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摘要：

針對黑龍江大峽谷國家級自然保護區實際情況和業務需求，從信息化管理的角度出發，設計了該保護區綜合管理信息系統的框架結構和功能體系，重點滿足保護區數據管理、珍稀動植物資源保護和防火防疫等功能的需求。綜合運用功能組件化管理、基于數據倉庫的數據整合集成（ETL）、基于CA統一身份認證和數據加密的安全保障等關鍵技術，保障管理信息系統功能的實現。

關鍵詞：

大峽谷自然保護區；管理信息系統；地理信息系統；生物多樣性保護

隨著人類社會的發展，人們對自然保護區價值的重視程度不斷提高［1－2］，管理手段和方法不斷創新，國內外大量自然保護區已建立相應的管理信息系統，借助信息化技術實現對自然保護區的高效管理［3］。自然保護區的可持續化發展需要科學的自然資源管理，而可持續的自然資源管理需要對自然過程以及與之聯系的經濟服務和社會服務有非常深刻的理解。綜合的自然資源管理（integratednaturalresourcesmanagement）被定義為“最大化了經濟和社會福祉的一種過程，以一種平衡的方式在不需要犧牲自然系統的可持續性前提下，促進了協調地水、土地、以及相關自然資源發展與管理。”從可操作層面上來定義的話，美國學者Brown［4］認為這種管理模式需要多種運用多種學科的知識，同時需要各種利益主體的意見輸入，去修改和執行有效的，平衡的和可持續的途徑應對實際的自然資源發展問題。基于多學科和綜合復雜的自然資源管理問題，Brown［5］提出了多分辨率多學科的綜合模型，這種方法由一系列的模塊組成，包括界定問題、概念化模型、分層辨認以及可能的情景分析。特別是為了處理問題的復雜性，基于計算機模型的決策支持系統（computerbasedDecisionSupportSystems（DSS）被廣為運用。它的優勢在于高效性和用戶友好的界面。DSS是一種計算機化的管理咨詢系統，利用了數據庫、模型以及對話系統給決策者提供及時的管理信息［6］。信息管理系統借助3S技術、數據庫技術、信息技術、計算機技術等實現保護區資源的可視化表達、空間定位、查詢檢索、統計分析、動態監測等功能，將保護區現有基礎設施設備、資源數據、防火巡護及資源監測等統一在綜合信息系統內管理控制，實現保護區管理科學、便捷、高效，極大地提高了自然保護區的管理水平［7］，尤其是WebGIS（網絡地理信息系統）的應用，更實現了系統信息的網絡共享［8］。隨著空間技術的不斷發展，數字地球、智慧地球和大數據時代已經來臨，在這樣的背景下，保護區管理信息系統設計研究顯得尤為緊迫。本文以黑龍江大峽谷國家級自然保護區為研究對象，構建保護區綜合信息管理系統，以提升保護區管理能力和工作效率。

1系統建設目標

一個完善的信息管理系統應該有利于推進自然保護區管理工作的信息化、自動化及現代化進程，為保護區管理部門動態監測保護區、制定保護措施、實施綜合管理等提供科學依據［9］。本文擬建立基于WebGIS的黑龍江大峽谷國家級自然保護區綜合管理信息系統，整合現有自然保護區的相關數據，將調查及監測設備采集到的信息數據采取無線及有線傳輸的方式實時上報，建立規范化、標準化的自然保護區數據庫，實現地理信息系統、保護區現有業務流程及視頻監控系統等信息系統的相互融合及統一化管理，使其能夠覆蓋保護區的各項業務工作，滿足保護區的野生動植物保護、生態環境保護、防火防疫以及保護區旅游資源管理等的需要，切實提高保護區自身的管理能力。

