GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張曉楠，華一新，熊金華，王 培

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.96656部隊(duì)，北京 102208）

目前，GIS的許多應(yīng)用領(lǐng)域，諸如工程建設(shè)、交通樞紐選址、水文分析、氣候分析、地貌分析、旅游線路選取等，對(duì)GIS的地形分析功能提出更高的要求［1］。大多數(shù)GIS平臺(tái)都具有用于單一地形特征和獨(dú)立區(qū)域的地形分析模型，用以研究和解決面臨的某一實(shí)際問(wèn)題［2－3］。但是，信息化條件下的地形分析環(huán)境異常復(fù)雜，單個(gè)模型往往難堪重任，這就需要多個(gè)模型的相互協(xié)作。為了更好地利用已有的知識(shí)和模型，管理眾多地形分析模型，解決實(shí)際問(wèn)題，急需建立一個(gè)有效的地形分析模型庫(kù)管理平臺(tái)。

1 GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的相關(guān)概念

1.1 GIS地形分析

地形分析是用直接可以觀測(cè)到的地貌和外力過(guò)程，演繹推斷不能直接觀察到的地殼運(yùn)動(dòng)的進(jìn)程和發(fā)展的方法［4］。GIS地形分析主要完成地形數(shù)據(jù)的基本量算和特征分析兩大任務(wù)。從其復(fù)雜性角度出發(fā)，可以將地形分析分為兩大部分：一是基本地形因子（坡度、坡向、粗糙度等）的計(jì)算；二是復(fù)雜的地形分析，包括可視性分析、地形特征提取、水系特征分析、道路分析等［5］。本文所研究的地形分析，主要是指根據(jù)地理環(huán)境各要素間的緊密聯(lián)系、相互作用的規(guī)律，利用現(xiàn)有地形資料和實(shí)地考察所掌握的部分信息，針對(duì)局部地區(qū)地形條件進(jìn)行分析。

1.2 模型庫(kù)

模型庫(kù)是為特定目的服務(wù)，具備特定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)模型的集合。它是一個(gè)共享資源，模型庫(kù)中的模型可以重復(fù)使用，即可以被不同的系統(tǒng)所調(diào)用，避免冗余。通過(guò)模型庫(kù)還可以將多個(gè)模型組合起來(lái)構(gòu)成更大的模型［6］。模型庫(kù)并不追求模型本身的完美性，也不認(rèn)為模型能夠解決一切問(wèn)題，它的目標(biāo)僅是在用戶需要時(shí)按照要求構(gòu)建模型。由于經(jīng)常會(huì)有模型的生成、修改、更新、刪除、連接等操作，所以，模型庫(kù)的管理非常重要［7］。

1.3 模型庫(kù)管理系統(tǒng)

為了對(duì)各個(gè)模型庫(kù)實(shí)施有效的管理和使用，就必須借助于模型庫(kù)管理系統(tǒng)［8］。各個(gè)領(lǐng)域?qū)δＰ蛶?kù)管理系統(tǒng)的要求有所不同，其定義也有所差別。目前被廣泛接受的模型庫(kù)管理系統(tǒng)的定義為：模型庫(kù)管理系統(tǒng)是一個(gè)支持模型生成、存儲(chǔ)、維護(hù)、運(yùn)行和應(yīng)用的軟件系統(tǒng)。模型生成包括問(wèn)題啟發(fā)、建模風(fēng)格選擇、模型提出、模型有效性、模型驗(yàn)證；模型存儲(chǔ)功能包括模型表示、模型求解、結(jié)果分析和報(bào)告生成；模型維護(hù)功能包括配置和進(jìn)化管理、一致性和完整性維護(hù)。

2 GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著眼于各種地形分析模型的統(tǒng)一管理，建立一個(gè)通用的模型庫(kù)開(kāi)發(fā)和管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地形分析模型合理而有效的利用，從而方便GIS效能的充分發(fā)揮。在構(gòu)建模型庫(kù)管理系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循以下幾個(gè)基本原則［9］：

