（人文地理学专业论文）鄱阳湖湿地数据可视化及其应用.pdf

摘要 湿地及其与之共存的各种资源是人类赖以生存与持续发展的重要基础。从 2 0 世纪7 0 年代开始，国内外就将地理信息系统技术应用湿地研究和管理中。数 据可视化是地理信息系统的重要功能，对鄱阳湖湿地数据可视化的研究和实践有 助于更好地利用g i s 研究和管理鄱阳湖湿地。 本文在以下几个方面作了探讨： 1 ，首先分析了鄱阳湖湿地数据种类及可视化的可行性 基于g i s 的湿地数据可视化分为三个层次：数据本身的直观显示( 包括屏幕 显示和地图输出) 、数据查询可视化以及分析结果的可视化。本文基于数据获取 技术手段、数据可视化理论的飞速发展和鄱阳湖湿地数据可视化的需求不断扩大 三个方面的分析结果，得出鄱阳湖湿地数据可视化是可行的。对湿地数据种类的 分类是鄱阳湖湿地数据建库的前提，鄱阳湖湿地数据种类包括基础空间地理数据 和环境资源属性数据。空间数据的可视化技术从二维图形图像学发展到了三维可 视化，并向多维动态方向发展。 2 ，在鄱阳湖湿地数据种类分类和可视化理论与技术分析的基础上，参照国 家技术监督局1 ：1 0 0 0 0 、1 ：5 0 0 0 0 地形图数字化规范g b t1 7 1 6 0 1 9 9 7 、( 1 ： 5 0 0 ；l ：1 0 0 0 ；1 ：2 0 0 0 ) 地形图要素分类与代码( g b l 4 8 0 9 3 ) 等进行数据采 集，采用g e o d a t a b a s e 数据模型建立了鄱阳湖湿地数据库，将空间数据，环境资 源数据以及社会经济统计数据统一到具有同一坐标参考系的数据库中。 3 ，在鄱阳湖湿地数据库的基础上，本文利用可视化面向对象开发工具 v b n e t 开发了基于a r c g i se n g i n e 的鄱阳湖湿地数据可视化系统。系统由数据管 理、地图基本操作、地图打印、空间分析、专用查询和可视化分析模块组成，其 中专用查询与可视化分析模块则采用专题图和可视化统计图形式实现水禽信息 分析等功能。通过图形和属性的互动分析，将鄱阳湖湿地各类数据进行了可视化， 为鄱阳湖湿地保护与管理提供了快速、准确的服务信息。 4 ，最后将鄱阳湖湿地数据可视化应用到洪水淹没损失评估中。在实例中用 具有参照意义的鄱阳湖星子水位站的历史最高水位作为淹没的高程，结合d e m 栅 格数据提取水面，再将其由栅格数据转成矢量数据。水面矢量数据与2 0 0 0 年鄱阳 湖区土地利用数据叠加可得到被淹没的土地面积，结合单位土地产出值即可初步 估计淹没损失。 关键字：可视化；湿地数据；空间数据库；g i s 开发 a b s t r a c t w e t l a n da n di t sv a r i o u sc o e x i s t e n c er e s o u r c e sa r et h el m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o r t h es u r v i v a la n ds u s t a i n e dd e v e l o p m e n to fh u m a nb e i n g s g i st e c h n o l o g yh a sb e e n a p p l i e di nw e t l a n dr e s e a r c ha n dm a n a g e m e n ta th o m ea n da b r o a ds i n c e19 7 0 s d a t a v i s u a l i z a t i o ni sa ni m p o a a n tf u n c t i o no fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ，t h ew e t l a n d d a t av i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ha n d p r a c t i c ec o n t r i b u t et oab e t t e ru s eo fg i sr e s e a r c ha n d p o y a n gl a k ew e t l a n dm a n a g e m e n t s e v e r a lf o l l o w i n gt o p i c sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r ： f i r s t l y ，w e t l a n dd a t av i s u a l i z a t i o nb a s e do ng i si sd i v i d e di n t ot h r e el e v e l s ：t h e v i s u a ld i s p l a yo fd a t ai t s e l f ( i n c l u d i n gm a p d i s p l a ya n do u t p u t ) ，v i s u a l i z a t i o ni nq u e r y a n