林业生产活动和科学研究过程中积累了大量基础数据、统计数据和图件, 随着社会对森林生态环境的关注, 迫切希望这些长期获得保存的信息能够为更多的人共享。森林生态与资源信息共享的服务领域涉及公众服务、科学研究、政府决策, 也是国家可持续发展信息共享平台不可或缺的组成部分。本文运用近年兴起并得到广泛应用的网络数据库技术、WebGIS技术, 实现基于Internet的森林生态与资源信息共享系统。虽然, 网络数据库技术和WebGIS技术已经很成熟, 但是用于国家宏观林业资源信息与生态信息的整合、共享与发布, 还是不多见的(张旭等, 2001)。

1 系统结构设计 1.1 系统功能结构

森林生态与资源信息共享系统包括基于TCP/IP协议族的软硬件环境和公共系统平台, 关于前者, 张旭等(2001)中有系统论述。公共系统平台中集成了来自不同部门和领域, 不同数据类型、格式、精度、时间尺度和空间尺度的存贮于异构数据库系统中的约1G多数据, 它们主要包括属性数据、矢量数据、遥感数据和图片。公共系统平台对海量数据进行了分类分层处理, 存放在服务器端的数据仓库中, 并且进行了Internet发布。通过公共系统平台的界面导航系统, 用户可以看到森林生态与资源专题信息和管理信息。森林生态与资源信息共享系统细致的信息层次见图 1。从系统结构的角度, 应用服务器端使用网络数据库动态发布一般属性数据, 使用WebGIS发布空间数据。

1.2 系统运行结构

森林生态与资源信息共享系统采用基于Web的B/S(浏览器服务器)运行模式, 这样用户只要一个支持标准Http协议的网络浏览器, 通过Internet就可以访问需要的信息。具体来说, 采用的是3层结构:客户端、Web服务层和应用服务层。

1) 客户端:用户在客户端通过Internet向远程的服务器发出数据访问、统计分析、决策支持等请求, 得到可视化的结果。由于用户使用的是浏览器, 他是在图形界面和导航系统的指导下工作, 方便直接。系统的主页地址是http://sdinfo.forestry.ac.cn。

2) Web服务层:响应浏览器的请求并处理, 不能处理的工作传递给应用服务层; 接受应用服务层和自己的返回结果, 返回给浏览器。

3) 应用服务层:扩展了普通Web服务无法提供的功能, 包括动态网络数据库服务、空间地图发布和分析服务、空间数据仓库等。

2 网络地理信息系统子系统 2.1 WebGIS的原理

网络地理信息系统, 又称WWWGIS、Internet GIS、Cyber GIS、万维网GIS、因特网GIS或网络化空间数据库。它出现于20世纪90年代后期, 今天已经广泛地应用于与空间信息服务相关的基于Web的应用系统中。开放地理信息系统协会(OGC, Open GIS Consortium)从万维网地图制作试验床WMT(Web Mapping Testbed)项目开始制定了一系列网络地图发布的规范。其中, 1997年发布的《万维网地图制作框架》第一次给出了万维网地图制作的定义, 定义了WebGIS的体系结构、组件组成及关系、技术体系及技术细节。WebGIS的目标是面向对象、分布式的互操作地理信息系统, 它要能够共享多种来源、多级尺度、存放在异地的地理数据, 能够和其他应用软件集成, 通过Java、CORBA、DCOM等技术跨平台协作运行。GIS数据和功能是部署在Internet不同服务器上的对象, 按需要进行装配和集成, Internet上的其他系统能和这些对象进行交换和交互操作。

OGC互操作计划核心结构分为3个层次:底层是数据仓库, 中间层包括目录服务和各种算子、模型等工具, 上层是面向主题的应用, 包括显示、编辑、发现、分析和发布。通过目录服务来实现传输方式和发布的空间数据服务的管理。OGC定义了WebGIS应用服务模型, 它以GIS应用对象为基础, 通过统一的对象接口确定分布式环境中GIS应用对象的创建和标识、请求和操作、类型和特征, 构造模型的基本结构和功能。

万维网地图服务(Web map service)产生具有地理参照的地图。地图, 在这里被定义为地理数据的视觉呈现, 换言之, 地图不是数据自身。地图服务器(WebGIS server或Web map server或Map server)要完成3个功能:产生一幅地图(图像的、一连串的图形特征或者是一个打包的图形特征集合); 回答有关地图的基本内容的查询; 告诉其他的程序本地图服务器能产生什么样的地图和这些地图中哪些能被进一步查询。客户端仅仅要求是标准的浏览器, 通过URL表单提交请求, 来请求地图服务器完成某项功能。

