水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

于良巨 劉 慧 尚偉濤 姜曉鵬

1(中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所 山東 煙臺 264003) 2(海洋大科學(xué)研究中心中國科學(xué)院 山東 青島 266071) 3(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 山東 青島 266071)

0 引 言

近30年來,隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,沿海地區(qū)養(yǎng)殖范圍和規(guī)模不斷擴大,使得我國成為世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國。為了面向更可持續(xù)的漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè),基于生態(tài)系統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃越來越受到重視。

國際上,世界糧農(nóng)組織(FAO)報告中多次建議開展基于生態(tài)系統(tǒng)方法的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)劃、選址及區(qū)域管理[1-2],并強調(diào)利用GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)手段為水產(chǎn)養(yǎng)殖選址、規(guī)劃提供科學(xué)支持,出現(xiàn)了眾多水產(chǎn)養(yǎng)殖支持工具和系統(tǒng)。如養(yǎng)殖場尺度的FARM模型[3],ShellGIS是美國一個面向養(yǎng)殖者的甲殼類海水養(yǎng)殖的選址和養(yǎng)殖場管理工具[4],AquaSpace是應(yīng)用于德國北海的基于GIS的用于評估與水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃的一套工具[5],AkvaVis是挪威海水養(yǎng)殖的數(shù)據(jù)管理及可視化、養(yǎng)殖選址可行性分析的支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在挪威卑爾根、法國諾曼底和康卡勒沿海、北愛爾蘭卡林福德湖等歐洲國家的海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖空間決策支持進行了一系列的應(yīng)用。

在國內(nèi),自從2010年后,隨著GIS信息技術(shù)的逐漸普及,陸續(xù)出現(xiàn)了各不相同的水產(chǎn)養(yǎng)殖管理信息系統(tǒng)[6]。孫英澤[7]介紹了GIS和多準則相結(jié)合的水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)劃系統(tǒng)。文獻[8]等利用開源GIS和JAVA等技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了WebGIS的水產(chǎn)資源信息服務(wù)系統(tǒng)。年雁云等[9]設(shè)計了基于WebGIS的渤海漁業(yè)服務(wù)系統(tǒng)。徐威杰等[6]設(shè)計與開發(fā)了WebGIS的水產(chǎn)養(yǎng)殖信息管理系統(tǒng)。

與國外相比,我國在綜合利用地理信息、生物生態(tài)模型等技術(shù)應(yīng)用于海水養(yǎng)殖空間規(guī)劃化的支持上滯后于我國海水水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的發(fā)展。針對桑溝灣水產(chǎn)養(yǎng)殖缺乏空間規(guī)劃管理現(xiàn)狀,我們設(shè)計并實現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃決策支持系統(tǒng)(APDSS)。APDSS系統(tǒng)總體設(shè)計思路是參照了挪威海洋研究所與挪威科學(xué)中心的漁業(yè)養(yǎng)殖可視化系統(tǒng)(AkvaVis),在養(yǎng)殖區(qū)關(guān)鍵水文動力要素數(shù)值模擬、水產(chǎn)養(yǎng)殖容量評估、養(yǎng)殖生態(tài)模型等基礎(chǔ)上,設(shè)計地理信息處理模型,利用C#和ArcEngine組件式開發(fā)了面向桌面應(yīng)用的CS客戶端,利用ArcGIS API for JavaScript和PHP開發(fā)了面向WebGIS的BS的水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)劃決策支持系統(tǒng),為水產(chǎn)養(yǎng)殖空間管理提供了輔助決策支持。

1 APDSS功能需求

1.1 基本功能

APDSS以地理信息為基礎(chǔ),在提供輔助規(guī)劃決策時應(yīng)具有一般地理信息系統(tǒng)的基本功能。

(1) 提供基本地圖操作服務(wù)。用于支持航次站位矢量圖形及參數(shù)插值柵格圖形的發(fā)布和地圖操作,包括地圖的縮放、漫游等功能。

(2) 提供圖層管理功能。針對海洋功能區(qū)劃、海洋保護區(qū)或種質(zhì)資源保護區(qū)、海洋生態(tài)紅線等政策法規(guī)、規(guī)劃類圖層,提供圖層控制功能;針對溫度、生物、化學(xué)等參數(shù)圖層,提供圖層的編輯和維護功能。

