漁業(yè)水域調(diào)查采樣點(diǎn)智能生成系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

施煒綱, 湯滔, 張?jiān)谥? 段金榮, 徐東坡

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心,江蘇無錫214081;2.農(nóng)業(yè)部長江下游漁業(yè)資源環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站,江蘇無錫214081;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)漁業(yè)學(xué)院,江蘇無錫214081;4.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海200092)

漁業(yè)水域調(diào)查采樣點(diǎn)智能生成系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

施煒綱1、2、3, 湯滔4, 張?jiān)谥?, 段金榮1、2, 徐東坡1、2

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心,江蘇無錫214081;2.農(nóng)業(yè)部長江下游漁業(yè)資源環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站,江蘇無錫214081;3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)漁業(yè)學(xué)院,江蘇無錫214081;4.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海200092)

利用Visual Basic結(jié)合ActiveX組件MapX對漁業(yè)調(diào)查水域進(jìn)行采樣點(diǎn)智能規(guī)劃的技術(shù)、方法和開發(fā)流程進(jìn)行了介紹。所生成的模塊能提供以網(wǎng)格為單元對漁業(yè)調(diào)查水域進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)各調(diào)查樣區(qū)的無縫聯(lián)結(jié)。該系統(tǒng)操作簡便,突出了專業(yè)特色,節(jié)省了購買和學(xué)習(xí)地理信息系統(tǒng)軟件的成本。該模塊被應(yīng)用于太湖水質(zhì)調(diào)查中,通過與用戶交互自動(dòng)生成以網(wǎng)格為單元的采樣點(diǎn)及相應(yīng)的地理坐標(biāo)參數(shù),為解決傳統(tǒng)采樣點(diǎn)布設(shè)方法中缺乏地理坐標(biāo)界定的缺陷提供了理想的解決方案。在后期漁業(yè)水域調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中,亦可利用該系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)和水域調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與統(tǒng)計(jì),自動(dòng)生成和輸出基于調(diào)查數(shù)據(jù)空間分布的專題圖。

Visual Basic;MapX;漁業(yè)水域;采樣點(diǎn);規(guī)劃

在內(nèi)陸水域天然漁業(yè)資源及環(huán)境的調(diào)查中,傳統(tǒng)的采樣點(diǎn)布局與設(shè)定通常是以某地物標(biāo)記為指示,結(jié)合目測、估算來制定采樣點(diǎn)的空間位置、樣點(diǎn)數(shù)量以及樣點(diǎn)所示的區(qū)域面積[1-2],這在客觀上摻入了采樣點(diǎn)規(guī)劃者的主觀意愿,并且每一樣點(diǎn)指示的水域面積也較難界定。當(dāng)實(shí)地調(diào)查結(jié)束后每個(gè)樣點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),但在后期統(tǒng)計(jì)、分析階段由于缺乏精確的地理參數(shù),往往會(huì)形成采樣點(diǎn)對指示水域面積的含混界定,從科學(xué)性、代表性和可信度來考量,用傳統(tǒng)方法設(shè)立的采樣點(diǎn)在指示水域的大小、邊界、采樣點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)度及指示的統(tǒng)一性上存在一定的缺陷。

自1929年芬蘭地理學(xué)家Graneau采用1 km格網(wǎng)來分析自然與社會(huì)現(xiàn)象以來,格網(wǎng)的概念已經(jīng)發(fā)展成為一種地學(xué)分析方法[3]。隨著當(dāng)前地理信息二次開發(fā)工具的出現(xiàn),采用數(shù)字化網(wǎng)格技術(shù)和對地理信息系統(tǒng) (GIS)的二次開發(fā),對給定水域?qū)崿F(xiàn)精確規(guī)劃已成為可能。本研究中,作者開發(fā)的“漁業(yè)水域指定調(diào)查區(qū)域的智能規(guī)劃”系統(tǒng),從漁業(yè)資源、環(huán)境水域調(diào)查需求出發(fā),實(shí)現(xiàn)了對漁業(yè)調(diào)查水域的智能規(guī)劃,也是對采樣點(diǎn)傳統(tǒng)規(guī)劃方法進(jìn)行改革的有益嘗試,在國內(nèi)外尚屬首見。該系統(tǒng)以網(wǎng)格為單元對漁業(yè)調(diào)查水域開展科學(xué)規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)了漁業(yè)水域調(diào)查樣點(diǎn)的自動(dòng)化設(shè)置,確保各樣點(diǎn)所示水域面積的精準(zhǔn)度及相互間的無縫聯(lián)結(jié),降低了人工規(guī)劃的勞作力和誤差,也使后期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果更精準(zhǔn)可靠。該系統(tǒng)還引入地理信息系統(tǒng)的空間能力來實(shí)現(xiàn)與漁業(yè)信息數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合、管理與表達(dá),提高了漁業(yè)水域調(diào)查的科學(xué)性、可靠性和工作效率。