WMT定义了WebGIS的结构体系, 这是因特网上访问异构空间数据源的层次服务模型。层次服务模型以对空间数据的处理过程为基础, 定义了每一层的数据集和服务原语, 以及每一个步骤执行的输入和输出, 因此遵循这些数据集和实现这些接口的不同万维网空间数据应用系统之间就可以交换数据和共享服务。层次服务模型的基本思想是把空间数据从数据库到浏览器的过程划分为几个逻辑上具有某种空间数据形式和完成某种功能的相对独立的层, 每一层有其特殊的空间数据形式, 通过层间服务接口, 第N层为第N +1层提供服务, 第N +1层可以访问第N层的服务。只要清晰地定义了每一层的数据格式、接口服务过程(或称服务原语)及其输入、输出, 在不同的WebGIS系统之间通过相应邻层的服务接口调用就可以共享数据和操作了。

2.2 WebGIS子系统的构建

森林生态与资源信息共享系统中的WebGIS子系统中地图发布和网上空间分析实现采用Intergraph公司的GeoMedia WebMap Professional, 空间数据存储在SQL Server2000中。采用分布式结构, 以HTML为应用层协议标准, 通过微软的服务器端脚本环境, 客户端浏览器向服务器提出申请, 所有的程序都将在服务器端执行。当程序执行完毕后, 服务器仅将执行的结果返回给客户浏览器。

开发WebGIS空间分析采用构件技术, 把一个庞大复杂的应用程序分解成多个保持独立功能又协同工作的模块, 这些模块通过各自的接口来相互通信从而完成实际任务, 每一个这样的模块称为构件。

2.3 WebGIS子系统的功能

森林生态与资源信息共享系统中的WebGIS子系统遵循了OGC的层次服务模型, 基本结构基于Web 3层/多层结构。WebGIS子系统实现的功能包括地图的漫游、放大、缩小、停止传输、复制图片、复原、打印、图层实时叠加、路径计算、查看与图上空间位置相对应的各种属性数据库。当点击某地区或矩形、圆形选择某几个地区后, 被选中地区颜色变为反色, 可以查询该地区林业用地面积统计表, 并以饼图等形式显示。当不清楚某表列的含义或单位时, 点击该表列的表头, 将弹出该表列的含义和单位的解释。

通过指定某分布区域, 打开属性数据库, 查询该区域的植被类型、面积等属性。也可以通过属性数据库中的若干属性因子, 在分布图上查询相应的分布区域。通过统计功能, 可得到某植被类型的面积和或某省的植被面积总和等数据。

3 多维空间数据的组织与发布 3.1 空间数据的前期处理

网络地图发布服务的基础是地理空间信息的组织。在森林生态与资源信息共享系统中, 首先对要发布的空间数据进行加工和前期处理。空间数据的前期处理涉及到专业数据标准、共享的空间信息框架和语义上的互操作问题。由于基础底图、专题图件来源不同, 成图目的与用途不同因而投影、比例尺不同, 这些图件需要一个共同的参照。

对于纸图, 进行数字化、生成拓扑等工作。对于已经数字化的数据, 进行数据格式转换。数据格式转换过程中分别进行分类、筛选、整理和语义上的转换和统一投影类型的工作, 栅格数据类型还是按栅格类型进行显示。

为了实现不同比例尺的图件按照图层存储叠加分析, 做了3项共性工作。首先进行专题图件与基础底图的配准; 其次统一了信息编码标准¹⁾, 并对不一致的属性数据按照信息编码对照表进行转换, 使得各种数据之间建立对应关系; 最后, 建立起符合中国可持续发展信息共享系统标准规范的元数据和数据字典。元数据是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息; 数据字典用于描述具体数据库的信息, 分为若干子集, 包括元数据实体集、标识、数据质量、参照系、内容、分发、范围、引用、负责单位等(中国21世纪议程管理中心, 1999。元数据和数据字典有助于有效地管理和维护空间数据, 但最重要的作用在于提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径, 便于用户查询使用地理空间数据。

1) 中国科学院地理科学与资源研究所.2003.中国可持续发展信息共享系统信息分类和编码标准(内部使用稿)

3.2 空间数据仓库的构建

共享系统中的空间数据组织结构纵向上按不同专题分层, 横向按照各级比例尺分层存储。国家和省级的基础底图包括国界、省界、县界、铁路、公路、河流、湖泊等图层, 国家和省级的专题图件包括植被、土壤、地貌、地形、沙漠、地质、森林、草地、草地资源自然保护区、能源矿产资源、土地利用、土地利用规划分区、土地利用耕地保护、自然保护区、荒漠化地区耕地退化分布等图层。县级层次的专题图件资料包括不同比例尺的地形图、最新TM遥感影像图、土地利用现状图、土壤图、植被图、水文地质图、人口密度图、其他专题图(行政区划图、水系分布图、降雨分布图、土壤侵蚀模数分布图等); 自然和社会经济资料包括地质、地形、气象、水文、土壤、生物、植被、土地承载能力、人口、劳力、耕地、乡村界限、土地利用状况、林、牧、副业现状资料; 实用技术资料和专家知识库包括各种实用技术资料, 专家咨询资料, 各种调查资料, 当地人们的实践经验。

空间数据的这种组织方式可以实现基于空间位置的查询, 包括按照行政区划线索的递进式查询, 形成国家、省、县的查询线索。把基础底图、生态环境信息专题图件, 与专家知识库联系起来, 通过WebGIS平台, 整合不同语义的图件使之服务于生态环境信息建设的目标。

