松材線蟲遙感監測數據庫設計應用范文

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摘要：為實現空間數據與屬性數據的統一存儲、管理，增強數據的可視化能力，提高數據檢索和利用效率，本研究借助ArcGIS平臺設計并構建了黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫。基于此數據庫，可以進行空間數據的分層可視化及疊加顯示；可進行放大、縮小、平移、全圖顯示、快速定位等基礎地圖操作；根據特定條件對所需數據進行檢索及更新；以及多類型的空間分析及專題地圖制圖。該數據庫為松材線蟲防治提供了有力的數據支撐，也為其發生發展過程的模擬和預測打下了基礎。

關鍵詞：松材線蟲；遙感；數據庫

一、引言

黔西南布依族苗族自治州（以下簡稱黔西南州）地處云貴高原東南端，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，終年溫暖濕潤、熱量充足，雨量充沛。州內物種多樣性豐富，其中有產種子植物219科1096屬3268種，蕨類植物45余科115屬367種，國家I、II類保護植物303種[1]。州內溫暖濕潤的氣候條件也給各類有害生物入侵提供了有利條件，松材線蟲作為嚴重危害林業生態安全的林業有害生物之一，需要進行重點防范。2018年11月，國家林業和草原局對2014年印發的《松材線蟲病疫區和疫木管理辦法》進行了修訂。《辦法》明確，堅持政府主導、屬地管理的原則，科學開展疫情防治[2]。林業部門現在用于林業有害生物防治管理的信息管理系統中集成了大量的林業有害生物相關信息，包括林業有害生物基本信息、病蟲害知識數據庫、普查數據、發生防治數據及分類分地區統計數據等，可以為林業有害生物的監測監管提供有力支持。但是信息管理系統里僅提供文本及表格統計數據，沒有與地圖數據集成，不能直觀顯示有害生物發生的具體區域和范圍，可視化效果較差。遙感技術具有快速、動態、客觀的特點，遙感影像能為林業有害生物監測與防治提供大范圍、多時效、多源的數據。為了實現對松材線蟲的有效監測和防控，本文擬構建松材線蟲遙感監測數據庫，結合現有林業調查數據、有害生物普查數據、遙感影像及各類基礎地理數據，探索松材線蟲病的發生蔓延情況，為后續建立松材線蟲的遙感監測及高效防治機制打下基礎，為評估松材線蟲災害等級、減低災害損失及災后林地恢復治理提供基礎資料和決策支持。

二、材料與方法

根據《林業數據庫設計總體規范》及《林業信息數據庫數據字典規范》要求，結合黔西南州松材線蟲發生與防治的情況，擬定建庫方案、數據源準備、軟硬件準備等。

（一）建庫準備黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫的數據源可進行如下分類：1.按數據內容可以分為：（1）地理基礎底圖：黔西南州地形圖、黔西南州衛星影像圖、航片等；（2）林業專題數據：林業“一張圖”數據、森林資源普查資料、林業有害生物專項調查數據資料等；（3）其它輔助數據：土地利用現狀數據、行政區劃數據、實地調查照片、報告等。2.按數據類型可以分為：（1）空間數據：柵格數據（數字正射影像（DOM)、數字高程模型（DEM）、數字柵格地圖（DRG）等），矢量數據（以點、線、面表示的地物要素類數據，含林業圖斑數據、基礎地理數據、土地利用類型數據等）；（2）非空間數據：報告文本數據（*.doc、*.pdf、*.txt）、統計表格數據（*.xls）、圖片數據（*.jpg、*.bmp）等。結合以上數據源和松材線蟲遙感監測數據庫設計的目的，構建了如下圖所示的松材線蟲遙感監測數據庫的整體框架（如圖1所示）。