(3) 提供地圖數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢。既可通過屬性數(shù)據(jù)在地圖上查詢位置,也可從地圖數(shù)據(jù)位置查詢出相應(yīng)的屬性信息。

此外,提供用戶的權(quán)限管理,不同的用戶具有不同的權(quán)限,具有特定權(quán)限的用戶才能進行相關(guān)操作,例如實現(xiàn)數(shù)據(jù)集的導(dǎo)入刪除功能和制圖輸出。

1.2 主要功能

除了提供數(shù)據(jù)的顯示、管理和分析等功能外,APDSS系統(tǒng)主要實現(xiàn)了海水養(yǎng)殖生物的適宜性評價、三種代表性的養(yǎng)殖生物生長模型、物理海洋水動力模擬展示、生態(tài)容量評價模型、養(yǎng)殖成本效益核算模型等功能。通過集成這些功能幫助人們從生態(tài)系統(tǒng)管理的角度對養(yǎng)殖活動進行客觀評價,為水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃決策提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2 APDSS設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

APDSS包括桌面端系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)兩部分。桌面端采取C/S(Client/Server)方式,由文件及數(shù)據(jù)庫管理、空間規(guī)劃、養(yǎng)殖管理、地圖工具、用戶管理五個模塊組成,主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、地圖查詢、模型運算等功能。網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server)架構(gòu)進行開發(fā),實現(xiàn)主要面向公眾的數(shù)據(jù)查詢、瀏覽和模型成果展示。

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)方式

C/S端系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、入庫以及數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理與分析、模型模擬。在地理信息功能實現(xiàn)方面,主要用到ESRI公司ArcGIS Engine的組件庫,可添加控件、工具條和對象庫。

B/S端系統(tǒng)采用ESRI公司發(fā)布的WebGIS的開發(fā)工具ArcGIS API for JavaScript,用戶可以通過調(diào)用API獲取ArcGIS server提供的服務(wù),例如瀏覽、編輯、渲染地圖。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)服務(wù)層、邏輯應(yīng)用層、用戶視圖層三層結(jié)構(gòu)進行搭建。用戶視圖層代表系統(tǒng)與用戶的交互界面,負責數(shù)據(jù)的采集和處理以及用戶的請求;邏輯應(yīng)用層是系統(tǒng)的中間連接,在接收到用戶發(fā)送的請求后,通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE連接到SQL Server數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用;數(shù)據(jù)服務(wù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ),為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,在邏輯應(yīng)用層接收到用戶層的需求指令后,向數(shù)據(jù)服務(wù)層調(diào)用數(shù)據(jù),最后將結(jié)果返回用戶視圖(見圖1)。

圖1 APDSS設(shè)計框架

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)

APDSS有多種來源數(shù)據(jù),分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)。其中,空間數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、電子海圖數(shù)據(jù)、提取的海岸線和養(yǎng)殖筏架信息等;非空間數(shù)據(jù)包括航次調(diào)查采樣數(shù)據(jù)、無人機數(shù)據(jù)以及水動力觀測數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果等,采樣數(shù)據(jù)包括站位、時間、溫度、鹽度等參數(shù)信息。

在系統(tǒng)中將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)分開存儲,通過建立地理數(shù)據(jù)庫GeoDatabase和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server等專題數(shù)據(jù)庫,對不同格式的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理[6,10]。桌面端系統(tǒng)通過建立水產(chǎn)養(yǎng)殖專題數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)據(jù)集中管理功能,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)集的新建、刪除等功能,為水產(chǎn)養(yǎng)殖模型提供數(shù)據(jù)服務(wù);網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)借助ArcSDE技術(shù),為用戶提供空間和非空間數(shù)據(jù)庫的高效率操作服務(wù)[10],通過調(diào)用水產(chǎn)養(yǎng)殖專題數(shù)據(jù)庫以及水產(chǎn)養(yǎng)殖模型的運算結(jié)果,為用戶提供數(shù)據(jù)查詢、瀏覽和模型成果展示,輔助用戶完成水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃決策任務(wù)。此外,水動力模擬的多維格式數(shù)據(jù)nc文件被單獨放入服務(wù)器中,通過編譯好的讀取方法調(diào)取海洋環(huán)境多維數(shù)據(jù)。

