基于插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的探討與實(shí)現(xiàn)

宋 健，秦 奮，韓志剛

（1.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

基于插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的探討與實(shí)現(xiàn)

宋 健1,2，秦 奮1,2，韓志剛1,2

（1.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)結(jié)合了GIS技術(shù)和插件技術(shù)，再現(xiàn)土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)性表達(dá)過(guò)程。在．NET開(kāi)發(fā)環(huán)境中, 利用 ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)包，借助插件技術(shù)的松散耦合機(jī)制，賦予了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展特性，從而實(shí)現(xiàn)了宿主程序、插件模塊和通信契約的設(shè)計(jì)，完成了基礎(chǔ)地圖操作插件、基本文件管理插件、基礎(chǔ)地形分析插件以及年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮拈_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，方便了其他模型和框架平臺(tái)的集成，進(jìn)而驗(yàn)證了構(gòu)建插件式系統(tǒng)的可行性。

框架平臺(tái)；插件；接口；土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌驈那治g產(chǎn)沙的基本成因出發(fā)，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立不同流域侵蝕產(chǎn)沙量與主要影響因素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，指導(dǎo)人們合理利用土地，對(duì)于維持人類(lèi)生存環(huán)境具有重要作用[1-3]。在土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)發(fā)過(guò)程中，傳統(tǒng)的方法只是根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，按部就班地完成軟件的各個(gè)功能，最終開(kāi)發(fā)出一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。而這樣的軟件框架并沒(méi)有很好的模塊化、可重用性、可擴(kuò)展性、簡(jiǎn)單性和可維護(hù)性[4]。采用基于插件式GIS土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈_(kāi)發(fā)方法，對(duì)于編寫(xiě)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需求多變的土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投圆皇樽罴堰x擇之一。

本文將插件技術(shù)引入到土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)發(fā)當(dāng)中，并在模型的選取與方法的運(yùn)用上，開(kāi)發(fā)了平臺(tái)宿主程序，插件連接器和不同的插件模塊。探索基于ArcGIS Engine的GIS軟件搭建土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮脚_(tái)的關(guān)鍵技術(shù)與方法，實(shí)現(xiàn)了插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈_(kāi)發(fā)。

1 插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣芷脚_(tái)

基于ArcGIS Engine的插件式框架平臺(tái)主要由宿主程序、插件契約、插件容器及插件引擎組成。宿主程序是不同插件的依附對(duì)象，可以獨(dú)立存在，在不改變主程序框架的情況下，可以通過(guò)增減插件和改變插件的方式來(lái)管理系統(tǒng)功能。插件契約作為插件式GIS框架中宿主程序和插件層的通信橋梁，主要以接口的形式表示。插件容器的設(shè)計(jì)是插件式應(yīng)用框架的重要組成部分。通過(guò)對(duì)框架平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS控件管理以及解析基礎(chǔ)地圖操作插件、工程文件管理插件、基礎(chǔ)地形分析插件和年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮墓δ?。其中框架平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 框架平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ土鞒淘O(shè)計(jì)

土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话阌赡Ｐ?、?shù)據(jù)處理及模型計(jì)算成果演示3部分組成。模型開(kāi)發(fā)選擇具有代表性的入黃支流孤山川為典型研究區(qū)，以流域DEM、流域土地利用數(shù)據(jù)、土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)、流域雨量站空間數(shù)據(jù)、流域工程因子數(shù)據(jù)、年降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)、年NDVI數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依托，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退惴?，結(jié)合各類(lèi)模型因子的計(jì)算以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢暬夹g(shù)，形象直觀地展示了土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算過(guò)程。

在模型計(jì)算之前，最為重要的是獲取有關(guān)模型計(jì)算的數(shù)據(jù)。其中，關(guān)鍵的流域DEM數(shù)據(jù)，可利用地形圖進(jìn)行數(shù)字化處理，然后再內(nèi)插生成DEM[5,6]。土地利用數(shù)據(jù)參考流域土地利用圖等相關(guān)資料，建立對(duì)應(yīng)的分類(lèi)體系與解譯標(biāo)準(zhǔn)，再基于遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)和交互式解譯，從而完成土地利用類(lèi)型提取。土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)是流域侵蝕產(chǎn)沙的一個(gè)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Williams的K值估算法提取。雨量站數(shù)據(jù)的獲取，是利用經(jīng)緯度坐標(biāo)生成相應(yīng)的點(diǎn)要素類(lèi)，并賦以站名屬性，從而獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。流域工程因子數(shù)據(jù)以流域治理規(guī)劃圖為基礎(chǔ)，參照野外采樣的標(biāo)準(zhǔn)流域治理措施圖片、采樣表等，再進(jìn)行影像人工解譯、勾繪來(lái)獲取。流域降雨觀測(cè)資料是進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報(bào)不可缺少的關(guān)鍵資料，多以表格的形式加以記錄。年NDVI數(shù)據(jù)主要是TM影像經(jīng)過(guò)幾何校正，從TM影像中計(jì)算分析所得。

