基于ArcEngine的海域定級系統的設計與實現

程 敏, 張秀英, 陳書林, 盧學鶴, 鐘太洋

(1.江蘇省地理信息技術重點實驗室 南京大學國際地球系統科學研究所, 江蘇 南京 210093; 2.南京大學國土資源與旅游學系, 江蘇 南京 210093)

我國大陸海岸線長達18 000 km, 管轄海域面積約3×106km2, 占國土總面積的24%左右, 是國家重要的基礎資源。然而我國海域資源分布不均, 地理區位、區域經濟、自然環境及資源狀況的差異致使海域資源難以科學合理有效地被利用, 進而導致了海域環境的污染、生態系統的破壞以及海域資源的嚴重浪費[1-3]。海域定級是在海洋功能區劃與全國海域分等的基礎上, 結合海域的區位、自然環境條件、資源環境等, 采用多因素綜合評定及定性、定量相結合的方法, 對各類型用海進行級別劃分[4-5], 通過海域定級能確定海域的最佳主導功能, 為實現海洋產業結構和布局的優化提供科學論證, 對科學管理和合理利用海域資源, 提高海域資源使用率具有重要意義[6-8]。早在 20世紀70年代, 美國開發利用海岸帶時, 不同地理位置的海岸帶收費標準不同, 此外英國、法國、新西蘭以及日本等國家海域的有償使用費用同樣存在著區域差異性, 且不同功能、不同類型的海域其有償使用的管理也存在著差異[9-10]。我國海域資源的利用和管理經歷了從無償到有償的轉變過程, 海域定級工作開展時間不長, 但發展迅速, 從1993年, 財政部、國家海洋局聯合發布《國家海域使用管理暫行規定》, 明確海域有償使用制度, 逐漸開始海域分等定級研究及工作, 已發展至目前的海域分類定級[4-6,11]。

近年來, 隨著計算機技術和信息化的飛速發展,地理信息系統(Geographic Information System, GIS)已發展為一種成熟的技術, 并以其強大的空間分析及地圖可視化功能, 廣泛應用于城市規劃、土地管理、林業資源管理及海洋研究等諸多領域[12-14]。美國夏威夷大學的太平洋制圖中心為開發、管理和發展美國太平洋島嶼的專屬經濟區, 設計開發了集成海洋信息系統[15]; 荷蘭利用動態監測系統采集海岸帶的資源與環境的變化信息, 建立了完善的海洋地理信息系統[16]; 西班牙圣第亞哥大學的系統實驗室借助衛星利用交通船提供的信息服務, 建立了有效的漁業信息系統[17-18]。我國自20世紀90年代開始,大力倡導 GIS在海洋研究中的應用[19], 眾多研究者紛紛將海洋研究中的模型、原理及方法與 GIS技術相結合, 研究或者開發相應的系統, 章任群[20]利用GIS技術進行海域管理信息系統的建設; 姜杰等[21]在可視化開發環境 Visual C++下, 開發了江蘇省海域管理信息系統; 張瑞林等[22]針對信息化技術在福建省海域管理過程中出現的問題, 設計了海域使用管理信息系統的基本框架; 路文海等[23]基于 GIS技術和數據庫技術設計開發了海域定級系統; 徐效波等[13]開發設計了基于 ArcEngine組件的大連市海域管理信息系統; 卜志國等[24]研究了適用于海洋環境特點的時空分析模式和相關評價模型, 選用 GIS技術作為系統基礎構建了海洋監測數據分析評價應用系統, 實現了監測數據的自動分析與評價等功能。

目前, 海域使用分類定級尚屬新的研究領域[4-5,11],在將 GIS與海域定級相結合的領域, 諸多研究者多是利用 GIS技術設計實現海域信息管理系統, 路文海[23]設計的海域定級系統偏重于指標體系的確定及因子權重的計算等。本研究以Visual Studio 2010為開發平臺, 結合嵌入式ArcEngine組件庫, 采用海洋公益領域專家制定的指標體系, 實現了遙感影像數據、觀測離散數據等多源海域定級數據的加載、管理、集成、分析以及海域定級計算及其結果顯示, 設計實現了海域定級領域具有較高專業性和實用性的海域定級系統。

