基于ArcGIS Engine的水稻生產(chǎn)潛力預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對以往作物模型都是基于單點(diǎn)進(jìn)行研究而導(dǎo)致空間外推不理想、尺度上升困難等問題，根據(jù)水稻生產(chǎn)潛力模型和柵格計(jì)算的特點(diǎn)，將模型與地理信息系統(tǒng)集成，綜合利用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，在Visual Studio .NET 2005開發(fā)環(huán)境中嵌入ArcGIS Engine組件.利用COM技術(shù)，遵照軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了水稻生產(chǎn)潛力動態(tài)預(yù)測系統(tǒng).該系統(tǒng)使模型參數(shù)得到系統(tǒng)化處理，模型計(jì)算更加高效，分析更加精確，能較好地實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)潛力動態(tài)預(yù)測功能，同時(shí)對農(nóng)業(yè)資源管理也具有非常重要的作用.

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關(guān)鍵詞：預(yù)測；ArcGIS Engine；水稻生產(chǎn)潛力；農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)

中圖分類號：S12；TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design and Realization of Rice Productivity Potential Forecast 

System Based on ArcGIS Engine

LI Zhong-wu1，2，REN Ping1，2，WANG Zhen-xing3，HUANG Jin-quan1，2，LIU Yue1，2

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(1. College of Environmental Science and Engineering， Hunan Univ， Changsha，Hunan 410082， China; 2. Key Laboratory

of Environmental Biology and Pollution Control，Ministry of Education，Hunan Univ， Changsha，Hunan 410082， China；

3.South China Institute of Environmental Sciences， Ministry of Environmental Protection， Guangzhou， Guangdong 510655，China）

Abstract:

Previous research on rice productivity potential models， based on a single point in space and then extrapolated， is not ideal and is difficult to scale up. This study designed a rice productivity potential forecast system，which makes comprehensive use of spatial data and attribute data by integrating the model with geographic information systems according to the characteristics of rice productivity potential model and raster computing function. Following the idea of the software engineering and using COM technology， ArcGIS Engine components were embedded in Visual Studio.NET 2005 development environment. This system can achieve the goals of more systematic model parameters， more efficient calculation and more accurate analysis. This system can be used to predict potential and dynamic rice production. It is also important for the management of agricultural resources.

Key words:prediction；ArcGIS Engine；rice productivity potential；agricultural information system



水稻作為三大糧食作物之一，其生產(chǎn)對世界糧食安全有著重大影響［1］.如何科學(xué)估算水稻生產(chǎn)潛力，發(fā)掘增產(chǎn)機(jī)制，保證谷物生產(chǎn)是全世界關(guān)心的問題［2］.自20世紀(jì)60年代以來，人們開始研究作物生長機(jī)理，并嘗試?yán)脭?shù)學(xué)模型加以模擬，作物生產(chǎn)潛力模型得以起步［3］.經(jīng)過多年研究，目前國內(nèi)外已出現(xiàn)眾多的作物生產(chǎn)潛力模型，其中不考慮過程的機(jī)制模型因其簡單實(shí)用而被廣泛應(yīng)用.該類模型充分考慮作物生長影響因素，通過光、溫、水、土的逐級修訂估算作物生產(chǎn)潛力，并廣泛應(yīng)用于各種作物生產(chǎn)潛力的研究 ［4］.然而，由于作物生產(chǎn)潛力模型的研究范圍僅是假設(shè)環(huán)境均勻的小區(qū)水平或更小的單點(diǎn)尺度，應(yīng)用實(shí)踐上空間外推不理想［5-6］，導(dǎo)致模擬誤差大，且尺度上升困難［7］.隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)逐步被應(yīng)用于作物模型模擬，高亮之等［8］研發(fā)的RCSODS（水稻栽培計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)）、WRCSODS（小麥栽培模擬優(yōu)化決策系統(tǒng)）等能有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究工作的開展，因此得到廣泛利用，是中國作物模擬研究的杰出代表，但模型尺度應(yīng)用問題并未解決.針對尺度擴(kuò)展問題，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）作為空間數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析工具，其特有的時(shí)空特性使得該問題的解決成為可能，且將模型與GIS結(jié)合已成為主要研究發(fā)展趨勢［7］.

