（地图学与地理信息系统专业论文）野鸭湖湿地信息系统的设计与实现.pdf

摘要 野鸭湖湿地自然保护区位于北京市延庆县西北，是北京市面积最大的湿地自然保护 区，这里生态类型复杂，生物多种多样，是南北通道上重要的鸟类栖息地和越冬地。因此， 对野鸭湖湿地的保护和利用越来越受到重视，目前遥感、地理信息系统等空间技术的利用 为湿地信息获取与管理提供了有效的方法，但在湿地的管理和研究中仍存在的一些不足： 1 湿地资源管理方式效率较低，湿地数据更新维护不便利 传统湿地资源管理方法是根据湿地信息的类型建立各个数据库来对湿地进行管理，这 种管理方法虽然建立数据库时十分方便，但日后数据的添加修改很不方便，由于建立数据 库时每种类型是一个数据库，所以很容易造成不同种类的湿地信息的存储标准不同，为湿 地信息的检索造成了很多不便。 2 湿地资源管理与湿地分析评价关联性较差 对于湿地资源的管理是为了更好的管理湿地，并对湿地资源监测的数据进行分析评 价，为湿地保护和利用提供依据。而传统的管理方式将湿地的管理和评价分开，当需要评 价的时候再通过统计分析软件进行计算，这样一是效率低，二是随着湿地数据的越来越多， 分析的难度将越来越大。 针对以上问题，本文的主要研究内容如下： 1 根据湿地数据多、复杂并且需要定期更新的特点，设计基于集中式数据库模式的湿地信 一息数据库，并将湿地的各类数据按照标准进行分类存储，在中央数据库中记录各类数据的 存储路径、名称、相关信息，系统中所用数据通过中央数据库进行操作。 2 开发湿地信息系统将湿地的资源管理与分析评价紧密的联系在一起，对湿地的矢量数 据、遥感影像数据、信息数据进行集中管理，并利用模糊综合评价模型对湿地的生态环境、 水质环境进行评价，得出评价结果，以方便对湿地监测数据进行分析评价处理，为湿地的 保护和利用提供依据，提高效率。 本文以野鸭湖湿地作为主要研究对象，使用v i s u a lb a s i c n e t 和a r c g i se n g i n e 的 开发方法，结合a d o 数据访问技术，利用c o m 组件技术开发了湿地信息系统，对湿地资源 ! 进行系统的管理、分析、评价，为湿地保护和合理利用提供科学的方法和有效的决策依据。 关键词：湿地集中式数据库分析评价模型湿地信息系统 a b s t r a c t y ey a h uw e t l a n dn a t u r er e s e r v ew h i c hi si nn o r t h w e s tb e i j i n gy a n q i n gc o u n t y , i st h e l a r g e s ta r e ao fb e i j i n g sw e t l a n dn a t u r er e s e r v e s ，t h ee c o l o g i c a lt y p ei sc o m p l e xh e r e ，b i o l o g i c a l d i v e r s i t y , i sa ni m p o r t a n tn o r t h s o u t hr o u t e so fb i r d sa n dw i n t e r i n gh a b i t a tt o t h e r e f o r e ，t h e p r o t e c t i o na n du s i n go fy e y ah uw e t l a n dh a v em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，n o wt h es p a c e t e c h n o l o g i e ss u c ha sr s ，g i sp r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o df o rw e t l a n d si n f o r m a t i o na c c e s sa n d m a n a g e m e n t ，b u ti nw e t l a n dm a n a g e m e n ta n dr e s e a r c hs t i l le x i s ts o m es h o r t c o m i n g s ： 1 t h ew a yo fw e t l a n d sr e s o u r c em a n a g e m e n ti sl e s se f f i c i e n t ，u p d a t e dd a t ai sn o t c o n v e n i e n t t r a d i t i o n a lw e t l a n dr e s o u r c e sm a n a g e m e n tm e t h o di s a c c o r d i n gt o t h et y p eo fw e t l a n d i n f o r m a t i o nt os e tu pv a r i o u sd a t a b a s e st om a n a g ea l lk i n d so fw e t l