武汉城区古树名木数字化管理系统的开发与研究

李焕彬¹ 陈颋²  丁昭全¹   黄祖国¹ 夏文胜¹

（1.武汉市园林科学研究所,武汉,430081　2.武汉武大吉奥信息工程技术有限公司,武汉,430223）
　

摘要：武汉城区古树名木数字化管理系统结合了GIS（地理信息系统）、RS（航空摄影测量）、GPS（全球卫星定位系统）技术的特点，基于1：2000的武汉数字地图和影像，将古树名木在电子地图上精确定位。建立记录古树名木全面数据的数据库，将大量的图形、图象、关系性数据、多媒体数据存储于Oracle大型数据库中；对获取的信息可以通过计算机进行辅助分析评价；提供各种级别的数据保护和权限控制机制。系统通过分布式网络技术和COM/DCOM（组建技术）将图形数据、业务信息及通信协议平台技术有机结合起来，具有强大的柔韧性和整合性，是一个集成目前先进的图形、图像、计算机网络技术的高效、大型、智能软件平台，具有方便灵活的查询统计功能，快捷的报表生成功能，专题图打印功能，全面支持分析和决策功能。该系统是现代信息技术在园林绿化管理中的一项重要应用。

关键词：古树名木；数字化；管理系统

　　曾是历史上四大名镇之首，具有3000年建城史，在近代史上扮演重要角色的武汉，拥有珍贵的古树名木资源。武汉市政府高度重视古树名木的管理、保护，2004年1月武汉市人大常委会颁布了《武汉市古树名木和古树后续资源保护条例》，为古树名木的保护提供了法律上的依据。为了更好地将这些活的文物管理、保护起来，发挥其历史和现实的作用，武汉市园林科研所在《武汉市古树名木数字化管理与保护技术研究》中，建立了古树名木数字化管理系统。

1　古树名木数字化管理系统简介

建立古树名木数字化管理系统，是将现代信息技术应用于园林绿化管理的重要体现，是园林科研的一个新领域，是时代和科技发展的新趋势。武汉城区古树名木数字化管理系统结合了GIS（地理信息系统）、RS（航空摄影测量）、GPS（全球卫星定位系统）技术的特点，基于1：2000的武汉数字地图和影像，将古树名木在电子地图上精确定位。建立记录古树名木全面数据的数据库，将大量的图形、图象、关系性数据、多媒体数据存储于Oracle大型数据库中；对获取的信息可以通过计算机进行辅助分析评价；提供各种级别的数据保护和权限控制机制。系统通过分布式网络技术和COM/DCOM（组建技术）将图形数据、业务信息及通信协议平台技术有机结合起来，具有强大的柔韧性和整合性，是一个集成目前先进的图形、图像、计算机网络技术的高效、大型、智能软件平台，是集信息输入、数据库管理及空间数据分析为一体的信息管理系统。系统具有方便灵活的查询统计功能，快捷的报表生成功能，专题图打印功能，全面支持分析和决策功能。

2　进行详尽的资源调查，采集大量相关数据

在建立古树名木数字化管理系统之前，数据采集人员历时一年，进行了详尽的古树名木资源调查，采集大量相关数据。利用GPS定位仪测定每株古树名木经度、纬度及高程等空间坐标，现场测量出古树名木的基本信息，记录树木周围生长环境情况，拍摄树体全景照片，每个树种选取具有代表性的古树名木，在不同生长季节照像：包括落叶树冬态、展叶，常绿树换叶，以及开花，结果，叶变色，落叶等。通过走访文物办、文化局有关专家，寺庙主持，大学中的知情人士，查阅地方志、大学校史、历史文化建筑相关资料等，收集关于武汉市古树名木的传说及人文掌故。汇总各类数据形成的古树名木数据库。包括古树名木编号、区名、树种、学名、科名、栽植地点、树龄、树高、胸径、冠幅、立地环境条件、生长状况、病虫危害情况、保护级别、养护责任人、确认时间、经纬度坐标、备注等19项内容。

