基于MAPGIS建立中比例尺土壤数据库的研究_以河南省为例.pdf

收稿日期2 0 0 6 - 1 2 - 2 1;修订日期2 0 0 7 - 0 3 - 2 8 基金项目国家自然科学基金 4 0 4 7 1 0 6 0 和国家烟草专卖局资助项目1 1 0 2 0 0 4 0 1 0 2 1 资助 作者简介吴克宁1 9 6 3 - , 男, 满族, 北京人, 教授, 博士, 从事土地评价研究。E - m a i l k n w u s o h u . c o m 基于 MA P G I S建立中比例尺土壤数据库的研究 以河南省为例 吴克宁 1 , 张雷 2 , 吕巧灵 3 , 李玲 3 , 杨阳 3 1 .中国地质大学 土地科学技术学院, 北京1 0 0 0 8 3;2 .河南省地球物理工程勘察院, 河南 郑州4 5 0 0 5 3; 3 .河南农业大学 资源与环境学院, 河南 郑州4 5 0 0 0 2 摘要 以M A P G I S软件为平台, 利用第二次土壤普查数据资料, 分析了河南省1 2 0万土壤数据库的制作流程, 介绍了 相关应用成果, 对以土壤数据库为基础的研究前景进行了展望,该成果为推动河南省 “数字土壤” 建设做出了基础性的贡献。 关键词M A P G I S; 土壤数据库; 应用; 河南省 中图分类号S 1 5 9 . 2文献标识码A文章编号0 5 6 4 - 3 9 4 52 0 0 80 3 - 0 4 7 5 - 0 5 V o l . 3 9 , N o . 3 J u n . , 2 0 0 8 土壤通报 C h i n e s e J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e 第3 9卷第3期 2 0 0 8年6月 “数字土壤” 就是将土壤及其相关的地理数据, 借 助于地理信息系统等相关技术通过三维空间模拟重 现地球表面的土壤圈层,它是土壤学融合到现代地学 和信息科学的必然趋势, 也是我国农业、 国土和环保 等部门的迫切要求[ 1 ]。土壤数据库作为 “数字土壤” 的 重要组成部分, 在实际的相关科学应用中发挥越来越 重要的作用。 我国自2 O世纪8 0年代开始进行土壤数据库的 建立和应用工作。目前, 土壤数据库的建立研究多以 大比例尺的市级范围居多, 而以省级为单位进行与土 壤相关数据库的研究较少, 在全国也仅山东、 海南、 湖 北、 湖南等几省[ 2 - 5 ]。目前,河南省还没有系统的开展有 关土壤数据库的应用研究。 河南省第二次土壤普查历时1 0余年,全面查清 了河南省各种土壤资源状况, 明确了各种土壤的主要 理化性状和生产性能。但由于当时计算机和信息技术 等条件的限制, 这些土壤资源的详细资料绝大多数仍 然只存在纸介质上, 分散各级管理部门, 而且缺乏统 一的标准, 影响了人们对这些数据的管理、 更新和应 用。河南省土壤数据库的建立, 对因土施肥、 合理种 植、 调整农业结构, 保护和利用土壤资源, 进行土壤资 源动态变化监测, 实现土壤资源信息共享具有重要的 现实指导意义。 1数据库建立的基础条件 1 . 1基础设施 土壤数据库的制作是建立在地理信息系统基础 上的, 因此本课题以计算机为硬件载体, 由武汉中地 信息工程有限公司开发的地理系统软件M A P G I S 6 . 5 为操作平台, 结合E x c e l 2 0 0 3等软件, 就建立河南省中 比例尺1 ∶2 0万的土壤数据库进行了阶段性研究。实 践证明,M A P G I S软件性能稳定, 应用系统的各个功能 能够完全满足土壤数据库的制作需求。 1 . 2资料来源 土壤数据库的建立需要多种数据, 主要可以分为 空间数据和属性数据,根据本数据库的设计目的, 资 料来源主要包括图件资料和文献资料。 图件资料1 河南省1 ∶2 0万地形图;2 河南省 1 ∶2 0万行政区划图 3 河南省土壤图集[ 6 ]; 文献资料本次数据库建立的基本单元为土属, 研究中所涉及到的土属属性数据, 是根据第二次土壤 普查结果为基础所编写的 河南土种志 、河南土壤 地理 和 河南土壤 [ 7 - 9 ] 中提取出来, 经过专家论证所 得的结果, 并经过一定原始资料的校正, 具有较高的 准确性。 