a n dd a t a t h i sm e t h o di s v e r yc o n v e n i e n tf o rb u i l d i n gt h ed a t a b a s e ，b u ti nf u t u r ea d d i n go ra m e n d i n gd a t ai sm o r e d i f f i c u l t s i n c et h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed a t a b a s ei sb a s e do ne a c ht y p e ，s oi ti sl i k e l yt or e s u l ti n d i f f e r e n t t y p e so fw e t l a n d si n d i f f e r e n ti n f o r m a t i o n s t o r a g es t a n d a r da n dc a u s e sm u c h i n c o n v e n i e n c ef o rw e t l a n di n f o r m a t i o nr e t r i e v a l 2 t h ec o n t a c to f “w e t l a n dr e s o u r c e sm a n a g e m e n t a n d“w e t l a n d s a n a l y s i s a n d e v a l u a t i o n i sp o o r t h et r a d i t i o n a lm a n a g e m e n tm e t h o di ss e p a r a t e df r o mm a n a g e m e n ta n de v a l u a t i o n w h e n n e e dt oe v a l u a t et h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i ss o f t w a r et oc o m p u t e ，t h ef i r s ti ti slessef f ici e n t ， a n dt h es e c o n dw i t ht h ew e t l a n d sd a t ai sm o r ea n dm o r e ，t h ed i f f i c u l to fa n a l y s i sw i l lb e i n c r e a s i n g t od e a lw i t hp r o b l e m sa b o v e ，m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w e d ： 1 b e c a u s ew e t l a n dd a t ai sc o m p l e x ，i nag r e a ta m o u n t ，a n di tn e e dt ob eu p d a t e df r e q u e n t l y , a w e t l a n di n f o r m a t i o nd a t a b a s eb a s e do nc e n t r a l i z e dd a t a b a s em o d e li sd e s i g n e d ，i nw h i c ha l l k i n d so fw e t l a n dd a t ai ss t o r e di ns t a n d a r dc a t a l o g s c e n t r a ld a t a b a s es t o r e st h er e c o r d sw h i c h c o n t a i ns a v e dp a t h s ，n a m ea n dr e l a t i n gi n f o r m a t i o n a l lo t h e rd a t ai sa c c e s s e dv i at h i sc e n t r a l d a t a b a s e 2 t h ed e v e l o p e dw e t l a n ds y s t e mi n t e g r a t e sr e s o u r c e sm a n a g e m e n ta n da n a l y s i s e v a l u a t i o no f w e t l a n d i tm a n a g e sv e c t o rd a t a , r e m o t e l y - s e n s e dd a t aa n di n f o r m a t i o nd a t aa l t o g e t h e r w h a t s 1 1 m o r e ，i te v a l u a t e sw e t l a n de c o s y s t e ma n dw a t e rq u