鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统开发.docx

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鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统开发

鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统开发

暨鄱阳湖研究资料和信息中心建设

鲍曙明1、林珲2

1江西师范大学鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室主任

2香港中文大学中科院地理信息科学联合实验室主任

１．研究意义：

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，其流域面积占江西省国土面积的97.2%。

鄱阳湖对于我国气候和环境变化，尤其是对长江中下游地区的蓄洪分洪、淡水供应，有着十分重要的影响。

鄱阳湖生态环境独特，不仅拥有丰富的生物资源和淡水资源，而且具有巨大的调蓄洪水和保护生物多样性等特殊生态功能，是我国十大生态功能保护区之一，也是世界自然基金会划定的全球重要生态区之一。

历史上的江西省曾是经济发达、人文荟萃之地。

随着交通方式变化和自然条件的限制，江西省的社会经济和教育在全国的相对地位和影响逐渐下降。

同时由于受到自然和人类活动等因素的影响，近年来洪灾频率加大，一度得到控制的血吸虫病也开始呈上升趋势。

这些问题严重威胁到鄱阳湖丰富自然资源和良好生态环境的保护，同时也制约了江西省的社会经济发展。

为了提高江西的社会经济发展水平，改善人民卫生健康条件和生活水平，同时也保护好鄱阳湖及其流域的生态环境，国家和地方政府均作了大量努力，包括1987年的鄱阳湖综合治理科学考察，并在此基础上成立了山江湖开发治理委员会办公室。

鄱阳湖流域是中华大地上一个典型的“天－地－生”生态复合系统，其典型特征包括水文资源、土地利用与自然环境变化对人类生存环境变迁和公共卫生条件的巨大影响，以及人类社会经济活动对环境产生的反作用和负效应。

深入综合地研究鄱阳湖区生态环境等资源条件，已成为该地区可持续发展，环境保护和综合治理的迫切要求。

江西师范大学抓住历史机遇，于2003年成功申请建立了鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室，并把鄱阳湖研究学科群列为江西师范大学名牌学科群建设的重点之一。

在江西师大的特区政策支持下，实验室从海内外聘请了一批CPGIS专家学者担任实验室主任、副主任和学科带头人（包括来自密西根大学的鲍曙明博士，密西根州立大学的齐家国博士，西密西根州立大学的何缠生博士，中密西根大学的李宾博士等）。

自鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室经教育部批准同意进入建设阶段以来，实验室已经围绕实验室学术方向、人材队伍、合作平台和管理制度等方面作了大量建设工作，取得了初步成效。

目前已初步在水文水质模型与管理政策、环境变化观测与遥感应用、湖区公共卫生健康与人民生活、湿地生态多样性、资源利用与地区发展等研究方向组成由海内外学者共同参与的研究梯队，并与国内外一些知名大学和学术机构建成了密切的合作关系，包括美国加州大学伯克利分校，威斯康星大学，密西根大学，密西根州立大学，西密西根大学，中密西根大学，克莱姆森大学，香港中文大学，中科院遥感所，中科院地理所，南京土壤所，南京湖泊所，北京大学，清华大学，南京大学、北京师范大学等单位。

江西师范大学在实验室的依托下，还与中国海外地理信息科学学会（CPGIS）和美国西切斯特大学等分别就国际人材基地建设和校际研究合作等签署了长期合作的协议。

在海外专家学者的指导和带领下，实验室已经组织了多次学术讲座交流活动，并组织师大教师和科研人员围绕实验室重点研究方向，积极开展课题申报工作，争取国内外资助（见实验室第一期简报）。

为了进一步加强实验室科研信息基础设施建设、巩固和扩大实验室研究队伍、提高实验室国际合作平台的凝聚力，吸引更多海外华人学者的参与，同时也进一步推动海外华人学者与国内外学者的合作研究。

该项目拟依托江西师范大学鄱阳湖生态环境与资源研究重点实验室和香港中文大学中科院地球信息科学联合实验室，在江西师范大学建立一个以研究鄱阳湖人文－生态复合系统可持续发展为目标的空间信息共享平台与教育系统。