2系統開發

2、1系統總體框架設計為了提高保護區綜合管理信息系統應用的靈活性，實現數據和服務的最大化共享，系統采用B／S結構進行設計，即瀏覽器／服務器（Browser／Server，簡稱B／S）結構［10］。系統總體架構如圖1所示，分為4個層次。1）基礎層。保障系統軟硬件環境的正常運行，為系統提供了開發、部署及運行的公共環境。2）數據庫層。包含了系統運行所需的所有數據，包括基礎空間數據庫（行政區劃圖、基礎地形圖、水系、道路、地名標注等）、圖形數據庫（植被類型分布圖、珍稀物種分布圖、監測站點分布圖、巡護線路圖和遙感影像數據等）、屬性數據庫（動植物名錄、巡護日志、動植物標本信息、管理人員信息、保護區管理機構運轉信息等）3種類型。3）功能層。包括數據展示、權限管理、基本操作、空間分析、輸出打印、信息、數據更新與維護等7個功能模塊。4）應用層。主要是針對保護區管理的實際業務需求，定制開發的相關功能模塊，包括基礎信息管理、資源管理、資源監測、防火防疫、行政管理、旅游管理等6個應用模塊。

2、2系統功能1）數據展示。在大峽谷保護區生物多樣性等專題數據的展示上，需要體現自然保護區領域的行業特點，區域之間的變化表達要符合具體情況，除了要符合專業要求外，地圖的表達還要符合地理信息行業的標準規范。2）權限管理。系統設計要充分考慮到數據的安全性和保密性，所以系統要具備權限管理功能，具體包括用戶賬戶設置、用戶權限設置、密碼修改、登陸系統日志和系統使用指南等。3）基本操作。系統基本操作包括空間數據和屬性數據的導入導出、編輯、空間數據源的顯示、數據類型的轉換、數據圖層的合并、數據圖層的投影轉換等功能。地圖的基本操作包括放大、縮小、移動、全屏顯示、自由縮放、漫游、標注、地圖刷新、圖層控制、信息查詢、空間定位和背景設置等。信息查詢：主要實現對動植物信息、生態旅游、生態監測等多種信息的查詢，查詢方式包括屬性查詢和圖形查詢2種方式。圖形查詢又包括矩形框選擇、點選、多邊形選擇等多種方式。在查詢的基礎上，可以對查詢結果的空間格局、時空變化規律和發展變化趨勢等信息進行相關分析，并支持分析結果的圖形、圖表等形式的輸出。空間定位：通過輸入各種具有位置信息的圖層，對滿足條件的圖元（面、線和點）高亮顯示，實現地圖定位；當移動位置時將重新定位，只要在圖層所覆蓋的范圍之內，每個角落都能精確地定位。4）空間分析。將大峽谷保護區的植被分布圖、保護物種分布圖、資源（如森林、濕地、旅游）分布圖、防火設施分布圖、土地利用圖、功能區劃圖、人類干擾圖、社區經濟發展等數據和保護區其他業務數據進行空間疊加。其原理是對地理數據的空間位置、空間形狀、空間分布、空間距離及拓撲關系等相關基本相關信息進行空間信息分析，以此建立各種應用功能模型、統計分析和制圖，最終輔助保護區管理者進行科學決策。5）輸出打印。主要包括地圖的投影轉換、距離量算、制訂專題圖并繪制地圖、比例尺、指北針、添加圖片、地圖標題和打印輸出等。成果輸出功能支持包括專題圖、統計分析報表、監控數據、各種照片等數據的導出，支持的數據格式包括“jpg”，“pdf”，“avi”，“xls”，“doc”等常用的文本、視頻等格式。6）信息。信息功能主要在系統用戶之間進行通知、文件的流轉和傳遞，以及一些資源概況、管理規定、政策法規、學習資料等在系統上的對外。7）數據更新與維護。數據是保護區管理系統的靈魂，系統要有效運行，就需要及時地更新和維護數據，使數據能夠反映出保護區的動態變化。這就要求系統能夠隨時增加、刪除和修改保護區數據。