a l i t yb yt h eu s eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e l ，r e s u l t so fw h i c hc a nt h e r e f o r eb ea n a l y z e da n de v a l u a t e di no r d e rt om o n i t o r w e t l a n ds t a t u sa l lt h e s ea r ef o r s u p p o r t i n gw e t l a n dp r o t e c t i o n sa n du t i l i t i e s ，i m p r o v i n g e f f e c t i v i t y t h i sp a p e ru s e sv i s u a lb a s i c n e ta n da r c g i se n g i n e ，c o m b i n i n ga d o t e c h n i q u e s ，a n d u l t i m a t e l yd e v e l o p saw e t l a n di n f o r m a t i o ns y s t e mu s i n gc o mc o m p o n e n tt e c h n i q u e ，i nw h i c h y e y ah uw e t l a n di s s e tt ob eo b j e c t i v e i ns u c hs y s t e m ，w e t l a n dr e s o u r c e sa r em a n a g e d ， a n a l y z e d ，e v a l u a t e ds y s t e m a t i c a l l y , s ot h a ts c i e n t i f i cm e t h o d sa n de f f e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n g s a les u p p l i e do nw e t l a n d p r o t e c t i o na n du t i l i t i e s k e yw o r d s ：w e t l a n d ，c e n t r a l i z e dd a t a b a s e ，a n a l y s i sa n de v a l u a t i o nm o d e l ，w e t l a n d i n f o r m a t i o ns y s t e m 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品e ，对奄文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者答名：穆森弼 日期：2 0 0 8 年4 月1 1 日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 。靴敝储戤瑚森识灸 日期：2 0 0 8 年4 月n 日 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 本文针对野鸭湖湿地的监测和保护丌发野鸭湖湿地信息系统，旨在为野鸭湖湿地资源 的管理、湿地状况的分析评价以及湿地现状的展示提供技术支持平台，具有很强的实用价 值。 1 1 1 湿地研究的重要性 根据湿地公约定义“湿地系指，不问其为天然或人工，长久或暂时性的沼泽、湿 原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半成或咸的水体，包括退潮时水 深不超过6 米的海域”。湿地是自然界最富生物多样性的生态景观和人类社会赖以生存和 发展的环境之一，是地球上具有多种功能的独特生态系统。湿地一方面向人类提供水资源， 阻止和延缓洪水、蓄水抗早、控制水土流失；另一方面，在保持生物多样性和珍稀物种资 源、降解环境污染、维持地球表面生态平衡起着极为重要的作用。因而湿地被人们誉为“自 然之肾 。 野鸭湖湿地自然保护区位于北京市延庆县西北，是延庆县所辖官厅水库( 海拔4 7 9 米) 水系及妫水河下游的环湖滩涂组成的次生性湿地，是北京市面积最大的湿地自然保护区， 这里鱼虾丰富，水草茂盛，水鸟众多，野鸭湖湿地保护区中栖息的鸟类达到2 4 1 种，其中国 家一级保护5 种( 黑鹳、东方白鹳、大鸨、金雕、白尾海雕) ，二级保护3 4 种( 白天鹅、 灰鹤、鸳鸯、鹈鹕) 等，列入北京市一、二级保护动物达9 8 种，是南北通道上重要的鸟 类栖息地和越冬地，春秋迁徙的候鸟达到上力- 只，在野鸭湖湿地自然保护区成千上万的天 鹅、灰鹤、雁鸭、鹭、鹤群栖非常壮观。但是近年来由于山于气候变化和围垦面积增加， 湿地资源开始退化和缩减、水质污染严重、植被逆向演替、土壤退化和肥力耗竭、湿地功 能明显下降等，因此，及时准确地掌握野鸭湖湿地的资源环境动态变化，对整个北京地区 湿地的研究极其生物多样性科学保护与利用具有重要意义，既是生态环境保护的需要，也 是我国可持续发展的需要。 