南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳　飛，楊　俊,2

(1. 遼寧師范大學(xué)自然地理與空間信息科學(xué)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116029； 2. 中國科學(xué)院地理

科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

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南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳飛1，楊俊1,2

(1. 遼寧師范大學(xué)自然地理與空間信息科學(xué)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116029； 2. 中國科學(xué)院地理

科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

Design and Implementation of Spatial-temporal Data Platform for Eco-environment and Its Evolution Study of Nansi Lake

CHEN Fei，YANG Jun

摘要：南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)立足于生態(tài)環(huán)境和時(shí)空數(shù)據(jù)管理，充分運(yùn)用ArcGIS Engine組件技術(shù)、C#.NET技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)空數(shù)據(jù)管理、空間分析、數(shù)據(jù)編輯、信息查詢、生態(tài)評(píng)價(jià)和地圖制作與輸出等功能，是開展南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變研究的重要輔助工具。本文對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、主要功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，旨在為濕地生態(tài)系統(tǒng)的利用與保護(hù)研究和相關(guān)軟件系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)；生態(tài)環(huán)境；ArcGIS Engine；南四湖

南四湖核心區(qū)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與演變趨勢(shì)研究是國家科技支撐計(jì)劃課題“南四湖核心區(qū)生態(tài)帶構(gòu)建技術(shù)及示范”的重要內(nèi)容之一，旨在結(jié)合南四湖生態(tài)系統(tǒng)最近20年歷史演替資料，以及多源多時(shí)序遙感影像、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和相關(guān)專題數(shù)據(jù)，探析南四湖生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空格局變化。通過多屬性、多尺度時(shí)空數(shù)據(jù)融合，研究南四湖過去20年中典型的喬草型、灌草型、草本型濕地生態(tài)系統(tǒng)在演替序列中的地位、演替方向、速率、穩(wěn)定性等特征；并在南水北調(diào)情景下，對(duì)南四湖生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估診斷，研究南四湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)演替過程與生境因子的關(guān)系，確定影響南四湖生態(tài)系統(tǒng)演替的關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境要素[1-2]。

南四湖生態(tài)環(huán)境研究所需的數(shù)據(jù)傳統(tǒng)上只能依靠收集現(xiàn)有資料或野外實(shí)地考察與監(jiān)測(cè)獲得，但由于研究對(duì)象是一個(gè)范圍比較大的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，所涉及的自然和人文時(shí)空格局及變化過程復(fù)雜，故在研究中需要采集和處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，傳統(tǒng)的方法已很難適應(yīng)研究和管理的需要。因此，本文基于南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變研究，并結(jié)合業(yè)務(wù)化管理需求，以數(shù)據(jù)可視化作為基本要求，以多元信息作為數(shù)據(jù)源，通過ArcGIS Engine組件技術(shù)、C#.NET技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立時(shí)空數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化管理平臺(tái)[3-4]。

一、總體設(shè)計(jì)

1. 需求概述

南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)主要是根據(jù)生態(tài)環(huán)境及其演變趨勢(shì)研究過程中信息處理的要求，對(duì)南四湖地區(qū)的多源多時(shí)序遙感影像、地形地貌、植被和土地利用，以及各類環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要素的空間及屬性數(shù)據(jù)、實(shí)地調(diào)查采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，統(tǒng)一管理，并對(duì)未來各種信息進(jìn)行高效更新。在此基礎(chǔ)上，利用建模技術(shù)評(píng)估南四湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，從而應(yīng)用于南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變研究。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的模塊化思想[5]，系統(tǒng)主要功能需求可劃分為地圖瀏覽、時(shí)空數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)編輯、信息查詢、空間分析、生態(tài)評(píng)價(jià)、地圖制作與輸出和用戶驗(yàn)證及管理模塊。

2. 實(shí)現(xiàn)技術(shù)和總體結(jié)構(gòu)

