南四湖生态环境及其演变时空数据平台的设计与实现

2016-04-11陈飞，杨俊,2

测绘通报 2016年2期

关键词：南四湖生态环境

陈　飞，杨　俊,2

(1. 辽宁师范大学自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室，辽宁大连 116029； 2. 中国科学院地理

科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101)

南四湖生态环境及其演变时空数据平台的设计与实现

陈飞1，杨俊1,2

(1. 辽宁师范大学自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室，辽宁大连 116029； 2. 中国科学院地理

科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室，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：南四湖生态环境及其演变时空数据平台立足于生态环境和时空数据管理，充分运用ArcGIS Engine组件技术、C#.NET技术和数据库技术，实现了时空数据管理、空间分析、数据编辑、信息查询、生态评价和地图制作与输出等功能，是开展南四湖生态环境及其演变研究的重要辅助工具。本文对系统的总体设计、主要功能设计与实现进行了阐述，旨在为湿地生态系统的利用与保护研究和相关软件系统的开发提供参考。

关键词：时空数据平台；生态环境；ArcGIS Engine；南四湖

南四湖核心区生态系统评估与演变趋势研究是国家科技支撑计划课题“南四湖核心区生态带构建技术及示范”的重要内容之一，旨在结合南四湖生态系统最近20年历史演替资料，以及多源多时序遥感影像、基础地理信息数据和相关专题数据，探析南四湖生态系统时空格局变化。通过多属性、多尺度时空数据融合，研究南四湖过去20年中典型的乔草型、灌草型、草本型湿地生态系统在演替序列中的地位、演替方向、速率、稳定性等特征；并在南水北调情景下，对南四湖生态系统进行综合评估诊断，研究南四湖湖泊生态系统演替过程与生境因子的关系，确定影响南四湖生态系统演替的关键生态环境要素[1-2]。

南四湖生态环境研究所需的数据传统上只能依靠收集现有资料或野外实地考察与监测获得，但由于研究对象是一个范围比较大的区域生态系统，所涉及的自然和人文时空格局及变化过程复杂，故在研究中需要采集和处理的数据量非常庞大，传统的方法已很难适应研究和管理的需要。因此，本文基于南四湖生态环境及其演变研究，并结合业务化管理需求，以数据可视化作为基本要求，以多元信息作为数据源，通过ArcGIS Engine组件技术、C#.NET技术和数据库技术，建立时空数据动态可视化管理平台[3-4]。

一、总体设计

1. 需求概述

南四湖生态环境及其演变时空数据平台的建设主要是根据生态环境及其演变趋势研究过程中信息处理的要求，对南四湖地区的多源多时序遥感影像、地形地貌、植被和土地利用，以及各类环境和生态系统结构要素的空间及属性数据、实地调查采样数据进行整合，统一管理，并对未来各种信息进行高效更新。在此基础上，利用建模技术评估南四湖湿地生态系统健康状态，从而应用于南四湖生态环境及其演变研究。根据软件设计的模块化思想[5]，系统主要功能需求可划分为地图浏览、时空数据管理、数据编辑、信息查询、空间分析、生态评价、地图制作与输出和用户验证及管理模块。

2. 实现技术和总体结构

南四湖生态环境及其演变时空数据平台以Visual Studio 2010为系统集成开发环境，采用Esri的二次开发组件ArcGIS Engine 10.2(AE)，结合C#语言和SQL Sever 2012进行组件式开发，实现开发可扩展、易维护的应用系统[6-8]。系统整体架构为客户端/服务器(C/S)，采用C/S架构是因为南四湖生态环境及其演变研究涉及大量的数据处理和指标计算工作，且运算所涉及的部分专题数据为涉密数据，C/S架构可以有效地保证处理数据的安全性和系统的运行效率[9]。如图1所示，系统总体结构由下至上可分为数据层、服务层、应用层和用户层4个层次。数据层为系统提供管理和决策的基本数据支撑，服务层提供系统运行所需的基本组件，应用层实现系统的基本功能，用户层提供平台与用户交互的界面，各层之间通过数据的交互实现用户的需求。

图1　系统总体结构

二、主要功能设计与实现

系统以模块化结构为主体，按类别将所有功能模块归纳在一起，通过系统主界面统一调用各大功能模块。系统主界面如图2所示，主要由主菜单、工具条、地图显示窗口、图层控制窗口、鹰眼窗口和状态栏组成，采用分级菜单与工具条相结合的形式实现各项功能的快速操作。