2、3系統應用針對大峽谷自然保護區的特點及實際管理工作需求進行管理信息系統的功能設計，具體的業務功能包括保護區基礎信息管理、資源管理、資源監測、防火防疫、生態旅游、行政管理等6類。1）基礎信息管理。實現對大峽谷保護區基礎信息的增刪改查等管理功能，這些信息大致可以分為兩大類。一方面是保護區相關的基本地理信息、地形、行政區劃、組織機構、生態、社會經濟等信息；另一方面是與業務相關信息的管理，包括巡護人員、巡護日期、記錄人、線路、天氣、海拔、經緯度、資源管理等信息。這些信息是系統正常運行的基礎。2）資源管理。建立動植物資源及森林、濕地資源數據庫、實現資源信息的錄入、編輯、更新、查詢及統計，達到對于野生動植物及森林、高山濕地等生態系統的保護管理的目的。3）資源監測。資源監測包括生物多樣性監測、氣象監測、樣地監測。生物多樣性監測主要通過定期的動植物資源清查、調查等形式，對區域內的生物多樣性資源進行定期評估。氣象監測采用定位觀測方式，實現對風向、風速、雨量、氣溫、相對濕度、氣壓、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等主要氣象要素進行全天候現場監測。樣地監測主要通過一些固定和非固定的樣方進行資源監測，對生態情況進行調查評估，并對生態環境的時序變化進行分析。4）防火防疫。防火管理系統包括防火道路、防火基礎設施、火情望監測、防火機具裝備、防火通信和信息、防火預警等6個子系統。一方面系統對保護區內的防火撲火隊、塔基分布、防火物資倉庫等防火基礎設施進行匯總分析；另一方面可以隨時監控保護區內重點火險區域，與國家林業局防火衛星實現聯網后，利用防火預警預報系統、望監測系統以及衛星，實時傳輸影像信息，及時發現分析熱點位置、發生情況、火險等級。根據道路數據和撲火隊伍的空間位置選擇最優行進路線，提供輔助防火決策功能，同時可以顯示河流、水源、防火基礎設施的空間分布情況，根據風力、風向等因素預測火勢蔓延，預測火勢發展，為管理部門制定合理方案提供決策支持。在防疫方面，系統把遙感影像中的植被光譜特征、植被光譜變化曲線、植被指數、光譜特征變化等集成到防火防疫模塊中，實現大面積病蟲害的監測與預測，減少野外人員工作量，提高病蟲害監測的效率。5）生態旅游。為了對保護區生態旅游進行科學化管理、形成更為直觀且系統的管理體系，實現開發、保護與利用的可持續發展，系統研發了生態旅游管理模塊。其系統功能主要包括旅游資源介紹、旅游區域管理、旅游線路管理、旅游基礎設施管理、游客管理、景區視頻管理等6個子系統。其主要特點是根據大峽谷自然保護區各地理要素和保護對象的長期監測結果，結合實際游客人數和分布情況、旅游設施的分布和使用情況等，對游覽線路和各景點游客數量進行及時調整；結合售票及檢票系統，對游客數量進行監控，在旅客數量達到環境容量上限時，系統自動報警提示。同時，該模塊支持游客密度實時顯示、虛擬旅游及旅游訂制等功能。6）行政管理。實現對保護區業務管理用房、保護站點、檢查站等基礎設施、財務、人員等資源的信息化管理。