1）便捷實(shí)用。系統(tǒng)能夠?yàn)榈匦畏治龅母鱾€(gè)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)模型，根據(jù)應(yīng)用需求快速有效地構(gòu)建出新的實(shí)用的地形分析模型，為用戶決策提供保障。

2）交互性強(qiáng)。用戶能夠通過(guò)輸入輸出的外部設(shè)備與模型庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行交互。系統(tǒng)能夠給用戶提供一些專業(yè)性的模型選擇向?qū)?，協(xié)助用戶使用合適的分析模型。

3）易于擴(kuò)展、維護(hù)。系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)開(kāi)放合理，支持外部應(yīng)用程序調(diào)用模型庫(kù)中的模型?？筛鶕?jù)應(yīng)用需求及地理信息的更新，對(duì)模型庫(kù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)、方法庫(kù)和模型庫(kù)進(jìn)行管理和維護(hù)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的主要功能大致可以分為模型構(gòu)建與維護(hù)、模型的運(yùn)行以及模型的組合3大模塊，如圖1所示。

圖1 模型庫(kù)管理系統(tǒng)的功能

其中，模型的構(gòu)建與維護(hù)功能模塊主要提供模型在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)方法，便于進(jìn)行模型的動(dòng)態(tài)管理，提供模型生成、添加、刪除、修改、檢索、瀏覽等功能；模型運(yùn)行功能模塊主要有運(yùn)行前的模型匹配與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、模型的運(yùn)行以及模型的可視化表達(dá)等功能；模型組合功能模塊是建立在模型管理基礎(chǔ)之上的，根據(jù)用戶的不同需求，選擇兩個(gè)或更多需要的基礎(chǔ)模型，并將其進(jìn)行有機(jī)的鏈接，組合成新的擴(kuò)展模型，存儲(chǔ)到模型庫(kù)中使用。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)總體框架

GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由系統(tǒng)操作界面、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、模型方法庫(kù)、模型庫(kù)、模型庫(kù)管理、GIS平臺(tái)以及GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理所組成。邏輯上分為3個(gè)層次，即應(yīng)用層、技術(shù)層和資源層。應(yīng)用層主要是GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的操作界面層，大致包括可供用戶選擇的模型庫(kù)瀏覽，模型構(gòu)建的添加，根據(jù)特殊需求進(jìn)行模型組合以及最終執(zhí)行模型等；技術(shù)層包括模型庫(kù)的管理、方法庫(kù)的管理以及基于GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，該層主要將模型與數(shù)據(jù)通過(guò)一定的規(guī)則和算法程序結(jié)合到一起，得到用戶需求的結(jié)果，是應(yīng)用層與資源層關(guān)聯(lián)到一起的關(guān)鍵，是模型庫(kù)管理系統(tǒng)的核心部分；資源層包括模型庫(kù)、方法庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，模型庫(kù)又細(xì)分為基礎(chǔ)模型庫(kù)和專用模型庫(kù)，基礎(chǔ)模型庫(kù)中存儲(chǔ)一些地形分析中常用的基礎(chǔ)分析模型，專用模型庫(kù)主要存儲(chǔ)一些針對(duì)特定應(yīng)用的模型，模型方法庫(kù)主要存儲(chǔ)的是一些模型所需要的常規(guī)數(shù)學(xué)算法，模型數(shù)據(jù)庫(kù)也細(xì)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和專用數(shù)據(jù)庫(kù)，主要是根據(jù)模型庫(kù)的分類方法進(jìn)行同步分類的，這樣方便根據(jù)不同類型的模型對(duì)數(shù)據(jù)的快速調(diào)用。

這里采用將模型與方法分開(kāi)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，模型庫(kù)存儲(chǔ)的模型主要是以數(shù)學(xué)模型為主，數(shù)學(xué)模型則是數(shù)學(xué)方法的計(jì)算機(jī)程序化，將兩者分開(kāi)有利于系統(tǒng)的管理和3個(gè)庫(kù)之間的調(diào)用，增強(qiáng)模型的重組性以及系統(tǒng)可用性。模型數(shù)據(jù)庫(kù)是模型庫(kù)的血液，為模型庫(kù)提供運(yùn)算參數(shù)。模型庫(kù)的設(shè)計(jì)是3層結(jié)構(gòu)的核心問(wèn)題，模型數(shù)據(jù)庫(kù)與模型方法庫(kù)的設(shè)計(jì) 都是以模型庫(kù)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)形式為基準(zhǔn)。

