基于組件GIS的海岸線分形計算系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周 江，李崇巍，宋宜全

（天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387）

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，組件式GIS已成為GIS軟件技術(shù)的主流趨勢之一，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境監(jiān)測和林業(yè)管理等諸多方面[1-5].組件式GIS是將GIS模塊劃分為多個控件，與Visual Basic、Visual C++等程序開發(fā)語言無縫鏈接，能夠快速提高軟件開發(fā)效率和質(zhì)量.SuperMap Objects是北京超圖地理信息技術(shù)有限公司基于ActiveX/COM技術(shù)開發(fā)的大型、全組件式GIS開發(fā)平臺，具有易于開發(fā)、獨(dú)立分發(fā)運(yùn)行、高度可伸縮性、內(nèi)嵌大型空間數(shù)據(jù)庫引擎以及面向?qū)ο笈c面向拓?fù)湎嘟Y(jié)合等特點(diǎn)，成為眾多系統(tǒng)開發(fā)人員的重要選擇[6-9].

自1967年被美國科學(xué)家Mandelbrot提出后[10]，分形理論在很多學(xué)科領(lǐng)域中得到應(yīng)用[11-13].近年來，該理論被廣泛應(yīng)用于研究中國海岸線性質(zhì)[14-18]，其中部分學(xué)者應(yīng)用GIS技術(shù)對海岸線實現(xiàn)分形圖像模擬和分維計算.海岸線性質(zhì)研究包括形態(tài)模擬、分維以及長度等方面，目前大多研究只側(cè)重其中之一進(jìn)行分析，尚顯不夠全面和深入.因此，開發(fā)基于組件GIS的分形計算系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對海岸線分形性質(zhì)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析.

本研究簡要介紹了分形插值方法，并對海岸線分形計算系統(tǒng)集成方式、數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)庫設(shè)計以及結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計進(jìn)行探討，選擇Visual Basic作為開發(fā)環(huán)境，通過對SuperMap Objects組件進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)海岸線分形計算系統(tǒng)，近而實現(xiàn)圖形圖像輸入輸出、空間查詢和分析以及海岸線分形圖像模擬、分維和長度計算等功能，并通過實例驗證系統(tǒng)的可靠性和實用性.

1 海岸線分形性質(zhì)研究方法

基于Mandelbrot早期提出的一種對統(tǒng)計性分形維數(shù)的估計公式[10]，測量海岸線分維的常用計算方法為：

式（1）中：L為海岸線分形長度；r為測量標(biāo)尺長度；D為維數(shù)；N為待定常數(shù).該計算方法的不足之處在于計算效率低，依賴于度量選取，導(dǎo)致精度也難于保證[14].

Barnsley基于迭代函數(shù)理論提出分形插值函數(shù)，并給出求解分形插值函數(shù)以及該函數(shù)圖像維數(shù)的算法[19-20].該方法可以精確計算仿射性分形的分形維數(shù)，不依賴度量尺度，計算精度相對較高，非常適用于海岸線圖像擬合和分維計算.

不同比例尺地圖上海岸線分形長度計算遵循以下關(guān)系[21]：

式（2）中：M1和M2為地圖比例尺，LM1和LM2為相應(yīng)分形的曲線長度，D為分形曲線的分維.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件平臺選擇

SuperMap Objects主要由 SuperMap.ocx、Super-Layout.ocx、SuperWorkspManage.ocx、SuperLegend.ocx、SuperGridView.ocx、SmxLockInfo.ocx、SuperTopo.ocx、Super3D.ocx和SmxAssistant.dll等多個組件庫組成.SuperMap Objects具有強(qiáng)大的圖形顯示、瀏覽、編輯和可視化功能，提供地理數(shù)據(jù)的空間查詢和分析方法，支持多種常用開發(fā)語言，支持多種數(shù)據(jù)格式和存儲管理海量空間數(shù)據(jù).系統(tǒng)以可視化開發(fā)工具VB為開發(fā)平臺，將SuperMapObjects組件與分形計算模型結(jié)合，應(yīng)用SuperMap Objects組件實現(xiàn)地圖的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能，利用VB程序語言完成分形計算功能.將SuperMap Objects組件、分形計算模型和其他專業(yè)組件嵌入到應(yīng)用程序中實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部真正的無縫高效集成，集成方式如圖1所示.