2土壤数据库建立过程 基于M A P G I S建立土壤数据库主要分为两个主 要部分,一方面是建立土壤类型的空间分布数据库,另 图1土壤数据库建立路线图 F i g . 1 T h e m a p o f r o u t e a b o u t E s t a b l i s h m e n t o f a s o i l d a t a b a s e 第3 9卷土壤通报 一方面是构建土壤属性数据库。在两种不同类型土壤 数据库基础上最终建立河南省1 ∶ 2 0万土壤综合数据 库,整个技术路线见 图1 2 . 1空间数据库建立 2 . 1 . 1底图扫描矢量化输入将4 3张土壤分幅图经 过扫描输入到计算机系统中,扫描的图像要求清晰, 能正确辨认图内的各类要素,采用T i f f格式存贮于图 像文件中。然后运用M A P G I S操作平台对输入的图件 进行矢量化追踪以确定土壤实体的具体空间位置。 M A P G I S系统提供了多种矢量化方式。由于图幅 表面的线状要素信息较为复杂,线条间相互交割, 符 号、 注记较多, 因此在实际操作中选择手工矢量化和 交互式矢量化综合运用。 图件矢量化之前, 必需认真分析图上的各个要素, 结合G I S中一般的分层原则, 确定土壤数据库的分层 要素,M A P G I S的图层是用户按一定的需要或标准把 某些相关的物件组合在一起构成一个图层, 如土壤类 型分界线构成一个图层, 地理要素中河流、 道路各自 构成一个图层 表1 。 我们可以把每一个图层理解为一张透明薄膜, 土 壤数据库就是由若干层薄膜叠置而成的[ 1 0 ]。对数据库 进行分层, 有利于图形编辑和检索处理, 避免要素间 相互干扰,当我们对地图编辑时可以调入相应的图 层, 锁定某些无关图层, 这样进入工作区的图形数据 就大大减少, 从而提高屏幕显示速度, 增强屏幕视觉 效果, 清楚地显示所需要部分, 避免了无关图形干扰 编辑者视线,也有利于不同用户从数据库中调用数据, 生成满足不同专题地图要求的基础数据。 2 . 1 . 2误差校正图件数字化输入的过程中, 通常由 于操作误差, 数字化设备精度, 图纸变形等因素, 使输 入后的图形与实际图形的位置往往有偏差, 即存在误 差。因此必需经过误差校正, 才能使之满足实际要求。 河南省1 ∶2 0万的土壤数据库是在4 3张土壤分幅图 的基础上建立起来的, 每一幅图通过扫描都会产生不 同的误差。在实际制作中, 根据M A P G I S应用手册, 对 每一幅图都进行误差校正, 避免操作错误, 把误差降 到最低值。 2 . 1 . 3投影变换投影变换是将数字地图由一种投 影转换为另一种投影的坐标变换, 实质是建立两平面 场之间点的一一对应关系[ 1 1 ]。 建立数据库过程中, 如果 不进行投影变换, 其最终成果将是屏幕坐标系下的数 据库, 其比例并不是真正的1 ∶2 0万。数据库制作中 以北京5 4坐标系为参数,对每一张分幅图进行高 斯克吕格投影。通过投影变换, 使土壤数据库由屏 幕坐标转化为投影平面坐标。结果证明, 经过投影变 换后的河南省土壤数据库的空间面积为1 6 . 6万k m 2 , 正好与河南省的实际面积基本符合。 2 . 1 . 4拓扑造区拓扑造区是数据库制作中由线到 面的必经环节, 通过M A P G I S数字化功能得到的线数 据, 通过自动剪断线、 删除微短线处理和拓扑线检查, 把线文件制作中的各种人为错误全部排除。接下来运 用线转弧段功能把线数据转为弧段, 经过拓扑重建形 成土壤区文件, 运用M A P G I S的数据库管理操作系统 中的同类文件合并功能,把4 3张分幅图的数据合并为 一个整体, 然后经过点、 线、 面的整体修饰, 形成1 2 0 万的河南省土壤空间分布数据库 图2 。 2 . 2属性数据库建立 2 . 2 . 1属性数据的整理属性数据的获取与土壤空 间数据库的制作同步进行, 互不影响。本研究根据土 壤图的现状以 “土属” 作为土壤数据库的基本单元, 查 阅 河南土种志 、河南土壤地理 和 河南土壤 等相 关资料, 并在专家的指导下, 选取了2 6项土壤性状, 把这些性状信息都进行了整理,然后输入到E X C E L 表中。 