3　古树名木数字化管理系统的优势所在

3.1　古树名木由于其特殊的价值，需要加强养护管理，但现有对古树名木的建档管理存在不足，主要表现在以下四个方面。

3.1.1　对古树名木的建档项目不全，没有完整记录树木的全面信息，没有及时更新各类数据。

3.1.2　各地区、各单位的档案资料分散、易丢失，古树名木行政主管部门难以全面掌握各类信息、数据。

3.1.3　传统的建档方式，面对纷繁复杂的各类资料数据不能进行快速查询和统计分析，工作效率低下，失误现象较多。

3.1.4　缺乏养护管理的科学指标，不便于科学管理和决策。

3.2　与传统古树名木管理方式相比，建立古树名木数字化管理系统后，对古树名木形成了一套全面、动态的监测管理系统。

3.2.1　建立的古树名木数据库包含有每株树木的编号、区名、树种、学名、栽植地点、长势、病虫害情况、养护责任人、人文传说等19项内容，数据定期更新，能够全面动态的掌握古树名木的信息。

3.2.2　武汉城区古树名木数字化管理系统将七个城区的所有古树名木信息全部汇集在一套系统中，市、区园林局及相关单位都可以全面掌握各类信息、数据。

3.2.3　系统将古树名木在电子地图上精确定位后，形成了古树名木分布图，系统能随时调用每一株树木的信息，具有方便灵活的查询统计功能，快捷的报表生成功能，专题图打印功能，全面支持分析和决策功能。

3.2.4　武汉城区古树名木数字化管理系统的建立，使武汉市对城区古树名木的管理进入标准化、规范化、数字化、动态化阶段，大大提高了古树名木的管理养护水平，为园林绿化行政主管部门的决策提供了详实的数据资料。

3.3　与国内现有的古树名木管理系统相比，武汉城区古树名木数字化管理系统有以下特点。

3.3.1　该古树名木数字化系统不仅为用户提供了分布式地理信息数据，建立了完善的古树名木多媒体信息资料库，而且还提供在线分布式地理信息处理与分析的工具。

3.3.2　该系统设计以武汉市范围的DOM（影像）数据、绿化专题数据和基础地形数据为基础，为古树名木的保护和管理工作提供详尽的科学指导依据。3.3.3　该系统采用开放式GIS开发平台，从空间数据的接收、处理、查询、调度、索引到分发，维护数据的一致性和完整性。在空间数据管理平台基础上，提供了图形编辑、空间分析、空间查询、数据转换等强大的功能，并为系统的扩展升级预留强大的功能接口，可适用于不同用户的需求。

4　古树名木数字化管理系统的开发技术

4.1　系统开发原则

4.1.1　科学性原则

科学性是建设现代信息系统的必然要求， 系统在设计和建设中做到系统结构的科学性，即在软硬件选型和配置上科学合理，具有先进性，且经济实用。系统设计要满足用户对空间数据和统计数据的应用要求。

4.1.2　标准化、规范化原则

系统的建设遵循和执行国家统一标准和规范，并在系统建设时形成武汉市统一的图形信息分类编码和属性信息指标体系，以及系统开发的技术规程与标准，同时为部门的业务工作建立规范的模式。4.1.3　先进性和开放性原则

系统的建设采用先进的生产技术、建设方案、建库技术、网络技术，尽量采用可扩充性强、运行效率较高、容易开发和维护的GIS平台以及硬件设备。4.1.4　易用性原则

系统的开发充分体现面向用户的思想，并满足不同层次用户的需要，界面直观、方便友好，并为古树名木管理提供全方位、动态、实时的技术支持，提供完备的联机帮助。

 4.2　系统开发平台

本系统采用武汉武大吉奥信息工程技术有限公司的GeoStar4.0作为开发平台。吉奥之星GeoStar4.0版是一个组件化的系统，所有软件功能都是先有组件再装配成系统。从功能上，组件分成多个级别，第一级是数据操纵组件，主要负责空间数据的读、写、增、删、修改以及一些与数据库相关的操作，如数据库登录、打开、关闭、权限管理，并发控制，索引维护，投影变换等。第二级是空间数据应用函数，包括空间查询、分析、编辑、制图等，最上一级是与图形界面相关的组件，这一级采用ActiveX控件开发。但是下面两层严格遵守COM标准，尽量不用属于微软的特殊技术，目的是尽可能符合CORBA标准，易于改造为便于将来与CORB组件。第一级COM组件以OpenGIS为参考标准，在数据模型上与OpenGIS一致，对象名称和函数形式一致，不够的部分进行扩充，第二级COM自选设计，但遵循简单实用的原则。