圖1 組件式系統(tǒng)集成Fig.1 System integration of component

2.2 數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)庫設(shè)計

SuperMap Objects通過數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)集存儲空間數(shù)據(jù)，1個數(shù)據(jù)源通常包括多個不同類型的數(shù)據(jù)集，而數(shù)據(jù)集主要分為非空間數(shù)據(jù)集、矢量數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集三大類.非空間數(shù)據(jù)集屬于純屬性數(shù)據(jù)集，無幾何對象；矢量數(shù)據(jù)集用于存儲點(diǎn)、線、面、文本和三維點(diǎn)等數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)集用于存儲影像類和格網(wǎng)等數(shù)據(jù).通常數(shù)據(jù)集可通過地圖窗口顯示為圖層.系統(tǒng)采用SuperMap Objects的SDB數(shù)據(jù)存儲方式，SDB屬于雙文件圖庫結(jié)構(gòu)，可以存放多個數(shù)據(jù)集，即將海岸線控制點(diǎn)存儲至點(diǎn)數(shù)據(jù)集，將模擬生成的分形曲線存儲至線數(shù)據(jù)集.

2.3 結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

基于國產(chǎn)超圖GIS軟件SuperMap Objects組件開發(fā)平臺，與可視化軟件開發(fā)環(huán)境Visual Basic集成開發(fā)分形計算系統(tǒng)，計算系統(tǒng)由4個主要功能模塊組成，包括輸入處理模塊、地圖處理模塊、分形計算模塊和輸出打印模塊，如圖2所示.

圖2 分形計算系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Function structure image of the fractal calculation system

（1）輸入處理模塊主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入子模塊和圖像轉(zhuǎn)換子模塊.數(shù)據(jù)導(dǎo)入子模塊主要實現(xiàn)海岸線地圖圖像的輸入：掃描已有影像圖后，將其矢量化并存儲；對于已有數(shù)據(jù)文件（如Mapinfo、AutoCad、ArcView和Arc/Info等文件）矢量圖形，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出工具來實現(xiàn)導(dǎo)入.圖像轉(zhuǎn)換子模塊支持各種通用投影方式與不同投影坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，通過影像配準(zhǔn)功能實現(xiàn)輸入圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使圖形圖像處于真實的地理位置，從而獲得精確的海岸線控制點(diǎn)坐標(biāo).

（2）地圖處理模塊主要包括圖形編輯子模塊和圖文查詢子模塊.圖形編輯子模塊主要實現(xiàn)地圖可視化功能，具有圖形生成、瀏覽、移動、旋轉(zhuǎn)、放大和縮小，圖層添加、刪除、控制顯示以及活動層設(shè)置等功能，可以完成將模擬生成的分形圖與原海岸線地圖進(jìn)行疊加顯示，實現(xiàn)模擬分形圖與原圖像的比較分析.圖文查詢子模塊具有屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的雙向查詢功能，通過鼠標(biāo)選擇地圖中各種圖形元素得到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，當(dāng)給定條件后能夠迅速查詢到相應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)，查詢結(jié)果可以存儲和輸出.

（3）分形計算模塊主要包括圖像模擬子模塊、分維計算子模塊和長度歸算子模塊.圖像模擬子模塊主要通過調(diào)用分形插值函數(shù)計算生成最佳的模擬圖像；分維計算子模塊主要根據(jù)分形插值函數(shù)計算海岸線分維值；長度歸算子模塊根據(jù)式（2）將不同比例尺地圖上海岸線的分形長度歸算出其實際距離.

（4）輸出打印模塊主要包括圖形輸出子模塊和表格輸出子模塊.圖形輸出子模塊可以將模擬生成的圖形圖像分別以矢量和柵格標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)出，實現(xiàn)存儲、輸出和打印；而表格輸出子模塊可以將分維計算值和海岸線長度數(shù)據(jù)等以表格形式存儲、輸出和打印.