南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)以Visual Studio 2010為系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，采用Esri的二次開發(fā)組件ArcGIS Engine 10.2(AE)，結(jié)合C#語言和SQL Sever 2012進(jìn)行組件式開發(fā)，實(shí)現(xiàn)開發(fā)可擴(kuò)展、易維護(hù)的應(yīng)用系統(tǒng)[6-8]。系統(tǒng)整體架構(gòu)為客戶端/服務(wù)器(C/S)，采用C/S架構(gòu)是因?yàn)槟纤暮鷳B(tài)環(huán)境及其演變研究涉及大量的數(shù)據(jù)處理和指標(biāo)計(jì)算工作，且運(yùn)算所涉及的部分專題數(shù)據(jù)為涉密數(shù)據(jù)，C/S架構(gòu)可以有效地保證處理數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的運(yùn)行效率[9]。如圖1所示，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由下至上可分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和用戶層4個(gè)層次。數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)提供管理和決策的基本數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)層提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的基本組件，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，用戶層提供平臺(tái)與用戶交互的界面，各層之間通過數(shù)據(jù)的交互實(shí)現(xiàn)用戶的需求。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二、主要功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以模塊化結(jié)構(gòu)為主體，按類別將所有功能模塊歸納在一起，通過系統(tǒng)主界面統(tǒng)一調(diào)用各大功能模塊。系統(tǒng)主界面如圖2所示，主要由主菜單、工具條、地圖顯示窗口、圖層控制窗口、鷹眼窗口和狀態(tài)欄組成，采用分級(jí)菜單與工具條相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的快速操作。

圖2　系統(tǒng)主界面

1. 用戶驗(yàn)證及管理功能模塊

本功能模塊的設(shè)計(jì)主要出于系統(tǒng)使用和數(shù)據(jù)安全考慮，用戶只有通過密碼驗(yàn)證才能進(jìn)入系統(tǒng)主界面，包含用戶登錄、密碼修改和退出系統(tǒng)功能，管理員用戶還能增加新用戶，用戶信息保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫中。

2. 地圖瀏覽功能模塊

本功能模塊的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)地圖的顯示與瀏覽，為用戶提供時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化操作界面。它是實(shí)現(xiàn)整個(gè)時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)，主要包含地圖查看、縮放、漫游、鷹眼、信息提示和右鍵菜單功能。通過AE的MapControl控件提供地理空間數(shù)據(jù)的顯示和分析，PageLayoutControl控件提供地圖制作界面，并需要ToolbarControl和TOCControl配合使用。

3. 時(shí)空數(shù)據(jù)管理功能模塊

本功能模塊的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)的管理，為生態(tài)環(huán)境演變趨勢(shì)的分析提供基礎(chǔ)，包含地圖文檔管理、圖層管理和數(shù)據(jù)管理3個(gè)子模塊。地圖文檔管理表現(xiàn)在對(duì)地圖文檔的新建、打開、保存和另存。而通過圖層管理能對(duì)已有的地圖文檔進(jìn)行圖層的增減、顯示或隱藏、改變圖層的疊放順序，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)矢量數(shù)據(jù)文件、柵格數(shù)據(jù)文件和地理空間數(shù)據(jù)庫文件的操作。

通過數(shù)據(jù)管理子模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)南四湖地區(qū)的行政區(qū)劃圖、DEM、多源多時(shí)序遙感影像、土地利用、濕地景觀格局和濕地生態(tài)調(diào)查等專題數(shù)據(jù)分別進(jìn)行管理。為便于空間分析，所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一至投影坐標(biāo)系Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_39，并統(tǒng)一存儲(chǔ)在ArcGIS的文件地理數(shù)據(jù)庫中。其中，遙感影像包含1980—2013年間13個(gè)時(shí)期的Landsat、Alos和資源一號(hào)02C的數(shù)據(jù)，用以輔助生態(tài)環(huán)境管理；土地利用包含1980年、1990年、2000年、2009年和2012年5期的土地利用現(xiàn)狀圖，用于分析南四湖地區(qū)的土地利用變化；濕地景觀格局包含1982年、1992年、2002年、2012年4期濕地景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)，用于分析南四湖濕地景觀格局的演變和生態(tài)評(píng)價(jià)；濕地生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)包括南四湖地區(qū)的水溫采樣數(shù)據(jù)、水體PH值采樣、電導(dǎo)率、溶解氧和生態(tài)群落數(shù)據(jù)，用于對(duì)南四湖的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。

