自然保护区综合管理信息系统设计范文

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摘要：

针对黑龙江大峡谷国家级自然保护区实际情况和业务需求，从信息化管理的角度出发，设计了该保护区综合管理信息系统的框架结构和功能体系，重点满足保护区数据管理、珍稀动植物资源保护和防火防疫等功能的需求。综合运用功能组件化管理、基于数据仓库的数据整合集成（ETL）、基于CA统一身份认证和数据加密的安全保障等关键技术，保障管理信息系统功能的实现。

关键词：

大峡谷自然保护区；管理信息系统；地理信息系统；生物多样性保护

随着人类社会的发展，人们对自然保护区价值的重视程度不断提高［1－2］，管理手段和方法不断创新，国内外大量自然保护区已建立相应的管理信息系统，借助信息化技术实现对自然保护区的高效管理［3］。自然保护区的可持续化发展需要科学的自然资源管理，而可持续的自然资源管理需要对自然过程以及与之联系的经济服务和社会服务有非常深刻的理解。综合的自然资源管理（integratednaturalresourcesmanagement）被定义为“最大化了经济和社会福祉的一种过程，以一种平衡的方式在不需要牺牲自然系统的可持续性前提下，促进了协调地水、土地、以及相关自然资源发展与管理。”从可操作层面上来定义的话，美国学者Brown［4］认为这种管理模式需要多种运用多种学科的知识，同时需要各种利益主体的意见输入，去修改和执行有效的，平衡的和可持续的途径应对实际的自然资源发展问题。基于多学科和综合复杂的自然资源管理问题，Brown［5］提出了多分辨率多学科的综合模型，这种方法由一系列的模块组成，包括界定问题、概念化模型、分层辨认以及可能的情景分析。特别是为了处理问题的复杂性，基于计算机模型的决策支持系统（computerbasedDecisionSupportSystems（DSS）被广为运用。它的优势在于高效性和用户友好的界面。DSS是一种计算机化的管理咨询系统，利用了数据库、模型以及对话系统给决策者提供及时的管理信息［6］。信息管理系统借助3S技术、数据库技术、信息技术、计算机技术等实现保护区资源的可视化表达、空间定位、查询检索、统计分析、动态监测等功能，将保护区现有基础设施设备、资源数据、防火巡护及资源监测等统一在综合信息系统内管理控制，实现保护区管理科学、便捷、高效，极大地提高了自然保护区的管理水平［7］，尤其是WebGIS（网络地理信息系统）的应用，更实现了系统信息的网络共享［8］。随着空间技术的不断发展，数字地球、智慧地球和大数据时代已经来临，在这样的背景下，保护区管理信息系统设计研究显得尤为紧迫。本文以黑龙江大峡谷国家级自然保护区为研究对象，构建保护区综合信息管理系统，以提升保护区管理能力和工作效率。

1系统建设目标

一个完善的信息管理系统应该有利于推进自然保护区管理工作的信息化、自动化及现代化进程，为保护区管理部门动态监测保护区、制定保护措施、实施综合管理等提供科学依据［9］。本文拟建立基于WebGIS的黑龙江大峡谷国家级自然保护区综合管理信息系统，整合现有自然保护区的相关数据，将调查及监测设备采集到的信息数据采取无线及有线传输的方式实时上报，建立规范化、标准化的自然保护区数据库，实现地理信息系统、保护区现有业务流程及视频监控系统等信息系统的相互融合及统一化管理，使其能够覆盖保护区的各项业务工作，满足保护区的野生动植物保护、生态环境保护、防火防疫以及保护区旅游资源管理等的需要，切实提高保护区自身的管理能力。