1 系統設計開發模式

目前應用型地理信息系統的開發主要有 3種方式: 獨立開發, 單純的二次開發和集成二次開發。集成二次開發正成為應用 GIS開發的主流方向[25], 是指以面向對象的可視化開發工具為平臺(Visual Basic、Delphi、Eclipse、Visual Studio), 結合專用的 GIS工具軟件或相應的組件進行應用型地理信息系統的集成二次開發。目前集成二次開發方式主要有DDE/OLE方式和組件式兩種, 而組件式地理信息系統憑借其面向對象、可擴展性等優勢已成為集成二次開發的主要方式[26]。

ArcGIS Engine是一個完整的基于COM技術的嵌入式GIS組件庫和工具包, 它支持多語言(COM、JAVA、NET及 C++等)和多系統(Windows和 Unix),開發者通過ArcEngine可以定制完整的GIS軟件, 同時還可以將 GIS功能嵌入到已有的應用軟件中。基于ArcEngine開發GIS應用系統具有高效性等優勢,已成為GIS桌面系統開發的主要技術[27-28]。

本研究利用獨立的嵌入式ArcEngine組件, 通過目前流行的 Windows平臺應用程序開發環境Visual Studio 2010進行海域定級系統的集成二次開發, 既可以充分利用ArcEngine簡潔、靈活、易用、可移植性強等優勢實現海域定級系統中地理數據管理、集成和分析及海域定級計算等 GIS功能, 也可以利用Visual Studio 2010開發平臺的高效、方便等編程優點。

2 系統功能設計與實現

2.1 功能設計

海域定級主要是遙感影像數據、觀測離散數據等多源數據的管理、集成、分析、定級計算及其結果顯示。根據海域定級過程的需求, 按照系統的實用性、簡潔性以及安全性等原則, 海域定級系統設計為4個模塊: GIS視圖模塊、數據管理模塊、數據集成處理模塊、海域定級模塊(圖1)。

圖1 海域定級系統功能結構圖Fig.1 The functional modular of the marine grading system

2.2 系統關鍵功能實現

2.2.1 GIS視圖模塊

利用 ArcEngine中的 TOCControl、MapControl等控件, 實現定級系統的頁面布局、鷹眼視圖、坐標比例尺的實時顯示, 圖層管理下的圖層的添加、關閉及移除等, 制圖模式下的查看、編輯及打印等, 以及主窗口下的視圖的放大、縮小、平移及全圖顯示等功能, 其主要控件及其功能見表1, 系統運行主頁面如圖2。

圖2 系統主界面Fig.2 The main interface of the system

表1 GIS視圖模塊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 數據管理模塊

數據管理模塊主要實現對地圖文件的管理, 包括矢量數據、柵格數據和Mxd數據的加載、保存、關閉, 指北針、比例尺等各種制圖符號添加后的打印輸出, Jpg、Tiff、Bmp等各種圖像格式的另存, 及地圖屬性數據的查看和管理。

2.2.3 數據集成處理模塊

海洋數據具有多源性特征, 不同的采集方法和管理系統使得海洋數據在數據標準和數據格式上具有很大差異[29-30]。這種多源性決定了在進行最終海域定級計算前必須對數據進行預處理分析, 實現多源數據的集成統一。

目前, 實現數據集成的模式大致有數據格式轉換模式、直接數據訪問模式及數據互操作模式[31-32]。海域定級數據主要包括遙感影像數據, 觀測調查離散數據, 文獻資料中的基礎地圖數據以及以公路、城鎮、港口等為原始數據的空間分析再生成數據等。根據各種數據的特點, 定級系統設計實現了柵格矢量數據之間的轉換、表格數據轉化為矢量數據、IDW點位內插、緩沖區分析以及柵格計算器等數據集成處理模塊, 將多源數據轉換為柵格數據進行最終的海域定級計算。