该项目将围绕实验室重点研究目标，建立一个为科研和教育服务的空间信息共享平台，在此基础上组织海内外有关学者，应用现代化的科学理论与方法对中国以湖泊为核心的区域问题进行综合性研究（尤其是鄱阳湖流域和长江中下游流域系统）。

该平台的建设将进一步为更多海外华人学者参与鄱阳湖研究提供研究条件和合作机会，并在此基础上形成长期、稳定的以吸引海外华人学者（如CPGIS）为目标的国际合作研究基地，培养高水平高质量的研究梯队，提高国内在该领域的研究水平，同时也使鄱阳湖的研究更多地得到国际社会的关注，进而推动国内外合作研究，进一步增强中国国际合作项目中所产生的影响。

鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统的建立是一项为全国的鄱阳湖流域科学研究和环境教育提供服务的基础性工作，将成为全国研究鄱阳湖工作共享的基本数据库，为其它学科的研究工作提供相关信息，为政府部门提供决策依据，并为国际合作和交流提供基础，成为以现代空间信息技术为支撑的高效数据服务系统，为鄱阳湖流域的资源开发、环境治理、经济建设和社会发展提供研究和教育上的支持。

与此同时，鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统还将成为全国湖泊资源环境数据库乃至江西省、国家空间信息基础设施的重要组成部分，成为其它学科研究的信息源，为政府部门提供决策依据，为高等教育和环境教育提供综合性平台，并为国际合作和交流提供基础。

鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统的建设将对实现信息共享、提高公众对鄱阳湖环境保护的意识及增加外界对鄱阳湖的了解、打造鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室这一国际研究平台等具有重要意义。

在近期实验室建设阶段，本项目将对计划建设中的水文水质模型研究室、土地环境观测和遥感应用研究室、环境与公告卫生教育研究室、湿地生态多样性研究室、区域可持续发展研究室等提供信息基础设施支持。

同时，该项目的建设将为实验室正在进行和组织准备进行的一些重大攻关课题提供数据共享和技术支持，包括：

GOFC/GOLD及NEESPI支持下的中国土地利用/覆盖动态研究（齐家国等）、江西省与周边地区的区位联系分析（鲍曙明等）、中国血吸虫病早期预警系统的应用研究（宫鹏等）,鄱阳湖土地动态变化及洪水响应的脆弱性（DanielBrown和鲍曙明等）、鄱阳湖区非点源污染物对农产品影响的研究（游海等）、鄱阳湖区人工与天然生态系统中碳氮平衡研究（齐述华、齐家国等）、鄱阳湖近千年来湖泊沉积过程及重金属元素输入过程研究（贾玉连等）、鄱阳湖典型湿地生态系统生态过程及优化管理（朱笃等）、鄱阳湖湿地遥感动态监测系统（陈良富）等。

2．项目研究的技术背景和进展

空间信息共享平台与教育系统是软硬件支持下，实现空间信息共享、科学分析与可视化的平台，目前已成为地球信息科学的研究热点和前沿，自从1987年美国科学基金会提出“科学计算可视化”的报告以来，该领域获得了蓬勃发展。

所谓可视化是指在科学与文化艺术领域内，对其采集或计算的数据及思维想象，转化为图形或图像的方法和过程。

其目的是直观地为人的感官所接受，进一步启发人的思维创造，有助于探索、认识和发现自然和社会现象的本质特征和规律。

对于空间信息可视化的研究，在科学可视化领域中占有重要地位，空间信息可视化的表达，实际上是以地图形式反映制图对象的分布结构、变化趋势、地区差异和相关联系等。

地图可视化在吸收一系列高新技术的基础上比传统地图学有了很大的发展，1995年国际制图学会（ICA）专门成立了地图可视化委员会，并制定了一系列研究目标，例如探索从“最佳地图”到多角度表达的地图，发展一些概念模型和相关工具来描述时空过程，加强动态地图与时态GIS的联系，研究三维表达工具及在科学可视化中的作用，研究空间数据探索分析方法，以及基于地图的决策工具及计算机界面设计策略等。