由于WebGIS子系统是层次结构的, 越接近县级, 地方性知识的重要性越凸现出来, 系统也越具实用性。林业生态环境建设信息是面向省级、县级应用的, 示范县的专题图件叠合遥感影像(TM), 更加有利于县级决策规划评价的实施。

3.3 多维空间数据的表达

空间信息发布就其形式表现方面的理论依据来说还是传统的制图问题, 虽然制图的环境变了, 但制图的原则依然有效。制图综合是在地图用途、比例尺和制图区域地理特点等条件下, 通过地图内容的选择、化简、概括和关系协调, 建立能反映区域地理规律和特点的新地图模型的一种制图方法。地图模型对实地复杂地物进行选取和化简, 并且分类分级符号化, 通过图例和符号(包括颜色、符号、注记)的搭配, 使发布的地图有较好的视觉效果。

WebGIS子系统中, 采取预先综合制图的方法, 把不同主题不同细节空间信息系列比例尺化, 形成无级缩放的效果, 这么做符合人们的认知习惯。由于在特征方式传输的WebGIS平台中, 地图的颜色、符号、注记会影响地图的传输速度, 因此这些信息要通过网络传到客户端, 再由客户端负责显示。但是为了地图发布的完整性, 性能上的牺牲是必要的。

通过显示比例尺控制一次空间数据的网络传输量, 就是把发布的空间信息量限制在一个较小的范围内, 用户请求范围决定传输比例尺的级别, 用户请求范围越小, 传输空间数据的比例尺越大。以行政区划图为标准来确定最小外接矩形, 用户放大地理对象到屏幕最大的显示区域确定在几个县的范围内, 其他专题图与之适应。对于数据量较大的森林分布图, 图层显示比例尺越大、用户请求范围越小, 传输速度越快、显示信息越清晰, 说明这种做法在传输带宽受到制约的Internet环境是可行而经济的。

4 在线空间分析与应用 4.1 属性数据空间化

对森林生态与资源信息共享系统中的历次全国森林资源清查数据(第5次森林资源清查、第4次森林资源清查、第3次森林资源清查)的属性数据空间化处理后, 实现了全国森林资源现状和历史的空间分析可视化显示。提取出对于可持续发展有重要意义的指标, 如历次清查各省森林覆盖率、林业用地占总面积百分比、有林地占林业用地百分比、人均有林地面积、人均有林地蓄积等, 进行分级对比按行政区划显示。属性数据空间化是指属性数据库增加与空间数据库相关的关联字段后, 从外部实现2种类型数据库的整合技术。

4.2 在线空间分析

林生态与资源信息具有可用性、有限性、整体性和区域性的特点。通过森林生态与资源信息共享系统, 社会用户、专家、政府官员可以方便、及时地检索某时间段(一般是几年)资源分布、变化状况; 某时间段内满足指定条件的某种或几种相关资源利用特征(如1991 —1998年, 新增林地的分布); 在什么时间发生了满足条件的变化(如查询哪一年林地减少最多); 对指定特征实例的过去和发展进行查询。通过WebGIS进行森林资源动态分析、森林资源消耗分析, 得到全国各省(区、市)森林资源占全国比重及排列名次, 直观地显示结果。

5 讨论与结论

1) WebGIS技术是林业空间信息共享、数字林业的关键支撑技术, 具体如何应用到森林生态信息和森林资源信息的共享方面有许多具体的技术环节和实施策略需要研究。本文提出了WebGIS在森林生态与资源信息共享系统中的应用框架, 包括数据模型的层次设计、元数据管理、面向决策支持和应用等, 为数字林业的理论基础做了准备。

2) 应用WebGIS技术、动态数据库技术和元数据管理技术, 建构了基于Internet的森林生态与资源信息共享系统。在WebGIS的应用系统中实现了空间数据仓库式管理、数据的分布式存储与管理、应用服务器的分布式部署、简单的目录服务、林业空间数据与属性数据的相互查询以及在广域网和局域网环境下的地图发布; 同时具备桌面GIS具有的简单图形操作功能和空间数据输出功能(如复制、打印地图)。

3) 本系统加强了基于Web的林业专业信息的空间分析功能, 可为更多的人提供决策支持、应用分析和数据提取的共享服务, 使得信息共享不仅仅停留在数据集的共享, 更是专题服务的共享。但是, 还没有实现面向知识的空间数据挖掘(赵霈生等, 1999)等功能, 这将是今后研究的方向。

4) 作为中国可持续发展信息共享系统的一个组成部分, 对于森林生态与资源信息共享系统不仅要具有目前的数据共享功能, 还要更新和拓展数据资源, 特别是与社会、经济、人口、能源等方面与可持续发展密切相关数据以及最新的森林资源信息和森林生态信息, 并且进行可持续发展相关分析。从庞大的数据库中提取林业方面具有时间序列性质和覆盖全国的可持续发展指标性数据集, 研究专题分析模型、综合决策技术, 使其为中国可持续发展综合决策提供支持。