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于以上分析，開發(fā)實現(xiàn)的分形計算系統(tǒng)主要界面如圖3所示.

圖3 分形計算系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of the fractal calculation system

3.1 輸入處理實現(xiàn)

SuperMap Objects提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出工具數(shù)據(jù)泵對象（soDataPump）將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換形成統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)文件，形成SuperMap統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，顯示為地圖的各圖層文件.以將ArcView的shp文件轉(zhuǎn)入到工作空間為例，部分關(guān)鍵代碼如下：

3.2 圖像配準(zhǔn)實現(xiàn)

將海岸線影像圖或矢量圖形文件轉(zhuǎn)入后，可應(yīng)用由SuperMap Objects提供的配準(zhǔn)功能實現(xiàn)其真實的地理坐標(biāo)定位.柵格數(shù)據(jù)集的配準(zhǔn)采用重采樣（Rectify）方法，矢量數(shù)據(jù)集的配準(zhǔn)采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（Transform）方法.當(dāng)柵格數(shù)據(jù)集objDtRaster、數(shù)據(jù)源objDS和控制點(diǎn)已確定時，可以使用重采樣方法實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)集objDtRaster的線性配準(zhǔn)，部分關(guān)鍵代碼如下：

3.3 地圖處理實現(xiàn)

將SuperMap Objects核心組件調(diào)入到VB工具箱后，可極為便利地開發(fā)實現(xiàn)地圖處理功能，其中空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢是地圖處理的主要特色之一.SuperMap Objects的查詢模式可分為圖查屬性和屬性查圖.

（1）圖查屬性：在地圖窗口中選擇空間對象后，激發(fā)SuperMap_GeometrySelected事件，使用soSelection方法，部分關(guān)鍵代碼如下：

（2）屬性查圖：通過對記錄集對象soRecordset進(jìn)行操作，使用soSelection方法，基于SQL查詢方式使?jié)M足查詢條件的空間對象呈高亮顯示，部分關(guān)鍵代碼如下：

3.4 分形計算實現(xiàn)

分形計算首先針對地圖海岸線選擇控制點(diǎn)，生成數(shù)據(jù)集Datapoints后，對垂直因子di附初始值，使di絕對值之和等于1；然后在分形插值函數(shù)中選擇不同的迭代次數(shù)，計算生成相應(yīng)的隨機(jī)插值點(diǎn)值和分維值D，結(jié)果可存儲于數(shù)據(jù)庫Point.mdb；最后模擬生成海岸線分形圖像，并對其真實長度進(jìn)行實際歸算，分形計算的界面如圖4所示.

圖4 分形計算界面Fig.4 Interface of the fractal calculation

以1∶50000天津市地圖為例輸入處理后，基于隨機(jī)算法和分形計算程序模塊對天津市海岸線進(jìn)行處理，可以快速生成模擬分形圖像，模擬結(jié)果如圖5所示.同時計算出天津市海岸線分維值為1.04，實際長度為179.65km，此結(jié)果與徐進(jìn)勇等[18]得到的天津市2008年海岸線分維值1.06和長度178.81km的結(jié)果比較符合.

圖5 天津市海岸線分形模擬圖像Fig.5 Fractal simulation image of Tianjin coastline

4 結(jié)語

通過對分形插值函數(shù)進(jìn)行簡要介紹，詳細(xì)探討海岸線分形計算系統(tǒng)集成方式、數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)庫設(shè)計以及結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計，選擇Visual Basic為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合SuperMap Objects組件開發(fā)實現(xiàn)分形計算系統(tǒng)，近而實現(xiàn)圖形圖像輸入輸出、空間查詢分析以及海岸線分形圖像模擬、分維和長度計算等功能.經(jīng)過對天津市海岸線分形計算的實際驗證證明，系統(tǒng)運(yùn)算效率較高，計算簡便，可以精確且快速地得到海岸線的模擬圖像、分維值和長度，為海岸線分形性質(zhì)的研究提供幫助.

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