基于GIS的森林資源管理信息系統研究與開發

基于GIS的森林資源管理信息系統研究與開發

溫金奎，羅傳文*

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

摘要：基于GIS技術實現熱林實驗中心森林資源管理信息系統建設與開發，主要使用了Geodatabase模型(面向對象的空間數據庫模型)作為森林資源數據庫模型，使用Geodatabase數據庫統一組織和存儲熱林實驗中心的等高線、高程點、境界、河流、道路、林班、經營班、小班和注記等矢量圖層；地形圖、主要樹種(桉樹、馬尾松、紅椎、西南樺、米老排等)分齡組林木和DEM圖像；TIN等數據。采用面向對象的軟件開發方法、以集成二次GIS應用軟件開發方式，在Visual C++2010軟件開發環境中，使用ArcEngine 10.1組件軟件產品開發森林資源管理信息系統軟件，訪問和操作Geodatabase數據庫，實現地圖的顯示、瀏覽、查詢統計和管理分析等功能。

關鍵詞：森林資源管理；GIS開發；Geodatabase；ArcGIS Engine；Visual C++

中圖分類號：S 757.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0031-06

Abstract：The construction and development of the forest resources management information system for Tropical Forest Experimental Center based on GIS technology used Geodatabase model(object-oriented spatial database model)as the forest resource database model and used Geodatabase to organize and storage the features such as lines，elevation points，realm，rivers，roads，forest compartments，management classes，small classes，annotation and other vector layers；topographic maps，the main tree species(eucalyptus，pine，red vertebrae，southwest birch，Laosensish etc.)，age groups of trees，DEM image，TIN and other data.The object-oriented software development methods were integrated with secondary GIS application software development methods.In Visual C++ 2010 software development environment，the ArcEngine 10.1 Components were used to develop the forest resources management information system software，from accessing and operating Geodatabase，and to realize map’s display，browsing，query，statistics，management，analysis，and other functions.

Keywords：forest resources management；GIS development；geodatabase；ArcGIS engine；Visual C++

收稿日期：2014-09-19

基金項目：“十二五”國家科技計劃課題(2012BAD22B0101-1)

作者簡介：第一溫金奎，碩士研究生。研究方向：林業遙感與地理信息系統。

通訊作者：*羅傳文，博士，教授。研究方向：地理信息系統與空間信息學。E-mail：lcw1234562000@yahoo.com.cn

Development and Study of Forest ResourcesManagement Information System Based on GIS

Wen Jinkui，Luo Chuanwen*

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：溫金奎，羅傳文.基于GIS的森林資源管理信息系統研究與開發[J].森林工程，2015，31(2)：31-36.

中國林科院熱帶林業實驗中心：簡稱熱林中心，成立于1979年9月，是中國林科院直屬科學事業性質的林業科學實驗基地、科技創新基地和科普教育基地。熱林中心地處桂西南的憑祥市，與越南毗鄰，實驗區橫跨龍州、寧明和憑祥二縣一市，下轄4個實驗場，面積19 000 hm2，有林面積16 000 hm2，森林總蓄積量139萬m3。

1數據庫建設

Geodatabase是ESRI公司設計的面向對象的空間數據庫模型，模型的最終實現建立在關系數據庫RDBMS(如Microsoft Access database，Oracle，Microsoft SQL Server，PostgreSQL，Informix，或IBM DB2)上，空間數據與屬性數據通過關系(表)進行統一組織、存儲[1]。其中個人Geodatabase可在Microsoft Access database上實現，是單機環境下的Geodatabase版本。最終建立個人Geodatabase數據庫，用于統一存儲熱林實驗中心森林資源數據。

1.1　原始數據處理

所有數據以電子數據形式存放于計算機中，分為兩類：地理空間數據和非地理空間數據。

地理空間數據：tif格式的覆蓋熱林實驗中心林地范圍的1∶10 000地形圖掃描文件，shaps格式的地圖矢量數據文件——各種點、線、面要素數據，mdx格式的地圖文檔數據，mdb數據庫格式的地圖標注數據。

(2)非空間數據：dbf格式的二類調查數據，tif林木圖像數據。

為建立Geodatabase數據庫，需要對原始數據進行預處理，數據的處理也相應的分為兩類：地理空間數據的處理和非地理空間數據的處理。

①地理空間數據處理。1∶10 000掃描地形圖投影坐標系統為：高斯-克呂格投影，北京1954坐標系，采用3度帶投影，位于36度帶，西偏36 500 km。地形圖分幅編號為：行列式編號法——所有地形圖位于分幅號為F-48-70，F-48-82的1∶10萬地形圖中，如圖1所示。以此為基礎對地理空間數據進行處理和使用，地理空間數據處理工具使用ArcGIS Desktop 10.1。

圖1　熱林實驗中心林地1∶10 000地形圖覆蓋范圍與分幅編號 Fig.1 1∶10 000 topographic map coverage and map subdivision number of woodland in Tropical Forest Experimental Center

以地圖分幅編號重命名地形圖掃描文件(如scan015更名為F-48-70-(61))后進行地形圖校正，裁剪，拼接，二值化。最后進行等高線矢量化，賦高程值獲取等高線數據，局部高程注記點數據，由等高線生成三維地形數據：TIN數據、DEM圖像數據。

對原始數據文件進行重命名(編碼)，格式轉換，版本升級(與ArcGIS 10.1版本同步)、數據文件組織。

②非地理空間數據處理。主要是對林木圖像數據進行去背景處理，使用Photoshop軟件，處理結果如圖2所示。每一主要樹種都有“幼樹”、“中樹”、“成樹”3幅圖像照片。

圖2　林木(左：閩楠苗，中：桉樹“中”，右：大王椰“成”) Fig.2 Trees(Left：child minnan， middle：middle-aged eucalyptus，right：adult king coconut)

