基于ArcEngine的海域定级系统的设计与实现

程 敏, 张秀英, 陈书林, 卢学鹤, 钟太洋

(1.江苏省地理信息技术重点实验室 南京大学国际地球系统科学研究所, 江苏 南京 210093; 2.南京大学国土资源与旅游学系, 江苏 南京 210093)

我国大陆海岸线长达18 000 km, 管辖海域面积约3×106km2, 占国土总面积的24%左右, 是国家重要的基础资源。然而我国海域资源分布不均, 地理区位、区域经济、自然环境及资源状况的差异致使海域资源难以科学合理有效地被利用, 进而导致了海域环境的污染、生态系统的破坏以及海域资源的严重浪费[1-3]。海域定级是在海洋功能区划与全国海域分等的基础上, 结合海域的区位、自然环境条件、资源环境等, 采用多因素综合评定及定性、定量相结合的方法, 对各类型用海进行级别划分[4-5], 通过海域定级能确定海域的最佳主导功能, 为实现海洋产业结构和布局的优化提供科学论证, 对科学管理和合理利用海域资源, 提高海域资源使用率具有重要意义[6-8]。早在 20世纪70年代, 美国开发利用海岸带时, 不同地理位置的海岸带收费标准不同, 此外英国、法国、新西兰以及日本等国家海域的有偿使用费用同样存在着区域差异性, 且不同功能、不同类型的海域其有偿使用的管理也存在着差异[9-10]。我国海域资源的利用和管理经历了从无偿到有偿的转变过程, 海域定级工作开展时间不长, 但发展迅速, 从1993年, 财政部、国家海洋局联合发布《国家海域使用管理暂行规定》, 明确海域有偿使用制度, 逐渐开始海域分等定级研究及工作, 已发展至目前的海域分类定级[4-6,11]。

近年来, 随着计算机技术和信息化的飞速发展,地理信息系统(Geographic Information System, GIS)已发展为一种成熟的技术, 并以其强大的空间分析及地图可视化功能, 广泛应用于城市规划、土地管理、林业资源管理及海洋研究等诸多领域[12-14]。美国夏威夷大学的太平洋制图中心为开发、管理和发展美国太平洋岛屿的专属经济区, 设计开发了集成海洋信息系统[15]; 荷兰利用动态监测系统采集海岸带的资源与环境的变化信息, 建立了完善的海洋地理信息系统[16]; 西班牙圣第亚哥大学的系统实验室借助卫星利用交通船提供的信息服务, 建立了有效的渔业信息系统[17-18]。我国自20世纪90年代开始,大力倡导 GIS在海洋研究中的应用[19], 众多研究者纷纷将海洋研究中的模型、原理及方法与 GIS技术相结合, 研究或者开发相应的系统, 章任群[20]利用GIS技术进行海域管理信息系统的建设; 姜杰等[21]在可视化开发环境 Visual C++下, 开发了江苏省海域管理信息系统; 张瑞林等[22]针对信息化技术在福建省海域管理过程中出现的问题, 设计了海域使用管理信息系统的基本框架; 路文海等[23]基于 GIS技术和数据库技术设计开发了海域定级系统; 徐效波等[13]开发设计了基于 ArcEngine组件的大连市海域管理信息系统; 卜志国等[24]研究了适用于海洋环境特点的时空分析模式和相关评价模型, 选用 GIS技术作为系统基础构建了海洋监测数据分析评价应用系统, 实现了监测数据的自动分析与评价等功能。

目前, 海域使用分类定级尚属新的研究领域[4-5,11],在将 GIS与海域定级相结合的领域, 诸多研究者多是利用 GIS技术设计实现海域信息管理系统, 路文海[23]设计的海域定级系统偏重于指标体系的确定及因子权重的计算等。本研究以Visual Studio 2010为开发平台, 结合嵌入式ArcEngine组件库, 采用海洋公益领域专家制定的指标体系, 实现了遥感影像数据、观测离散数据等多源海域定级数据的加载、管理、集成、分析以及海域定级计算及其结果显示, 设计实现了海域定级领域具有较高专业性和实用性的海域定级系统。

1 系统设计开发模式

目前应用型地理信息系统的开发主要有 3种方式: 独立开发, 单纯的二次开发和集成二次开发。集成二次开发正成为应用 GIS开发的主流方向[25], 是指以面向对象的可视化开发工具为平台(Visual Basic、Delphi、Eclipse、Visual Studio), 结合专用的 GIS工具软件或相应的组件进行应用型地理信息系统的集成二次开发。目前集成二次开发方式主要有DDE/OLE方式和组件式两种, 而组件式地理信息系统凭借其面向对象、可扩展性等优势已成为集成二次开发的主要方式[26]。

ArcGIS Engine是一个完整的基于COM技术的嵌入式GIS组件库和工具包, 它支持多语言(COM、JAVA、NET及 C++等)和多系统(Windows和 Unix),开发者通过ArcEngine可以定制完整的GIS软件, 同时还可以将 GIS功能嵌入到已有的应用软件中。基于ArcEngine开发GIS应用系统具有高效性等优势,已成为GIS桌面系统开发的主要技术[27-28]。