2 . 2 . 2属性连接将含有土壤土属属性的E X C E L文 表1矢量化分层信息 T a b l e 1 T h e i n f o r m a t i o n o f s t r a t i f o r mv e c t o r 文件名称 土壤界线 权属界限 线状地物 等高线 字段所含信息 土属单元名称 省界, 县界, 乡界等 公路, 铁路, 河流等 首曲线, 计曲线等 图层 1 2 3,4,5,6 7 图2河南省土壤数据库分布图 F i g . 2 T h e m a p o f t h e s o i l d a t a b a s e d i s t r i b u t i o n i n H e n a n p r o v i n c e 4 7 6 3期吴克宁等 基于MA P G I S建立中比例尺土壤数据库的研究 件转为M A P G I S可接受的* . w b格式, 并在已建立好的 土壤空间数据库中选取区文件,建立属性字段,其中与 E X C E L表中有共同的 “图斑代码” 作为属性连接的关 键字段,通过M A P G I S软件操作界面上属性连接功 能, 把E X C E L表中的土壤属性连接进入数据库中 表 2 , 建立起土壤属性数据库。 2 . 3土壤数据库建立 土壤数据库由空间数据库和属性数据库组成。没 有属性内容, 我们所建立的土壤数据库仅仅只能表现 土壤类型在全省的空间分布, 而每一个土壤类型的物 理和化学等属性却没有储存于土壤数据库中。 通过以上的主要数据库制作过程, 把土壤空间数 据库和属性数据库进行了有机的结合, 把平面土壤纸 图转变为二维的可以进行动态变化分析的数据库形 式, 在此基础上我们可以通过查询系统, 了解到河南 省土属级别的各种属性。 表2土壤数据库中的属性特征 T a b l e 2 T h e c h a r a c t e r i s t i c o f a t t r i b u t e i n s o i l d a t a b a s e 字段名称 图斑代码 图斑名称 土类代号 土类名称 亚类代号 亚类名称 土属代号 土属名称 成土母质 剖面构型 土层厚度 耕层厚度 c m 表层颜色 表层质地 表层结构 表层孔隙度 石灰反应 字段类型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 浮点型 浮点型 字符型 字符型 字符型 字符型 字符型 字段长度 1 0 1 0 0 1 0 8 0 8 0 8 0 3 0 5 0 5 0 8 0 1 5 1 5 2 0 2 0 5 0 2 0 1 5 小数位数 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 字段名称 石砾含量 g k g - 1 障碍层次 障碍层距地表深度 c m p H 有机质 g k g - 1 全氮 g k g - 1 全磷 P,g k g - 1 全钾 K,g k g - 1 速效磷 P,m g k g - 1 速效钾 K,m g k g - 1 阳离子交换量[ c m o l k g - 1 ] Z nm g k g - 1 Bm g k g - 1 M om g k g - 1 C um g k g - 1 F em g k g - 1 M nm g k g - 1 字段类型 浮点型 字符型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 浮点型 字段长度 1 5 8 0 1 5 1 0 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 小数位数 4 0 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 MA P G I S在数据库制作过程中的优 缺点分析及主要问题处理 3 . 