目前將作物模型與GIS結(jié)合的研究較多，如黨安榮等［9］探討了利用GIS研究基于“機(jī)制法”的土地生產(chǎn)潛力的方法.熊偉［10］結(jié)合了GIS和CERES模型，嘗試了單點(diǎn)模型到區(qū)域模型的擴(kuò)展.然而，由于模型與GIS的集成研究起步較晚，各方面技術(shù)不夠成熟，該研究目前主要以簡單集成方式為主，模型與GIS分屬不同系統(tǒng)，相互間數(shù)據(jù)交換頻繁、效率低且負(fù)荷重，因此如何實(shí)現(xiàn)作物模型與GIS深度耦合成為研究重點(diǎn).基于此，本研究根據(jù)水稻生產(chǎn)潛力模型的特點(diǎn)，綜合利用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，通過ArcGIS Engine組件與 .NET環(huán)境相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了模型與GIS的耦合，利用COM組件技術(shù)，采用面向?qū)ο缶幊趟枷朐O(shè)計(jì)出水稻生產(chǎn)潛力動態(tài)預(yù)測系統(tǒng).

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 組件式開發(fā)

軟件行業(yè)發(fā)展早期，軟件系統(tǒng)是獨(dú)立的應(yīng)用程序，開發(fā)困難，程序龐大，阻礙軟件業(yè)的發(fā)展［11］.為順應(yīng)計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展需求，功能必須模塊化，組件應(yīng)運(yùn)而生并提供標(biāo)準(zhǔn)接口.本系統(tǒng)采用COM組件式開發(fā)技術(shù)縮短開發(fā)周期，精簡開發(fā)工作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更靈活，維護(hù)更容易.

1.2 模型與GIS耦合

模型與GIS耦合是本系統(tǒng)核心技術(shù)之一.作物模型主要分為簡單通用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛷?fù)雜綜合的機(jī)理模型，但同時(shí)存在一個(gè)問題，即普適性不強(qiáng)，推廣困難.GIS以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將時(shí)間作為第四維空間進(jìn)行考慮，恰好解決了作物模型空間擴(kuò)展和時(shí)間機(jī)理變化問題，將模型同GIS結(jié)合研究作物生產(chǎn)潛力是目前研究發(fā)展趨勢，也是在不同尺度上估算作物生產(chǎn)潛力較為理想的方法［7，12］.

薛安等［13］、張曉云等［14］將模型與GIS集成方式類型分為數(shù)據(jù)集成、功能集成和技術(shù)集成；就集成程度而言， Hartkamp等［15］提出了GIS與作物生產(chǎn)力模型集成的3個(gè)層次：松散集成（Linking）、緊密集成（Combining）和完全集成（Integrating）.

考慮到松散集成實(shí)現(xiàn)容易但效率低，而完全集成開發(fā)困難且周期長，本文采用緊密集成方式實(shí)現(xiàn)了水稻生產(chǎn)潛力模型與GIS的耦合，利用GIS二次開發(fā)技術(shù)，在Visual Studio .NET 2005開發(fā)環(huán)境中嵌入ArcGIS Engine組件，使用C#語言實(shí)現(xiàn)模型與GIS的耦合.

1.3 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合

系統(tǒng)進(jìn)行模型模擬所需數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，它們分屬不同系統(tǒng)，為提高數(shù)據(jù)利用效率，需將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化.ArcSDE（空間數(shù)據(jù)引擎）是ArcGIS與關(guān)系數(shù)據(jù)的GIS通道，是ESRI公司推出的空間數(shù)據(jù)解決方案［16］.利用ArcSDE可實(shí)現(xiàn)多種DBMS（Database Management System，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）管理空間數(shù)據(jù)庫，同時(shí)C/S結(jié)構(gòu)體系可實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)操作和共享數(shù)據(jù).利用ArcSDE有機(jī)地結(jié)合了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，靈活支持底層DBMS提供的獨(dú)特功能.