本研究利用独立的嵌入式ArcEngine组件, 通过目前流行的 Windows平台应用程序开发环境Visual Studio 2010进行海域定级系统的集成二次开发, 既可以充分利用ArcEngine简洁、灵活、易用、可移植性强等优势实现海域定级系统中地理数据管理、集成和分析及海域定级计算等 GIS功能, 也可以利用Visual Studio 2010开发平台的高效、方便等编程优点。

2 系统功能设计与实现

2.1 功能设计

海域定级主要是遥感影像数据、观测离散数据等多源数据的管理、集成、分析、定级计算及其结果显示。根据海域定级过程的需求, 按照系统的实用性、简洁性以及安全性等原则, 海域定级系统设计为4个模块: GIS视图模块、数据管理模块、数据集成处理模块、海域定级模块(图1)。

图1 海域定级系统功能结构图Fig.1 The functional modular of the marine grading system

2.2 系统关键功能实现

2.2.1 GIS视图模块

利用 ArcEngine中的 TOCControl、MapControl等控件, 实现定级系统的页面布局、鹰眼视图、坐标比例尺的实时显示, 图层管理下的图层的添加、关闭及移除等, 制图模式下的查看、编辑及打印等, 以及主窗口下的视图的放大、缩小、平移及全图显示等功能, 其主要控件及其功能见表1, 系统运行主页面如图2。

图2 系统主界面Fig.2 The main interface of the system

表1 GIS视图模块所用控件及其引用和功能Tab.1 The reference and function of controls used in modules of GIS view

2.2.2 数据管理模块

数据管理模块主要实现对地图文件的管理, 包括矢量数据、栅格数据和Mxd数据的加载、保存、关闭, 指北针、比例尺等各种制图符号添加后的打印输出, Jpg、Tiff、Bmp等各种图像格式的另存, 及地图属性数据的查看和管理。

2.2.3 数据集成处理模块

海洋数据具有多源性特征, 不同的采集方法和管理系统使得海洋数据在数据标准和数据格式上具有很大差异[29-30]。这种多源性决定了在进行最终海域定级计算前必须对数据进行预处理分析, 实现多源数据的集成统一。

目前, 实现数据集成的模式大致有数据格式转换模式、直接数据访问模式及数据互操作模式[31-32]。海域定级数据主要包括遥感影像数据, 观测调查离散数据, 文献资料中的基础地图数据以及以公路、城镇、港口等为原始数据的空间分析再生成数据等。根据各种数据的特点, 定级系统设计实现了栅格矢量数据之间的转换、表格数据转化为矢量数据、IDW点位内插、缓冲区分析以及栅格计算器等数据集成处理模块, 将多源数据转换为栅格数据进行最终的海域定级计算。

2.2.4 海域定级模块

多因素综合评价是当前国内海域定级研究中的主导方法[33]。本系统采用“综合指数评价法”对海域进行评价, 综合指数评价法是将影响海域资源质量的各个因子的分值与其权重值相乘, 得到各个评价因素的指标指数, 再计算各个评价单元内各参评因素的指标指数之和, 最后根据指数和的大小来确定海域资源的等级[2,28,34]。如公式(1)根据指标体系中已确定的各指标因子的Aij值与权重Wj, 计算评估单元的综合质量指数:

式中,Fi为第i个评估单元的综合质量指数,Wj为第j个参评子系统因素的权重,Aij为第i个评估单元、第j个参评子系统因素的得分值,n为参评子系统的个数。

海域定级系统采用海洋公益领域专家制定的填海造地定级、港口航运用海定级、养殖用海定级以及旅游用海定级指标体系, 利用初始化后IMapAlgebraOp接口对象将各个评价因子的栅格图像转换为字符串标识符, 利用 Execute()函数参照公式(1)实现海域定级计算, 生成IGeoDataset对象。然后利用 IRaster接口对象将生成的 IGeoDataset对象转换为栅格数据, 同时利用 IRasterLayer接口的CreateFromFilePath方法将已知栅格数据创建为IRasterLayer对象, 最终将该对象添加到Map中, 实现定级结果在主窗口中的显示, 数据流如图3, 养殖用海定级系统界面如图4。

图3 海域定级数据流图Fig.3 The data flow graph of Marine grading

图4 养殖用海定级系统界面Fig.4 The system interface of marine grading used for cultivation

3 结语

图5 养殖用海海域定级结果Fig.5 Results of grading of seawater for Mariculture use

本研究以Visual Studio 2010为开发平台, 结合嵌入式ArcEngine组件库进行集成二次开发, 针对当前海域定级中的综合指数评价方法和数据管理、集成分析等相关问题, 设计实现了海域定级系统。系统主要实现了数据管理、数据集成处理分析、海域定级综合计算以及 GIS视图编辑等功能, 提高了海域定级效率, 降低了成本, 为海域资源的科学合理利用提供了科学依据。

目前, 国家尚没有成熟统一的海域定级指标体系来实现海域定级, 此外, 不同的地理区位、区域经济、自然环境等条件致使定级数据来源多样, 指标体系复杂多变, 海域定级工作复杂, 因此仍需要根据具体情况对系统进行不断的改进和完善。

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