2.2.4 海域定級模塊

多因素綜合評價是當前國內海域定級研究中的主導方法[33]。本系統采用“綜合指數評價法”對海域進行評價, 綜合指數評價法是將影響海域資源質量的各個因子的分值與其權重值相乘, 得到各個評價因素的指標指數, 再計算各個評價單元內各參評因素的指標指數之和, 最后根據指數和的大小來確定海域資源的等級[2,28,34]。如公式(1)根據指標體系中已確定的各指標因子的Aij值與權重Wj, 計算評估單元的綜合質量指數:

式中,Fi為第i個評估單元的綜合質量指數,Wj為第j個參評子系統因素的權重,Aij為第i個評估單元、第j個參評子系統因素的得分值,n為參評子系統的個數。

海域定級系統采用海洋公益領域專家制定的填海造地定級、港口航運用海定級、養殖用海定級以及旅游用海定級指標體系, 利用初始化后IMapAlgebraOp接口對象將各個評價因子的柵格圖像轉換為字符串標識符, 利用 Execute()函數參照公式(1)實現海域定級計算, 生成IGeoDataset對象。然后利用 IRaster接口對象將生成的 IGeoDataset對象轉換為柵格數據, 同時利用 IRasterLayer接口的CreateFromFilePath方法將已知柵格數據創建為IRasterLayer對象, 最終將該對象添加到Map中, 實現定級結果在主窗口中的顯示, 數據流如圖3, 養殖用海定級系統界面如圖4。

圖3 海域定級數據流圖Fig.3 The data flow graph of Marine grading

圖4 養殖用海定級系統界面Fig.4 The system interface of marine grading used for cultivation

3 結語

圖5 養殖用海海域定級結果Fig.5 Results of grading of seawater for Mariculture use

本研究以Visual Studio 2010為開發平臺, 結合嵌入式ArcEngine組件庫進行集成二次開發, 針對當前海域定級中的綜合指數評價方法和數據管理、集成分析等相關問題, 設計實現了海域定級系統。系統主要實現了數據管理、數據集成處理分析、海域定級綜合計算以及 GIS視圖編輯等功能, 提高了海域定級效率, 降低了成本, 為海域資源的科學合理利用提供了科學依據。

目前, 國家尚沒有成熟統一的海域定級指標體系來實現海域定級, 此外, 不同的地理區位、區域經濟、自然環境等條件致使定級數據來源多樣, 指標體系復雜多變, 海域定級工作復雜, 因此仍需要根據具體情況對系統進行不斷的改進和完善。

[1] 翟偉康.我國海域使用現狀特點及存在問題的分析[J].海洋開發與管理, 2012, 29(3): 26-30.

[2] Jin J, Yun C X, Zhang L J.Economic Valuation of Coastal Zone Resources Based on Their Classification and Gradation[J].Marine Science Bulletin, 2009, 28(3):86-91.

[3] 張潤秋.海洋管理學理論初探及其應用[D].青島: 中國海洋大學, 2003.

[4] 苗麗娟, 李淑媛, 王玉廣.海域使用分類定級方法初探[J].國土資源科技管理, 2005, 22(4): 75-77.

[5] 欒維新, 李佩瑾.海域使用分類定級與定價的實證研究[J].資源科學, 2008, 30(1): 9-17.

[6] 趙建華, 趙全民, 苗豐民, 等.海域使用分類定級因素及其指標研究[C] // 中國海洋學會.中國海洋學會2005年學術年會論文匯編.北京: 中國學術期刊(光盤版)電子雜志社, 2005: 428-433.

[7] 路文海, 徐偉, 王占坤.海域定級方法初步研究[J].海洋信息, 2007, (3): 5-9.

[8] 陳明劍, 何國祥.我國海域分等定級指標體系研究[J].海洋學報, 2002, 24(3): 18-27.

[9] 路文海.基于 GIS 的海域定級與估價系統研究[D].青島: 中國海洋大學, 2007.

[10] 王龍泉.國外海洋資源開發管理模式[J].海洋開發與管理, 1996, 2: 49-51.