1.4 基于GIS的尺度推繹

由于基于單點(diǎn)的水稻生產(chǎn)潛力模型不能直接作用于大尺度區(qū)域，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮將模型進(jìn)行尺度上推.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是最簡單最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是大小均勻緊密連接的網(wǎng)格陣列，網(wǎng)格間彼此獨(dú)立，屬性分明.系統(tǒng)通過GIS柵格化功能將研究區(qū)域柵格化，使每個(gè)柵格作為新的研究基點(diǎn)，模型模擬計(jì)算時(shí)調(diào)用柵格相應(yīng)屬性值，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域尺度局部縮小，模型應(yīng)用尺度整體放大.柵格劃分越多，計(jì)算誤差越小，一定程度上解決了單點(diǎn)模型應(yīng)用實(shí)踐問題.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

系統(tǒng)根據(jù)軟件工程建設(shè)思想，從構(gòu)思到設(shè)計(jì)再到程序開發(fā)都滿足著可靠、安全、適應(yīng)、可擴(kuò)展以及易操作等要求，同時(shí)注重系統(tǒng)的美化設(shè)計(jì)，令界面友好.通過系統(tǒng)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對大尺度區(qū)域內(nèi)水稻生產(chǎn)潛力的計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和比較，對區(qū)域農(nóng)業(yè)資源進(jìn)行管理，方便用戶進(jìn)行研究和農(nóng)業(yè)決策工作.

2.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)：Windows 2000/XP/NT；語言環(huán)境：Visual Studio .NET 2005，C#；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：SqlServer 2000，Personal GeoDataBase，ArcSDE.

本系統(tǒng)開發(fā)基于.NET技術(shù)，采用C#（C Sharp）作為系統(tǒng)開發(fā)語言.C#是Microsoft的一種強(qiáng)大的、面向組件的程序語言，它綜合了C，C++和java的特點(diǎn)，在Microsoft .NET Framework 構(gòu)架中扮演重要角色［17］.AE（ArcGIS Engine）是ESRI公司推出的一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫.利用AE進(jìn)行GIS二次開發(fā)的優(yōu)勢：①可實(shí)現(xiàn)具備ArcGIS Desktop功能的綜合型GIS應(yīng)用系統(tǒng)；②客戶端只需安裝ArcGIS Runtime即可脫離龐大的ArcGIS Desktop而獨(dú)立運(yùn)行，既減少系統(tǒng)開發(fā)成本，且系統(tǒng)的打包、部署和安裝也更簡單；③AE提供多個(gè)IDE插件與 .NET 2005緊密結(jié)合，使開發(fā)者利用 .NET進(jìn)行GIS二次開發(fā)時(shí)更加容易［18］.

2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用C/S（Client/Server，客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行開發(fā)，客戶端是在 .NET Framework中利用C#語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時(shí)嵌入了GIS組件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理，服務(wù)器端采用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效管理和存儲優(yōu)化，系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)見圖1.

2.4 系統(tǒng)功能模塊

水稻生產(chǎn)潛力預(yù)測系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)合了大量農(nóng)業(yè)環(huán)境信息、水稻生產(chǎn)潛力預(yù)測模型及多種GIS功能的綜合型系統(tǒng).系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了水稻生產(chǎn)潛力的計(jì)算和預(yù)測功能，還可對模型模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時(shí)具備了圖像數(shù)據(jù)處理能力等.其主要功能模塊如下.

數(shù)據(jù)管理：用戶可通過此模塊對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改等管理.系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)按編號、名稱、時(shí)間等單項(xiàng)模糊查詢及多項(xiàng)組合高級查詢，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表；可通過信息輸入或批量導(dǎo)入等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入；可通過點(diǎn)擊和框選獲取地圖選定位置屬性值；通過屬性值進(jìn)行空間定位.