dv i s u a l i z a t i o no fa n a l y s i sr e s u l t s b a s e do na n a l y s i si nt h r e ea s p e c t s ：r a p i d d e v e l o p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y ，r a p i dd e v e l o p m e n to fd a t av i s u a l i z a t i o n t h e o r y ，a n dt h eg r o w i n gd e m a n do fp o y a n gl a k ew e t l a n dd a t av i s u a l i z a t i o n ，t h e p a p e rm a k e sac o n c l u d et h a td a t av i s u a l i z a t i o no fp o y a n gl a k ew e t l a n di sf e a s i b l e w e t l a n d sd a t ac l a s s i f i c a t i o ni sp r e m i s ei nb u i l d i n gap o y a n gl a k ew e t l a n dd a t a b a s e p o y a n g l a k ew e t l a n dd a t a t y p e si n c l u d e b a s i c g e o g r a p h i cs p a t i a l d a t aa n d e n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e sa t t r i b u t ed a t a s p a t i a ld a t av i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a s p r o g r e s s e d f r o mt w o - d i m e n s i o n a l g r a p h i ci m a g e s t o3 d v i s u a l i z a t i o n ，a n d m u l t i - d i m e n s i o n a ld y n a m i cd i r e c t i o n s e c o n d l y ，b a s e do na n a l y s i so fp o y a n gl a k ew e t l a n dd a t at y p e sa n dv i s u a l i z a t i o n t h e o r ya n dt e c h n o l o g y , r e f e r e n c eo fn a t i o n a lb u r e a u so ft e c h n o l o g ys u p e r v i s i o n 1 ：1 0 0 0 0 ，1 ：5 0 0 0 0d i g i t a lt o p o g r a p h i cm a p sn o r m s ( g b t1 7 1 6 0 1 9 9 7 ) ，j ：5 0 0 ； 1 ：10 0 0 ；1 ：2 0 0 0t o p o g r a p h i cm a p sc l a s s i f i c a t i o na n dc o d ee l e m e n t s ( g b14 8 0 - 9 3 ) ， t h i sp a p e rc o l l e c t sd a t a , e s t a b l i s h i n gp o y a n gl a k ew e t l a n dd a t a b a s eb yu s i n g g e o d a t a b a s ed a t am o d e l t h i sd a t a b a s ec o n s i s t e do fs p a t i a ld a t a , e n v i r o n m e n t a l r e s o u r c e sd a t aa n ds o c i o e c o n o m i cd a t aa tt h es a m ec o o r d i n a t er e f e r e n c e t h e n ，t h ep o y a n gl a k ew e t l a n dd a t av i s u a l i z a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d w i t hv i s u a lo b j e c t o r i e n t e dd e v e l o p m e n tt o o l sv b n e ta n da r c g i se n g i n e t h e s y s t e mc o n s i s t e do