第一章绪沦 1 1 2g i s 在湿地研究中的应用 湿地研究中需要对湿地的生念环境、生物多样性、景观格局、土壤、水质条件等进行 长期的监测，应用智能化、自动化的g i s 技术，可以将湿地的监测数据、文档数据以及相 关的数据归并到统一的系统中进行管理，并利用g i s 已有的工具进行统计分析、查询、显 示，通过建立不同的评价模型还可以对湿地的数据进行分析评价、得出湿地的相应评价结 果，为湿地的保护和利用提供决策依据。今年来我国湿地研究发展十分迅速，利用g i s 来管理湿地的相关信息、评价湿地的状况具有十分重要的意义。 新技术、新手段与新方法的应用是湿地科学研究、发展的动力源泉，是湿地资源的长 期、连续监测成为可能，克服了湿地研究在深入、综合、定量和预测等方面的障碍。g i s 技术越来越显示出应用于湿地资源调查、湿地编目、湿地功能评价、湿地监测和湿地保护、 湿地景观动态和退化监测等方面的潜力，在湿地研究领域应用的愈来愈广泛。 1 1 3 研究意义 在对野鸭湖湿地进行长期、持续性的监测，掌握了丰富的湿地资料同时，对于长期 监测所得到的大量数据却没有一个有效的系统进行管理，数据分析也是依靠a r c g i s 等软 件进行处理。随着数据越来越多，管理，分析数据的难度越来越大，而且受软件支持数据 格式的制约，并不能同时对多种湿地数据进行查看，例如，利用a r c g i s 可以将历年的湿 地数据统一管理，但并不能同时查看相关的湿地信息，例如湿地概况、湿地分类等，并且 软件具备一定的专业性，操作较复杂，所以十分必要用一套科学、高效的系统平台对湿地 进行管理。 1 2 国内外研究现状 湿地研究是当前地理科学、环境科学与生态科学等多种学科交汇研究的一个热门领 域。美国和加拿大在上个世纪8 0 年代完成本国湿地调查、编目的基础上，研究重点转向 湿地分类、湿地生态系统及其形成过程的研究，尤其重视湿地环境保护的人工控制。俄罗 斯、芬兰在湿地演化与泥炭利用方面一直走在世界前列，当前也大力开展生态保护和环境 变化的研究。我国湿地研究己经走过了半个世纪的历程，在2 0 世纪8 0 年代以前，我国湿 地研究停留在宏观植被生态学水平，8 0 年代后则进入湿地生态系统研究。同时，在湿地 环境变化的现代过程、湿地资源的合理利用、湿地生态系统的管理、立法与保护等方面的 2 第一章绪论 研究非常活跃，方法手段也从定性走向定性与定量相结合、常规调查与“3 s ”技术相结合， 生物过程与物理、化学过程相结合。在湿地生态系统及湿地与全球变化、湿地分类等方面 的研究开始进入国际前沿。 1 2 1 国外研究现状 3 s 技术集成在湿地研究领域中的应用起始于2 0 世纪8 0 年代。美国、英国、荷兰等 发达国家在对地观测和计算机方面技术比较先进，而且境内湿地资源丰富，湿地研究开展 得广泛而深入，已利用r s 与g i s 集成技术对湿地丌展了动态分析、功能分析、景观分析 和保护等方面的研究工作。如美国于2 0 世纪9 0 年代建立路易斯安那湿地恢复空间决策支 持系统，用于湿地恢复中的淡水转换、沉积转换、沼泽管理、海岸线固定等各类项目的评 价工作；美国伯克利大学的环境资源评估和监测中心将g p s 、g i s 和r s 集成技术用于环 境监测研究，为湿地监测和建模、流域建模、生态变化、资源条件、结构变化监测提供最 新理论和高精度资源分布图等实践支持；1 9 9 8 年，加拿大学者r a p p o r t 以河流为研究案例， 在景观健康评价研究中，总结了测度湿地生态系统健康的几类指标【2 】，它们是生物指标、 物理指标、社会经济指标，这些指标将社会目标和生物物理过程进行了整合。a l b e r t 提出 根据植物学规律，把植物种和植物群的潜在功能作为监测湿地健康的指标【3 】，他们运用了 一些主要的水生植物的覆盖度来评价北美洲五大湖的湿地健康状况。d a w s o n 等运用生态 健康指数法来评价湖泊的生态系统健康状况，采用0 到1 0 0 的等级来评价，0 代表最差的 健康状态，而10 0 代表最好的健康状态。他们运用生态系统健康指数法成功地评价了意大 利湖的健康状况【4 1 。结果表明，生态健康指数法是种非常简便、可靠和直观的评价方法。 这种方法能够被广泛地运用于大量单独的湖泊或较为复杂的湖泊生态系统的生态系统健 康状态评价和比较。 1 2 2 国内研究现状 我国的湿地研究起步较晚，在2 0 世纪8 0 年代以前，我国湿地研究停留在宏观植被生 态学水平，8 0 年代后开始进入湿地生态系统研究。同时，在湿地环境变化的现代过程、 湿地资源的合理利用、湿地生态系统的管理、立法与保护等方面的研究非常活跃，方法手 段也从定性走向定性与定量相结合、常规调查与3 s 技术相结合，生物过程与物理、化学 过程相结合。在湿地生态系统及湿地与全球变化、湿地分类等方面的研究开始进入国际前 沿，张志锋等基于g i s 和r s 技术，利用多源遥感影像融合技术和g i s 的叠加分析功能， 3 第一章绪论 进行人机交互解译，得出北京市野鸭湖湿地自然保护区及周边区域在1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、 2 0 0 2 年湿地资源状况【5 1 。