模型模擬：模型模擬是水稻生產(chǎn)潛力預(yù)測系統(tǒng)的功能核心.系統(tǒng)遵循機(jī)制法的光、溫、水、土的計(jì)算順序，依次將計(jì)算模型嵌入到模型計(jì)算模塊中，計(jì)算過程中可進(jìn)行模型選擇，方便用戶進(jìn)行多種模型組合計(jì)算的嘗試；同時(shí)模型相關(guān)參數(shù)可進(jìn)行預(yù)置，使系統(tǒng)適用性更強(qiáng)；模型計(jì)算完成后，用戶既可查看各階段模型計(jì)算結(jié)果，還能查看計(jì)算結(jié)果的空間分布情況，便于用戶掌握模型計(jì)算結(jié)果的全局信息，為相關(guān)研究工作提供依據(jù).

結(jié)果分析：模型計(jì)算完成后，可以通過結(jié)果分析模塊對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行簡要分析.包括對模型各階段計(jì)算結(jié)果的比較和同一區(qū)域不同地區(qū)間計(jì)算結(jié)果的比較，還具備多種結(jié)果表現(xiàn)方式，如柱狀圖、曲線等.

綜合模塊：綜合模塊包含了模型擴(kuò)展接口、功能模塊接口、常用GIS功能、用戶管理以及系統(tǒng)幫助文檔等.模型接口的提供可以方便后期系統(tǒng)模型的擴(kuò)充；功能接口的提供方便后期完善系統(tǒng)功能；用戶管理模塊管理用戶權(quán)限、人員信息等.

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫是一個(gè)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的核心技術(shù)和重要基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是否合理將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確性.

系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括了土壤特性空間分布數(shù)據(jù)、當(dāng)?shù)剡b感影像、區(qū)域區(qū)位圖、高程圖等空間數(shù)據(jù)和歷年農(nóng)作物產(chǎn)量詳細(xì)數(shù)據(jù)、歷年氣象數(shù)據(jù)、水環(huán)境數(shù)據(jù)、用戶信息等屬性數(shù)據(jù).空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分屬不同系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)管理和操作效率，本研究利用ArcSDE（空間數(shù)據(jù)引擎）進(jìn)行統(tǒng)一管理.在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)原則，并著重注意：①規(guī)范數(shù)據(jù)表名和字段名的定義；②靈活運(yùn)用了存儲過程和觸發(fā)器來保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性；③合理運(yùn)用視圖使得用戶操作更加簡單，對機(jī)密數(shù)據(jù)提供安全保障［19］；④空間數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)要明確，不同比例尺應(yīng)分屬不同數(shù)據(jù)表［20］.

2.6 系統(tǒng)核心功能設(shè)計(jì)

水稻生產(chǎn)潛力模擬計(jì)算模塊是系統(tǒng)核心功能模塊，具有較強(qiáng)的專業(yè)性.系統(tǒng)根據(jù)水稻能量轉(zhuǎn)化和水稻生長形成過程，采用“機(jī)制法”，從光合作用到土地影響逐步修正，最終由土地生產(chǎn)潛力進(jìn)行水稻生產(chǎn)潛力估算.該方法的水稻生產(chǎn)潛力模型模擬模塊主要包括4大部分：光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土地生產(chǎn)潛力.

圖2簡略展示了水稻生產(chǎn)潛力模型計(jì)算流程.由圖2可知，系統(tǒng)在進(jìn)行模型選擇時(shí)，一共給出3種方式：①先計(jì)算光合生產(chǎn)潛力，再計(jì)算光溫有效系數(shù)，兩者相乘結(jié)果得到光溫生產(chǎn)潛力，接著由計(jì)算水分修正系數(shù)同光溫潛力相乘得到氣候生產(chǎn)潛力；②忽略光合生產(chǎn)潛力計(jì)算，利用直接計(jì)算光溫生產(chǎn)潛力公式計(jì)