ft h eb a s i co p e r a t i o nm a p ，m a pp r i n t i n g ，s p a t i a la n a l y s i s ，q u e r ya n d v i s u a l i z a t i o na n a l y s i sm o d u l e ，s p e c i a lq u e r ya n dv i s u a l i z a t i o na n a l y s i sm o d u l eu s e t h e m a t i cm a p sa n dv i s u a ls t a t i s t i c sc h a r t st or e a l i z et h ef o u n d a t i o no fw a t e r f o w l i n f o r m a t i o na n a l y s i s t h r o u g hi n t e r a c t i v ea n a l y s i so fg r a p h i c sa n da t t r i b u t e ，v a r i o u s w e t l a n dd a t ao fp o y a n gl a k ew i l lb ev i s u a l i z e d ，t l l i sp r o v i d ef a s ta n da c c u r a t es e r v i c e i n f o r m a t i o nf o rp r o t e c t i n gp o y a n gl a k ew e t l a n da n dm a n a g e m e n t f i n a l l y ，t h ep o y a n gl a k ew e t l a n dd a t av i s u a l i z a t i o na p p l i e st ot h ea s s e s s m e n to f i i f l o o d e dl o s s e x a m p l e sf i r eu s e di nr e f e r e n c et ot h es i g n i f i c a n c eo fx i n g z iw a t e rl e v e l o fp o y a n gl a k ea tt h eh i g h e s ts u b m e r g e da st h ew a t e rl e v e le l e v a t i o n ，w i t hd e m r a s t e rd a t af r o mt h es u r f a c e ，a n dt h e nc o n v e r tt ov e c t o rd a t a ，w a so v e r l a i dw i t h ，i tc a n g e tt h ea r e ao ff l o o d e dl a n db yu s i n gw a t e rv e c t o rd a t aa n dl a n d u s ed a t ai n2 0 0 0o f p o y a n gl a k ea r e a ，a n du s i n gu n i to u t p u tv a l u e ，w ec a ng e tp r e l i m i n a r yl o s se s t i m a t e s k e yw o r d s ：v i s u a l i z a t i o n ；w e t l a n d sd a t a ；s p a t i a ld a t a b a s e ；g i sd e v e l o p m e n t h l 图表 目录 图卜l 数据可视化在各领域里的应用5 图3 1 鄱阳湖湿地数据库框架图2 0 图3 2 鄱阳湖湿地空间数据采集流程图2 l 图3 - 3 在a r c c a t a l o g 中建立地理数据库2 3 图3 - 4 鄱阳湖湿地数据库2 3 图4 一lg i s 组件与应用程序的无缝集成2 5 图4 2a r c g i se n g i n e 结构2 6 图4 - 3 鄱阳湖湿地数据可视化系统功能图。2 7 图4 - 4 鄱阳湖湿地数据可视化系统菜单2 8 图4 5 系统运行时的主界面2 8 图4 - 6 通过空间数据引擎加载数据2 9 图4 - 7 鄱阳湖区三维地形图( 栅格) 3 0 图4 8 芳湖保护区d e m 数据( g r i d ) 的三维显示3 1 图4 9 芳湖保护区d e m 数据( t i n ) 的三维显示3 l 图4 一1 0 三维场景设置一3 2 图4 1 1 飞行模拟( 片段) 3 2 图4 一1 2 鄱阳湖区土壤类型单值专题图3 3 图4 1 3 江西省人口点密度专题图3 4 图4 1 4 鄱阳湖区2 0 0 5 年2 月份水禽调查数据统计图3 4 图4 1 5 拉框查询鄱阳湖区堤坝属性3 6 图4 1 6s q l 查询窗口3 7 图4 1 7 鄱阳湖区单线水的缓冲区分析结果图3 8 图4 1 8 鄱阳湖周边乡镇与鄱阳湖区大路叠加分析( 