吉奥之星GeoStar4.0版是一个基于关系数据库管理系统的新一代GIS，可以与多个数据库连接包括Oracle，SyBase，DB2，Informix，Ingres，并开发了与GeoStar3.0版和基于其他数据库的空间数据引擎。

系统数据库采用了大型空间数据库系统Oracle9i，Oracle9i是当前国际上先进成熟的关系型数据库管理系统。系统使用的空间数据是以Oracle Spatial方式存储在Oracle数据库中，充分保证了数据库系统的稳定性、安全性、高效性和海量数据存储及快速访问能力。

4.3　系统框架结构

整个系统架构基于网络平台上，采用业界标准三层结构，即数据层、业务层和表示层，也可以认为是数据层、管理层和应用层。其架构如图所示：

4.3.1　数据层

是空间数据和业务数据的存放地。数据层使用空间数据引擎来实现空间数据的集中管理，同时使用关系型数据库（Oracle），该关系型数据库同时可作为空间数据引擎的宿主数据库，来实现数据的存储，并集中管理这些数据，保障公共基础空间数据库业务数据的完整性、安全性和灾难防护。

4.3.2　业务层

是实际业务规则的执行部分。业务层通过将正规的过程和业务规则应用于相关数据来实现客户通过表示层发出的业务请求。在此三层体系框架中，专有的GIS模块在业务层中使用COM+技术，将各种GIS应用操作及分析封装在一个或几个COM组件中；对于其他复杂的业务规则和操作，业务层也通过使用COM+技术将其封装在一个或几个COM组件中，并通过表现层向外提供服务。同时在多个用户并发处理时，设计良好的业务层将能较好地平衡系统资源，保证系统运行的畅通。通过这样的处理，GIS信息系统在功能表现上实现了最大的灵活性和稳定性。

4.3.3　表示层

提供用户服务，通过可视化的用户界面表示信息和收集数据，是用户使用应用系统的接口。在该信息系统中，表示层使用GIS组件对象作为用户的地图表现界面，文本、报表等业务信息通过浏览器组件提供，整个客户端软件风格遵循于MS Office界面风格，兼顾用户的计算机使用习惯及专业应用要求显示业务信息，收集客户数据；系统的服务器端负责处理客户通过客户端发出的各种数据请求，专项数据分析处理则实现分布式处理。

4.4　系统开发技术

4.4.1　项目技术内容

　　系统包含的技术内容如下：

> 采用地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）技术进行绿化资源调查，结合实地踏勘工作，取得武汉市城区内的古树名木地理位置及分布等相关资源信息；

> 实现对现有古树名木空间数据和属性数据的统一存储、管理，建立全市古树名木信息数据库；

> 运用GIS技术将古树名木信息与1:2000，1：10000的武汉基础地形数据和影像协同工作；

> 按照园林业务需求，在空间数据和属性数据两个层次上提供灵活的查询、分析等功能；

> 提供专题图生成与打印管理功能，提供灵活的空间分析功能；

> 在局域网络环境中，实现完整的数据和图形的共享；实现工作站与服务器间空间数据和属性数据的更新；

> 提供完整的局域网内空间数据、属性数据的录入、核准、入库流程与技术解决方案；

> 提供空间数据的编辑修改、数据提取、数据检索等功能。

4.4.2　项目技术方案和路线

　　系统的设计技术方案、路线如下：

> 系统采用Client/Server系统架构，在网络系统中运行，为古树名木的研究、保护和管理提供先进的辅助办公手段；

> 系统采用当前国际上先进成熟的关系型数据库管理系统Oracle9i及GIS平台空间数据引擎来实现对基础空间数据和园林管理信息的集中统一管理；

> 系统采用当前国内领先的GIS软件平台吉奥之星（GeoStar）系列软件实现高效实用的空间数据信息的应用开发；

> 在实际古树名木信息数据库的建库工作中，根据当前工作现状和数据的实际要求，结合国内数据加工方面的经验，全面采用吉奥系列工具软件完成数据加工、质检和入库的工作，统一数据的标准，保障数据的质量，确保工程的进度。