2.4 軟件環(huán)境

采用微軟Visual Studio 2012軟件系統(tǒng)作為主要開發(fā)環(huán)境,C#作為主要開發(fā)語言,采用C/S和B/S混合模式開發(fā),C/S端主要采用DevExpress控件界面插件,B/S端采用C#、HTML和Javascript等編程語言,利用ArcGIS Server和ADO.NET技術(shù),結(jié)合Geodatabase和SQL Server數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[6]。主要的軟件環(huán)境如表1所示。

表1 APDSS開發(fā)環(huán)境配置

.NET框架支持并兼容VB、C++、C#、JScript和Python等多種開發(fā)語言,這些語言不僅可以訪問.NET框架,而且還能實現(xiàn)交互功能。作為補充,Python語言在APDSS中被作為生態(tài)容量等模型開發(fā)的第二語言。通過動態(tài)鏈接庫或直接調(diào)用可執(zhí)行文件等方式集成各功能應(yīng)用模塊,各功能模塊以DLL或EXE方式集成至主框架程序上[11],實現(xiàn)系統(tǒng)功能的一體化服務(wù)。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 適宜性評價

適宜性評價分為政策適宜性和環(huán)境適宜性。政策適宜性主要在系統(tǒng)中以有關(guān)國家及地方政策法規(guī)、海洋功能區(qū)劃和水環(huán)境標準為依據(jù),通過疊加規(guī)劃圖層,評價養(yǎng)殖海域水質(zhì)是否達標、是否符合海洋功能區(qū)劃、是否與其他用?；ハ鄾_突等。環(huán)境適宜性通過養(yǎng)殖生物的生理生態(tài)特性、生長所需的環(huán)境條件與養(yǎng)殖水域的環(huán)境要素進行比較,在系統(tǒng)中實現(xiàn)此功能的方法是通過加載文獻[12]研究中的適宜性評價圖層,基于這些圖層用戶可根據(jù)不同養(yǎng)殖品種的生理生態(tài)要求,對整個養(yǎng)殖區(qū)適宜養(yǎng)殖品種、適宜養(yǎng)殖地點和適宜程度做出選擇(圖2)。

圖2 養(yǎng)殖環(huán)境適宜性評價(以海帶為例,深色區(qū)域-不適宜,灰色區(qū)域-最適宜,灰白區(qū)域-較適宜)

3.2 個體生長預(yù)測模型

基于動態(tài)能量收支(DEB)模型,系統(tǒng)提供了養(yǎng)殖海域養(yǎng)殖種類的個體生長查詢,該模型可以從能量流動的角度模擬生物體隨著食物密度和溫度環(huán)境變化而變化的個體生長和繁殖。根據(jù)桑溝灣的養(yǎng)殖現(xiàn)狀,系統(tǒng)重點考慮海帶、牡蠣、扇貝等生物的個體生長模擬[13-14]。在集成生物生長模型時,此模塊充分利用DevExpress在圖形界面可視化編程方面的優(yōu)點進行界面設(shè)計,根據(jù)DEB模型和參數(shù)分別編寫計算類,計算結(jié)果以折線圖、曲線圖形式呈現(xiàn)。輸入?yún)?shù)為初始苗長或體重、投苗日期和收獲日期等,收獲結(jié)果表示最終重量、長度。用戶可以調(diào)整上述輸入?yún)?shù),觀察養(yǎng)殖生物生長的長度和重量變化(圖3)。

圖3 個體生長預(yù)測(以海帶為例)