求交) 3 8 图4 1 9 芳湖保护区表面阴影3 9 图4 2 0 芳湖保护区t i n 表面坡度分析4 0 图4 - 2 1 打印设置4 1 图4 2 2 打印预览，4 1 图5 - 1 鄱阳湖区洪水淹没损失评估技术流程图4 2 图5 2 鄱阳湖区d e m 数据4 3 图5 3 鄱阳湖区栅格数据重分类结果图4 3 图5 4 淹没效果4 4 图5 5 水面提取矢量数据与2 0 0 0 年土地利用数据叠加分析( 求交) 4 4 图5 6 在淹没区属性表中查询每一种土地利用类型的记录和地块4 5 图5 - 7 查询土地利用类型为2 1 的土地及其记录4 5 图5 - 8 淹没区土地面积统计4 6 图5 9 面积统计s u m 字段：一4 6 表i - i 湿地数据分类：7 表3 - 1 空间数据管理模式比较1 7 v 1 l 独创性声明 本入声嬲所呈交鸶学位论文是本人在导癖指导下迸孝予的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文孛特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发袁或撰写过的研究成果，也不包含 为获得或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意 学位论文作者磊：甜晚参签字曩期：矽孵二月疆 学位论文版权使用授权书 本学位论文维者完金了怨 王酉簿范大学研究生院有关保管，使月 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构递交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和倍阅本人授权江西师范大学研究生院 可l ；c 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 ， ， 餍影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论交。 ( 保密的学位论文在解密薏适用本授权书) 学位论文作者签名：辫龙系 签字日期：抛? 年二月日 导师签名：套傻 签字日期汐a 哥年歹月石旨 鄱阳湖湿地数据可视化及其应用 1 绪论 1 1 鄱阳湖湿地研究的重要性 1 1 1 鄱阳湖湿地概况 湿地( w e t l a n d s ) 是地球上水陆相互作用形成的独特生态系统，被誉为“地 球之肾 和“物种基因库，在世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并 列为全球三大生态系统：”。湿地及其与之共存的各种资源是人类赖以生存与持 续发展的重要基础，具有不可替代的环境调节作用。近代湿地遭受严重胁迫，危 及到人类自身的持续发剧4 1 。 鄱阳湖区位于江西境内北部，长江中下游南岸，地理坐标东经1 1 5 。4 97 1 1 6 。4 6 、北纬2 8 。2 4 - - 2 9 。4 6 ，为中国第一大淡水湖。江西省境内的赣江、抚 河、饶河、信江、修水五大河流经流鄱阳湖入长江，形成了完整的鄱阳湖水系。 鄱阳湖是一个过水性吞吐型湖泊，高水湖相、低水河相有“洪水一片，枯水一线 的独特景观。和其它区域湿地一样，鄱阳湖区湿地资源在蓄洪防灾，调节气候， 控制土壤侵蚀，促淤造地，降解环境污染物等方面起着重要的作用。 1 1 2 鄱阳湖湿地现状及研究的必要性 由于鄱阳湖湿地资源的不合理利用或管理不善，鄱阳湖湿地生态功能正在逐 年衰退。表现为：围垦造成的湿地面积大幅度减少直接导致的后果就是调蓄能力 锐减，年最高水位呈上升趋势，洪涝灾害变得频繁；而连年不断的水土流失引起 鄱阳湖内不断淤积，河床抬高，且大量泥沙覆盖原有湿地，破坏了湿地的物理特 征，生产力下降，湿地资源质量明显退化。湿地作为天然水资源库，是个具有代 谢特征的有机整体，具备特殊储水，输水，供水及调节功能，但在围垦过程中， 由于其自身状态遭到破坏导致湿地水状态改变，再加上湖区水体面积锐减，使得 湖区气候调节功能大大降低并且直接致使水禽栖息地空间缩减，在很大程度上影 响着生物资源多样性保护。 湿地资源是否得到合理利用与管理，将直接影响着鄱阳湖地区乃至整个江西 省社会经济的可持续发展。鄱阳湖湿地生态衰退引起的气候调节功能下降、调蓄 功能减退、生物资源破坏等问题已成为江西省可持续发展的限制因素之一。在这 种迫切形势下，研究鄱阳湖湿地生态功能，生产潜力及合理开发利用对进一步探 硕j j 学位论文 讨其可持续管理以及旱涝灾害预防提供决策依据具有重要意义。在健全完善现有 立法保护基础上，还应制定湿地保护行动计划，用科学、现代化手段管理湿地已 经刻不容缓。 1 1 3 应用g is 研究鄱阳湖湿地 利用地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 技术进行的 湿地资源调查具有客观、准确、经济、高效等特点，大大提高了工作的效率和数 据的精度，促进了湿地研究的发展。