（二）數據采集與處理遙感數據基礎設施面臨著3種主要挑戰：分布與異構、數據缺失、服務效率低[3]。構建松材線蟲遙感監測數據庫的數據源也存在著多源異構及數據缺失的問題，為了有效解決這些問題，在對獲取的各類數據入庫之前需要進行一系列的預處理。1.影像數據處理（1）數據獲取：以年為單位，從地理空間數據云下載2006年至2018年黔西南州的遙感影像，以Landsat7ETM和Landsat8OLI_TIRS數據為主，部分云量覆蓋過高的影像，在91衛圖里下載Google歷史影像補充，輔以重點區域的高分辨率航飛影像。（2）數據檢查：主要包括高分辨率航飛影像與低分辨率衛星影像重疊度精度檢查；影像的完整性檢查及影像可讀性檢查。（3）影像融合：利用遙感圖像處理軟件將同期不同源的遙感影像（高空間分辨率影像與低空間分辨率高光譜分辨率影像）進行融合，以得到高空間分辨率高光譜分辨率影像。（4）影像鑲嵌、裁剪：將多幅影像進行拼接，使影像能完全覆蓋黔西南州，并按黔西南州行政區劃界限進行裁剪。注意兩種影像鑲嵌時要盡量避開房屋，走地物特征明顯的區域。在對時相相同或相近的影像進行鑲嵌時，影像紋理、色彩要求自然過渡；盡可能多的保留高分辨率、云無量少、質量好的影像。2.矢量數據處理（1）數據獲取：綜合林業部門的森林資源普查資料（含林業圖斑及變更數據）和國土部門的土地利用數據及行政區劃數據。（2）數據檢查：主要包括矢量數據可讀性檢查；矢量數據完整性檢查及拓撲檢查。（3）數據轉換：原始數據來源不一，表現形式多種多樣，為將各類數據統一到遙感監測數據庫中進行存儲和管理，需要通過坐標系的轉換、投影轉換、格式轉換等進行規范化處理。（4）數據編輯：包括拓撲編輯：構建拓撲關系，指出數字化錯誤的類型并進行修改；非拓撲編輯：移動、剪切和粘貼節點，分割和合并多邊形，以及線條的簡化、加密等。如：將在圖幅分割處的線要素進行連接使其連續；根據地物屬性將由于圖幅分割而生成的多個面要素（同一地物）進行合并。此外，還需要將空間數據與屬性數據相結合。3.非空間數據整理將已有的各類數據圖表、文本進行數字化，轉換成數據庫中能夠存儲管理的數字形式。

（三）數據入庫數據入庫前需要進一步對數字化的所有資源數據進行規范化處理，統一坐標參考和投影，以便不同數據層能夠在同一空間中進行疊加和可視化展示[4]。結合地圖學的知識對數據進行選取和概括，依據規范合理應用各種地圖符號和注記。對矢量數據、柵格數據及相關屬性數據、其它非空間數據進行檢查入庫，最終形成黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫。

三、結果與分析

為了實現對松材線蟲發生發展的監測，為松材線蟲的防治決策提供有效的數據支持。黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫以遙感數據為主體，需要分類存儲管理、分析多時期的數據，通過對歷史影像的解譯來判讀各時期黔西南州的松林分布、結構，結合相應時期的林業資源調查數據及林業有害生物普查數據，分析松材線蟲的入侵和蔓延的影響因子，并將各類因子數據也進行分類管理。基于以上設計和對數據的獲取、處理，利用ArcCatalog構建黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫（FileGeodatabase）。該數據庫在地理信息系統平臺ArcGIS的支持下實現矢量數據和柵格數據的存儲和管理，提供空間數據的分層瀏覽及疊加顯示、空間數據的局部放大縮小、平移及漫游；基于空間數據與屬性數據的多種檢索、空間分析及專題性的可視化輸出。

（一）空間數據展示黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫包括矢量數據和柵格數據，以及部分非空間數據，對各類數據進行結構化管理。數據的呈現方式由傳統的文字、表格轉變為圖文結合，空間數據與屬性數據相統一的圖形、圖像。在ArcGIS平臺的支持下，可以對所有數據進行分類分層顯示（圖2），了解各數據的具體空間及屬性信息，并可根據實際應用需求進行局部放大、縮小、平移等地圖常規操作；以及根據關鍵地物點坐標信息快速定位并進行標注，如對松材線蟲疫點的坐標信息進行快速定位，方便管理人員進行監管。還可利用ArcGIS平臺提供的量測工具進行距離和面積的測量。例如：利用距離測量工具測量主要交通運輸干道到松林的距離；測量松材線蟲疫區的面積等。此外，還可以基于統一的空間參考對多種數據進行疊加顯示，如圖3所示：將道路和行政區劃圖疊加在遙感影像上顯示，林地的區域分布、與道路的關系一目了然。還可松材線蟲疫點、地形地貌及其它立地條件數據進行疊加顯示，分析松材線蟲發生的影響因子及發展規律。以及進行多時期影像的疊加顯示，分析松林隨時間變化的特征。

（二）數據管理與檢索遙感監測數據庫管理主要包含影像數據的處理及矢量數據的編輯。按照時間序列對遙感影像進行規范化管理，并根據需要利用遙感圖像處理軟件對數據庫中的影像進行解譯分類，提取松林分布、結構與健康狀況信息，并以此作為次生數據導入到數據庫中。矢量數據主要針對點、線、面要素分別進行更新操作，包括增加、刪除、修改等。主要是林地變更、土地利用類型變更及松材線蟲疫點的發現與拔除方面的內容，要注意空間數據與屬性數據的同步更新。數據檢索是數據庫系統必須具備的基本功能，科學的數據檢索機制可以方便用戶快速地從眾多的數據中提取自己所需的信息[5]，提高工作效率。基于ArcGIS平臺，數據庫的數據查詢方式可分為按空間位置查屬性信息、按屬性信息查空間位置以及按空間關系查詢。用戶輸入查詢參數或指定空間位置、空間關系，即可快捷地獲得符合需求的數據，并進行后續處理與分析。按空間位置進行檢索可以進行實際應用需要設定具體位置或范圍，來查詢該范圍內所有圖層的空間信息和屬性信息。如：在疫點圖層中選擇安龍縣的疫點，可以查詢出該疫點的爆發時間、所處地理位置、地形地貌以及在所查空間位置處的數據庫中管理的其它信息。如果需要顯示滿足特定條件的一些要素則可以通過屬性信息查空間位置，屬性信息檢索支持點、線、面等矢量數據的屬性信息查詢[4]。如：選擇并定位冊亨縣的松材線蟲疫點，需要編輯SQL（StructuredQueryLanguage）語句，選擇疫點圖層，查詢條件設置為：所屬縣=“冊亨”，便可把滿足條件的疫點選出。而通過空間關系查詢可以篩選出距離松材線蟲疫區2000米范圍內的所有木材加工廠，以便進行疫木特殊處理。