５　系统主要功能及应用

古树名木数字化管理系统是应用计算机技术，实现对古树名木空间数据进行录入、编辑、存储、查询、显示和综合分析应用的信息系统。

５.1　古树名木数据浏览

系统将空间数据库中的数据图层打开，在工作区中显示，并提供放大、缩小、漫游等多种浏览手段。实现对空间矢量数据图层的显示，设置其表现（符号、颜色等）形式等。如图：

系统可加载影像数据，实现矢量数据与遥感影像数据无缝拼接、叠加显示，进行数据同步放大、缩小、漫游，使古树名木数据更加直观，易于辨别和分析处理。

５.2　古树名木多媒体信息管理

本系统在电子地图上绘制古树名木分布图，同时将古树名木的相关照片、录像、文字介绍等多媒体资料输入系统，保存古树名木的声像资料及相关传说、人文资料，并记录古树名木在不同季节的生长状态以及周围环境资料等等。实现对古树名木的动态综合管理。

如图：

５.3　古树名木查询功能

提供属性查询、空间查询以及组合查询，提供结果输出功能。

系统提供各种灵活方便的查询方式。查询古树名木属性信息及空间位置，可根据古树名木属性信息定位其空间位置，也可根据古树名木的矢量图形查询其对应属性信息。

查询功能分为两类：一类是空间查询；另一类是属性查询。空间查询是在空间数据上框选范围，查询范围内相关图形数据的属性信息；属性查询是根据设定的属性条件查找满足条件的图形数据。

５.4　古树名木缓冲区分析

古树名木缓冲区分析：利用某一棵古树名木作为基准，设定空间分析半径，分析查询指定的缓冲区域内的古树名木、其他植物品种、建筑、道路等对古树名木可能产生影响的地物对象；同时，也可分析古树名木对这些地物对象的影响作用。

５.5　古树名木数据输出

古树名木数据输出：按照指定空间范围提取古树名木、绿地、建筑、道路、影像等数据，以Geostar数据文件格式或图片文件格式存储，为园林局或直属单位的绿化工作提供数据支持，为古树名木养护人员的工作提供科学依据。

５.6　专题制图打印

系统提供专题制图打印功能，对古树名木数据进行属性信息查询，或进行多条件组合查询，将查询结果提供专题符号配置显示功能，并可将配置的显示结果打印出图。

５.7　数据处理

５.7.1　数据监理

数据的监理是保证数据质量和数据建库质量的一个重要环节，数据监理应支持人工监理和计算机监理两种方式，其中人工监理是依据数据规程和要素分类代码对数据进行符号化，打印出图进行检查：计算机监理是利用计算机快速、准确地对格式统一的数据进行错误检查并输出。

５.7.2　数据入库

主要功能包括古树名木等绿地空间数据库中的数据与其它格式数据之间的转换、各种格式下图形的符号化、数据的分幅与接边、图形与属性的关联等。如图：

５.7.3　数据转换

系统所管理的数据将被用于外业勘测部门进行古树名木数据、绿地数据的修测和有关园林设计部门的规划设计，并广泛应用于武汉市园林建设的各个部门。因此，系统应支持多种数据格式的相互转换功能。

５.7.4　数据更新

数据库的更新需要从以下三方面进行考虑。

第一、数据库更新的作业流程：制定古树名木数据、绿地数据的更新作业流程，从制度上保证作业的规范化，这是数据库能否实时更新、能否准确更新的基本保障。

第二、数据标准：对于更新的数据，除了遵从数字园林数据格式外、还需要定数据更新单元。

第三、数据更新工具：通过数据变更等方式提交上来的更新数据，同样要经过数据监理、转换才能入库。在转换与入库过程中，系统要有强大而自动数据替换能力，以处理更新数据与现有数据的替换、配准等问题，同时需要提供历史数据的备份功能。

５.7.5　数据维护

系统应具有矢量绘图、编辑工具，能够绘制绿化数据常用的各种图形，计算面积，量测距离和查询坐标位置等；有属性增加、删除、修改等维护工具；有数据入库预处理工具等。

６　结语

古树名木管理数字化管理系统是将现代信息技术在园林绿化管理中的一项重要应用，是园林绿化管理信息化、现代化的一个重要方向，如何更好的发挥其功能特别是在开展深层次的科学分析为决策提供依据方面，还需要在实践中逐步完善，促进园林绿化管理现代化、信息化工作的深入。

参考文献

［1］ 龚健雅．地理信息系统基础．北京: 科学出版社,2000．

［2］ 边馥苓．GIS原理和方法．北京:测绘出版社,1996．

［3］ 贾永红．计算机图像处理与分析．武汉:武汉大学出版社,2001．

［4］张海藩．软件工程导论．北京: 清华大学出版社,1998．

译   文