1 系統(tǒng)開發(fā)工具及架構(gòu)

系統(tǒng)以Visual Basic 6.0為可視化開發(fā)環(huán)境[5],采用MapX 5.0作為系統(tǒng)二次開發(fā)工具[6],主要針對不同專業(yè)對GIS的功能需求來完成一些商用軟件如MapInfo難以完成的工作,開發(fā)出具不同專業(yè)需求特點(diǎn)的地理信息系統(tǒng)[7-8]。

開發(fā)過程中涉及的數(shù)字化地圖源于國家地理信息中心。

漁業(yè)水域調(diào)查采樣點(diǎn)的智能生成系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊:1)對于給定的漁業(yè)水域數(shù)字化網(wǎng)格的自動(dòng)生成;2)庫、表結(jié)構(gòu)的生成與修改;3)外部數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)綁定及專題圖的輸出。

2 系統(tǒng)功能及開發(fā)流程

2.1 系統(tǒng)的功能模塊

2.1.1 特定漁業(yè)水域數(shù)字化網(wǎng)格的自動(dòng)生成 將調(diào)查區(qū)域數(shù)字化為地理網(wǎng)格單元是該系統(tǒng)的主要功能。以均勻的網(wǎng)格中心為單元來布設(shè)采樣點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)單元間 (采樣區(qū)域)的無縫聯(lián)結(jié),這樣在進(jìn)行漁業(yè)信息統(tǒng)計(jì)時(shí),可避免在大尺度空間下調(diào)查所獲的漁業(yè)數(shù)據(jù)由于空間界定不明而產(chǎn)生的指示含糊,從而使采樣點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)有明確的歸屬,能夠精確地反映采樣點(diǎn)指示區(qū)域的漁業(yè)資源與環(huán)境特征。

2.1.2 采樣點(diǎn)tab表與外部mdb庫表結(jié)構(gòu)的生成

在基于MapX組件對GIS應(yīng)用的二次開發(fā)中,大多數(shù)開發(fā)者往往專注于GIS應(yīng)用功能的開發(fā),而在一些基礎(chǔ)功能的開發(fā)上,如對空間表結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和維護(hù)功能重視不夠[9]。這樣當(dāng)用戶需要維護(hù)和管理表結(jié)構(gòu)時(shí),就必需借助第三方軟件才能完成相應(yīng)的操作。因此,為增加系統(tǒng)的靈活性,方便用戶操作,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮庫、表結(jié)構(gòu)的生成與維護(hù)功能。

系統(tǒng)在自動(dòng)生成網(wǎng)格化圖層的同時(shí),應(yīng)在屬性數(shù)據(jù)庫中生成采樣點(diǎn)中心點(diǎn)坐標(biāo)、周長、面積等字段來存放各采樣點(diǎn)及指示區(qū)域的地理特征值;允許用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行庫、表結(jié)構(gòu)管理,包括增加、刪除及修改字段名稱等操作。