国内一些科研机构也大力开展了这一领域的工作，如中科院把空间信息多维可视化和地理环境的虚拟现实等列入国家科技创新工程项目，并取得了一些重要成果，三维可视化软件等工具已推向市场。

总之，空间信息可视化目前已突破传统二维表达，向多维、动态交互和虚拟方向发展，功能不断扩展，由信息传输拓宽到交互探索，为提高现代研究的教育水平提供了重要工具。

3.本项目研究内容、研究目标和拟解决的关键问题。

（１）研究内容

1）鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统设计

研究鄱阳湖空间信息共享平台与教育系统的结构及其功能构成；

结合现有和在研的鄱阳湖流域相关研究资源，提供鄱阳湖流域数据的检索和查询，提供数据应用模式及演示模块；

建立鄱阳湖流域专题信息共享和发布系统，逐步完善信息共享机制；实现多比例尺、多数据源、分布式、多时态、多种数据格式基础地理信息的管理和分发；

2）鄱阳湖流域基础地理数据库建设

按照国际、国内相关标准，通过合作研究建立江西省和鄱阳湖流域1：

25万基础地理数据库，包括矢量数据库、影像数据库和DEM数据库，并通过简化综合，生成1：

50万和1：

100万共三种比例尺地理基础数据库。

建立江西省地面高程数字模型（DEM），其网格尺寸分别采用300300米，200200米和100米100米，对重点地区进行必要的加密处理；以及补充重要山峰和特征地形部位高程点；

在现有1：

100万土地利用数字地图基础上（全省89幅），生成1：

25万和1：

50万土地利用数据文件，并利用现势的遥感图像进行更新处理和编辑；

建立江西省水系、湖泊、水库、渠道等水文要素数据文件，表示5级水网结构和流域界线及河流名称等属性信息。

建立全省居民地、政区境界数据文件，使用现势资料更新省、县（市）、乡、镇行政边界和驻地；

建立全省交通数据文件，表示铁路、高速、国道、省道、县、乡道多级公路网和航运路线等；

建立江西省人口乡镇和县级人口数据文件

建立鄱阳湖湖泊水文、湖水理化性质、湖泊生物、湖泊生态、水环境等专题数据库；

通过项目驱动的方式，利用遥感信息提取、专题图件收集和统计资料逐步建成鄱阳湖流域1：

5万空间数据库和1：

1万典型小流域空间数据库，包括流域地学背景数据，土地利用数据，生态环境方面的数据以及社会经济数据等等；

通过收集整理已有影像数据，并依靠项目驱动逐步建立多时相、多分辨率的鄱阳湖遥感影像数据库。

元数据库的建立

３）鄱阳湖知识信息库的建设

这部分工作将围绕鄱阳湖，建立各种知识信息库，包括：

●地理环境知识库（如鄱阳湖地理状况、环境变迁移等）

●水文环境知识库（如鄱阳湖水文、水质、地质、气象等）

●生态环境知识库（如鄱阳湖植物、动物等生态资料信息）

●公共卫生知识库（如包括血吸虫在内的寄生虫、环境污染、及相关卫生健康常识等）

●人文环境知识库（如鄱阳湖历史、文化、自然风光等）

●地区经济知识库（如鄱阳湖地区的农业、工业、渔业、林业和人民生活等）

４）鄱阳湖空间信息教育系统的开发研究

多源空间数据的格式转换与数据融合；

空间信息表达与可视化转换处理；

鄱阳湖地区景观模型和动态地图可视化设计；

教育系统的平台建设；

（２）研究目标

初步建立鄱阳湖空间信息共享平台，在此基础上，通过综合运用现代制图可视化的方法技术，实现对该地区生态环境等问题调查研究成果的可视化表达，建立鄱阳湖环境教育系统，做到功能齐全、稳定安全、界面友好、应用简便和用户欢迎。