1优点分析 M A P G I S是个比较理想的地理信息系统软件系 统, 有着众多的优越性, 在本数据库制作过程中主要 表现在 1 图形输入操作比较简便、 可靠、 能够适应数据 库建立需要 本软件能自动进行线段跟踪, 结点平差, 多边形拓普结构的自动生成, 以及错误的自动检测从 而大大简化了图形输入操作, 保证了输入的可靠性。 2 图形数据与应用数据的一体化管理M A P G I S在 数据库的制作过程中, 以严格的点线面拓扑结构存储, 并用图形数据库进行管理,同时土壤的各个属性数据 由专业属性数据库进行管理,二者通过关键字段进行 连接, 从而实现图形数据与应用数据的一体化管理。 3 具有功能齐全的空间分析和查询功能M A P G I S 基本包括了通用的地理信息系统的空间分析功能, 如 空间迭加分、 缓冲区分析、 统计分析等, 这些功能可以 在本数据库中既可以单个运用也可以综合运用。另 外, 本数据库具有灵活方便的查询功能, 如区域检索、 图示点检索、 综合条件检索等。 除以上主要优点外, 本数据库还具有良好的数据 可交换性、 二次开发等特性。 3 . 2缺点分析 在实际应用中发现M A P G I S还存在不少缺憾, 主 要表现在以下几方面 1 菜单工具板的应用没有其它同类型软件方便 快捷, 并且没有在应用界面上直接显示出来, 需要点 击才能弹出, 操作过程比较复杂, 一个的简单工程需 要多个程序来完成; 2 图幅合并功能不灵活, 如果几幅图要转换为 一幅图, 要事先确定各图幅的位置坐标, 不能像有的 地理信息系统软件那样可以随意的移动、 拼接; 4 7 7 第3 9卷土壤通报 3 在数据库的整饰方面, 如图斑渐变色的填充, 文字的艺术处理等效果都不能很好的应用; 对象元素 的修改编辑随意性差, 例如对某个文字大小的调整只 能用数值来控制, 而不能随意地在屏幕中拉伸等等。 以上缺点表明M A P G I S软件在土壤数据库制作中 有许多缺憾之处,有待于不断地改进和完善。尽管 M A P G I S软件有不足之处, 但综合其性能, 同其它相关 软件对比,仍然有巨大优势,使得我们能够把河南省 土壤数据库制作得更加完善。 3 . 3主要问题分析及处理 在数据库的制作过程中,问题和困难在所难免, 主要表现在4 3张分幅图的合并和图幅间线状要素的 拼接处理。 3 . 3 . 1图幅合并处理土壤数据库的最终表现出一 个整体结构,河南省1 ∶2 0万土壤数据库是在4 3张 土壤分幅土壤图的基础上构建起来的,因此,分幅图合 并就成了关键问题。在实际操作中,我们利用M A P G I S 的投影变换功能,根据每一张分幅图左下角表明的经 纬度,进行高斯投影转换,生成1 ∶2 0万的标准图框,以 其中一个的标准图框为基本文件,把其它4 2个标准图 框依此添加,合并成一个整体的1 ∶2 0万河南省标准 图框。在此基础上, 根据误差校正功能, 把每一幅土壤 图与各自对应的投影图框为参照物, 校正到正确的投 影位置上, 然后运用图幅合并功能, 把4 3幅土壤分幅 图转化为一幅1 ∶2 0万的河南省土壤图, 在此基础上 进行数据库的空间和属性深入处理。 3 . 3 . 2图幅接边处理在图幅合并过程中, 相邻图幅 之间的土壤分类界线和线状地物等要素存在接合误 差, 主要表现在相邻的对应处出现上下偏移等等。为 了消除这些误差,对相邻图幅边界需进行接边处理, 使这些线状地物的错位现象得到恢复。例如, 两个图 幅之间应该相连的土壤线错位达1 2 m m图3 , 通过 接边处理, 把这些错位偏移的线对接在一起, 当4 3张 土壤分幅图拼接为一完整地图时, 不至于让人感到整 幅图是分块的结果 图4 。 4土壤数据库的应用 数据库制作的完成并不代表研究任务的结束, 作 为一个基础数据资料库, 土壤数据库可以在多个方面 的应用发挥作用。 4 . 1土壤专题数据库的应用 本课题研究的土壤数据库包含土种的多个属性, 其中每一个属性就可以制作出一个专题数据库,不同 的专题图库可以满足不同科研和实际工作的应用。例 如, 在土壤数据库基础上制作出得土壤有机质含量的 等级分布数据库 图5 , 为河南省的土壤改良提供有 力的数据和空间支持, 根据这个专题库, 我们在有机 质含量少的区域进行重点施有机肥, 在有机质含量较 多的地方, 可以考虑适当施肥, 从而避免盲目的全面 施肥, 有效地节约了大量的人力、 物力和财力。