2.1.3 外部數(shù)據(jù)綁定與專題圖輸出 為便于數(shù)據(jù)的對接與管理,屬性數(shù)據(jù)庫的編輯管理采用如下兩種方式:①采用MapInfo數(shù)據(jù)格式 (.map、.tab)的文件來儲(chǔ)存管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),本方式適用于較少的、固定的屬性數(shù)據(jù)字段,若字段太多,則會(huì)影響圖層顯示速度。在本系統(tǒng)中,MapInfo數(shù)據(jù)格式主要存放采樣點(diǎn)序號(hào)及相對應(yīng)的空間數(shù)據(jù)(如周長、面積、中心點(diǎn)等)。于采用Access數(shù)據(jù)庫,在Visual Basic開發(fā)環(huán)境下通過ADO數(shù)據(jù)訪問接口以O(shè)LE DB的數(shù)據(jù)訪問模式來訪問Access數(shù)據(jù)庫。ADO最主要的優(yōu)點(diǎn)是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少和磁盤遺跡小,具有較大的靈活性[10]。利用Access管理屬性數(shù)據(jù)庫[11],在需要的時(shí)候調(diào)入屬性數(shù)據(jù),可避免對圖層顯示速度的影響?？紤]到漁業(yè)水域調(diào)查涉及到資源類、環(huán)境類的內(nèi)容眾多,因此,所有的采樣點(diǎn)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)均采用Access數(shù)據(jù)庫以不同類別的庫表來存放,以便于維護(hù)、更新和管理。①、于數(shù)據(jù)庫均以 “水域布點(diǎn)”建立第一字段索引,以便匹配對接。

專題圖是一種用來分析和表現(xiàn)數(shù)據(jù)的方式,專題圖的特點(diǎn)在于可根據(jù)表中特定值來賦予地圖對象顏色、圖案和符號(hào),把各種數(shù)據(jù)圖形化,從而使數(shù)據(jù)直觀地顯示在地圖上[12]。系統(tǒng)開發(fā)提供專題圖功能,包括范圍圖、獨(dú)立值圖、等級符號(hào)圖、點(diǎn)密度圖、餅狀圖、直方圖等形式,以滿足制作不同漁業(yè)水域調(diào)查數(shù)據(jù)空間分布專題圖的需求。漁業(yè)水域調(diào)查數(shù)據(jù)則通過ADO接入Access庫文件數(shù)據(jù)至MapInfo格式的表 (.tab)中來實(shí)現(xiàn)專題圖的創(chuàng)建。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

系統(tǒng)的全部功能可應(yīng)用于內(nèi)陸水域各湖泊、水庫的采樣點(diǎn)智能規(guī)劃,開發(fā)流程以太湖為例,具體過程如下 (圖1～圖7)。

1)獲取待規(guī)劃圖元節(jié)點(diǎn)。選定待規(guī)劃水域,利用圖元的NODES屬性獲取待規(guī)劃水域 (圖元)的全部節(jié)點(diǎn)值并放入數(shù)組 (圖1-A)。

2)判定、篩選節(jié)點(diǎn)頂點(diǎn)。數(shù)組內(nèi)節(jié)點(diǎn)值經(jīng)比較判定,獲得經(jīng)度 (E)的最大值和最小值分別為120.58°和119.89°,緯度 (N)的最大值和最小值分別為31.51°和30.91°(圖1-B)。

3)待規(guī)劃水域臨時(shí)圖元和采樣區(qū)塊數(shù)的生成及二者相交的判定。依據(jù)經(jīng)、緯度最大值和最小值生成待規(guī)劃水域臨時(shí)矩形圖元 (圖2-A)。網(wǎng)格化臨時(shí)矩形圖元,與用戶交互,得到用戶期望分割的行、列數(shù),即采樣區(qū)塊數(shù)。本例中,假設(shè)用戶給出的行、列數(shù)為5行、4列,將臨時(shí)矩形圖元網(wǎng)格化,生成網(wǎng)格采樣區(qū)圖元為5*4=20(塊)(圖2-B)。交集操作以每塊網(wǎng)格樣區(qū)圖元與規(guī)劃水域圖元相交與否為判定條件,確定不相交的網(wǎng)格圖元以及圖元相交情況下重疊邊緣以外的圖元部分 (圖2-C)。