（三）空間分析空間分析是基于地理對象的位置和形態的空間數據的分析技術，其目的在于提取空間信息或者從現有的數據派生出新的數據，是將空間數據轉變為信息的過程。空間分析可以基于矢量數據或柵格數據進行，其基礎是地理空間數據庫，運用的手段包括各種幾何的邏輯運算、數理統計分析，代數運算等數學手段[6]。在遙感監測數據庫的支持下，借助ArcGIS平臺，可以對松材線蟲害發生、蔓延情況及影響因素進行分析。從遙感監測數據庫中提取出松材線蟲疫區的立地條件（影響松林形成與生長發育的各種自然環境因子的綜合條件），包括：地形條件（海拔高度、坡向、坡形、坡度等）、土壤條件、水文條件、生物條件及人為活動、氣象數據等，運用疊加分析，可以了解松材線蟲發生的影響因素（溫濕度條件、人為干擾、林地格局等）；借助緩沖區分析可以確定不同林種的空間鄰近性和鄰近程度，分析在疫區邊界的不同方向上松材線蟲蔓延的可能性及蔓延速度。此外，在已有疫點空間位置數據、林木加工廠、林業管理部門及道路數據的情況下，可以運用網絡分析確定林業管理人員到達疫區的最佳路線；疫木處理的最近最優林木加工廠及運輸疫木的最佳路徑，便于按照疫木處理方案對整個運輸過程進行監測與管控。

（四）專題地圖制圖遙感監測數據庫的建立是為了更好地存儲管理各類空間、非空間的數據，為后續的處理分析奠定基礎。專題地圖制圖是空間數據可視化輸出的常用方式，專題地圖通過突出顯示一種或幾種相關聯的專題要素，使成果用途專題化，易于進行專項分析；且易讀性高，可供相關專業人士使用，信息利用率高。根據松材線蟲防治的相關工作需要，可以制作各時期松林的空間分布圖、松林林分結構圖、松材線蟲蟲情監測圖、松材線蟲影響因子及權重圖、松材線蟲疫情預測圖等，為黔西南州松材線蟲的防治提供數據支持。

四、結論與討論

基于ArcGIS設計的黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫（FileGeodatabase），實現了柵格數據（主要是遙感影像）、矢量數據的統一存儲和管理。基于此數據庫，可以進行空間數據的分層可視化及疊加顯示；可進行放大、縮小、平移、全圖顯示、快速定位等基礎地圖操作；根據特定條件對所需數據進行檢索及更新；以及多類型的空間分析及專題地圖制圖。因此，黔西南州松材線蟲遙感監測數據庫的建立增強了數據可視化的能力，提高了數據利用率，為松材線蟲防治提供了有力的數據支撐，也為其發生發展過程的模擬和預測打下了基礎。由于數據保密性的問題，目前數據庫中的數據還不夠完備，需要在后續研究中進一步完善數據庫建設。可以考慮與地圖供應平臺進行合作，通過應用程序接口調用平臺數據，實現數據庫的及時更新。此外，為方便多終端訪問，提高應用效率，后續可研究開發基于WEB的數據庫管理平臺。

參考文獻：

[1]吳迎福.黔西南州主要林業有害生物風險分析[R].黔西南州林業局,2016.

[2]中國林業網.《松材線蟲病疫區和疫木管理辦法》修訂[EB/OL].[2018-12-27].

[3]李國慶,黃震春.遙感大數據的基礎設施:集成、管理與按需服務[J].計算機研究與發展,2017,54（02）:267-283.

[4]金鑫,董少春,王曉琪,等.基于ArcGISGeodatabase的浙江良渚古城遺址空間數據庫的設計與實現[J].南京大學學報(自然科學),2018(01):163-175.

[5]陳建平,張立福,朱文君.礦產資源與環境遙感本底數據庫的設計與建設[J].地質通報,2011(05):702-710.

[6]楊克誠.GIS軟件應用實驗指導書[M].昆明:云南大學出版社,2009.

作者：孫紅梅 劉書劍 單位：興義民族師范學院