2系统开发

2、1系统总体框架设计为了提高保护区综合管理信息系统应用的灵活性，实现数据和服务的最大化共享，系统采用B／S结构进行设计，即浏览器／服务器（Browser／Server，简称B／S）结构［10］。系统总体架构如图1所示，分为4个层次。1）基础层。保障系统软硬件环境的正常运行，为系统提供了开发、部署及运行的公共环境。2）数据库层。包含了系统运行所需的所有数据，包括基础空间数据库（行政区划图、基础地形图、水系、道路、地名标注等）、图形数据库（植被类型分布图、珍稀物种分布图、监测站点分布图、巡护线路图和遥感影像数据等）、属性数据库（动植物名录、巡护日志、动植物标本信息、管理人员信息、保护区管理机构运转信息等）3种类型。3）功能层。包括数据展示、权限管理、基本操作、空间分析、输出打印、信息、数据更新与维护等7个功能模块。4）应用层。主要是针对保护区管理的实际业务需求，定制开发的相关功能模块，包括基础信息管理、资源管理、资源监测、防火防疫、行政管理、旅游管理等6个应用模块。

2、2系统功能1）数据展示。在大峡谷保护区生物多样性等专题数据的展示上，需要体现自然保护区领域的行业特点，区域之间的变化表达要符合具体情况，除了要符合专业要求外，地图的表达还要符合地理信息行业的标准规范。2）权限管理。系统设计要充分考虑到数据的安全性和保密性，所以系统要具备权限管理功能，具体包括用户账户设置、用户权限设置、密码修改、登陆系统日志和系统使用指南等。3）基本操作。系统基本操作包括空间数据和属性数据的导入导出、编辑、空间数据源的显示、数据类型的转换、数据图层的合并、数据图层的投影转换等功能。地图的基本操作包括放大、缩小、移动、全屏显示、自由缩放、漫游、标注、地图刷新、图层控制、信息查询、空间定位和背景设置等。信息查询：主要实现对动植物信息、生态旅游、生态监测等多种信息的查询，查询方式包括属性查询和图形查询2种方式。图形查询又包括矩形框选择、点选、多边形选择等多种方式。在查询的基础上，可以对查询结果的空间格局、时空变化规律和发展变化趋势等信息进行相关分析，并支持分析结果的图形、图表等形式的输出。空间定位：通过输入各种具有位置信息的图层，对满足条件的图元（面、线和点）高亮显示，实现地图定位；当移动位置时将重新定位，只要在图层所覆盖的范围之内，每个角落都能精确地定位。4）空间分析。将大峡谷保护区的植被分布图、保护物种分布图、资源（如森林、湿地、旅游）分布图、防火设施分布图、土地利用图、功能区划图、人类干扰图、社区经济发展等数据和保护区其他业务数据进行空间叠加。其原理是对地理数据的空间位置、空间形状、空间分布、空间距离及拓扑关系等相关基本相关信息进行空间信息分析，以此建立各种应用功能模型、统计分析和制图，最终辅助保护区管理者进行科学决策。5）输出打印。主要包括地图的投影转换、距离量算、制订专题图并绘制地图、比例尺、指北针、添加图片、地图标题和打印输出等。成果输出功能支持包括专题图、统计分析报表、监控数据、各种照片等数据的导出，支持的数据格式包括“jpg”，“pdf”，“avi”，“xls”，“doc”等常用的文本、视频等格式。6）信息。信息功能主要在系统用户之间进行通知、文件的流转和传递，以及一些资源概况、管理规定、政策法规、学习资料等在系统上的对外。7）数据更新与维护。数据是保护区管理系统的灵魂，系统要有效运行，就需要及时地更新和维护数据，使数据能够反映出保护区的动态变化。这就要求系统能够随时增加、删除和修改保护区数据。