在模型的計(jì)算結(jié)果演示中，主要包括基礎(chǔ)地形分析插件和年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮?jì)算。基礎(chǔ)地形分析插件完成了地形填洼中DEM預(yù)處理和坡度分析，并計(jì)算出相應(yīng)結(jié)果。年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)3個(gè)不同的部分，每個(gè)部分實(shí)現(xiàn)了不同的接口，主要完成年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊蜃佑?jì)算及模型計(jì)算，以及計(jì)算成果的可視化功能，有關(guān)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮K設(shè)計(jì)

2.2 宿主程序設(shè)計(jì)

參照一般的插件式應(yīng)用程序框架設(shè)計(jì)，本文的宿主程序設(shè)計(jì)包含主控程序、插件引擎和通信契約的設(shè)計(jì)。

主控程序包含一個(gè)EXE的可執(zhí)行程序，也是整個(gè)框架程序的接入口，負(fù)責(zé)調(diào)用插件庫(kù)中不同類(lèi)型的插件對(duì)象，并以用戶(hù)接口（UI）的形式顯示，配合宿主程序上的GIS控件、其他UI控件以及不同插件對(duì)象之間的相互交互。其中，主控程序解析UI對(duì)象，生成相應(yīng)的工具、按鈕和菜單等。最后加載模擬工程文件，生成宿主程序界面，如圖3所示。

插件引擎負(fù)責(zé)對(duì)插件程序集進(jìn)行解析，提取其中的插件類(lèi)型信息并生成對(duì)應(yīng)的插件對(duì)象，存儲(chǔ)到插件容器中，采用．NET的反射機(jī)制和接口技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)插件模塊的動(dòng)態(tài)加載，再交給界面程序處理。

圖3 插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)

通信契約是宿主程序和插件之間互相認(rèn)可的一種標(biāo)準(zhǔn)，以接口形式存在。根據(jù)插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣苄枨?，要?shí)現(xiàn)不同的插件表現(xiàn)形式，需要定義以下5種接口：IPlugin、ICommand、ITool、IToolBarDef、IMenuDef。這些接口是以ESRI．ArcGIS．SystemUI中定義的擴(kuò)展插件接口為模仿對(duì)象，同時(shí)也為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化，本文合并了一些接口的定義，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的自定義插件對(duì)象接口。

2.3 功能插件設(shè)計(jì)

基于黃土高原水土流失經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯浚_(kāi)發(fā)插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域土壤侵蝕的經(jīng)驗(yàn)性表達(dá)，分析出區(qū)域土壤侵蝕產(chǎn)沙特征，對(duì)整個(gè)土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯慷加惺种匾囊饬x。此外，本系統(tǒng)需要集成一些GIS常用功能，在數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程中，為用戶(hù)提供交互式操作，而插件又是系統(tǒng)的承載者。因此，土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)包含基礎(chǔ)地圖操作插件、基本文件管理插件、基礎(chǔ)地形分析插件以及年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮?/p>

2.3.1 基礎(chǔ)地圖操作插件

通過(guò)調(diào)用ArcGIS Engine內(nèi)置組件，GIS基礎(chǔ)地圖操作插件，實(shí)現(xiàn)添加數(shù)據(jù)、地圖放大、地圖縮小、平移、全局視圖、刷新功能。該插件是一個(gè)通用插件，每一個(gè)土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)，都能夠加載此插件實(shí)現(xiàn)GIS基本功能。

2.3.2 基本文件管理插件

基本文件管理插件是整個(gè)土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)，通過(guò)配置各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)工程文件新建、打開(kāi)、另存和關(guān)閉功能。只有實(shí)現(xiàn)了該插件功能，才能為后續(xù)的基礎(chǔ)地形分析插件和年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮峁┫葲Q條件。同時(shí)，該插件也是一個(gè)通用插件，任何土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮寄芗虞d此插件來(lái)管理模擬工程功能。