拟解决的关键问题

多元空间数据融合；

空间信息共享机制；

可视化的数据组织方法；

教育系统界面和结构设计；

（3）本项目的创新之处

充分引进国内外当前最先进的地理信息技术和地理信息系统开发理念，针对鄱阳湖流域生态环境与资源研究需要，研究并建立覆盖全流域的大范围多尺度多维的基础地理信息共享平台和教育系统，为广泛的科学研究和社会化应用提供可靠的基础地理信息平台和可视化环境以及空间数据综合处理手段与多层次的地学信息服务。

（4）研究工作的预期成果

•项目完成后建立一套具有自主知识产权的鄱阳湖空间信息共享平台和教育系统软件和软件详细说明书；

•提交可以应用服务的基础地理数据库，主要包括：

鄱阳湖地区1:

25万比例尺地理基础数据文件、1：

25万土地利用数据文件、典型地区1:

5万比例尺的地理基础数据文件和土地利用数据文件、人口分布数据文件等数据产品，数据质量符合国标或国家基础地理信息中心统一标准，数据量达到数据内容所描述的数据分布范围和数据完整程度，满足基本的应用需要具备数据补充和更新能力；

•提供上述数据源经过数据融合处理和可视化加工，约有二十幅不同类型地图文件及成品演示；

•能够提供基于网络的数据应用模型和范例；

•年度项目进展报告和项目研究总报告；

•每年发表2篇以上高水平的学术论文；

•在大范围多尺度多维空间数据管理、显示、应用服务的关键技术上有所创新；

4、研究方法和技术路线

（1）拟采取的研究实验方法、步骤、技术路线及可行性分析

研究实验方法

借助易扩展、易推广、先进适用的软硬件平台，在需求分析的基础上，按照统一标准进行系统的总体设计，采用先进的数据存储、OOP和GIS技术，结合Internet/Intranet环境开发专业化、用户化的空间数据共享及教育系统；

统一开展空间数据共享平台、应用技术、可视化技术的研究，重点研究制定出数据标准和建库规范、大规模三维场景可视化数据的组织方法、空间信息的三维表达技术，开展数据库的建设示范，然后有重点、分类型地进行全流域基础数据库的建设；研究开发出数据库共享平台、教育系统和应用模型。

系统的建设遵循先进性、开放性、兼容性、安全性、保密性、可靠性的原则边建设、边应用、边完善。

（２）技术路线

1）研究并确定系统结构及功能框架

根据系统网络环境和管理海量数据的要求，研究数据共享平台及教育系统设计和建设原则，探讨系统体系结构、功能框架及其相应的维护和更新方法。

2）按照国标、部标、参照国内外有关规则编制数据共享平台相关规范和标准。

•鄱阳湖流域基础地理数据库编码标准

•鄱阳湖流域基础地理数据库数据质量标准

•鄱阳湖流域基础地理数据库数据更新原则和方法

•鄱阳湖流域基础地理数据库设计共享规范

•鄱阳湖流域基础地理数据库元数据库标准

•鄱阳湖流域基础地理数据库管理规范

（3）研究数据需求，建设数据共享平台

根据鄱阳湖研究工作需要和相关进展，研究数据需求和组织数据采集、验收、交换等。

系统数据组成：

数据库的建设包括不同尺度和精度的基础地理数据库、不同范围和要求的专题属性数据库、不同时段和分辨率的遥感影像数据库及用于数据说明的元数据库：

数据生产方案：

鄱阳湖流域基础地理数据库含有矢量数据、栅格数据、遥感影像数据、DEM数据和属性数据等信息。

在信息的采集方面，不同的信息采取不同的入库方式：

（4）探讨共享服务网络系统

建立基于鄱阳湖流域基础地理信息共享的WEB服务器、信息共享系统的因特网主页和元数据库，及鄱阳湖流域相关的服务程序；确定数据库的共享范围和共享级别；实现与江西师范大学局域网的联接和网络访问界面程序与数据库的动态连接。

（5）研究并建立数据教育系统

包括数据模型的设计与对象的创建、地理信息可视化技术、模型和数据的转换和输入输出、GIS虚拟环境下可视化分析与地学过程建模技术、鄱阳湖流域地表过程的可视化、鄱阳湖洪水演进的可视化、鄱阳湖流域地理环境、水文环境、卫生环境、生态环境、经济环境等可视化教育等。