4)刪剪無效網(wǎng)格圖元。刪除不相交的網(wǎng)格圖元以及圖元相交情況下重疊邊緣以外的圖元部分,生成實(shí)際有效采樣區(qū) (本例中為18塊)。更新采樣區(qū)圖元,自動(dòng)生成表結(jié)構(gòu),并以第一字段建立索引排序和命名,保存為.tab格式的圖層 (圖3)。

5)獲取有效采樣區(qū)地理特征值,保存圖層。對每一采樣區(qū)自動(dòng)獲取各自圖元地理特征值 (面積、周長、中心點(diǎn))并保存(圖4)。

6)自動(dòng)生成外接數(shù)據(jù)庫 (*.mdb),建立庫表名與表結(jié)構(gòu)。同步自動(dòng)生成外接數(shù)據(jù)庫(*.mdb),第一字段與*.tab中的第一字段同名,并建立索引,其他字段根據(jù)水域調(diào)查內(nèi)容制定,允許用戶編輯修改,以便與調(diào)查內(nèi)容適應(yīng) (圖5)。

圖1 太湖節(jié)點(diǎn)及其最大值和最小值坐標(biāo)Fig.1 The nodes,and their maximum value,and minimum value coordinates at Taihu Lake

圖2 水域采樣點(diǎn)的生成Fig.2 Sampling points generated for planning water area

圖3 太湖網(wǎng)格化圖Fig.3 The grids for Taihu Lake

圖4 生成的屬性數(shù)據(jù)表Fig.4 Attribute data table

圖5 外部數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of external database

7)外部數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)綁定接入。以第1索引字段連接外部數(shù)據(jù)庫 (圖6),按需接入調(diào)查數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)專題圖輸出 (圖7)。

圖6 數(shù)據(jù)綁定示意圖Fig.6 Schematic drawing of data binding

圖7 太湖水質(zhì)因子專題圖Fig.7 Thematic map of water quality factors for Taihu Lake

3 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)字化地圖中任意一個(gè)封閉性水域設(shè)定采樣點(diǎn)的自動(dòng)規(guī)劃。本例中以太湖為應(yīng)用實(shí)例,于2007年12月太湖水質(zhì)采樣調(diào)查中應(yīng)用本系統(tǒng)將調(diào)查水域規(guī)劃為18個(gè)樣區(qū),18個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù) (水溫、水深、底層溶氧、表層溶氧、pH、氨氮)以及Access庫文件格式存儲(chǔ)管理如表1所示,A3、A4、A8為東太湖水域,未在本次調(diào)查計(jì)劃中,因此該水域無調(diào)查記錄。與傳統(tǒng)的采樣點(diǎn)設(shè)置調(diào)查相比[2,13-14],采用本系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃的采樣點(diǎn)具有規(guī)劃勞作強(qiáng)度小、布點(diǎn)均勻、采樣區(qū)塊數(shù)(即采樣點(diǎn))可由用戶自行重復(fù)設(shè)置,每個(gè)樣區(qū)的中心點(diǎn)即為采樣點(diǎn)等特點(diǎn)。由于樣區(qū)邊界明確,面積確定,因此,相應(yīng)采樣點(diǎn)上各類調(diào)查數(shù)據(jù)可明確表征該樣區(qū)的水質(zhì)、資源和生態(tài)情況,也可從數(shù)據(jù)庫中隨意調(diào)取樣點(diǎn)調(diào)查數(shù)據(jù),后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)也非常便捷。傳統(tǒng)采樣點(diǎn)的設(shè)置沒有界定該采樣點(diǎn)的邊界及其與相鄰采樣點(diǎn)的邊界關(guān)系。通常某一采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)只能與水域全部采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集合加權(quán)后用來表達(dá)水域的總體狀況,而就單個(gè)采樣點(diǎn)上的數(shù)據(jù)而言其表征意義不大。而本系統(tǒng)生成的采樣點(diǎn)有明確的樣區(qū)指向,采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對樣區(qū)具有較強(qiáng)的代表性。