地理信息系统是一门描述、存储、分析和输 出空间信息的理论和方法的介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，是近年来 迅速发展起来的一门新兴技术，g i s 与全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，简称g p s ) 、遥感( r e m o t es e n s i n g ，简称r s ) 一起称为“3 s ”【5 】。一方 面， g i s 是一个技术系统，是以地理空间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基 础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研 究和地理决策服务的计算机技术系统；另方面，它也是一种决策支持系统，它 具有信息系统的各种特点【6 】。地理信息系统具有强有力的空间分析能力，可为湿 地管理和研究提供新的技术方案和分析方法。地理信息系统的数据输入、存储、 管理、分析以及可视化表达功能，在湿地管理和研究中已经发挥了巨大的作用， 为研究人员解决湿地问题提供有利的辅助决策功能。因此，结合湿地的特点，建 立湿地资源管理信息系统，在湿地的保护与合理开发利用方面有重大的意义 r 7 。9 】。国外最早的应用是美国佛罗里达大学1 9 7 9 年开发的湿地动植物信息检索系 统( a p i r s ) ，至u 1 9 9 5 年佛罗里达大学建立了佛罗里达湿地w e b g i s ，它们都能提 供湿地信息查询服务。在2 0 世纪9 0 年代，美国建立的路易斯安那州湿地恢复空间 决策支持系统( s d s s ) 是世界上最早的湿地决策信息系统。 在国内，近年来随着计算机和g i s 技术水平的不断提高，3 s 技术在资源、环 境和可持续发展决策等研究领域的应用也越来越广泛，在湿地的研究方面也有所 突破，如汪爱华曾把r s 和g i s 相结合研究三江平原沼泽的动态变化，罗宏宇等在 遥感和地理信息系统的支持下，定量分析和研究了辽河三角洲沼泽湿地景观的动 态变化；刘晓曼以遥感影像为数据源，借助g i s 技术建立东北地区湿地空间数据 库，分析了该区湿地动态变化情况，并从土地利用方面阐述了其变化原因；何执 兼等分别利用遥感和地理信息系统对广东省海岸湿地进行湿地现状分析及资源 评价；潘竟虎等以青海省长江黄河源区为例，运用g i s 方法，分析了近1 6 年来土 地利用类型的空间分布变化与演变格局；方全兴、孙振华应用遥感图像进行湿地 资源调查，核查湿地和珍稀鸟类分布等【蛤”j 。中国科学院地理与湖泊研究所于 2 0 0 0 年建立了洞庭湖湿地信息系统，该系统用于演示和分析洞庭湖湖盆演化、洪 水水情、湿地退化和恢复状况。随后，各类湿地信息系统不断出现，相继建立了 2 鄱阿1 湖湿地数据可视化及其应用 广东省海岸带湿地资源与环境信息系统j 松嫩平原湿地信息系统、扎龙湿地生态 信息系统等【1 8 】。 在上述这些湿地信息系统中，湿地数据的可视化是查询服务和决策支持的基 础，是湿地信息系统的重要组成部分，同时上世纪6 0 年代发展起来的基于计算机 的地理信息系统开始形成时，就利用计算机图形软硬件技术，把地理空间数据的 图形显示与分析作为基本的不可缺少的功能。 1 2 湿地数据可视化综述 1 2 1 可视化概述 可视化来源于英文单词“v i s u a l i z a t i o n ，是指把文本、数字等信息转化为 图形、图像等直观的视觉表现形式的过程，即人通过视觉观察并在头脑中形成客 观事物的影像的过程i l 睨1 1 。它充分利用人类对可视模式能够识别的自然能力， 将人脑与计算机这两大信息处理系统结合起来，以可视界面来满足人们观察、分 析、理解、操作大规模数据的需求。可视化的目的在于提高人们对事物的观察能 力，促进整体概念的形成，可视化的结果便于人的记忆和理解。与其他方法相比 较，可视化方法在数据和信息的处理和表现上，具有无可比拟的优势。 数据可视化概念首先来自科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ) ，科学计算可视化最早出现于计算机科学领域。1 9 8 7 年2 月美国国 家科学基金会召开的一次研讨会提出了科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，v i s c ) 的概念，其发表的一份研究报告科学计算中可 视化被认为是科学计算可视化这一领域诞生的标志。报告对科学计算可视化的 定义为：科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过 程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处 理的理论、方法和技术【1 9 , 2 0 】。科学家们不仅需要通过图形图像来分析由计算机 算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。随着计算机技术的发展， 数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视化，而且包括工程 数据和测量数据的可视化。 近年来，国际上提出了信息可视化( i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ) 问题。