4. 數(shù)據(jù)編輯功能模塊

本功能模塊主要實(shí)現(xiàn)地理要素?cái)?shù)據(jù)的編輯操作，為用戶提供要素?cái)?shù)據(jù)的編輯工具，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的及時(shí)更新。本功能模塊主要包含點(diǎn)、線、面要素圖形數(shù)據(jù)的添加、刪除和修改，以及相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)的編輯功能。同時(shí)，在編輯過程中能實(shí)現(xiàn)要素的復(fù)制、粘貼、撤銷和重做等功能。編輯功能通過綜合利用AE的EngineEditorClass類和IWorkspaceEdit接口來實(shí)現(xiàn)。

5. 信息查詢功能模塊

通過空間位置查詢屬性信息(圖形查屬性)和由屬性信息定位地物的空間位置(屬性查圖形)是進(jìn)行空間決策的有效支持手段。本功能模塊主要包含圖形查屬性(包括點(diǎn)查詢和區(qū)域查詢)、屬性查圖形和打開屬性表等功能，用戶可通過多種方式對(duì)生態(tài)環(huán)境相關(guān)的專題信息進(jìn)行多條件、多范圍的檢索和查詢，從海量數(shù)據(jù)中快速查找目標(biāo)信息。

6. 空間分析功能模塊

空間分析是基于地理對(duì)象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息。通過空間分析，不但可以了解時(shí)空數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而且可以通過這些數(shù)據(jù)去揭示更深刻、更內(nèi)在的規(guī)律和特征。本功能模塊主要包括空間量算和緩沖區(qū)分析功能。通過空間量算工具可以實(shí)現(xiàn)距離和任意多邊形面積的測(cè)量；通過緩沖區(qū)分析工具能夠在指定的點(diǎn)、線、面實(shí)體要素(緩沖目標(biāo))周圍建立一定寬度范圍的多邊形，面要素可以實(shí)現(xiàn)向內(nèi)緩沖。

7. 生態(tài)評(píng)價(jià)功能模塊

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)濕地監(jiān)測(cè)管理、環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)[10]。建立南四湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其評(píng)價(jià)模式，并開發(fā)相應(yīng)的軟件模塊，可為濕地生態(tài)系統(tǒng)業(yè)務(wù)化監(jiān)控與管理、規(guī)劃提供決策依據(jù)。本功能模塊主要包含指標(biāo)體系和權(quán)重配置、健康距離法模型功能。首先，根據(jù)研究需要設(shè)置評(píng)價(jià)濕地生態(tài)健康的評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后利用AHP層次分析法生成參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重。

8. 地圖制作與輸出功能模塊

本功能模塊的設(shè)計(jì)主要用于地圖制作與輸出，可以制作符合特定要求的專題地圖，主要包含地圖同步、地圖切換、專題圖制作和地圖輸出功能。當(dāng)前打開地圖文檔存在多個(gè)地圖時(shí)，通過地圖切換菜單工具能在不同地圖對(duì)象間進(jìn)行切換。

(1) 地圖同步

在數(shù)據(jù)視圖和制圖視圖中的焦點(diǎn)地圖顯示窗口中的數(shù)據(jù)應(yīng)該保持同步，它是進(jìn)行地圖制作的基礎(chǔ)。地圖同步的實(shí)質(zhì)是使PageLayoutControl和MapControl中的Map對(duì)象指向同一個(gè)地圖實(shí)例，實(shí)現(xiàn)的方式是使用PageLayoutControl的ReplaceMaps()方法和設(shè)置MapControl的Map屬性，來指向MapDocument中的同一個(gè)Map對(duì)象。其中，ReplaceMaps()方法接收IMaps類型的對(duì)象，由于AE中沒有定義IMaps接口，需要?jiǎng)?chuàng)建自定義類實(shí)現(xiàn)該接口。為保證系統(tǒng)中只有一個(gè)ActiveView對(duì)象，當(dāng)從PageLayoutControl切換至MapControl時(shí)，需要先調(diào)用PageLayoutControl的DeActivate方法，再調(diào)用MapControl的Activate方法；從MapControl切換至PageLayoutControl時(shí)，先調(diào)用MapControl的DeActivate方法，再調(diào)用PageLayoutControl的Activate方法。

