基于GIS和物元模型的油茶適宜性評(píng)價(jià)系統(tǒng)

戴 慧，胡月明，謝健文＋，袁圣青，王春林

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 廣州510642；2.廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510642；3.廣東省氣候中心，廣東 廣州510080）

0 引 言

油茶種植適宜性評(píng)價(jià)是針對(duì)油茶在特定地域種植的適宜程度做出結(jié)論性評(píng)價(jià)，對(duì)高效利用土地資源、調(diào)整優(yōu)化油茶種植結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)油茶優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有十分重要的意義。物元模型以其多樣性和模糊性的特點(diǎn)，比較適宜解決多因素、多準(zhǔn)則決策過程中參評(píng)因子間的不相容問題，因此，近年來，在生態(tài)環(huán)境［1］、城市電網(wǎng)規(guī)劃［2］、土地整理［3］、災(zāi)害預(yù)測(cè)［4］、水資源評(píng)價(jià)［5］、低碳物流［6］等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。實(shí)例也表明，該方法在多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)中能收到很好的評(píng)價(jià)效果。GIS作為綜合處理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的有力工具，已經(jīng)受到越來多的學(xué)者的關(guān)注［7，8］，它能夠有效提供空間信息的查詢與瀏覽，空間數(shù)據(jù)的編輯與存儲(chǔ)以及空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析等功能，能為經(jīng)濟(jì)作物適宜性評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持［9－11］。因而把GIS引入到油茶種植適宜性評(píng)價(jià)中，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)評(píng)價(jià)模型和空間處理技術(shù)的無縫集成，進(jìn)而能高效的處理和管理油茶種植適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。然而，盡管GIS能為適宜性評(píng)價(jià)提供有力工具，但是目前對(duì)作物的適宜性評(píng)價(jià)多借助專業(yè)的GIS 桌面軟件，面對(duì)龐大而復(fù)雜的GIS專業(yè)軟件和它復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)等功能，往往要求用戶具備一定的GIS知識(shí)背景以及對(duì)GIS軟件有所了解。這導(dǎo)致一般的客戶因缺乏GIS理論知識(shí)等原因而不能熟練的運(yùn)用GIS這一有力工具高效的完成適宜性評(píng)價(jià)。

為此，本文主要以物元理論為支撐，建立了一個(gè)油茶種植適宜性物元綜合評(píng)價(jià)模型。將GIS組件技術(shù)與物元模型有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)針對(duì)性強(qiáng)、簡單易用的油茶種植適宜性綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。以其為相關(guān)部門調(diào)整優(yōu)化油茶種植結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)油茶優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 基于GIS的物元模型原理

1.1 物元基本理論

1.1.1 物元理論

物元分析理論是我國數(shù)學(xué)家蔡文于1994年提出的，記為R＝（N，C，V），N，C，V 分別為所描述事物的名稱、特征和特征的量值。假設(shè)事物N 具有多個(gè)特征，則可以用n個(gè)特征c1，c2，…cn及其相對(duì)應(yīng)的量值V1，V2，…Vn進(jìn)行描述，稱物元R 為n 維物元，記作

式中：Ri＝ （N，Ci，Vi），i＝1，2，…，n 記作物元R 的分物元，C＝ ［c1，c2，…，cn］為特征向量，V ＝ ［V1，V2，…，Vn］為特征向量相對(duì)應(yīng)的量值。

1.1.2 物元評(píng)價(jià)的主要步驟

物元模型一般先根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和意見對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象的水平分成若干等級(jí)，然后計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，再對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果與各等級(jí)集合的關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行比較，選出關(guān)聯(lián)度最大所屬的等級(jí)為該評(píng)價(jià)對(duì)象的最終評(píng)定結(jié)果，其關(guān)聯(lián)度越大，與其等級(jí)集合的符合程度也就越高。

物元評(píng)價(jià)步驟：

步驟1 物元評(píng)價(jià)中經(jīng)典域、節(jié)域和評(píng)價(jià)對(duì)象物元的確定

式中：Nj——所確定的第j 個(gè)等級(jí)； （j＝1，2，…m），vj1，vj2，…，vjn——評(píng)價(jià)指標(biāo)c1，c2，…cn所取值的范圍，即經(jīng)典域，且vji＝＜aji，bji＞ （i＝1，2，…n）。設(shè)