3.3 物理海洋水動力查詢與展示

物理海洋水動力模擬數(shù)據(jù)以NetCDF數(shù)據(jù)格式存儲,具有動態(tài)和多維等特點,能夠較好地實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。此模塊是利用地理信息技術(shù),以高精度的遙感影像底圖表示海域空間,基于ArcEngine的MapControl控件加載遙感影像,利用NetCDF動態(tài)鏈接庫和GDAL動態(tài)鏈接庫采用一定的方法集成后,查詢遙感影像空間范圍的海洋環(huán)境多維數(shù)據(jù)(溫度、鹽度、平均流速、NO3、PO3等),可在對話框中輕松查詢NetCDF數(shù)據(jù)變量并實現(xiàn)變量的柵格化(圖4),或者利用遙感影像的易讀性,通過鼠標點擊遙感影像中的海域位置,經(jīng)過多次坐標轉(zhuǎn)換,直接查看變量在該位置的時間序列信息(圖5)。

圖5 查詢海域中某點任一變量時間變化曲線

3.4 養(yǎng)殖容量評價模塊

采用能量收支法,根據(jù)養(yǎng)殖生物的能量需求和養(yǎng)殖水域可提供的能量總量計算該水域能承載的生物總量[15]。水流作為養(yǎng)殖過程中代謝原料和產(chǎn)物的載體,以浮游植物為指標,基于水動力模型模擬了不同養(yǎng)殖海區(qū)的交換過程對于海域內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的輸運和補充,采用物理過程與生物模型進行耦合模擬的方法評估了桑溝灣筏式貝類長牡蠣與海帶的綜合養(yǎng)殖容量[16]。由于養(yǎng)殖容量模型采用Python語言所編寫,基于.Net框架的語言兼容性,APDSS在后臺中調(diào)用養(yǎng)殖容量模型,當用戶點擊每一個養(yǎng)殖分區(qū)時會給出不同養(yǎng)殖密度下養(yǎng)殖生物(海帶、貝類等)的個體生長情況和總產(chǎn)量,將運行結(jié)果返回到在窗體上的曲線或柱形圖層上,給出每個分區(qū)的適宜密度建議等(圖6)。

3.5 成本-效益比較

在一定的養(yǎng)殖容量條件下,由于不同密度下苗種的存活率不同,最后的產(chǎn)品收獲規(guī)格所占比例也不同;養(yǎng)殖密度大意味著投入的苗種數(shù)量和人工、燃料等成本高。本部分基于養(yǎng)殖密度、價格、成本等設(shè)計了計算模型,通過計算不同密度下的總成本和總收益,從而實現(xiàn)了成本-效益的比較。

實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是在繪圖控件中預(yù)置階梯圖和堆疊圖。由于不同規(guī)格的價格之間呈階梯狀,通過階梯圖計算了各種規(guī)格下的總收入,總收入=∑Pi×Qi,Qi為不同密度下產(chǎn)出某一規(guī)格下的成品數(shù)量,Pi為對應(yīng)規(guī)格下的價格;由于平均可變成本作為一條曲線是收獲產(chǎn)量的函數(shù),同時固定成本作為一條直線也是收獲產(chǎn)量的函數(shù),通過兩個堆疊圖分別代表可變成本與固定成本。

輸入?yún)?shù):假設(shè)苗種價格和每種規(guī)格產(chǎn)品市場價格不變,選擇不同密度時單位面積的初始投苗量不同、實驗獲取的苗種存活率,統(tǒng)計不同規(guī)格產(chǎn)品的收獲數(shù)量。

以不同規(guī)格的產(chǎn)品數(shù)量和市場價格作為坐標對,利用編寫的計算面積函數(shù)計算不規(guī)則多邊形的面積為總收入;通過計算面積函數(shù)對平均可變成本曲線積分可得堆疊圖所圍成的可變成本和固定成本,最后在曲線控件分別繪制3種曲線(圖7)。

圖7 成本效益計算

輸出結(jié)果:不同密度下單位面積的可變成本、固定成本、總收入和總收益。

3.6 產(chǎn)量查詢實現(xiàn)技術(shù)