赵春霞采用r s 和g i s 技术结合其它资料分别对1 9 8 7 年和2 0 0 2 年的开封市湿地效益进行了评价，尝试将影像分析的结果应用到湿地中，同时分析了湿地 的动态变化对湿地效益变化的影响【6 】。林茂昌结合r s 和g i s 技术手段，从压力、状态和 响应3 个方面来构建闽江河口区湿地生态环境质量评价指标体系，来评价闽江河口区的湿 地生态状况【7 1 。2 0 0 2 年崔保山等以三江平原挠力河流域湿地为案例研究，分析闭合流域 内的沼泽湿地和河缘湿地，确定了湿地生念特征、功能整合性和社会环境政治因素三大类 指标，并根据模糊综合评判原理和方法，对各区的湿地进行了评价与比较排序，然后通过 红绿灯信号系统对各区健康进行预警【8 】。2 0 0 4 年刘永等以生态系统健康、生态系统完整 性和湖泊内物质循环为基础，提出了评价湖泊生态系统健康的方法体系、指标和综合健康 指数，并以滇池为例进行了评价研究，结果显示滇池已处在一种稳定的富营养化状态【9 】。 2 0 0 5 年麦少芝等分析了p s r 模型在湿地生态系统健康评价中的作用，并以此模型为基础， 提出了湿地生念系统健康评价的指标体系，但未能对所有指标进行严格分类和定量化【1 0 1 。 2 0 0 6 年殷会娟等以海河水系为例进行研究，提出了以水文、水质、水生生物、河流形态 结构和河岸带为要素的河流生念健康评价指标体系，以层次分析法对指标进行了定量化分 析【1 1 1 。 同时随着湿地研究的深入，湿地信息系统的研究也发展十分迅速。沈阳农业大学的孙 继光，王秋兵基于m a p i n f op r o f e s s i o n a l7 0 与v b 6 0 丌发的辽宁湿地资源信息管理系统， 从经济和技术的角度对湿地信息系统的建立进行分析，设计了湿地信息系统的数据库i l 甜。 大连理工大学的李晓东等基于a r c o b j e c t s 与v i s u a lb a s i c 开发的松嫩平原湿地信息系统， 采用g e o d a t a b a s e 结合a r c s d e 数据库引擎建立g i s 数据库的方法，对属性数据分类建表， 定义数据关联编码，保证了数据的完整性和数据共享，减少了数据冗余【1 3 】。大连理工大 学的赵松龄等开发的扎龙湿地时态地理信息系统，设计了基于特征一版本的时空数据库， 在有效节约数据存储空间同时能保持地理现象的完整性1 1 4 i 。武汉大学测绘遥感信息工程 国家重点实验室的陈碧宇等据基于a r c e n g i n e 组件库和v i s u a l b a s i c 开发的鄱阳湖流域湿 地管理信息系统，在具备常用的g i s 功能外利用a r c s d e 组件开发了湿地的三维显示模块， 实现了地形地貌的三维显示和漫游功能1 1 5 i 。这些湿地地理信息系统都根据所研究区域的 特点进行相关的需求分析和设计，为所研究区域湿地的保护和利用提供技术支持。 从上文可以看出，运用g i s 等技术，对湿地资源进行管理，并从整体、区域的角度对 湿地进行综合性研究与评价，是当今湿地研究的发展趋势。 4 第一章绪论 1 3 研究内容 本文以野鸭潮湿地为研究区域，采用c o m g i s 技术，设计丌发了野鸭潮湿地信息系统 从野鸭湖湿地信息系统数据库设计、野鸭潮湿地资源的管理和湿地的生态环境、功能和水 体富营养化评价等方面进行了研究。 1 3 1 研究区概况 野鸭湖湿地自然保护区位于北京市延庆县西北，是北京市面积昂大的湿地自然保护 区，这里生态类型复杂，生物物种多样。是南北重要通道i ：的鸟类栖息地和越冬地。但是 山于气候变化和用垦而积增加，瀑地资源，f 始退化和缩减、水质污染严重、植被逆向演替、 十壤退化和肥力耗竭、湿地功能明显下降等，因此，及时准确地掌握野鸭湖湿地的资源环 境动悉变化，对整个北京地区湿地的研究及其，上物多样性科学保护与利用具有重要意义 既是生杏环境保护的需要，也是我国可持续发展的需要。 1 3 2 研究内容 闺 图卜1 北京野鸭潮湿地自然保护区地理位置 本文基于北京市科委项且。北京湿地监测与评价”。根据野鸭湖湿她的特点，设计数 据库，科学的管理湿地信息数据；并在此基础上基于g i s 技术建立野鸭湖湿地信息系统， 对湿地的资源进行管理、分析，评价为湿地资源的管理和保护提供科学、先进的管理方 5 第一章绪论 式。主要研究内容有： ( 1 ) 通过对湿地监测研究工作的需求分析，完成系统结构体系和详细功能的设计； ( 2 ) 针对湿地信息资源多、复杂、定期更新的特点，分析研究当前空间数据库的解决 方案，完成系统数据库的物理架构和逻辑组织与设计工作； ( 3 ) 设计实现野鸭湖湿地评价模块，对野鸭湖湿地生态环境质量、湿地功能和湿地水 体富营养化程度进行评价，为湿地的监测和保护提供依据。 6 第二章系统的数据库设计 第二章野鸭湖湿地信息系统数据库设计 2 1 传统的数据库管理方式 由于栅格数据、属性数据、以及其它数据的存储格式不同，存储时需将它们分丌存储。 传统的数据库的原理是基于一一对应的原则，即对各个数据类型分别建立数据库，每一种 数据类型对应一个数据库，系统层通过数据库引擎对所需要的数据库进行相关操作，如图 2 1 。 