5、可行性分析

•该项目组主要成员由国内外的地理信息系统专家组成，包括系统设计、软件开发、数据库建设、计算机操作以及地理、制图、生态、环保等专业人员，涵盖项目研究的所有方向，具有坚实的人才队伍。

•结合项目要求，广泛开展调研，并对中科院地理科学与资源研究所和北京灵图软件科技有限公司已有科研成果进行分析集成，制定开发研究方案；通过继承和创新，少走弯路，做到高起点；

在项目的技术路线上抓住技术关键，突出重点，从需求分析出发，建设好软件演示平台，重视用户界面开发；在数据集成上强调地区特点，实现多源数据的融合；在可现化表达上，展示研究地区的主要矛盾和问题，反映生态环境变化和人地关系特征。

6、研究工作的总体安排及进度

2004.10——2004.12，项目调研分析和方案制定；

2005.1——2005.12，研究有关鄱阳湖空间信息共享平台的共享机制和维护、管理规范，整理和搜集鄱阳湖空间信息与属性数据，并进行加工和处理，按“鄱阳湖空间信息关系平台”的有关数据标准和规范来建立相关数据库；

2006.1——2006.12，系统平台建设、教育系统设计和开发；

2007.1——2007.6，系统整体调试及集成；

2007.7——2007.9，项目总结。

6、实现本项目预期目标已具备的条件

本课题的主要合作者（包括密西根大学、密西根州立大学、加州大学伯克利分校、香港中文大学等），已经在有关空间数据分析（鲍曙明）、水文模型（何缠生）、土地利用模型（齐家国）、传染病演变时空模型（宫鹏）、和GIS虚拟环境系统显示（林珲）等方面做了很多前沿性研究工作，这些成果达到国际先进水平。

本项目的主要参加者之一的香港中文大学（中科院地球信息科学联合实验室）已完成了国家高技术研究863发展计划“虚拟地理环境系统的研究与开发”的项目，为本项目围绕的鄱阳湖环境系统的研究开发积累了丰富的理论和经验。

本项目重点研究区域－鄱阳湖流域，近二十年来已经开展了相关的基地性研究工作，特别是中国科学院地理科学与资源研究所、南京土壤研究所等单位，在本课题研究密切相关的方面积累了大量的考察数据。

鄱阳湖生态环境与资源利用教育部重点实验室正在与多家单位合作建设“鄱阳湖生态环境与资源信息数据库”。

目前已建立了包括江西省基础地理信息数据库（其中有数字河流、湖泊、地形、交通、行政区、居民地等）、江西省1:

1万数字栅格地形图数据库、江西省典型阶段、年代TM和ETM遥感资料数据库、江西省土地利用数据库、江西省1951～2002年人口分布数据、江西省湿地数据库等内容，可以为本项目提供重要的数据支撑。

作为主要合作单位之一的密西根大学中国信息研究中心已与国家统计局、中国科学院等部门联合开发了大量中国区域人口、经济和环境等空间与非空间数据库（包括鄱阳湖流域）。

密西根州立大学环境变化和全球观察研究中心将为本项目无偿提供分辨率为1：

30米和1：

15米的全国ETM遥感图象数据。

香港中文大学中科院地球信息科学联合实验室将为本项目无偿提供鄱阳湖地区历年有关时段的遥感图象数据。

武汉大学测绘学院和灵图公司已开发了有关三维GIS空间环境显示系统，在国内达到领先水平，已应用于多项应用系统，如黄河流域仿真显示系统等。

鄱阳湖生态环境与资源利用教育部重点实验室与武汉大学测绘学院合作，成功地研究开发了“虚拟校园”项目，该项目利用武汉大学开发的CCGIS软件以及3DMax等3D建模软件、虚拟场景编辑与制作软件，实现了江西师范大学瑶湖校区的虚拟显示，为本项目积累了丰富的虚拟地理环境系统制作经验。

鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室依托于江西师范大学地理与环境学院和生命科学学院等学科部门，具有GIS、遥感、计算机、地理、气象、水文、环境、生态、区域经济等多学科的人才，实验室同时也是“中国海外地理信息系统协会”（CPGIS）的人才合作储备基地。

