描仪、数字化仪、绘图仪、激光打印机等。软件采用地理信息系统ARC/INFO平台、ARCVIEW软件包, 还使用一些常用的图形图像处理软件和办公软件等。ARC/INFO平台、ARCVIEW软件是美国环境系统研究所(ESRI)研制的GIS软件, 它们有着灵活而高效的数据处理模式, 功能强大, 可以把各种形式的空间数据、图表有机地结合起来, 使数字和图形融为一体, 比传统的地图分析和仅仅基于表格数据的分析方法有质的提高。

2.2 系统设计目标

充分利用GIS软件的各项功能, 建立福建省红树林资源调查管理支持系统, 对福建省红树林资源的调查结果进行详细分析, 建立红树林资源一体化的图形数据库和属性数据库, 综合评价福建省红树林资源现状, 完成红树林资源数据的更新、查询、管理、统计、分析、制图等工作, 提供全面、准确的图面汇总材料、专题和相关分析报告。通过该系统建立准确一致的信息来源渠道, 对福建省红树林资源调查数据进行合理、有效的管理, 实现红树林资源保护与利用的科学化。

2.3 系统结构与功能分析

系统是以计算机为基础、以ARC/INFO和ARCVIEW为工作平台建立起来的。ARC/INFO功能强大完善, 可以作为底层的GIS平台, ARCVIEW的鼠标点击式图形界面, 可作为用户层的直接操作使用(李玉龙等, 2002; 李勇智等, 2002)。图 1为福建省红树林资源调查管理支持系统的结构功能示意图。

系统具备如下6个功能:(1)数据输入    空间及属性数据的输入, 指对红树林图形的录入数字化及小班数据库的输入, 其它各种相关信息数据的录入等; (2)数据编辑    对图形数据和属性数据的修改、增删、拓扑关系的建立等; (3)文件管理    包括各种空间及属性数据库文件的维护、数据库备份和更新; (4)数据库查询    从空间到属性、从属性到空间以及其他各种方式对数据库的查询; (5)数据分析    对指定区域进行红树林资源的各种有关数学统计和地学分析; (6)结果输出    按实际需要或特定查询结果输出各种数据文件、专题图版、统计图表。

3 系统的建立与实现 3.1 外业调查数据的整理与准备

在建立GIS数据库之前, 首先要对红树林资源的外业调查数据进行整理与集中。以县(市、区)为单位对调查的外业图件、小班调查表进行整理, 检查数据的完整性、有效性, 对每一个有记录的小班都要对照图件, 以避免遗漏。经过数据整理得知, 福建省共有577个小班及其相应调查记录卡片。

3.2 红树林资源数据库的建立

GIS制作的核心是建立图形矢量数据与其它非图形数据(如文字、电子表格、声音等)之间的联系。图表矢量数据由表达图形结构的若干数据组成, 主要是图形数据的关键坐标与方位大小数据, 图形数据只有在几何表现出来(即在屏幕上显示出来)时才方便操作和修改, 而与图形数据相联系的属性数据(非图形数据)则一般表达为关系数据库的形成, 因此这两种数据在表现方式上有根本的不同。建立它们之间快速、有效、准确的联系是构造GIS的关键(樊红等, 2002; 吴泉源, 2002)。

小班外业调绘是以比例尺1:10 000的地形图(部分县市是1:50 000比例尺)为底图进行的, 对外业调绘图件必须进行数字化, 其方法有利用数字化仪手扶跟踪数字化和利用扫描仪扫描数字化两种。考虑到分时作业及工作效率, 这里是通过扫描仪以县为单位把外业调绘图扫描输入计算机, 扫描图像格式为栅格图像, 将此扫描图像作为底图, 配准其地理坐标系统, 然后用鼠标对红树林资源调查小班进行矢量跟踪, 数字化红树林小班边界, 建立红树林小班Coverage。在数字化时要注意对屏幕显示的图形要放大几倍, 以保证鼠标运动轨迹的正确性, 并注意小班多边形弧段的走向、起始点的闭合等。

红树林调查小班卡片的输入是通过电子表格Excel来完成的。在Excel中, 用第一栏作为小班卡片的表结构, 输入记录内容后, 把文件保存为数据库DBF格式, 这样DBF格式可以通过转换, 使ARC/INFO系统读入小班调查记录, 形成属性数据库。属性数据库内容包括:县(区)号、乡(镇)号、村号、小班号、图幅号、经度、纬度、小班面积、土地权属、林木权属、土地种类、林种、群落类型、起源、种源、年龄、自然度、集约度、郁闭度、树高、分布状态、经营措施、位置特征、占用面积、占用原因等。数据库的数据类型、库结构、记录内容等在ARC/INFO系统也可以直接修改和编辑。数据库结构见表 1所示。

小班Coverage的Label标识编号, 用(县+乡+村+小班)的形式, 这样形成了唯一编码, 通过这个唯一编码, 利用Joinitem功能使小班PAT表与属性数据库连接, 组成完整的红树林资源数据库。当然, 在连接属性数据库之前, 必须要保证小班Coverage的拓扑性。