2、3系统应用针对大峡谷自然保护区的特点及实际管理工作需求进行管理信息系统的功能设计，具体的业务功能包括保护区基础信息管理、资源管理、资源监测、防火防疫、生态旅游、行政管理等6类。1）基础信息管理。实现对大峡谷保护区基础信息的增删改查等管理功能，这些信息大致可以分为两大类。一方面是保护区相关的基本地理信息、地形、行政区划、组织机构、生态、社会经济等信息；另一方面是与业务相关信息的管理，包括巡护人员、巡护日期、记录人、线路、天气、海拔、经纬度、资源管理等信息。这些信息是系统正常运行的基础。2）资源管理。建立动植物资源及森林、湿地资源数据库、实现资源信息的录入、编辑、更新、查询及统计，达到对于野生动植物及森林、高山湿地等生态系统的保护管理的目的。3）资源监测。资源监测包括生物多样性监测、气象监测、样地监测。生物多样性监测主要通过定期的动植物资源清查、调查等形式，对区域内的生物多样性资源进行定期评估。气象监测采用定位观测方式，实现对风向、风速、雨量、气温、相对湿度、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等主要气象要素进行全天候现场监测。样地监测主要通过一些固定和非固定的样方进行资源监测，对生态情况进行调查评估，并对生态环境的时序变化进行分析。4）防火防疫。防火管理系统包括防火道路、防火基础设施、火情望监测、防火机具装备、防火通信和信息、防火预警等6个子系统。一方面系统对保护区内的防火扑火队、塔基分布、防火物资仓库等防火基础设施进行汇总分析；另一方面可以随时监控保护区内重点火险区域，与国家林业局防火卫星实现联网后，利用防火预警预报系统、望监测系统以及卫星，实时传输影像信息，及时发现分析热点位置、发生情况、火险等级。根据道路数据和扑火队伍的空间位置选择最优行进路线，提供辅助防火决策功能，同时可以显示河流、水源、防火基础设施的空间分布情况，根据风力、风向等因素预测火势蔓延，预测火势发展，为管理部门制定合理方案提供决策支持。在防疫方面，系统把遥感影像中的植被光谱特征、植被光谱变化曲线、植被指数、光谱特征变化等集成到防火防疫模块中，实现大面积病虫害的监测与预测，减少野外人员工作量，提高病虫害监测的效率。5）生态旅游。为了对保护区生态旅游进行科学化管理、形成更为直观且系统的管理体系，实现开发、保护与利用的可持续发展，系统研发了生态旅游管理模块。其系统功能主要包括旅游资源介绍、旅游区域管理、旅游线路管理、旅游基础设施管理、游客管理、景区视频管理等6个子系统。其主要特点是根据大峡谷自然保护区各地理要素和保护对象的长期监测结果，结合实际游客人数和分布情况、旅游设施的分布和使用情况等，对游览线路和各景点游客数量进行及时调整；结合售票及检票系统，对游客数量进行监控，在旅客数量达到环境容量上限时，系统自动报警提示。同时，该模块支持游客密度实时显示、虚拟旅游及旅游订制等功能。6）行政管理。实现对保护区业务管理用房、保护站点、检查站等基础设施、财务、人员等资源的信息化管理。