式中：p——評(píng)價(jià)對(duì)象等級(jí)的全體；vp1，vp2，…，vpn——評(píng)價(jià)指標(biāo)c1，c2，…cn所取值的范圍，即節(jié)域。設(shè)

式中：po——待評(píng)的物元；v1，v2，…，vn——po關(guān)于c1，c2，…cn測(cè)得的具體數(shù)據(jù)。

步驟2 權(quán)重的確定：確定權(quán)重的方法大致可概括為3種，主觀賦權(quán)、客觀賦權(quán)以及綜合賦權(quán)。本系統(tǒng)采用的是一種客觀賦權(quán)法—熵權(quán)法，此方法能憑借評(píng)價(jià)因子的變異程度，根據(jù)信息熵先算出熵權(quán)，再利用商權(quán)修正權(quán)重這一過程得出客觀的權(quán)重。

步驟3 關(guān)聯(lián)度的計(jì)算：物元模型中，指標(biāo)與各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度按下式來計(jì)算

步驟4 等級(jí)的評(píng)定：如果kj（po）＝max｛kj（po）｝（j＝1，2，…，m），那么待評(píng)物元po屬于等級(jí)j。

1.2 GIS與物元模型的集成

GIS技術(shù)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、管理與成圖功能，借助GIS，可靈活對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理和分析，以便對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。本系統(tǒng)中，可將評(píng)價(jià)指標(biāo)通過ArcSDE 存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫中，供物元模型快速調(diào)用。充分利用面向?qū)ο缶幊陶Z言的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建系統(tǒng)指標(biāo)庫和評(píng)價(jià)模型庫。專業(yè)評(píng)價(jià)模型只能從數(shù)值上計(jì)算出各評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)結(jié)果，無法從空間角度將模型計(jì)算結(jié)果直觀的顯示在用戶面前，而GIS技術(shù)憑鑒其強(qiáng)大的空間圖形可視化功能，可將評(píng)價(jià)模型庫所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行圖形可視化顯示和管理，并通過專業(yè)的成圖方案，最終形成專題圖。GIS 和物元模型有機(jī)的結(jié)合，能取長補(bǔ)短，真正能實(shí)現(xiàn)GIS與專業(yè)評(píng)價(jià)模型的無縫集成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架構(gòu)

2.1 ArcEngine簡述

ArcEngine是ESRI公司推出的一款組件產(chǎn)品，它是一套完備的嵌入式GIS 組件庫。它將一組核心ArcObjects進(jìn)行封裝，給開發(fā)者構(gòu)建自定義GIS和制圖應(yīng)用軟件提供組件庫和方法庫，ArcEngine是開發(fā)人員的一個(gè)開發(fā)工具包。使用ArcEngine可搭建獨(dú)立的GIS程序，也能為客戶提供一個(gè)具有針對(duì)性的空間解決方案。

2.2 系統(tǒng)的工作流程

基于GIS和物元模型的油茶種植適宜性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，主要步驟為：①經(jīng)過大量的實(shí)地調(diào)研，并征求業(yè)內(nèi)專家意見，在遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、定性與定量相結(jié)合原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建油茶種植適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。②借助GIS技術(shù)，量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，并構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)庫。③以物元理論為支撐，建立油茶種植適宜性評(píng)價(jià)物元模型，并構(gòu)建評(píng)價(jià)模型庫。④以廣東省為研究區(qū)，利用系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)并借助GIS成圖功能，對(duì)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行可視化輸出以及專題圖繪制。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成ArcEngine二次開發(fā)技術(shù)與專業(yè)評(píng)價(jià)技術(shù)，采用C／S （客戶機(jī)／服務(wù)器）三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。表現(xiàn)層，即外部用戶的顯示界面，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的圖形界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基本應(yīng)用和專業(yè)評(píng)價(jià)界面；中間層，即業(yè)務(wù)邏輯層，通過ArcEngine 10組件和ADO.NET 把空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起，負(fù)責(zé)圖形和屬性的編輯、管理、查詢、統(tǒng)計(jì)，以及物元評(píng)價(jià)模型算法的實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)層，采用SQL Server 2008和ArcSDE 10，負(fù)責(zé)油茶種植信息和評(píng)價(jià)指標(biāo)的存儲(chǔ)與管理。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，在遵循指標(biāo)構(gòu)建原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)具體的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，制定出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)因子；以物元模型為支撐，利用Arc－Engine二次開發(fā)組件，將GIS技術(shù)與專業(yè)評(píng)價(jià)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)油茶種植適宜性專業(yè)評(píng)價(jià)模塊和空間處理分析的一體化操作，進(jìn)而搭建一個(gè)油茶種植適宜性空間決策支持系統(tǒng)。