3.3 相关地理数据库的建立

为了保证所建系统的完整性, 与红树林分布有直接关系的地理信息也要进入系统, 包括:福建省界、地市界、县界、乡界、行政所在地、铁路、国道、省道、一般公路、河流、支流、堤岸等。不需要对红树林分布县所有的交通线与河流进行全面数字化, 这受到人力、物力的限制, 要进行一定取舍, 对红树林小班所在的地形图幅的交通线与河流要求详细一点即可。系统建立的各类数据库见表 2。

3.4 各种数据的编辑处理

对数据的编辑处理主要有识别错误、误差校正、数据增删、图形拼接、拓扑重建、质量检查等。在该系统中各类数据库可能产生的误差有:图形数据的不完整或重复; 图形数据的位置不正确; 图形数据的比例尺不正确; 变形; 图形与属性数据连接有误; 属性数据不正确。针对这些误差, 对系统数据库进行全面检查, 改正错误, 增加或删除数据, 直到系统数据无误为止。在编辑过程中, 由于改正错误的同时也改变了拓扑关系, 所以必须对每次编辑后的图形数据都要重建拓扑关系。

全省的数据是由各县(市区)数据组合而来, 由于外业调查使用的地形图有1:10 000和1:50 000两种比例尺, 所以在各种图形数据拼接过程时特别要注意3°带与6°带的转换问题, 要使所拼接的图形在同一个坐标投影带内方可进行组合。

3.5 红树林资源查询分析与制图输出

数据库建立后, 对红树林资源进行查询、分析, 然后可把感兴趣的内容制作专题图输出。图形数据与属性数据可相互查询, 如可对指定地点、指定年龄、指定树高等查询图形, 也可对指定小班图形查询其分布、权属、树高、郁闭度等。直接把图形数据进行空间分析, 可得出红树林资源的多种有意义结果, 如红树林资源变化原因的寻找、红树林资源未来发展趋势、保护区规划等都可以用空间分析来完成。空间分析方法有:叠加法(overlay)、缓冲区法(buffering)、鲍罗诺依分割法(Volonoi tessellation)等, 可用来产生许多新的信息内容, 以帮助更好地进行红树林资源的管理。

将编辑、查询、组合、分析等的结果在地理信息系统中制作红树林资源各类专题图, 为图中各种不同意义的线指定不同的线型和颜色, 为不同意义的图斑指定不同的填充图案、标注和颜色, 为不同意义的点指定不同的符号和颜色, 要求符号、图形和字体大小适宜, 设色和谐、便于分辨, 最后采用彩色A₀大幅面喷墨绘图仪绘制输出。

4 系统的综合与应用 4.1 系统界面

基于GIS的福建省红树林资源调查管理支持系统采用ARCVIEW软件良好的界面特点, 将各类数据库添加到ARCVIEW中, 利用ARCVIEW来进行管理, 把整个系统作为ARCVIEW的Project来管理, 通过视图(view)、表(table)、图表(chart)、图版(layout)、脚本(script)等来实现系统的运作, 操作十分方便而功能又非常强大。系统的使用见图 2所示。如果不想拘泥于ARCVIEW原有的界面, 可以采用ARCVIEW的Avenue开发工具来创建系统的标题、微标、背景等, 还可以对菜单栏、按钮条和工具条等进行制作, 开发自己满意的界面方式。

4.2 与其它程序的结合

可以使用Visual Basic、Visual C++等其它一些有用的软件编制程序, 以提高系统的应用层面, 满足ARCVIEW难以实现的一些功能。如多媒体的动画、视频、音频等在系统中的应用等, 这些内容的使用可以增强系统的表现力。ARCVIEW提供了一个多媒体的表现工具———热链接(hotlink), 热链接可以让用户直接从view视图中去访问与之相关的文本、图像、视频、音频等项目文件, 但是有时需要结合其它编程语言编写热链接的执行程序。这样, 可把在外业调查中拍摄到的一些红树林现场图片、录像等加入系统中来, 使系统的表现更加丰富。

4.3 系统应用

经系统统计分析, 可以快速得出全省、地市、县(区)或某个给出坐标范围的地域内红树林资源状况统计结果, 如地类面积汇总、林种统计、群落类型分析、树高分析、有林地与宜林地分布状况、种类计算、结构特点分析、经营状况分析、被占面积及原因分析等还可将这些结果落实到具体小班, 实现分析结果的可视化, 并随时依据需要直接为各级管理部门和应用部门提供数据和图形。

5 结语

基于GIS的福建省红树林资源调查管理支持系统能够对全省的红树林外业调查数据进行全面的归纳整理与科学的分析, 使庞杂、分散的红树林数据系统化、程序化, 为福建省红树林资源的本底现状掌握、保护管理提供有效保障和可靠依据。

利用GIS所具有的空间数据与属性数据相统一的综合分析手段, 可方便、快捷地分析红树林资源, 通过结合多种GIS模型及空间数据处理算法, 获得数据所蕴涵的关于红树林资源的深层规律, 把单要素的资源资料变为综合资料, 以实现红树林资源的现代化管理, 大大提高管理水平。

该系统的扩充功能, 使得利用其它资源数据(农业、渔业、水文、气象、土壤等)来对红树林资源进行综合研究变为可能, 这也是未来红树林资源发展的需要。