在此原 理基础上, 我们相继完成了, 河南全省的p H值、 全氮、 全磷、 全钾等土壤属性专题数据库。 4 . 2不同区域的土壤数据库应用 土壤数据库应用的另一个重要方面是与全省的 行政区域数据进行结合, 可以制作出不同等级行政区 域的土壤数据库, 为社会的经济发展服务。例如 在本 数据库基础上制作出的郑州市郊区1 ∶2 0万的土壤 数据库 图6 , 与郑州市科技局制订了合作意向, 将数 据库有关的土壤环境数据公布到互联网上, 为地方经 图4图幅接边处理后的土壤线 回位 F i g . 4 R e c o v e r i n gt h eo r i g i n a l p o s i t i o n a f t e r t h e s o i l l i n e w e r e c o n n e c t e da t t h e b o u n d a r y o f p i c t u r e 图3图幅交界处的土壤线 错位现象 F i g . 3 T h ep h e n o m e n o no fs o i l l i n ed e v i a t i n gt h eb o u n d a r yo f p i c t u r e 图5土壤有机质等级分布图 F i g . 5 T h e m a p o f d i s t r i b u t i n g o r g a n i c m a t t e r s g r a d e s i n s o i l 1 0 02 0 0 k m0 0 1 0 g k g - 1 1 0 1 5 g k g - 1 1 5 2 0 g k g - 1 2 0 g k g - 1以上 4 7 8 3期 图6郑州市土壤数据库分布图 F i g . 6 T h e m a p o f t h e s o i l d a t a b a s e d i s t r i b u t i o n i n Z h e n g z h o u c i t y 济特别是农业经济的发展提供用力的理论决策支持。 5结论与展望 1 研究结果表明, 河南省土壤数据库包括空间 数据库和属性数据库,与手工绘制的土壤图相比, 包 含的数据信息更加丰富和完善, 能够充分体现河南省 第二次土壤普查的成果, 并在此基础上可以做各种专 题分析。 2 数据库完成后并不是一成不变的, 研究成果 可以为其它不同比例尺的土壤数据库制作以及土壤 信息系统的建立提供一定的经验, 从而有力地推动河 南省乃至我国 “数字土壤” 基础建设的发展。它既可以 在局部土壤科学研究的基础上完成数据更新, 也可以 和遥感技术相结合对土壤现状进行动态监测, 做到土 壤性状变化数据的即时录入, 丰富数据库的内容。另 外, 土壤数据库的完成可以为今后开展的第三次土壤 普查提供相关数据支持,并且可以为土壤近2 0年的 变化进行对比分析。 3 土壤数据库是一个基础性的成果, 它可以为 土壤S O T E R、 土地评价以及精准农业的相关研究提供 数据和技术支持, 在此基础上进行相关科学研究可以 节省大量的时间和人力、 物力。另外它还可以为土地、 农业、 林业等相关部门的规划、 管理提供数据支持, 为 政府对相关的社会经济发展的宏观调控做出贡献。 参考文献 [ 1 ]史学正,于东升.“数字土壤” 2 1世纪土壤学面临的机遇与挑战[ J ] . 土壤通报, 2 0 0 0 , 3 1 3 1 0 4 - 1 0 6 . [ 2 ]张学雷,扬玉建.山东省l1 0 0万S O T E R数据库的建设与初步应用 研究[ J ] .山东农业大学学报自然版 , 2 0 0 1 , 3 2 2 1 3 6 - 1 4 2 . [ 3 ]周勇,王庆云,李学垣,等.湖北省土壤系统分类数据库系统的建立 [ J ] .华中农业大学学报, 1 9 9 6 , 1 5 6 5 4 0 - 5 4 4 . [ 4 ]冯跃华,邹应斌,袁江,等.湖南省土种资源数据库管理系统的建 立以紫色土为例[ J ] .