1 9 8 9 年，r o b e r t s o n ，c a r d 和m a c k i n l a y 在用于交互性用户界面的认知协处理器 文中首次提出了“信息可视化 这个概念，他们认为，由于技术的发展使得在 用户界面中使用硬件系统的图形性能和速度来探索3 d 和动画成为可能的条件下， 为了充分发挥其功效，信息可视化技术是解决支持复杂的多智能体异步交互问题 硕十学位论文 的关键所在。简而言之，信息可视化是将非物理的抽象数据用可视的形式表示出 来，以便分析数据、发现信息的本质规律和制定决策。这里所说的“非物理的抽 象数据 一般是来自于现实社会各个领域的真实数据，例如股票信息、银行记录、 文献等。 一般说来，科学计算可视化是指空间数据场的可视化，而信息可视化则是指 非空间数据的可视化。在科学计算可视化中，显示的对象是涉及标量、矢量和张 量等不同类别的空间数据，研究的重点放在如何真实、快速地显示三维数据场： 而在信息可视化中，显示的对象主要是多维的标量数据，目前的研究重点在于， 设计和选择什么样的显示方式，才能便于用户了解庞大的多维数据和它们相互之 间的关系，其中更多地涉及心理学、人机交互技术等问题。随着可视化技术的不 断发展，科学计算可视化与信息可视化的分界己越来越不明显【2 2 1 ，本文所用的 数据可视化包涵两者，本文对数据的可视化既包括空间数据的可视化也包括非空 间数据的可视化。 数据可视化技术具有以下三个主要特点和意义： 。 ( 1 ) 交互式的环境：用户可以方便地以交互式方式管理和开发数据。 ( 2 ) 多维的属性：用户可以看到表示对象或事件的数据的多个属性和变量， 而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。 。 ( 3 ) 强大的可视性：数据可以用图像、曲线、二维图形、三维物体和动画 来显示，并可以对其模式和相互关系进行可视化分析。 数据可视化的应用非常广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、 通信和商业等各种领域，比如医学、油气勘探、气象预报、生物分子学 2 3 , 2 4 j 。 4 酃m 湖m 地数掘u j “化肚j e f h 奠田瞳目峨鞫时嘱栅州姊蠡的夭1 自晴 的三壤_ ，尊 t w 十女口w * 目业酌蛀h 田用p 靠tz 一i 障2 司驮# i i 酌* = 镕由 图卜1 数据可视化在各领域里的应用 f i g 1 l i a p p l i c a t i o no f d a t a v i s u a l i z a t i o n 在湿地研究领域，可视化技术也有应用的范例，如基于a r c g i s 的扎龙湿地 三维显示模块的开发研究实现了对扎龙湿地地形地貌的三维显示、三维漫游等 功能以及洪水动态演进模拟的三维可视化【2 ”。 122 湿地数据可视化 湿地数据类型多种多样，既包括自然界的数据也包括人文社会经济方面的数 据，表达形式也多种多样，包括统计图表、图像、音频、视频、动画、文本描述 等，多媒体地图就是集文本、图形、图表、图像、声音和视频于一体，综合、真 实地表现空间实体与现象的新型载体，可以极大地丰富生态环境信息可视化的内 容。 湿地数据包括生态环境空问数据和社会人文经济统计即属性数据，无论从空 阃上还是从属性上都是相互联系的这是湿地数据可视化的先决条件。湿地数据 可视化包括这两大类觏据的可视化。湿地数据的可视化主要有咀下几个方面： ( 1 ) 滩地空间数据的直观显示。可视化技术通过直观的、易于理解的图形、 羽掣 硕l j 学位论文 图像、音频等向人们展示各种生态环境信息。空间数据可视化最基本的含义是生 态坏境数据的屏幕显示，即用户在选择了视觉变量( 尺寸、色彩、纹理等) 的基 础上，进行全要素的显示、分图层的显示或分区域的显示等，并利用地图符号、 注记和图例说明，以达到数据形象化显示的效果 ( 2 ) 湿地生态环境空间信息可视化查询。利用可视化技术可以为用户提供 具有选择、过滤、搜索等功能的可视化界面和向导，使用户能够通过可视化查询 语言，实现对生态环境数据库内容及与之相关的图、表进行形象化、直观的查询 操作，即查询的结果不仅包括数据，还包括与之相关的形象化的图形、表格或文 字。 、 ( 3 ) 生态环境空间分析的可视化描述。g i s 具有很强的空间分析能力，利 用空间分析技术，通过对湿地原始生态环境数据模型的观察和实验，用户可以获 得新的信息，利用可视化技术，可将生态环境现象的空间分析结果直观、形象地 展示给用户，从而得到隐藏在数据背后的信息，增强空间分析过程和结果的可理 解性，为空间行为决策提供依据。例如利用地形分析中的通视分析，便可用连续 或间断的线段来表示地表的通视或不通视。 ( 4 ) 制作静态和动态以及多媒体的生态环境地图。传统上生态环境空间数 据的可视化形式主要表现为二维静态地图，具有静态的局限性，它只是生态环境 数据在运动过程中时间轴上的一个快照，是连续变化着的现实的瞬间记录。随着 实时化要求的提出以及大批量实时的时空数据的获取，时间将成为一个非常重要 的参数，可视化系统可直观地表达湿地数据的动态变化，可用于涉及时空变化的 现象或概念的可视化分析【2 引。 