以ADO數(shù)據(jù)訪問方式,將Access庫文件中各采樣點(diǎn)的調(diào)查數(shù)據(jù)通過關(guān)鍵字段 “水域布點(diǎn)”與MapInfo數(shù)據(jù)表對接獲得數(shù)據(jù)表 (表1),選取表1中的pH、底層溶氧和表層溶氧字段值創(chuàng)建專題圖(圖7)。

表1 太湖水質(zhì)因子的測定值Tab.1 The determined values of water quality factors in Taihu Lake

4 討論

GIS已被諸如城市規(guī)劃、地產(chǎn)開發(fā)、資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)報(bào)與災(zāi)后評估、地質(zhì)普查、采礦等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。當(dāng)前流行的GIS軟件有很多,這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)就是能將圖形處理、空間查詢與分析、屬性管理及其他GIS功能都包含在一個(gè)比較龐大的系統(tǒng)中。這對于一些普通用戶來講可能是適宜的,但對于有著特殊需求的不同專業(yè)的用戶來講其功能仍存在許多不足。本研究中涉及的空間規(guī)劃是GIS的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域,通過將MapX 5控件內(nèi)嵌到可視化開發(fā)環(huán)境Visual Basic中進(jìn)行組件式地理信息系統(tǒng) (ComGIS)的二次開發(fā),免去了購買整套GIS商業(yè)軟件的昂貴費(fèi)用。采用自主開發(fā)的系統(tǒng)專業(yè)性更強(qiáng),操作簡便。本智能規(guī)劃模塊的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了漁業(yè)指定調(diào)查水域的自動(dòng)規(guī)劃,能改變傳統(tǒng)的區(qū)域單元以目測、估算為依據(jù)進(jìn)行漁業(yè)評價(jià)的缺陷,以網(wǎng)格為單元進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè),為解決傳統(tǒng)采樣點(diǎn)布設(shè)方法中缺乏地理學(xué)空間界定的缺陷提供了解決方案,真正實(shí)現(xiàn)了采樣點(diǎn)的精確規(guī)劃及其所示采樣區(qū)的無縫聯(lián)結(jié)。在提高漁業(yè)水域調(diào)查質(zhì)量、調(diào)查效果、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的可靠性等方面有著顯著作用。

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Research and implementations of an intelligent generating system of sampling sites during fishery water investigation

SHI Wei-gang1,2,3,TANG Tao4,ZHANG Zai-zhi3,DUAN Jin-rong1,2,XU Dong-po1,2

(1.Freshwater Fisheries Research Center,Chinese Academy of Fishery Sciences,Wuxi 214081,China;2.Scientific Observing and Experimental Station of Fishery Resources and Environment in the Lower Reaches of the Changjiang River,Ministry of Agriculture,Wuxi 214081,China;3.Fisheries College,Nanjing Agriculture University,Wuxi 214081,China;4.Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China)

In this study,the technique,method and development process of an intelligent planning system for fishery water areas investigation were studied by Visual Basic and the ActiveX component MapX.The generated functional modules offered the intelligent planning for the investigative fishery water area by grids and realized the seamless connectivity between different grids zone.This system not only was ated conveniently and match the professional needs,but also led to elimination the purchase and learning cost for users on GIS software.The grid sampling sites and the corresponding parameters of the geographical coordinates were automatically generated through the user's interface.This system offered an ideal solution to the traditional method of arranging sampling sites without geographic coordinates,and therefore,was used widely in water quality investigation in the Taihu Lake.In the further data analysis on fishery water investigation,this system can be applied to manage the spatial data and water investigation data,so as to draw up and output the spatial distribution thematic maps of the given investigating area automatically.

Visual Basic;MapX;fishery waters;sampling site;programming

P208

A

2012-09-08

公益性行業(yè) (農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng) (201203086-16);科技部科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目 (2007DKA30470);農(nóng)業(yè)部財(cái)政項(xiàng)目(20100202-05);中國水產(chǎn)科學(xué)研究院內(nèi)陸漁業(yè)生態(tài)環(huán)境和資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目 (YM2007-12)

施煒綱 (1953-),男,研究員。E-mail:shiwg@ffrc.cn

徐東坡 (1982-),男,副研究員。E-mail:xdp@ffrc.cn

2095-1388(2013)03-0314-05