2.3.3 基礎(chǔ)地形分析插件

基礎(chǔ)地形分析插件包含地形填洼和坡度分析兩個(gè)功能。首先，在地形填洼中，需要搜索原始DEM矩陣用來(lái)確定洼地單元格，從洼地集水區(qū)域中找出潛在的出流點(diǎn)，通過(guò)對(duì)洼地的有效處理生成無(wú)洼地DEM，從而完成地形填洼運(yùn)算。在坡度分析中，采用擬合曲面法，即3×3的窗口，每個(gè)窗口中心是一個(gè)高程點(diǎn)，利用對(duì)應(yīng)的坡度計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行坡度分析算法的計(jì)算。

2.3.4 年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮?/p>

年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮瓿赡Ｐ鸵蜃臃治觥⒔?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓治g評(píng)價(jià)以及模型成果可視化功能。該插件根據(jù)年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑恚谶M(jìn)行模型開(kāi)發(fā)時(shí)，設(shè)計(jì) 了 RFactor、KFactor、BFactor、EFactor、TFactor、LSFactor、GFactor類(lèi)庫(kù)，定義了一系列年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算方法，封裝了模型的計(jì)算過(guò)程。根據(jù)設(shè)定好的計(jì)算參數(shù)，可直接調(diào)用相關(guān)算法，分步驟計(jì)算各類(lèi)因子、進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算，再完成相應(yīng)的成果可視化。

該組件集中各組件類(lèi)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如4所示。

圖4 組件類(lèi)結(jié)構(gòu)示意圖

在完成了宿主程序和其他功能插件的開(kāi)發(fā)之后，再將年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮诺狡脚_(tái)存放插件的plugin目錄文件夾中。啟動(dòng)插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)后，加載基本文件管理插件，添加對(duì)應(yīng)的模擬工程，進(jìn)而在“年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒寮敝羞M(jìn)行模型運(yùn)算。圖5以“耕作因子”計(jì)算為例，展示年產(chǎn)沙經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算過(guò)程。

3 結(jié) 語(yǔ)

插件式土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突冢甆et技術(shù)和ArcGIS Engine平臺(tái)搭建，將不同的功能模塊以插件的形式集成到框架中，實(shí)現(xiàn)了宿主框架在軟件應(yīng)用工程方面的擴(kuò)展。本文根據(jù)土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谙到y(tǒng)開(kāi)發(fā)方面存在的問(wèn)題，在深入研究GIS、土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃筒寮夹g(shù)基礎(chǔ)上，提出將土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃筒寮夹g(shù)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)設(shè)想，實(shí)現(xiàn)了主程序和插件間的無(wú)縫連接，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性，驗(yàn)證了構(gòu)建插件式系統(tǒng)的可行性，從而為黃土高原土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

圖5 耕作因子計(jì)算結(jié)果圖

[1] 朱連奇，馮文峰，朱文博．土壤侵蝕研究中的“3S”技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J]．地理科學(xué)進(jìn)展，2008，27(6)：57-62

[2] 蔡強(qiáng)國(guó)，劉紀(jì)根．關(guān)于我國(guó)土壤侵蝕模型研究進(jìn)展[J]．地理科學(xué)進(jìn)展，2003，22(3)：242-250

[3] 李景玉，張楠，王榮彬． 黃河流域土壤侵蝕產(chǎn)沙模型研究進(jìn)展[J]．地理科學(xué)進(jìn)展，2006,25(2)：103-111

[4] 湯國(guó)安，劉學(xué)軍，閭國(guó)年．?dāng)?shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法[M]．北京：科學(xué)出版社，2005

[5] 李志林，朱慶． 數(shù)字高程模型[M]．武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2000

[6] Peel T C．The Relation of Certain Physical Characteristics to the Erodibility of Soils[J]． Soil Science Society Proceedings，1937，26(2)：79-84．

[7] 蔣波濤．插件式 GIS 應(yīng)用框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008

[8] 聞平，王媛，王沖． 插件式GIS 應(yīng)用框架的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J]．地理空間信息，2012，10(4)：118-119

[9] 惠廣裕，鄧躍進(jìn)，蔡京晶． GIS由COM框架向．NET框架遷移的研究[J]．地理空間信息，2008，6(6)：56- 58

[10] 陳紅華，李滿(mǎn)春，李飛雪． 插件式GIS應(yīng)用框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．地理空間信息，2011，9(2)：26-28

P208

B

1672-4623（2014）05-0098-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.036

宋健，碩士，主要從事基礎(chǔ)測(cè)繪、地理信息系統(tǒng)軟件應(yīng)用與開(kāi)發(fā)、遙感應(yīng)用研究。

2014-01-15。

項(xiàng)目來(lái)源：水利部公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201201081）。