基于GIS和物元模型的油茶适宜性评价系统

戴 慧，胡月明，谢健文＋，袁圣青，王春林

（1.华南农业大学 信息学院，广东 广州510642；2.广东省土地利用与整治重点实验室，广东 广州510642；3.广东省气候中心，广东 广州510080）

0 引 言

油茶种植适宜性评价是针对油茶在特定地域种植的适宜程度做出结论性评价，对高效利用土地资源、调整优化油茶种植结构以及实现油茶优质高产具有十分重要的意义。物元模型以其多样性和模糊性的特点，比较适宜解决多因素、多准则决策过程中参评因子间的不相容问题，因此，近年来，在生态环境［1］、城市电网规划［2］、土地整理［3］、灾害预测［4］、水资源评价［5］、低碳物流［6］等领域得到广泛的应用。实例也表明，该方法在多指标综合评价中能收到很好的评价效果。GIS作为综合处理空间数据和属性数据的有力工具，已经受到越来多的学者的关注［7，8］，它能够有效提供空间信息的查询与浏览，空间数据的编辑与存储以及空间数据的统计与分析等功能，能为经济作物适宜性评价提供强有力的技术支持［9－11］。因而把GIS引入到油茶种植适宜性评价中，可实现常规评价模型和空间处理技术的无缝集成，进而能高效的处理和管理油茶种植适宜性评价结果。然而，尽管GIS能为适宜性评价提供有力工具，但是目前对作物的适宜性评价多借助专业的GIS 桌面软件，面对庞大而复杂的GIS专业软件和它复杂的空间数据分析和统计等功能，往往要求用户具备一定的GIS知识背景以及对GIS软件有所了解。这导致一般的客户因缺乏GIS理论知识等原因而不能熟练的运用GIS这一有力工具高效的完成适宜性评价。

为此，本文主要以物元理论为支撑，建立了一个油茶种植适宜性物元综合评价模型。将GIS组件技术与物元模型有机的结合，构建一个针对性强、简单易用的油茶种植适宜性综合评价系统。以其为相关部门调整优化油茶种植结构以及实现油茶优质高产提供科学的依据。

1 基于GIS的物元模型原理

1.1 物元基本理论

1.1.1 物元理论

物元分析理论是我国数学家蔡文于1994年提出的，记为R＝（N，C，V），N，C，V 分别为所描述事物的名称、特征和特征的量值。假设事物N 具有多个特征，则可以用n个特征c1，c2，…cn及其相对应的量值V1，V2，…Vn进行描述，称物元R 为n 维物元，记作

式中：Ri＝ （N，Ci，Vi），i＝1，2，…，n 记作物元R 的分物元，C＝ ［c1，c2，…，cn］为特征向量，V ＝ ［V1，V2，…，Vn］为特征向量相对应的量值。

1.1.2 物元评价的主要步骤

物元模型一般先根据专家经验和意见对各评价对象的水平分成若干等级，然后计算各评价指标属于各等级的关联度，再对各评价对象的评价结果与各等级集合的关联度大小进行比较，选出关联度最大所属的等级为该评价对象的最终评定结果，其关联度越大，与其等级集合的符合程度也就越高。

物元评价步骤：

步骤1 物元评价中经典域、节域和评价对象物元的确定

式中：Nj——所确定的第j 个等级； （j＝1，2，…m），vj1，vj2，…，vjn——评价指标c1，c2，…cn所取值的范围，即经典域，且vji＝＜aji，bji＞ （i＝1，2，…n）。设

式中：p——评价对象等级的全体；vp1，vp2，…，vpn——评价指标c1，c2，…cn所取值的范围，即节域。设

式中：po——待评的物元；v1，v2，…，vn——po关于c1，c2，…cn测得的具体数据。

步骤2 权重的确定：确定权重的方法大致可概括为3种，主观赋权、客观赋权以及综合赋权。本系统采用的是一种客观赋权法—熵权法，此方法能凭借评价因子的变异程度，根据信息熵先算出熵权，再利用商权修正权重这一过程得出客观的权重。

步骤3 关联度的计算：物元模型中，指标与各评价等级的关联度按下式来计算

步骤4 等级的评定：如果kj（po）＝max｛kj（po）｝（j＝1，2，…，m），那么待评物元po属于等级j。

1.2 GIS与物元模型的集成

GIS技术具有强大的空间数据分析、存储、管理与成图功能，借助GIS，可灵活对各评价指标数据进行量化处理和分析，以便对指标数据进行存储和管理。本系统中，可将评价指标通过ArcSDE 存储在空间数据库中，供物元模型快速调用。充分利用面向对象编程语言的优势，构建系统指标库和评价模型库。专业评价模型只能从数值上计算出各评价对象的评价结果，无法从空间角度将模型计算结果直观的显示在用户面前，而GIS技术凭鉴其强大的空间图形可视化功能，可将评价模型库所得到的评价结果进行图形可视化显示和管理，并通过专业的成图方案，最终形成专题图。GIS 和物元模型有机的结合，能取长补短，真正能实现GIS与专业评价模型的无缝集成。