3關鍵技術

1）功能組件化管理技術。保護區管理系統的功能較多，需要相關技術對系統中功能模塊的組織提供支持。組件化管理技術是本管理系統的基礎技術，提供一套接口與標準，用戶可以把符合系統接口規范的組件封裝進集成到工具系統中，便于保護區管理系統各功能模塊之間的整合［11］。通過組件化的數據管理技術可以確保保護區管理系統功能全面、布局科學，性能穩定、可靠，操作界面友好、富有親和力、操作性強、信息表達專業直觀，幫助信息完整準確，實現對保護區相關功能的全面支持。2）面向服務架構（SOA）的設計理念。采用SOA（ServiceOrientedArchitecture）體系設計理念，面向服務架構，它可以根據需求通過網絡對松散耦合的粗粒度應用組件進行分布式部署、組合和使用［12］。利用SOA設計理念可以采用松耦合的方式對大峽谷管理系統的功能模塊進行組織，減少功能模塊在橫向之間的聯系。因此，借助SOA理念可以更加從容地適應保護區業務的變化需要，當大峽谷保護區的業務發生變化時，可以及時進行相應調整。3）基于數據倉庫的數據整合集成（ETL）技術。大峽谷保護區的基礎數據和專題數據存在多源異構的特征，為了實現對大峽谷保護區數據的高效管理，本系統采用了數據整合集成技術。作為數據倉庫系統中最基本而且極為重要的一部分，它是數據倉庫的核心技術之一，是構建數據倉庫中極其重要的一環［13］。本管理系統設計過程基于數據倉庫的數據整合集成技術，實現保護區相關數據成果的加工處理，提供對ArcGIS（PDB，Shape，E00等）、MapGIS和VCT等格式的大峽谷保護區地理信息數據的整合功能。4）基于Portal技術的統一桌面應用集成技術。本系統是基于B／S結構開發的，只需要瀏覽器即可進行管理系統的相關操作，為了實現保護區管理系統的高效使用，本系統采用基于Portal技術的統一桌面應用集成技術實現系統界面整合［14］。Portal技術的應用將使大峽谷管理系統的操作更加便捷，在數據使用、業務辦理等方面的效率都將得到提高。5）基于WebService的多元信息服務技術。信息是本管理系統的一項重要功能。系統建成以后，需要提供各種各樣的數據服務，良好的服務模式，可以保障對外服務的高質量、通過性。基于上述考慮，本系統在Web通用服務關鍵技術上選用WebService作為主要服務模式［15］。利用WebService技術可以及時對大峽谷保護區的概況信息、管理規定、政策法規、學習資料等進行。WebService作為一項先進、可靠的網絡服務技術，完全可以滿足保護區管理系統信息的需求。6）基于CA統一身份認證和數據加密的安全保障技術。保護區管理系統涉及一些保密數據，需要對數據的安全性進行保障，同時還要為不同級別的用戶設置不同的權限。本系統采用統一CA認證和數據加密技術保證系統用戶及系統數據安全。本系統采用zip壓縮或解壓算法，處理保護區業務辦理過程中上傳的附件材料和數據，采用3DSE加密技術把敏感數據進行加密。通過嚴格的身份認證和權限管理，可以充分保障大峽谷保護區數據的安全性［16］。7）基于ArcGIS＋Oracle結合的海量數據存儲與管理技術。大峽谷保護區經過多年建設積累的大量數據，同時在保護區在后續建設中同樣會產生海量數據，為了使系統能夠從容管理這些海量數據，系統的數據庫采用ArcGIS＋Oracle技術組織存儲矢量數據。采用大表與表分區技術組織數據，即覆蓋全保護區的同一專題的同一空間要素實體（如地類圖斑、線狀地物）存儲在一個物理表中［17］；利用ArcGIS提供的網格索引技術對空間要素建立索引［18］。結合兩者的優勢，采用ArcGIS＋Oracle技術組織存儲數據，能夠最大限度地實現保護區海量數據的管理以及相關業務的數據支持。

4總結

1）本文基于3S技術、數據庫技術、系統開發技術及野外巡護調查等多種工具，建立了大峽谷自然保護區綜合管理信息系統，通過查詢、功能定位、統計分析、成果輸出與信息的功能，實現保護區基礎信息、資源、監測、防火防疫、生態旅游、行政管理等6個方面的綜合系統管理，基本覆蓋保護區各項業務工作，可滿足保護區的日常工作需求，為大峽谷保護區的高效管理提供了新手段。2）該系統采用B／S架構進行開發，通過瀏覽器對信息管理系統進行訪問和操作，實現對保護區相關業務工作的辦理及數據信息的管理，提高了保護區管理的有效性和便捷性。并可以通過移動PDA終端實現野外巡護、監測等數據的無線／有線傳輸和實時上報，為提高保護區管理工作效率提供了有效技術手段。3）基于GIS技術研發的大峽谷保護區信息管理系統可以綜合集成資源、環境、生態等方面的時空信息資源，實現對保護區多源異構數據的融合和管理，形成對保護區信息資源的定性分析、定量計算和直觀展示相結合的新型一體化管理模式［19］。該管理信息系統的建立，一方面可以切實提高大峽谷保護區的管理能力和效率；另一方面該系統的設計開發可以為其他自然保護區的信息化管理提供參考和借鑒。

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作者：宗雪 翟洪波 王宏偉 鄭姚閩 單位：國家林業局調查規劃設計院 中國科學院遙感與數字地球研究所