图2 一l 传统数据厍构造图 当数据类型较少，数据量较小时，传统数据库的优点十分明显： ( 1 ) 建立数据库时方便。由于每种数据类型与数据库是一一对应的，所以建立的时候可 方便的根据各个数据类型进行建立。 ( 2 ) 数据库浏览便利，数据库操作速度快，对单独的数据库进行查询也很方便。 但当数据类型多、数据量大的时候，传统的数据库就暴露出它的一些弊端： ( 1 ) 数据更新复杂。由于每种数据类型对应一个数据库，没有进行统一的管理，如果进 行数据更新的话，需要找到数据库的存储路径，再对数据库进行更新，当数据类型多，需 要更新的数据库多时，更新工作十分复杂。 ( 2 ) 数据库之间缺少联系，跨库检索困难。由于数据库建立时是针对数据类型进行建立 的，而不同类型的数据由不同的数据库进行管理，当要进行不同数据类型的查询时就需要 进行跨库检索，而不同数据类型分属于不同的数据库，跨库检索十分不便，并且容易出错。 7 第二章系统的数据库设计 2 2 基于集中式数据库模型的湿地信息系统数据库设计 本文根据湿地数据类型繁多、数据量大、需定期更新的特点，对传统的数据库管理方 式进行改进，选取集中式数据库管理方式，设计了野鸭湖湿地信息系统数据库。 2 2 1 集中式数据库原理 集中式数据库是一种关系数据库，它通过建立一组中央控制程序，对各个子数据库进 行管理，所涉及到的数据库操作，如数据库的建立、维护、管理都必须通过中央控制程序 来完成，用户对数据库的访问等操作也需要通过中央数据库来完成，中央控制程序起到一 个通讯媒介的作用，对数据库进行统一管理、操作，并为用户的操作提供接口。 图2 - 2 集中式数据库结构 集中式数据库对数据库的控制是集中的，对数据库的管理、控制较简单，可以尽量减 少数据的冗余度，并且具有效率高的优势。 2 2 2 野鸭湖湿地信息系统数据库设计 由于湿地数据种类多、复杂并且需要定期更新，在设计湿地信息系统数据库时，将湿 地的各种数据按照标准进行分类存储，信息系统数据库设计采用集中式数据库的管理模 第一二章系统的数据库没计 式，在中央数据库中记录各类数据的存储路径、名称、相关信息，如图2 3 系统中所用数 据通过中央数据库进行操作。 图2 3 野鸭湖湿地信息系统数据库模型图 湿地数据库表设计如图2 4 。 9 第二章系统的数据库设计 图2 - 4 野鸭湖湿地信息系统数据库表设计图 第二章系统的数据库设计 主数据库中存放了湿地信息系统所涉及到的各个数据的数据库信息，包涵湿地定义 表、湿地概况表、湿地功能表、湿地分类表、用户管理表、湿地评价表、湿地资源表，对 于湿地定义、湿地概况、湿地功能、湿地分类这些数据，通过相应的表将相关数据的存储 路径和描述信息直接存储在主数据库中，程序运行时直接通过主数据库进行读取；对于用 户管理、湿地评价、湿地资源这三类数据的数据量大、数据复杂、更新频繁，如果都放在 主数据库中会使得主数据库十分庞大，并且对于数据库的管理和相关的奄询操作效率很 低。设计数据库时考虑到同后数据更新以及进行数据库查询操作时的便利性，分别建立用 户管理数据库、湿地评价数据库、湿地资源数据库，在主数据库中建立相应的表，存储各 数据库的名称和存储路径，访问时通过存储的数据库路径找到相应的数据库，例如湿地资 源数据库包括湿地动物资源表、湿地植物资源表、数据管理表，要访问湿地资源数据库中 的内容，可以通过主数据库中的湿地资源表中的r e s o u r c e d a t a b a s e f u l1 n a m e 字段来获取 湿地资源数据库的存贮路径，通过存贮路径来调用湿地资源数据库，再通过相关字段来连 接相应的表。 基于集中式数据库原理设计的数据库系统能对分散的各自独立而又有共享要求的数 据进行集中统一的管理，并用统一的描述使分散在各处的数据在逻辑上集中到1 个数据库 中，避免了文件系统存在的弊端。优点是： ( 1 ) 一致性。由一个主数据库控制所有数据项，可以避免数据的多重目录一多重目录可 能导致的不一致性。 ( 2 ) 可检索性。控制程序可保证所有的数据项是标准格式的，对信息的访问也是标准的， 而且是兼容格式，检索时十分便利，并且这样管理下的数据不容易丢失。 ( 3 ) 更新、维护便利。通过一个数据库管理相关的数据存储路径、信息，在更新和维护 时只需对这个数据库进行更新，相应的数据放在指定的目录下，即可完成对系统数据的更 新，这样对于湿地定期监测数据的更新具有很大的便利。 第二章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设汁与实现 第三章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设计与实现 湿地生态系统是自然一经济一社会复合的生态系统，湿地生态系统健康是指系统内的 物质循环和能量流动未受到损害，关键生态组分和有机组织被保存完整且缺乏疾病，对长 期或突发的自然或人为扰动能保持着弹性和稳定性，整体功能表现出多样性、复杂性和活 力【l6 1 。湿地的健康是生态系统可持续性的保障，湿地生态系统要可持续地维持或支持其 内在的组分、功能和结构动态健康及其进化发展，必须要实现其生念的合理性、经济有效 性和社会可接受性，这样才能维持区域生态的町持续性发展，从而有助于实现流域或区域 的可持续发展。 