算光溫潛力，再得到氣候潛力；③直接調(diào)用公式計(jì)算氣候潛力.3種方式都可得到氣候生產(chǎn)潛力，差異在于各潛力計(jì)算考慮因素和側(cè)重點(diǎn)不同，最終由氣候生產(chǎn)潛力值與土地生產(chǎn)系數(shù)相乘得到最終土地生產(chǎn)潛力值，即水稻生產(chǎn)潛力.目前，模型模擬都是基于單點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，不適于應(yīng)用在大尺度區(qū)域，阻礙了模型的應(yīng)用與發(fā)展.系統(tǒng)根據(jù)柵格象元間互不影響這一特點(diǎn)，水稻生產(chǎn)潛力模型模擬計(jì)算利用柵格來解決模型尺度問題.解決思路是：首先需要確定計(jì)算區(qū)域內(nèi)柵格邊界大小，根據(jù)已分配的柵格可確定模型計(jì)算精度，通過遍歷算法遍歷每個(gè)柵格計(jì)算結(jié)果以獲得研究區(qū)域模型模擬的結(jié)果，計(jì)算結(jié)果通過劃分等級而在地圖呈現(xiàn)顏色的梯度變化，達(dá)到生產(chǎn)潛力的宏觀輸出效果.程序設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)模型計(jì)算公式定義相關(guān)變量，按模型類別建立模型類，并將相關(guān)模型計(jì)算公式用代碼實(shí)現(xiàn).其中部分代碼如下：

系統(tǒng)按照光、溫、水、土的計(jì)算順序設(shè)計(jì)模型計(jì)算模塊，在計(jì)算各階段生產(chǎn)潛力時(shí)可進(jìn)行模型選擇以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定，模型計(jì)算時(shí)系統(tǒng)會自動連接數(shù)據(jù)庫，調(diào)用模型所需相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到區(qū)域內(nèi)模型模擬結(jié)果.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)需通過用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證登陸，隨后開始啟動地圖服務(wù)，載入圖層數(shù)據(jù)，初始化核心服務(wù)，進(jìn)入系統(tǒng)主界面.系統(tǒng)主界面如圖3所示，由菜單欄、工具欄、圖層管理、圖像輸出、鷹眼及狀態(tài)欄等板塊組成.圖層管理窗口是由TabControl控件實(shí)現(xiàn)，鷹眼和圖像輸出窗口均由MapControl控件實(shí)現(xiàn).

本文以計(jì)算洞庭湖區(qū)域2006年和2007年水稻生產(chǎn)潛力來進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證.其中2006年洞庭湖區(qū)水稻生產(chǎn)潛力實(shí)際產(chǎn)量為6 030 kg/hm2，模擬產(chǎn)量為6 847.23 kg/hm2；2007年洞庭湖區(qū)水稻實(shí)際產(chǎn)量為6 900 kg/hm2，模擬得到水稻產(chǎn)量為7 599.09 kg/hm2（圖4）.上述結(jié)果表明，該系統(tǒng)模擬結(jié)果情況較好，模擬值接近實(shí)際產(chǎn)量.

4 結(jié) 語

本文開發(fā)的水稻生產(chǎn)潛力動態(tài)預(yù)測系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 基于C/S結(jié)構(gòu)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的分離；COM技術(shù)開發(fā)為今后系統(tǒng)功能擴(kuò)展作好鋪墊；水稻生產(chǎn)潛力模型與GIS實(shí)現(xiàn)深度集成，模型計(jì)算更加高效，潛力分析更加精確，較好地實(shí)現(xiàn)了動態(tài)預(yù)測水稻生產(chǎn)潛力功能；利用柵格計(jì)算的特點(diǎn)，在一定程度上解決了模型尺度適用問題；利用ArcSDE實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的結(jié)合，系統(tǒng)參數(shù)得到系統(tǒng)處理，存儲效率得到提高.

然而系統(tǒng)仍存在一些有待改進(jìn)的地方，表現(xiàn)在模型與GIS未實(shí)現(xiàn)完全集成；缺少專家知識系統(tǒng)支撐［21］等；系統(tǒng)功能尚不全面；系統(tǒng)對影響模型模擬的其他因素考慮欠缺等.這些將是本研究進(jìn)一步探討和研究的重點(diǎn)與核心.

參考文獻(xiàn)

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