1 。3 湿地数据内容分析及可视化可行性分析 1 3 1 鄱阳湖湿地数据种类 根据湿地公约缔约国大会建议为供缔约国和公约秘书处用来向湿地公 约数据库提供资料而制定描述国际重要湿地的数据信息利2 9 】，研究湿地通常 要用的数据种类大致有两方面：湿地自然属性数据和在湿地及周边地区上活动的 人类社会经济统计数据。自然属性数据包括了湿地的边界或面积、湿地地图、地 理坐标( 湿地大约中心位置或湿地边界控制点的坐标) 、海拔、生物地理、湿地 的自然特征( 说明地质、地貌、起源、水文、土壤、气候等) 、集水区的自然特 征( 描述集水区面积，地质、地貌特征，土壤类型，土地利用和气候等) 、水文 价值、湿地类型、总体生态特征( 描述说明湿地内分布的主要生境，植被类型， 6 都阳湖湿地数据可视化及其应用 动植物群落，以及从中获得的生态系统服务与效益) 、重要植物区系( 提供有关 特定物种的信息例如指出湿地独特、稀有、濒危或具有生物地理重要性的物种 群落等) 、重要动物区系( 提供有关特定物种的信息，例如指出湿地独特、稀有、 濒危或具有生物地理重要性的物种群落等，包括计数数据) ；社会经济统计数 据包括湿地分布区的人口、经济、土地利用现状、资源开发项目、湿地保护措施、 娱乐和旅游现状、科研现状及设施、参考文献、与湿地相关的交流和教育及公众 意识活动现状等【3 0 】。 湿地数据量庞大，数据类型复杂。在数据库建设过程中，应考虑用户的不同 需求，同时还得考虑在基于数据库的湿地信息系统的功能实现，应选择不同的数 据类型和数据结构，在参考文献【2 2 】中湿地数据类型大体分为湿地基础数据、湿 地专题数据和社会经济辅助数据【3 1 】。应用g i s 技术来研究湿地时，湿地数据从 数据组织角度可分为以下两大类： 表1 - 1 湿地数据分类 t a b 1 1w e t l a n d sd a t ac i a s s i n c a t i o n 行政区划图，保护区区划图，等高线地形图，三维点分布图， 区划、地形图 三维地形数据：d e m ，t i n 等 基础 地理 居民地、各种管理站及观测点分部图；水系、交通、地貌、资 源调查路线图；各种生物资源分布图等； 空间 专题图 解译图：各种植被类型、群系等分类等级的植被图和地貌图、7 数据 沼泽分布图等 工程规划图湿地现状图，湿地历史图，湿地工程规划图等 气候环境( 积温，年及月风速、太阳总辐射、降水量、平均气 属 温、相对湿度、蒸发量) ，地形地貌，景观生态环境类型、植 环境资源数据 被类型，土壤质地，水文数据( 水文观测点水位、湿地水化学 性 物质数据、水源补给数据) ，物种多样性数据，基因多样性数 据等 数 人口，国民经济，城市化，居住条件，资源利用，土地利用数 据社会经济统计 据，自然保护数据( 利用模式、开发强度、资源丰富度、管理 数据，政策数据 方式) ，参考文本数据( 国家法规、国际公约、描述性文本、 管理文件、研究计戈l j 、活动和项目、参考文献) 多媒体数据等 1 3 2 鄱阳湖数据可视化可行性分析 基于鄱阳湖湿地数据的以上特征，以及在下述数据获取手段、可视化理论和 技术等方面的发展，鄱阳湖湿地数据的可视化是可行的，并可应用其到湿地研究 中： ( 1 ) 数据获取手段及计算机硬件设施方面 7 硕l ：学位论文 获取地理空间的数据的方法有多种多样，包括来自现有图表、遥感手段、数 字摄影测量、g p s 手段、统计调查、实地勘测等。遥感是从空间通过传感器对地 观测获取地理信息的一种技术手段。经过四十年的发展历程，该技术手段己从可 见光发展到红外、微波；从单波段发展到多波段、多角度：从静态资源分析发展 到动态环境监测；从空问维发展到时空维：从多维光谱发展到超维光谱。一个多 层次、立体、多角度、全方位和全天候的地理信息获取系统业已形成，这为高精 度、实时的三维地形数据采集奠定了坚实基础。数字摄影测量是利用人工和自动 化技术，从物体的二维数字影像提取其在三维空间中的可靠信息、( 包括几何信 息、辐射信息和和语义信息) 的信息技术，是摄影测量与计算机视觉等相关学科 相结合的产物。g p s 作为一种定位手段，可应用它的静态和动态定位方法，直接获 取各类大地模型信息，解决传感器位置和姿态的快速定位问题，这样也就解决了 遥感信息的定位问题。现在g p s 与摄影仪连接，在航空摄影瞬间，测定摄影中心的 空间位置和摄影仪姿态，使摄影测量野外作业控制工作大大简化，从而实现了卫 星遥感信息和摄影测量信息( 采用d p s 技术) 直接进入g i s 数据库成为可能。 在g i s 的建立过程中，费用最高的是地理信息的获取，随着地理信息数据获取技 术的不断发展，以及计算机硬件在处理质和量都不断猛增的数据的能力不断提 高，数据可视化便有了坚实的基础。 ( 2 ) 数据可视化理论与技术方面 鄱阳湖湿地数据可视化是基于地学可视化框架下的数据可视化，地学可视化 的理论与技术都获得长足的发展。地学可视化分三个层次：地图可视化、地理可 视化和g i s 可视化，包括地图可视化、地理可视化和g i s 可视化及他们在专业应 用领域如海洋可视化、大气可视化、地质可视化、社会经济可视化等。