湿地生态系统评价的目的是珍断由自然因素和人类活动引起的湿地系统的破坏或退 化程度，以此发出预警，为管理者、决策者提供目标依据，更好地利用、保护和管理好湿 地。因此，对湿地的现状、动态、功能水平进行全面渊查和分析，既要考虑时间因索，又 要涉及空间尺度，在一定的时空尺度内选取适宜性和持续性的健康指标，特别要考虑这些 指标在可预见的较长时间内的变化和稳定性。 3 1 野鸭湖湿地评价模块结构 本文从湿地生态环境、湿地功能、湿地水体富营养化三个方面对野鸭湖湿地进行评价， 以反映野鸭湖湿地总体生态环境状况、湿地功能状况、湿地水质状况。评价模块结构图见 图3 1 。 第二章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设计与实现 野鸭湖湿地评价模块 1r1r1r i 湿地生态环境评价 湿地功能评价 湿地水质富营养化评价 卜 指指指指指指 标 标标标标标 g 。c l 。c 2 。c 2 。c 3 1c 3 。 图3 1 野鸭湖湿地评价模块框架图 湿地生态环境评价从湿地整体状况角度来对野鸭湖湿地进行评价，反映野鸭湖湿地生 态状况；湿地功能评价从湿地的功能层次对野鸭湖湿地进行评价，反映野鸭湖湿地的功能 状况；湿地水体富营养化评价从湿地的水质状况角度对野鸭湖湿地进行评价，反映野鸭湖 湿地水体的污染情况。 在确立野鸭湖湿地评价指标时，参考国内外已有的湿地评价指标体系，遵循整体性原 则、代表性原则、可获取性原则、可表征和可度量原则、定性与定量原则，并针对野鸭湖 湿地的特点，构建野鸭湖湿地评价指标体系。 3 2 基于层次分析法的野鸭湖湿地生态环境评价 3 2 1 鸭湖湿地生态环境健康指标 生念环境状况是反映生态系统内部属性、结构和功能组份的状态特性或是基本概况。 采用生态环境健康指标是为了提供一个较精确又较简便的方法来评价、反映湿地自然环境 生态系统结构和功能的状态及基本情况。本文采用了如下指标来评价野鸭湖湿地的自然环 境健康特征，具体评价标准见表3 - 1 。 第三章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设计与实现 表3 1 野鸭湖湿地生态环境健康评价指标 指标评价指标 o 80 6 - 0 80 4 - 0 60 2 - 0 4 5 0 0 年均蒸发量 1 8 0 0 年均降水量 6 0 05 0 0 - 6 0 04 0 0 - 5 0 03 0 0 - 4 0 0 43 - 42 - 3l 一2 3 2 - 31 - 2 o 6 一l 2 01 0 - 2 04 1 03 - 4 1 5 01 0 0 - 1 5 05 0 - 1 0 03 0 - 5 0 1 5 01 0 0 - 1 5 05 0 - 1 0 03 0 - 5 0 0 3 00 2 0 - 0 3 0o 1 0 - 0 2 00 0 5 - 0 1 0 0 80 6 - 0 80 4 - 0 60 2 - 0 4 5 0 4 0 - 5 0 3 0 - 4 02 0 - 3 0 4 51 5 4 5 ( - 1 5 ) - 1 5( - 4 5 ) 一( 一1 5 ) 8 06 0 - 8 04 0 - 6 02 0 - 4 0 城 尼i z 或蚪- 蝇 七z ( 3 - 3 ) 1 k x i k r , l 或k x f 后z l 慨= 兰 4 ， ( 3 ) 计算湿地功能k 对湿地级别h 的隶属度 设湿地功能k 的r e ( k ) 个指标的权向量为k c o = ( 机，尼哆，后( 。) ) 根据工程模糊集理 论，得到湿地功能k 对湿地功能级别h 的隶属度表达式为 砌l = m ( k ) 丑尼缈( 镌一坶。) p 月，( 正) 【慨( 缸一蝇：) 】p f = l ( 3 - 5 ) 设三类湿地功能的归一化权向量为彩= ( 缈，吐，) ，则湿地综合功能对优级的隶属度 为：甜i = ( q ，哆，鸭) ( 蛾，2 u l ，3 u 1 ) 7 ( 3 6 ) 其中0 甜。1 ，“。的值越接近于1 代表湿地功能越佳。 3 4 基于灰色聚类法的野鸭湖湿地水体富营养化评价 关于水体的富营养化，美国“国家河口富营养化评价 计划专家组于2 0 0 4 年提出了 一个定义：“富营养化是由于营养盐输入的增加而使水体的生产力( 通过有机物测定) 增加 的一个自然过程。营养盐的输入是一个自然过程，但近几十年来各种人类活动大大增加了 营养盐的输入。其可产生一系列的后果，包括有害和有毒藻华、溶解氧耗尽和水下植被及 底栖动物损失。这些效果是互相关联的，并通常被认为对水质、生态系统健康和人类利用 具有负面影响 【2 2 】。 第二章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设计与实现 湿地中的地表水由于水流比较缓慢，水深较浅，相对封闭，再加上点源污染、面源污 染、水资源缺乏等，很容易造成水体富营养化。当水体进入富营养化阶段，其原有的功能 就会逐步丧失，湿地的湿生生境也会逐渐向旱生生境演替，并最终消失，因此掌握湿地水 体的富营养化状况对于湿地的保护和利用具有极为重要的意义。