(2) 專題圖制作與地圖輸出

本平臺(tái)能根據(jù)需要對(duì)地圖添加文本標(biāo)注和進(jìn)行符號(hào)化修飾，制作包含圖例、比例尺、指北針等圖邊要素的專題圖。為用戶分別提供文本、圖層符號(hào)、比例尺和指北針的符號(hào)選擇器，可以向地圖文檔中插入圖例、比例尺和指北針，并根據(jù)需要調(diào)整其大小和位置。符號(hào)選擇器的實(shí)現(xiàn)主要涉及IStyleGalleryItem、ILegendClass、IGraphicsContainer和IMapSurroundFrame接口。

專題圖制作好后，通過對(duì)圖像分辨率、畫布大小等的設(shè)置可導(dǎo)出多種類型的圖片文件，如*.ai、*.eps、*.jpg、*.pdf和*.tif等。實(shí)現(xiàn)過程中主要涉及IPageLayoutControl、IEnvelope、IActiveView和IExport接口。

三、結(jié)論與討論

根據(jù)實(shí)用、可操作性的原則，基于南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變研究和業(yè)務(wù)化管理需求，本文利用C#.NET編程技術(shù)、ArcGIS Engine組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了操作簡便、界面友好的生態(tài)環(huán)境及其演變趨勢(shì)時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)。該平臺(tái)主要應(yīng)用于南四湖濕地資源和相關(guān)數(shù)據(jù)的管理、可視化查詢及濕地生態(tài)健康狀況的評(píng)估，為濕地生態(tài)系統(tǒng)的研究和管理提供科學(xué)決策的依據(jù)。

通過對(duì)已有地圖資料、遙感影像、土地利用圖和野外調(diào)查采集到的數(shù)據(jù)編輯整理后輸入到統(tǒng)一的地理空間數(shù)據(jù)庫中，可以讓濕地管理人員和相關(guān)研究人員高效地管理濕地和利用濕地?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了南四湖濕地信息的空間可視化，為湖泊濕地空間信息的及時(shí)共享、快速便捷查詢等提供了良好的信息平臺(tái)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的空間分析，構(gòu)建濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可以對(duì)南四湖濕地生態(tài)健康狀況快速作出評(píng)價(jià)，從而可以從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度提出較優(yōu)的管理決策方案，以期達(dá)到濕地資源可持續(xù)利用和保護(hù)的目的。在下一步研究中，系統(tǒng)將進(jìn)一步完善空間分析和生態(tài)評(píng)價(jià)模塊，集成生態(tài)健康評(píng)價(jià)和生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)功能，更好地為濕地生態(tài)環(huán)境研究提供保障；同時(shí)，系統(tǒng)將結(jié)合元胞自動(dòng)機(jī)(CA)和多智能體(MAS)等技術(shù)對(duì)南四湖地區(qū)的土地利用和景觀格局發(fā)展變化趨勢(shì)進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

目前，系統(tǒng)已申請(qǐng)軟件著作權(quán)登記。在南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變研究工作中，本系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，并取得了良好的效果?？梢灶A(yù)見，在未來南四湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變監(jiān)測(cè)和濕地保護(hù)研究工作中，本系統(tǒng)必將扮演更重要的角色，并為其他濕地生態(tài)系統(tǒng)的利用與保護(hù)研究提供參考。

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中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0132-04

作者簡介：陳飛(1989—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)開發(fā)和地理模擬。E-mail：fly_gis@163.com通信作者： 楊俊。E-mail：yangjun@ lnnu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃(2012BAC04B01)；國家自然科學(xué)基金(41471140)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計(jì)劃(LJQ2015058)

收稿日期：2015-12-28

引文格式： 陳飛，楊俊. 南四湖生態(tài)環(huán)境及其演變時(shí)空數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：132-135.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0069.