3关键技术

1）功能组件化管理技术。保护区管理系统的功能较多，需要相关技术对系统中功能模块的组织提供支持。组件化管理技术是本管理系统的基础技术，提供一套接口与标准，用户可以把符合系统接口规范的组件封装进集成到工具系统中，便于保护区管理系统各功能模块之间的整合［11］。通过组件化的数据管理技术可以确保保护区管理系统功能全面、布局科学，性能稳定、可靠，操作界面友好、富有亲和力、操作性强、信息表达专业直观，帮助信息完整准确，实现对保护区相关功能的全面支持。2）面向服务架构（SOA）的设计理念。采用SOA（ServiceOrientedArchitecture）体系设计理念，面向服务架构，它可以根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用［12］。利用SOA设计理念可以采用松耦合的方式对大峡谷管理系统的功能模块进行组织，减少功能模块在横向之间的联系。因此，借助SOA理念可以更加从容地适应保护区业务的变化需要，当大峡谷保护区的业务发生变化时，可以及时进行相应调整。3）基于数据仓库的数据整合集成（ETL）技术。大峡谷保护区的基础数据和专题数据存在多源异构的特征，为了实现对大峡谷保护区数据的高效管理，本系统采用了数据整合集成技术。作为数据仓库系统中最基本而且极为重要的一部分，它是数据仓库的核心技术之一，是构建数据仓库中极其重要的一环［13］。本管理系统设计过程基于数据仓库的数据整合集成技术，实现保护区相关数据成果的加工处理，提供对ArcGIS（PDB，Shape，E00等）、MapGIS和VCT等格式的大峡谷保护区地理信息数据的整合功能。4）基于Portal技术的统一桌面应用集成技术。本系统是基于B／S结构开发的，只需要浏览器即可进行管理系统的相关操作，为了实现保护区管理系统的高效使用，本系统采用基于Portal技术的统一桌面应用集成技术实现系统界面整合［14］。Portal技术的应用将使大峡谷管理系统的操作更加便捷，在数据使用、业务办理等方面的效率都将得到提高。5）基于WebService的多元信息服务技术。信息是本管理系统的一项重要功能。系统建成以后，需要提供各种各样的数据服务，良好的服务模式，可以保障对外服务的高质量、通过性。基于上述考虑，本系统在Web通用服务关键技术上选用WebService作为主要服务模式［15］。利用WebService技术可以及时对大峡谷保护区的概况信息、管理规定、政策法规、学习资料等进行。WebService作为一项先进、可靠的网络服务技术，完全可以满足保护区管理系统信息的需求。6）基于CA统一身份认证和数据加密的安全保障技术。保护区管理系统涉及一些保密数据，需要对数据的安全性进行保障，同时还要为不同级别的用户设置不同的权限。本系统采用统一CA认证和数据加密技术保证系统用户及系统数据安全。本系统采用zip压缩或解压算法，处理保护区业务办理过程中上传的附件材料和数据，采用3DSE加密技术把敏感数据进行加密。通过严格的身份认证和权限管理，可以充分保障大峡谷保护区数据的安全性［16］。7）基于ArcGIS＋Oracle结合的海量数据存储与管理技术。大峡谷保护区经过多年建设积累的大量数据，同时在保护区在后续建设中同样会产生海量数据，为了使系统能够从容管理这些海量数据，系统的数据库采用ArcGIS＋Oracle技术组织存储矢量数据。采用大表与表分区技术组织数据，即覆盖全保护区的同一专题的同一空间要素实体（如地类图斑、线状地物）存储在一个物理表中［17］；利用ArcGIS提供的网格索引技术对空间要素建立索引［18］。结合两者的优势，采用ArcGIS＋Oracle技术组织存储数据，能够最大限度地实现保护区海量数据的管理以及相关业务的数据支持。

4总结

1）本文基于3S技术、数据库技术、系统开发技术及野外巡护调查等多种工具，建立了大峡谷自然保护区综合管理信息系统，通过查询、功能定位、统计分析、成果输出与信息的功能，实现保护区基础信息、资源、监测、防火防疫、生态旅游、行政管理等6个方面的综合系统管理，基本覆盖保护区各项业务工作，可满足保护区的日常工作需求，为大峡谷保护区的高效管理提供了新手段。2）该系统采用B／S架构进行开发，通过浏览器对信息管理系统进行访问和操作，实现对保护区相关业务工作的办理及数据信息的管理，提高了保护区管理的有效性和便捷性。并可以通过移动PDA终端实现野外巡护、监测等数据的无线／有线传输和实时上报，为提高保护区管理工作效率提供了有效技术手段。3）基于GIS技术研发的大峡谷保护区信息管理系统可以综合集成资源、环境、生态等方面的时空信息资源，实现对保护区多源异构数据的融合和管理，形成对保护区信息资源的定性分析、定量计算和直观展示相结合的新型一体化管理模式［19］。该管理信息系统的建立，一方面可以切实提高大峡谷保护区的管理能力和效率；另一方面该系统的设计开发可以为其他自然保护区的信息化管理提供参考和借鉴。

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作者：宗雪 翟洪波 王宏伟 郑姚闽 单位：国家林业局调查规划设计院 中国科学院遥感与数字地球研究所