图2　系统主界面

1. 用户验证及管理功能模块

本功能模块的设计主要出于系统使用和数据安全考虑，用户只有通过密码验证才能进入系统主界面，包含用户登录、密码修改和退出系统功能，管理员用户还能增加新用户，用户信息保存在SQL Server数据库中。

2. 地图浏览功能模块

本功能模块的设计主要实现地图的显示与浏览，为用户提供时空数据的可视化操作界面。它是实现整个时空数据平台的基础，主要包含地图查看、缩放、漫游、鹰眼、信息提示和右键菜单功能。通过AE的MapControl控件提供地理空间数据的显示和分析，PageLayoutControl控件提供地图制作界面，并需要ToolbarControl和TOCControl配合使用。

3. 时空数据管理功能模块

本功能模块的设计主要实现对现有时空数据的管理，为生态环境演变趋势的分析提供基础，包含地图文档管理、图层管理和数据管理3个子模块。地图文档管理表现在对地图文档的新建、打开、保存和另存。而通过图层管理能对已有的地图文档进行图层的增减、显示或隐藏、改变图层的叠放顺序，能够实现对矢量数据文件、栅格数据文件和地理空间数据库文件的操作。

通过数据管理子模块，实现对南四湖地区的行政区划图、DEM、多源多时序遥感影像、土地利用、湿地景观格局和湿地生态调查等专题数据分别进行管理。为便于空间分析，所有空间数据统一至投影坐标系Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_39，并统一存储在ArcGIS的文件地理数据库中。其中，遥感影像包含1980—2013年间13个时期的Landsat、Alos和资源一号02C的数据，用以辅助生态环境管理；土地利用包含1980年、1990年、2000年、2009年和2012年5期的土地利用现状图，用于分析南四湖地区的土地利用变化；湿地景观格局包含1982年、1992年、2002年、2012年4期湿地景观格局数据，用于分析南四湖湿地景观格局的演变和生态评价；湿地生态调查数据包括南四湖地区的水温采样数据、水体PH值采样、电导率、溶解氧和生态群落数据，用于对南四湖的生态环境进行综合分析与评价。

4. 数据编辑功能模块

本功能模块主要实现地理要素数据的编辑操作，为用户提供要素数据的编辑工具，实现空间数据的及时更新。本功能模块主要包含点、线、面要素图形数据的添加、删除和修改，以及相应的属性数据的编辑功能。同时，在编辑过程中能实现要素的复制、粘贴、撤销和重做等功能。编辑功能通过综合利用AE的EngineEditorClass类和IWorkspaceEdit接口来实现。

5. 信息查询功能模块

通过空间位置查询属性信息(图形查属性)和由属性信息定位地物的空间位置(属性查图形)是进行空间决策的有效支持手段。本功能模块主要包含图形查属性(包括点查询和区域查询)、属性查图形和打开属性表等功能，用户可通过多种方式对生态环境相关的专题信息进行多条件、多范围的检索和查询，从海量数据中快速查找目标信息。

6. 空间分析功能模块

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。通过空间分析，不但可以了解时空数据库中的数据，而且可以通过这些数据去揭示更深刻、更内在的规律和特征。本功能模块主要包括空间量算和缓冲区分析功能。通过空间量算工具可以实现距离和任意多边形面积的测量；通过缓冲区分析工具能够在指定的点、线、面实体要素(缓冲目标)周围建立一定宽度范围的多边形，面要素可以实现向内缓冲。

7. 生态评价功能模块

生态系统健康评价是实现湿地监测管理、环境治理和生态修复的基础[10]。建立南四湖湿地生态系统健康评价指标体系及其评价模式，并开发相应的软件模块，可为湿地生态系统业务化监控与管理、规划提供决策依据。本功能模块主要包含指标体系和权重配置、健康距离法模型功能。首先，根据研究需要设置评价湿地生态健康的评价指标，然后利用AHP层次分析法生成参与评价的指标权重。

8. 地图制作与输出功能模块

本功能模块的设计主要用于地图制作与输出，可以制作符合特定要求的专题地图，主要包含地图同步、地图切换、专题图制作和地图输出功能。当前打开地图文档存在多个地图时，通过地图切换菜单工具能在不同地图对象间进行切换。