有学者认 为地理可视化来自于可视化与地理学的结合，地图可视化来自于可视化与地图学 的结合，但是由于可视化具有连接和融合地理学和地图学的特点，自然而然地图 可视化与地理可视化是应属于本质相同的两个概念。地图可视化的研究侧重于地 学信息视觉表达、交流和地学视觉认知决策机理，即可视化新技术带来的现代地 图表达地学现象与规律的新特征，如虚拟性、动态性、交互交融性、网络性等， 以及可视化新技术用于地学数据探索，获取新的地学规律，即偏向于理论与应用 层次；g i s 可视化的研究则侧重于地学数据模型与结构设计，地学数据内插加密， 多分辨率数据表达，三维、多维数据显示，矢量、张量数据显示，实时动态处理， 并行技术，交互反馈技术，人文、经济数据可视化等，即偏向于技术层次p z 。地 学多维图解是从非可视化角度，提出的关于图的地学知识表达、获取及其图的地 学问题解求证的理论方法模式，它与地学可视化有着密切的联系，是地学可视化 研究的高一级发展阶段。 与地学可视化密切相关的地学多维图解，表达了地学可视化的理论应用研究 发展方向；与地学可视化密切相关的虚拟地理环境，表达了地学可视化的技术发 8 鄱阳湖湿地数据可视化及其戍用 展方向。g i s 可视化的研究包括地学体三维、虚拟现实、时空多维数据内插加密， 可视化数据模型设计，三维、多维数据显示与分析，矢量、张量和不确定数据显 示与分析，人文、经济数据可视化，实时动态交互处理，并行技术，基于网络和 万维网的地学可视化，多用户合作可视化等【l 9 。 ( 3 ) 鄱阳湖湿地数据可视化的需求分析 空间信息在人类活动及生产实践过程中起着非常重要的作用，以图形方式呈 现的空间信息极大地促进了人们对周围空间的认知乃至感知。生态环境空间数据 是开展生态环境分析评价、模拟预测和规划决策的依据，是生态环境空间信息的 具体表现。生态环境空间数据能反映生态环境系统中人类的能力、系统的状态、 人类的反馈与系统表现出来的环境效应之间的时空关系及数量比例、特征，同时 决定了现代生态环境研究的发展趋势和技术需求。可视化方法可以非常巧妙地将 计算机的丰富多彩的展示能力、空间数据处理能力与显示能力同人类基于视学的 认知和形象思维能力融合在一起，通过空间数据来实现对于生态环境复杂系统的 组成结构、相互关系和发展演变规律的认识和知识的发展及获取。可视化的生态 环境空间数据分析根据多种不同的时间和空间尺度、不同的观察角度、不同部分 的选择与聚类等多维综合探索与处理来揭示出生态环境空间数据中所隐含的内 在联系与发展演变规律，生态环境研究与决策服务。 不管是通用的g i s 软件还是专门为研究鄱阳湖湿地而开发的地理信息系统 应用软件，其可视化模块对鄱阳湖湿地空间数据都可实现不同层次的可视化，然 而对生态环境属性数据可视化方面的功能还有待完善。表现在： 首先是对可视化的生态数据种类支持不够，对于关心鄱阳潮湿地状况的非专 业人士来说，许多生态环境属性数据目前还未以人们最容易理解和接受的可视化 形式出现；其次大多数是以对生态环境数据专题可视化的形式出现，各种专题模 块未能有机整合。 1 4 本文主要研究内容 在应用g i s 技术研究和管理鄱阳湖湿地时，数据可视化是湿地信息系统的重 要功能，本文将在已有湿地数据的基础上对湿地数据种类进行深入分析，研究湿 地数据可视化的可行性，探讨湿地数据可视化的理论和技术方法；在g e o d a t a b a s e 数据模型的支持下，设计了鄱阳湖湿地数据库，并将已有湿地数据入库：在鄱阳 湖湿地数据库的基础上，基于g i s 组件技术建立了鄱阳湖湿地数据可视化系统， 进而为鄱阳湖湿地资源的管理提供先进、科学的管理手段，提高工作的效率。 本文主要分为四个部分： 。第一章，绪论，介绍湿地研究和数据可视化研究概况，深入分析鄱阳湖湿地 9 硕仁学位论文 数据种类及其可视化可行性。 第二章，探讨鄱阳湖湿地数据可视化理论及技术，包括空间数据可视化和属 性数据可视化的理论和技术方法。 第三章，设计了g e o d a t a b a s e 数据模型支持的鄱阳湖湿地数据库，并进行数 据入库。 第四章，在前面数据可视化理论技术和鄱阳湖湿地数据库的基础上，基于 a r c g i se n g i n e 9 2 + v b n e t 建立了鄱阳湖湿地数据可视化原型系统，并利用该系 统对鄱阳湖湿地数据进行可视化。在本章还将对鄱阳湖湿地数据可视化的实际应 用作分析。 最后对本文主要研究内容及取得的成果进行概要的总结，对需要进一步研究 的问题进行讨论。 l o 鄱f ；丌湖湿地数据叮视化及其应用 2 湿地数据可视化理论及技术 2 1 湿地数据特征 湿地数据是生态环境数据，有如下特征： ( 1 ) 多学科、多领域特征：生态环境数据是描述地球表面或近地面地球演 变历史及变化趋势的多学科数据，涉及多学科数据，涉及到地理、地质、土壤、 水文、动植物、气象气候、地球化学、遥感、测量、土地、生态、环境等领域的 数据。 ( 2 ) 空间参考性和空间拓扑特征：生态环境空间数据构成要素包括空间、 属性、时间和综合等四个部分内容。 ( 3 ) 时序性特征：同一地理实体在不同的时间区间内具有不同的特征值的 特点。 ( 4 ) 分布式特征：生态环境空间数据存在场地的异质性和数据拥有的主题 专属性。 ( 5 ) 复杂多样性特征：生态环境数据既有野外调查记录、科研报告及综合 解释性图件、又有大量的遥感影