中国海外地理信息科学协会（CPGIS）已与江西师范大学于2003年签署了共建海外中国学者人才基地的协议。

双方将致力于共建鄱阳湖研究海外优秀留学人才库,建设高水平的鄱阳湖研究海外优秀留学人才科研基地。

江西师范大学已与本项目主要合作单位之一的密西根大学于2004年3月签署了两校合作交流协议，并于2004年6月在南昌合作举办了关于“空间分析在环境、公共卫生和区域发展中的应用”国际学术研讨会，吸引了来自美国和英国的数10位国外专家及逾60位专家学者。

江西师范大学还于2004年9月与美国西切斯特大学签署了两校研究合作协议，计划与2005年在南昌共同举办国际学术研讨会，目前已拟就十多项合作研究草案，正在积极寻找海外基金资助。

一些核心技术开发团队已在江西逐渐形成，包括江西师范大学鄱阳湖重点实验室及国家遥感工程技术中心江西分中心（由山江湖办公室与中科院遥感所国家遥感工程技术中心合作成立）。

鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室具有良好的科研开发条件，目前实验室用房面积约3200平方米，装备有4台HP图形工作站、CONTEXN36（A0幅面）工程扫描仪、SM9600XL全友扫描仪、HPDJ5500大型彩色绘图仪、HPCLJ5500DTN彩色激光打印机、尼康DTM-530全站仪、摄影测量系统、SUMIT-贵冠（汉化）手持GPS等硬件设施以及ArcGIS9.0、ARCVIEW、ERDAS等地理信息系统、遥感图像处理系统软件。

为本项目的顺利进行提供了条件。

7.申请者和项目组主要成员的研究工作简历。

项目负责人鲍曙明博士，1996-1997年间曾任美国数软公司研究科学家和“中国海外地理信息系统学会”（CPGIS）会长（1999-2000）。

主持和参加过多项有关地理信息系统、区域经济学、空间统计学和空间计量经济模型的研究项目，是基于GIS的空间统计分析软件S－PLUSforArcView的主要开发者之一，在空间统计分析研究，空间统计分析软件研究开发，及空间分析理论应用等方面作出了显著贡献。

项目负责人林珲博士，

发表的主要学术论文

1.BaoShuming,MarkHenryandDavidBarkley,2004.IdentifyingUrban-RuralLinkages-TestsforSpatialEffectsintheCarlino-MillsModel.In:

LucAnselin,RaymondFloraxandSergioJ.Rey（Eds.）,AdvancesinSpecialEconometrics,Springer-VerlagNewYork,LLC.

2.BaoShumingandBinLi,2000.SpatialStatisticsinNaturalResources,EnvironmentandSocialSciences（eds.）,ASpecialIssueoftheJournalofGeographicInformationScience.

3.BaoShuming,LucAnselin,DougMartin,andDianaStralberg,2000.AnSeemlessIntegrationofSpatialStatisticsandGIS:

theS-PLUSforArcViewandtheS+GRASSLANDLink.GeographicalSystems.2000,Vol.2:

287-306.

4.BaoShumingandLucAnselin.1997."LinkingSpatialStatisticswithGIS:

OperationalIssuesinSpaceStat/ArcViewInterfaceandS+GrasslandLink".InProceedingsof1997AmericanStatisticsAssociationMeeting,61-66.

5.赖格英，地理信息系统的空间分析模型及实现方法分析，江西师范大学学报，2003

（2）

6.赖格英，古气候动力模拟动态演化的可视化研究与实现，计算机应用，2004（6）

7.赖格英，基于时态GIS的古气候动力模拟动态演化的可视化分析与研究，地球信息科学，2004

（2）

8.赖格英，基于ERDASIMAGES下的遥感图像去云的方法研究，南昌大学学报，2000（4）

9.赖格英，GIS支持下的浙江省水稻种植面积遥感估算综合自然区划，南京气象学院学报，1998（4）

附：

课题参加人员：

鲍曙明