本文采用灰色聚类法对湿 地的水体富营养化进行评价，并得出当前湿地水体富营养化等级以反映湿地当前的水质状 况。 3 4 1 灰色聚类法基本原理 灰色系统理论是由“黑箱”和“灰箱”演变而末的，即山颜色深浅末表示系统信息的 完备程度。内部特性己知的信息系统是白色系统；未知的或非确知的信息系统是黑色系统； 既含有已知的又含有未知的或非确知的信息系统是狄色系统【2 3 1 。狄色系统理论是一种能 够充分利用已知信息来淡化未知信息，最终客观、真实地反映系统本质的系统分析方法 z 4 1 。灰色系统用灰数、灰色方程、灰色矩阵等来描述。 设有n 个聚类对象，m 个聚类指标，s 个不同灰类，根据第i ( i = l ，2 ，n ) 第j 个对 象关于( j = l ，2 ，m ) 个指标的样本值x ；。( i = l ，2 ，r l ：j = l ，2 ，m ) 将第i 个对象归入第 k ( k l ，2 ，s ) 个灰类之中，称为灰色聚类【2 6 】。灰色聚类法有两种：灰关联聚类 和灰类白化权函数聚类。后一种方法，主要用于检查观测对象是否属于事先设定的不同类 别。因此，适用于湿地水体富价养化的评价。灰类白化权函数聚类法评价模型的一般步骤 如下：( 1 ) 给出样本白化值矩阵d = x i j ) ；( 2 ) 确定灰类白化权函数，记函数f i ( j 为第j 个 指标属于第k 个灰类的白化权函数；( 3 ) 确定聚类权nk i ；( 4 ) 确定聚类系数ok j ( 5 ) 构 造聚类向量；( 6 ) 确定各聚类对象所属灰类。 3 4 2 野鸭湖湿地水体富营养化指标 水体富营养化是指氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。本文根据 现有研究条件，结合国内外水体富营养化研究经验，采用表3 7 所示的指标来反映野鸭湖 湿地水体污染情况。 第二章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设计与实现 表3 7 野鸭湖湿地水体寓营养化评价指标 指标评价指标 一级二级三级 四级五级六级 贫营养贫中营养中营养中富营养富营养重富营养 c h l a ( m g m q ) 1 - 02 04 ol o o6 51 6 0 t p ( m g l 1 ) 2 55 02 5 05 0 o2 0 0 06 0 0 0 t n ( m g 。叫) 3 0 o5 0 03 0 0 05 0 0 02 0 0 0 06 0 0 0 0 c o d ( m n m g l 1 ) 0 30 42 04 o1 0 o2 5 o 3 4 2 湿地水质富营养化评价模型 ( 1 ) 数据的无量纲化处理 本文根据现有研究条件选取总磷( t p ) 、总氮( t n ) 、叶绿素a ( c h l a ) 、化学需氧量 ( c o d ) ，作为主要评价指标。选取2 0 0 5 年湿地监测数据，见表3 8 表3 - 82 0 0 5 年湿地水质监测数据 聚类指标聚类对象 官厅水库 妫水公园夏都公园野鸭湖湿地密云水库 c h l a ( m g m ：) 7 65 0 93 4 44 1 52 6 t p ( m g l 1 ) o 1 70 0 4o 0 6o 1 6o 0 2 t n ( m g l 。1 ) 2 1 93 9 71 4 92 5 7o 8 8 c o d ( m n m g l 叫) 1 7 53 7 28 7 42 2 0 71 9 6 在水体富营养化评价中，各聚类指标意义不同、量纲不同，因而不能直接进行计算， 通常要对数据进行无量纲化处理。本文采用平均标准值进行，即用各项的监测结果和分级 标准值分别除以对应项的平均标准值【2 8 】。 ( 2 ) 确定白化权函数 确定第j 个污染物对第k 个评价等级的白化权函数f 。j ( x ；j ) ，所有的f 。j 以各评价等 级标准值痧；为中点，向两侧模糊展开，两侧各级斜率互为相反数，各顶点f k j _ l ，其形状 如图3 - 3 。 第二章野鸭湖湿地信息系统评价模块的设计与实现 ol23456 滓给簿缓酞a i 档觚盱靠c 1 a 硒狮伽“硼 图3 3 各级白化权函数原理 第j 个污染物对k 级的白化权函数为： f k j = 万x - - c 矿；- ! x ( 。k - ! ，彤) 筹州纠+ 1 ) 弦7 ， 0 x i o ，彬一u h ( 3 ) 确定各评价对象对各灰类的聚类系数 先计算聚类权。聚类权的确定方法有：( 1 ) 、样本均差法；( 2 ) 、专家经验法；( 3 ) 、 阀值样本法；( 4 ) 、单纯阀值法。设矽；为j 指标k 类的阀值，为了体现污染因子阀值由“j 越大，毒性越小的思想，本文采用单纯阀值法，其每个指标对于不同的级别都有不同的聚 类权，从而避免了用一个固定的基准划分营养级别的不合理。具体的计算公式为： 蟛：善( 3 - 8 ) 1 彩 然后计算各聚类对象的聚类系数。聚类系数是通过灰数白化函数的生成而得到的，它 反映了聚类样本对狄类的关联程度。设钟为对象i 属于k 类的指标变权聚类系数，则有： 甜2 窆( 勤) 孵 ( 3 9 ) ，= i 将无量刚化后的数据按( 3 - 7 ) 式计算，得到各聚类样本对各灰类的关