用戶在養(yǎng)殖海域上繪制多邊形可查詢某一類養(yǎng)殖生物的產(chǎn)量。在養(yǎng)殖海域,由于海帶的養(yǎng)殖是兩排筏架間隔平養(yǎng),比較容易計算單位面積的養(yǎng)殖數(shù)量;貝類的養(yǎng)殖單元是吊在筏下的網(wǎng)籠結(jié)構(gòu),每個網(wǎng)籠有固定的養(yǎng)殖數(shù)量,通過預(yù)估養(yǎng)殖生物的筏架結(jié)構(gòu)、層數(shù)可以計算出單位面積養(yǎng)殖密度。

當在屏幕上鼠標右鍵選擇要查詢的種類時,系統(tǒng)自動匹配該區(qū)域養(yǎng)殖生物的養(yǎng)殖密度,讀入3.2個體生長函數(shù)的模擬結(jié)果,可預(yù)測多邊形海域面積的產(chǎn)量。實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是在系統(tǒng)中利用地圖控件獲得TrackPolygon方法鼠標左鍵繪制多邊形,之后再調(diào)用IArea接口方法計算多邊形面積(圖8)。

圖8 查詢某一生物多邊形內(nèi)產(chǎn)量(以海帶為例)

某一種類多邊形內(nèi)養(yǎng)殖產(chǎn)量=多邊形面積×單位養(yǎng)殖密度×單一生物生長預(yù)測重量

3.7 其他功能

此外,系統(tǒng)還包括遙感影像、矢量、柵格、NetCDF、EXCEL等多源數(shù)據(jù)讀入功能,以及用戶交互方式、窗體交互、地圖瀏覽和交互、制圖等功能的設(shè)計和實現(xiàn)等,由于篇幅有限,此處不再展開贅述。

4 系統(tǒng)功能及性能測試

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性,測試用戶在ArcGIS Engine10.1運行時軟件環(huán)境安裝后安裝桌面端APDSS(圖9),同時使用瀏覽器訪問網(wǎng)絡(luò)端APDSS(圖10),分別對系統(tǒng)的功能、性能進行了測試。測試結(jié)果表明,本系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性較高,在操作出現(xiàn)失誤的情況下系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)并進行處理;在功能上,該系統(tǒng)功能比較完備,可擴展性較好,對于養(yǎng)殖企業(yè)和當?shù)睾Ｑ鬂O業(yè)局的養(yǎng)殖空間管理具有較好的輔助管理功能,可以滿足系統(tǒng)用戶的多方面操作需求,但需要進一步美化系統(tǒng)界面,個別模塊功能需要后期進行完善,使系統(tǒng)更具備實用性。

圖9 C/S端APDSS界面

圖10 B/S端APDSS界面

5 結(jié) 語

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展,在海水養(yǎng)殖業(yè)中運用現(xiàn)代地理信息技術(shù),不僅能夠提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的管理水平,同時還能夠提高水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益及生態(tài)效益。我們從水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃的實際需求出發(fā),設(shè)計并實現(xiàn)了面向海水養(yǎng)殖空間規(guī)劃的決策支持系統(tǒng),包括C/S的桌面管理子系統(tǒng)和面向公眾B/S的水產(chǎn)養(yǎng)殖信息管理系統(tǒng)。通過總體設(shè)計確定了系統(tǒng)的功能模塊,構(gòu)建了空間數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了適宜性評價、養(yǎng)殖生物個體生長預(yù)測、養(yǎng)殖容量評價、成本-效益分析、生產(chǎn)查詢等多個功能模型。通過桑溝灣海水養(yǎng)殖區(qū)域的實踐應(yīng)用證明了該系統(tǒng)的可行性和可靠性,有效提高了當?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的信息化和管理水平,為海洋漁業(yè)管理部門和生產(chǎn)單位實現(xiàn)基于生態(tài)系統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖空間規(guī)劃及養(yǎng)殖管理提供了及時、重要的決策支持。