3 油茶種植適宜性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選取廣東省作為研究對(duì)象，基于.NET Framework 4.0框架，采用Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合ArcEngine 10.0組件庫，采用ArcSDE 10.0 空間引擎，以SQL Server 2008 作為數(shù)據(jù)庫。主要實(shí)現(xiàn)了油茶種植知識(shí)、油茶市場(chǎng)信息的查詢與管理；地圖瀏覽、查詢、定位等基本地圖操作以及油茶種植適宜性評(píng)價(jià)相關(guān)的模型和算法。這里主要介紹指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)量化、權(quán)重計(jì)算以及GIS和物元模型結(jié)合的實(shí)現(xiàn)。

3.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重確定的實(shí)現(xiàn)

各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)以及等級(jí)數(shù)據(jù)范圍的確定是物元模型進(jìn)行評(píng)價(jià)的首要條件，在利用物元模型進(jìn)行評(píng)價(jià)之前，須確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)各等級(jí)的數(shù)值范圍，本系統(tǒng)通過簡單的人機(jī)交互界面，根據(jù)各專家意見，為參評(píng)因子打分，通過界面的形式把專家打分錄入系統(tǒng)，錄入界面如圖3所示；指標(biāo)權(quán)重是某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)程度，權(quán)重設(shè)置合理與否直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果精度的高低，本系統(tǒng)采用熵權(quán)法來計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，同時(shí)權(quán)重可以以.txt或.xls格式輸出，權(quán)重計(jì)算界面如圖4所示。

圖3 年均氣溫等級(jí)值確定

3.2 GIS和物元模型結(jié)合的實(shí)現(xiàn)

圖4 評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算

GIS與物元模型有機(jī)結(jié)合是本系統(tǒng)的主要功能，根據(jù)物元理論，充分利用面向?qū)ο缶幊陶Z言的優(yōu)勢(shì)，編寫物元基本算法，實(shí)現(xiàn)專業(yè)評(píng)價(jià)功能模塊，根據(jù)該模塊，對(duì)廣東省油茶種植適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從數(shù)值上計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)單元的適宜性等級(jí)，如圖5所示。得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果后，再依據(jù)GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理、分析和可視化功能，根據(jù)評(píng)價(jià)單元這一唯一標(biāo)示符實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的連接，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的可視化以及評(píng)價(jià)結(jié)果專題圖的制作，從而實(shí)現(xiàn)GIS和物元模型的有機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 物元綜合評(píng)價(jià)

圖6 適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果可視化

4 結(jié)束語

本文以物元模型為支撐，將該模型解決不相容問題的優(yōu)點(diǎn)與GIS強(qiáng)大的空間處理分析和可視化功能有機(jī)結(jié)合，使用Visual Studio.NET 2010、組件式GIS產(chǎn)品ArcEngine組件庫和SQL Server2008數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了一套油茶種植適宜性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)友好、功能針對(duì)性強(qiáng)，容易被用戶接受。用戶通過該系統(tǒng)，可以快速計(jì)算出廣東省油茶種植適宜性等級(jí)，并獲取相應(yīng)的油茶種植知識(shí)和油茶市場(chǎng)信息，為優(yōu)化油茶種植結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)油茶優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的提供了決策依據(jù)。物元模型作為一種解決復(fù)雜不相容問題的理論工具，能提高油茶種植適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，從而保證了油茶適宜性評(píng)價(jià)系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。將該模型與GIS強(qiáng)大的空間可視化功能有機(jī)的結(jié)合，既能保證評(píng)價(jià)結(jié)果的精度也能實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的空間顯示。從系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果來看，本系統(tǒng)用于廣東省油茶種植適宜性評(píng)價(jià)效果良好，在油茶種植適宜性評(píng)價(jià)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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