[11] 曹可, 李娜.海域分等定級理論與方法研究[J].海洋開發與管理, 2003, 20(6): 20-23.

[12] 許捍衛, 茆德柱, 何江.基于 ArcEngine的 GIS三維功能開發技術研究[J].測繪工程, 2006, 15(6): 50-53.

[13] 徐效波, 李國忠, 黃金華, 等.基于 ArcEngine的海域管理信息系統開發[J].城市勘測, 2008, (6): 56-58.

[14] Li C, Luo C W.Design and Implementation of A Forest Resources Management System Based on ArcGIS Engine[J].Forest Engineering, 2013, 29(1): 15-20.

[15] Li R, Saxena N K.Marine Geographic Information Systems: Approaches, Applications and Trends[C] //Oceans-Conference.Oceans-Conference-Institute of Electrical & Electronics Engineers(1), New York: IEEE,1993: 3-49.

[16] 周冠華.基于 ComGIS 的南海地理信息系統的設計與開發[D].青島: 中國海洋大學, 2003.

[17] Trinanes J, Cotos J, Tobar A, et al.A geographic information system for operational use in pelagic fisheries-FIS[C] // OCEANS'94.'Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow's Preservation Proceedings(3).New York: IEEE, 1994: 532- 535.

[18] Zhang H, Zheng L F, Chu F, et al.Application Status and Development Trend of Marine Geographic Information System[J].Marine Geology Frontiers,2013, 29(7): 11-17.

[19] 陳述彭, 鐘耳順.中國地理信息系統發展透視[J].地球信息, 1998, 3(4): 42-45.

[20] 章任群.基于GIS的海域管理信息系統建設[J].海洋信息技術, 2003, (1): 5-7.

[21] 姜杰, 張鷹, 張東.基于MapX組件的江蘇省海域管理信息系統開發[J].海洋環境科學, 2004, 23(2): 55-57.

[22] 張瑞林, 肖桂榮, 王國乾, 等.基于ArcGIS Server的海域使用管理信息系統開發[J].地球信息科學, 2007,9(4): 80-84.

[23] 路文海, 陳戈, 金繼業.基于GIS的海域定級系統研究[J].海洋通報, 2007, 26(3): 72-80.

[24] 卜志高, 高曉慧, 李忠強.基于GIS的海洋生態環境監測數據分析評價系統研究[J].中國海洋大學學報(自然科學版), 2012, 42(1): 36-40.

[25] 馬思根, 何明勤.應用型GIS的開發模式及其發展趨勢[J].計算機與現代化, 2009, (5): 65-68.

[26] 文遠保, 杜亞輝.基于GIS的集成二次開發[J].北京輕工業學院學報, 2000, 18(2): 39-45.

[27] 吳瑋, 李小帥, 張斌.基于 ArcGIS Engine 的GIS開發技術探討[J].科學技術與工程, 2006, 6(2): 176-178.

[28] 張斌.基于ArcGIS Engine的GIS開發技術[J].武漢大學研究生學報(自然科學版), 2004, 21(3): 173-176.

[29] 薛惠芬, 周燕遐.數據倉庫技術在海洋環境信息管理中的應用研究[J].海洋通報, 2005, 24(3): 66-72.

[30] Yang F, Du Y Y, Cui M, et al.Study of Multi-source Marine Environmental Data Sharing System[J].Bulletin of Surveying and Mapping, 2011, 1(01): 35-37.

[31] 鐘耳順, 王康弘, 宋關福, 等.GIS多源數據集成模式評述[C] // 中國地理信息系統協會.中國海外地理信息系統協會1999年年會論文集(上).北京: 科學出版社, 1999: 286-290.

[32] 占美志, 何政偉, 李程.基于 GML的空間數據集成技術研究[J].地理信息世界, 2014, 21(2): 29-32.

[33] 鐘太洋, 黃賢金, 張秀英.海域使用定級研究綜述[J].海洋開發與管理, 2014, 31(5): 1-7.

[34] 欒維新, 李佩瑾.我國海域評估的理論體系及海域分等的實證研究[J].地理科學進展, 2007, 26(2): 25-34.