2 系统设计与架构

2.1 ArcEngine简述

ArcEngine是ESRI公司推出的一款组件产品，它是一套完备的嵌入式GIS 组件库。它将一组核心ArcObjects进行封装，给开发者构建自定义GIS和制图应用软件提供组件库和方法库，ArcEngine是开发人员的一个开发工具包。使用ArcEngine可搭建独立的GIS程序，也能为客户提供一个具有针对性的空间解决方案。

2.2 系统的工作流程

基于GIS和物元模型的油茶种植适宜性评价系统的工作流程如图1所示，主要步骤为：①经过大量的实地调研，并征求业内专家意见，在遵循科学性、系统性、定性与定量相结合原则的基础上，构建油茶种植适宜性评价指标体系。②借助GIS技术，量化评价指标，并构建评价指标库。③以物元理论为支撑，建立油茶种植适宜性评价物元模型，并构建评价模型库。④以广东省为研究区，利用系统进行评价并借助GIS成图功能，对的评价结果进行可视化输出以及专题图绘制。

图1 系统工作流程

2.3 系统总体设计

系统集成ArcEngine二次开发技术与专业评价技术，采用C／S （客户机／服务器）三层结构，如图2所示。表现层，即外部用户的显示界面，主要实现人机交互的图形界面设计，实现基本应用和专业评价界面；中间层，即业务逻辑层，通过ArcEngine 10组件和ADO.NET 把空间数据与属性数据联系到一起，负责图形和属性的编辑、管理、查询、统计，以及物元评价模型算法的实现；数据层，采用SQL Server 2008和ArcSDE 10，负责油茶种植信息和评价指标的存储与管理。

图2 系统总体架构

2.4 系统关键技术

系统根据专家经验，在遵循指标构建原则的基础上，结合数理统计方法，对具体的指标数据进行归纳整理，制定出科学合理的评价因子；以物元模型为支撑，利用Arc－Engine二次开发组件，将GIS技术与专业评价技术有机结合，实现油茶种植适宜性专业评价模块和空间处理分析的一体化操作，进而搭建一个油茶种植适宜性空间决策支持系统。

3 油茶种植适宜性评价系统的实现

系统选取广东省作为研究对象，基于.NET Framework 4.0框架，采用Visual Studio 2010集成开发环境，结合ArcEngine 10.0组件库，采用ArcSDE 10.0 空间引擎，以SQL Server 2008 作为数据库。主要实现了油茶种植知识、油茶市场信息的查询与管理；地图浏览、查询、定位等基本地图操作以及油茶种植适宜性评价相关的模型和算法。这里主要介绍指标标准量化、权重计算以及GIS和物元模型结合的实现。

3.1 指标标准和权重确定的实现

各指标评价等级以及等级数据范围的确定是物元模型进行评价的首要条件，在利用物元模型进行评价之前，须确定各评价指标各等级的数值范围，本系统通过简单的人机交互界面，根据各专家意见，为参评因子打分，通过界面的形式把专家打分录入系统，录入界面如图3所示；指标权重是某一个评价指标在整体评价中的相对程度，权重设置合理与否直接影响着评价结果精度的高低，本系统采用熵权法来计算各评价指标的权重，同时权重可以以.txt或.xls格式输出，权重计算界面如图4所示。

图3 年均气温等级值确定

3.2 GIS和物元模型结合的实现

图4 评价因子权重计算

GIS与物元模型有机结合是本系统的主要功能，根据物元理论，充分利用面向对象编程语言的优势，编写物元基本算法，实现专业评价功能模块，根据该模块，对广东省油茶种植适宜性进行评价，从数值上计算出各个评价单元的适宜性等级，如图5所示。得到综合评价结果后，再依据GIS强大的空间数据处理、分析和可视化功能，根据评价单元这一唯一标示符实现评价属性数据和空间数据的连接，实现评价结果的可视化以及评价结果专题图的制作，从而实现GIS和物元模型的有机结合。系统实现结果如图6所示。

图5 物元综合评价

图6 适宜性评价结果可视化

4 结束语

本文以物元模型为支撑，将该模型解决不相容问题的优点与GIS强大的空间处理分析和可视化功能有机结合，使用Visual Studio.NET 2010、组件式GIS产品ArcEngine组件库和SQL Server2008数据库构建了一套油茶种植适宜性评价系统，该系统界面设计友好、功能针对性强，容易被用户接受。用户通过该系统，可以快速计算出广东省油茶种植适宜性等级，并获取相应的油茶种植知识和油茶市场信息，为优化油茶种植结构和实现油茶优质高产高效的提供了决策依据。物元模型作为一种解决复杂不相容问题的理论工具，能提高油茶种植适宜性评价结果的可靠性，从而保证了油茶适宜性评价系统评价结果的正确性。将该模型与GIS强大的空间可视化功能有机的结合，既能保证评价结果的精度也能实现评价结果的空间显示。从系统运行结果来看，本系统用于广东省油茶种植适宜性评价效果良好，在油茶种植适宜性评价领域有广阔的应用前景。

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