2.3.1 模型庫(kù)的設(shè)計(jì)

模型庫(kù)是模型庫(kù)管理系統(tǒng)的使用對(duì)象，根據(jù)地形分析的應(yīng)用需求，將其分為基礎(chǔ)模型庫(kù)和專用模型庫(kù)，其結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 GIS地形分析模型庫(kù)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)地形分析模型庫(kù)存儲(chǔ)適用于各類地形分析問(wèn)題求解的基礎(chǔ)性、共性的模型，一般有基本地形因子（坡度、坡向、粗糙度等）的計(jì)算、可視性分析、剖面分析、精度分析、道路分析等；專用地形分析模型庫(kù)存儲(chǔ)解決地形分析領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的模型，這類模型由多個(gè)基礎(chǔ)模型利用模型組合技術(shù)而形成，是一種基礎(chǔ)模型連接關(guān)系的集合。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)模型庫(kù)的分類方法，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)也分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和專用數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)基本模型所需要的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)文件，以及一些屬性信息和參數(shù)值；專用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)專用模型所需要的初始數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)文件，以及在運(yùn)行過(guò)程中的屬性信息和參數(shù)值。

根據(jù)地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)不同模塊的功能，以及模塊間的相互連接關(guān)系，將不同的模型以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，就形成了不同類型和不同用途的表，主要有模型屬性表、模型輸入?yún)?shù)表、模型輸出參數(shù)表、模型組合參數(shù)設(shè)置表。

模型屬性表（modeattribute）用來(lái)存儲(chǔ)模型的基本屬性信息，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 modeattribute表結(jié)構(gòu)

模型輸入?yún)?shù)表（modeinputpara）用來(lái)存儲(chǔ)模型輸入?yún)?shù)的信息，而模型輸出參數(shù)表（modeoutputpara）用來(lái)存儲(chǔ)模型輸出參數(shù)的信息，結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 modeinputpara/modeoutputpara表結(jié)構(gòu)

模型組合表（mcsxparasetting）用來(lái)存儲(chǔ)模型組合方法與參數(shù)設(shè)置信息，其結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 mcsxparasetting表結(jié)構(gòu)

2.3.3 方法庫(kù)的設(shè)計(jì)

方法庫(kù)是利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與地形分析所需要的各種數(shù)學(xué)算法的集合體，包含基礎(chǔ)模型庫(kù)中所有模型的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)算法，和經(jīng)過(guò)模型組合后形成的專用模型的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法。將程序與算法分離開(kāi)來(lái)，模型的子程序主要存儲(chǔ)在模型庫(kù)當(dāng)中，模型所需的數(shù)學(xué)算法存儲(chǔ)在方法庫(kù)中，這樣使得模型庫(kù)的管理更加靈活，可以增強(qiáng)模型的可重用性。方法的基本信息表（mathmethod）包含每種方法的基本描述信息，主要有方法名稱、方法類型、輸入與輸出變量名稱、表達(dá)式、方法內(nèi)容描述以及約束條件等，如表4表示。

表4 mathmethod表結(jié)構(gòu)

3 GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，在windows環(huán)境下，基于某軍事地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，利用Visual C＋＋開(kāi)發(fā)了一個(gè)GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)原型，如圖4所示。

圖4 GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)原型（部分）

4 結(jié)束語(yǔ)

建立模型庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS中眾多地形分析模型的統(tǒng)一管理是地形分析模型研究發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過(guò)GIS模型庫(kù)管理系統(tǒng)，可以有效利用現(xiàn)有的地形分析模型，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)新的地形分析模型、提高模型的使用效率。本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的GIS地形分析模型庫(kù)管理系統(tǒng)原型，實(shí)現(xiàn)了模型的管理、構(gòu)建和運(yùn)行等功能，提高了模型的可重用性，基本滿足GIS地形分析模型管理的需要。

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