(1) 地图同步

在数据视图和制图视图中的焦点地图显示窗口中的数据应该保持同步，它是进行地图制作的基础。地图同步的实质是使PageLayoutControl和MapControl中的Map对象指向同一个地图实例，实现的方式是使用PageLayoutControl的ReplaceMaps()方法和设置MapControl的Map属性，来指向MapDocument中的同一个Map对象。其中，ReplaceMaps()方法接收IMaps类型的对象，由于AE中没有定义IMaps接口，需要创建自定义类实现该接口。为保证系统中只有一个ActiveView对象，当从PageLayoutControl切换至MapControl时，需要先调用PageLayoutControl的DeActivate方法，再调用MapControl的Activate方法；从MapControl切换至PageLayoutControl时，先调用MapControl的DeActivate方法，再调用PageLayoutControl的Activate方法。

(2) 专题图制作与地图输出

本平台能根据需要对地图添加文本标注和进行符号化修饰，制作包含图例、比例尺、指北针等图边要素的专题图。为用户分别提供文本、图层符号、比例尺和指北针的符号选择器，可以向地图文档中插入图例、比例尺和指北针，并根据需要调整其大小和位置。符号选择器的实现主要涉及IStyleGalleryItem、ILegendClass、IGraphicsContainer和IMapSurroundFrame接口。

专题图制作好后，通过对图像分辨率、画布大小等的设置可导出多种类型的图片文件，如*.ai、*.eps、*.jpg、*.pdf和*.tif等。实现过程中主要涉及IPageLayoutControl、IEnvelope、IActiveView和IExport接口。

三、结论与讨论

根据实用、可操作性的原则，基于南四湖生态环境及其演变研究和业务化管理需求，本文利用C#.NET编程技术、ArcGIS Engine组件技术和数据库技术，建立了操作简便、界面友好的生态环境及其演变趋势时空数据平台。该平台主要应用于南四湖湿地资源和相关数据的管理、可视化查询及湿地生态健康状况的评估，为湿地生态系统的研究和管理提供科学决策的依据。

通过对已有地图资料、遥感影像、土地利用图和野外调查采集到的数据编辑整理后输入到统一的地理空间数据库中，可以让湿地管理人员和相关研究人员高效地管理湿地和利用湿地数据，实现了南四湖湿地信息的空间可视化，为湖泊湿地空间信息的及时共享、快速便捷查询等提供了良好的信息平台。通过对数据的空间分析，构建湿地健康评价指标体系，可以对南四湖湿地生态健康状况快速作出评价，从而可以从技术、经济和环境的角度提出较优的管理决策方案，以期达到湿地资源可持续利用和保护的目的。在下一步研究中，系统将进一步完善空间分析和生态评价模块，集成生态健康评价和生态脆弱性评价功能，更好地为湿地生态环境研究提供保障；同时，系统将结合元胞自动机(CA)和多智能体(MAS)等技术对南四湖地区的土地利用和景观格局发展变化趋势进行更准确的预测。

目前，系统已申请软件著作权登记。在南四湖生态环境及其演变研究工作中，本系统发挥了重要的作用，并取得了良好的效果。可以预见，在未来南四湖地区生态环境演变监测和湿地保护研究工作中，本系统必将扮演更重要的角色，并为其他湿地生态系统的利用与保护研究提供参考。

参考文献：

[1]杨俊, 席建超, 李雪铭, 等. 南四湖湿地系统生态环境演变研究[M]. 北京: 科学出版社, 2015.

[2]范强, 杜婷, 杨俊, 等. 1982—2012年南四湖湿地景观格局演变分析[J]. 资源科学, 2014,36(4):865-873.

[3]黎夏, 刘小平, 李少英. 智能式GIS与空间优化[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[4]吴建华. 基于ArcGIS Engine的GIS软件开发方法[J]. 测绘通报, 2010(11):54-57.

[5]张海藩. 软件工程导论[M]. 2版. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[6]荆平. 地理信息系统设计与开发[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011.

[7]王珊, 萨师煊. 数据库系统概论[M]. 4版. 北京：高等教育出版社, 2006.

[8]李崇贵, 陈峥, 丰德恩, 等. ArcGIS Engine组件式开发及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2012.

[9]冯存均, 丁明雷, 左石磊, 等. 城镇建成区调查地理信息应用系统的设计与实现[J]. 测绘通报, 2015(3):105-107.

[10]王莹. GIS技术支持下的湿地健康评价决策支持系统研究[D]. 上海：华东师范大学, 2010.