土壤通报, 2 0 0 5 , 3 6 6 8 1 7 - 8 2 0 . [ 5 ]吕成文,陈志诚,陈鸿昭,等.海南岛12 0万S O T E R数据库的组织与 设计研究[ J ] .水土保持学报, 2 0 0 3 , 1 7 6 1 1 0 - 1 1 3 . [ 6 ]河南省土壤普查办公室编, 河南省土壤图集[ M ] .西安西安地图出版 社, 1 9 9 6 . [ 7 ]秦宏德,刘凯,申眺,等.河南土种志[ M ] .北京中国农业出版社, 1 9 9 5 . [ 8 ]魏克循.河南土壤地理[ M ] .郑州河南科学技术出版社, 1 9 9 5 . [ 9 ]河南省土壤普查办公室编, 河南土壤[ M ] .北京中国农业出版社, 2 0 0 4 . [ 1 0 ]许小黔.基于M A P G I S地质图件数字制图技术[ J ] .西部探矿工程, 2 0 0 6 , 1 1 7 9 4 - 9 6 . [ 1 1 ]刘少毅,谢鹏,李鹤元, 等.数字栅格图象的投影转换[ J ] .测绘科学 与工程, 2 0 0 4 , 2 4 3 3 3 - 3 5 . 吴克宁等 基于MA P G I S建立中比例尺土壤数据库的研究 E s t a b l i s h me n t o f t h e Me d i u mS c a l e S o i l D a t a b a s e B a s e do nMA P G I S AC a s e i nH e n a nP r o v i n c e WUK e - n i n g 1 , Z h A N GL e i 2 , L VQ i a o - l i n g 3 , L I L i n g 3 , Y A N GY a n g 3 1 . D e p a r t m e n t o f L a n dS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e , B e j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a; 2 . H e n a nA c a d e m y o f G e o p h y s i c a l a n dE n g i n e e r i n g E x p l o r a t i o n;3 . C o l l e g e o f R e s o u r c e a n dE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s , H e n a nA g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2 , C h i n a A b s t r a c t T a k i n gM A P G I Sa st h ep l a t f o r ma n dc o n n e c t i n gt h ed a t af r o mt h es e c o n ds o i l s u r v e y , w ea n a l y z e dt h e p r o d u c i n gp r o c e s s e s o f t h eH e n a nP r o v i n c e s 1 ∶2 0 0 , 0 0 0s o i l d a t a b a s ea n di n t r o d u c e dt h er e l a t e da p p l i c a b l er e s u l t . M o r e o v e r , w e a l s o m a d e s o m e p r o s p e c t s a b o u t t h e u s e o f t h e s o i l d a t a b a s e . K e yw o r d s M A P G I S ; S o i l d a t a b a s e ; A p p l i c a t i o n ; H e n a nP r o v i n c e 4 7 9