1.2　數據庫設計

數據庫設計的基本過程就是進行數據庫概念設計、邏輯設計、物理設計的過程。數據庫概念設計直接反映問題域(應用域)中的實體(對象)及關系，在數據庫概念模型設計的基礎上，邏輯設計詳細描述了數據庫概念模型的內容與結構，物理設計依據具體的數據庫(Microsoft Access database，Oracle，Microsoft SQL Server，PostgreSQL，Informix，或IBM DB2)詳細描述了邏輯模型的實現[2-4]。

對于熱林實驗中心森林資源數據庫概念模型，參考ESRI的森林資源數據概念模型設計和全國森林資源管理信息系統建設標準之縣級森林資源數據庫建設規范，設計如圖3所示。在Microsoft Office Visio 2007采用UML(Unified Modeling Language)統一建模語言完成邏輯設計，在ArcGIS 10.1桌面軟件環境中使用ArcCatalog應用軟件完成物理設計。

圖3　熱林實驗中心森林資源數據庫概念設計 Fig.3 Conceptual design of forest resource database of Tropical Forest Experimental Center

1.3　數據庫創建

在熱林實驗中心數據庫物理設計過程中，完成了Geodatabase數據庫結構的創建。它包括創建Geodatabase數據庫文件(mdb格式的數據庫文件)，5個要素集(Feature Dataset)的創建(本質上是關系表)，一個柵格數據集(Raster Dataset)的創建，創建空的要素類(Feature class)，創建拓撲，創建表，創建關系類。

最后將“原始數據處理”后的數據導入Geodatabase數據庫作為數據庫的錄入，最終實現數據的統一組織與儲存。

2軟件開發

軟件的開發過程主要包括用戶需求分析、系統設計、編碼實現和軟件測試等內容，它們是對軟件開發過程的抽象與概況，可以說任何的軟件開發都包含需求分析、設計、實現和測試，但現實的軟件開發中又難以進行嚴格區分[5]。

2.1　需求分析

信息系統是這樣的一個系統：它存在于某一組織環境中，由計算機硬件、軟件、數據庫、人員組成，并為組織環境服務。森林資源管理信息系統是應用GIS技術，為森林資源管理服務的特殊信息系統。

軟件的概念是相對于硬件概念的，在這里“軟件”概念可以擴展為相對于具體的組織環境、計算機硬件、數據庫和用戶等概念，是對組織環境、計算機硬件、數據庫和用戶等特征的反映。

為此，開發這樣一個軟件系統它集中反映了熱林實驗中心、計算機、 Geodatabase數據庫、組織成員等的需求。它可以運行在PC計算機上，能管理Geodatabase數據庫，供某一組織成員使用，為熱林實驗中心進行科研實驗、經營管理服務，需求分析如圖4所示。

圖4　系統總體需求分析 Fig.4 Overall demand analysis of the system

對于數據庫管理的實現，可以選擇地理信息系統平臺軟件實現，而對于數據庫應用可以選擇以地理信息系統平臺軟件為基礎，進行二次應用軟件開發。

2.2　系統設計

系統設計是在需求分析的基礎上，對系統的進一步分析與設計，它包括概要設計與詳細設計兩個步驟，理論上是不涉及具體的技術實現的，但實踐中分析設計與具體的實現技術是緊密聯系的。森林資源數據庫的實現是ArcGIS Geodatabase，而且數據庫管理功能通過地理信息系統平臺軟件ArcGIS 10.1實現，需要分析和設計的是數據庫應用功能的分析設計。

森林資源數據庫應用軟件功能的實現是建立在地理信息系統基礎上的，所以森林資源數據庫應用軟件的分析與設計的主要內容是地理信息系統功能的分析設計，主要模塊概要分析設計有：①界面分析設計：簡潔，方面，人性化；②地圖顯示：包括加載地圖數據，地圖瀏覽顯示，圖層管理，圖層標注，圖層渲染等；③地圖編輯：添加，修改，刪除地圖要素；④地圖查詢、統計：實現圖形，屬性的雙向查詢，用森林資源數據生成林業統計報表；⑤地圖分析：主要有圖層疊加分析，緩沖區分析等。

詳細設計是對概要設計的進一步細化，主要是對象的選擇，以及對象間相互關系的建立：這些對象基本上都是地理信息系統平臺軟件實現的常用對象(已經被分析和設計完成，只需要在應用軟件的實現中選擇、組織、調用就能實現相應功能)。

2.3　實現與測試

實現包括選擇具體的開發工具與方式：計算機平臺，程序設計語言，開發環境，開發方式，編寫程序代碼等。對于森林資源管理系統的開發選擇的是PC計算機，Windows平臺，C++程序設計語言，Visual C++ 2010開發環境，MFC應用程序框架，ArcGIS Engine 10.1地理信息系統軟件組件產品進行二次集成應用軟件開發。

2.3.1開發工具與方式概述

PC是一種十分流行和廣泛使用的電子計算機，用戶量最大。Windows操作系統是一種圖形化的視窗操作系統，是PC上的主流操作系統，受廣大用戶喜愛，極具商業價值。C++是一種面向對象的程序設計語言，十分靈活和流行。Visual C++是可視化的C++開發環境，Visual C++2010是Visual C++的一個版本，它是Visual Studio 2010集成軟件開發環境的重要組成部分，Visual Studio 2010還包括像VB，C#，J++，F#等語言的開發環境。

在Visual C++2010環境中，可以使用的C++類庫有標準的C，C++函數庫，標準模板庫(STL)，還有Windows類庫，如MFC(微軟基礎類庫Microsoft Foundation Class)，ATL(活動模板庫ActiveX Template Library)，WTL(視窗模板庫，Windows Template Library)。

MFC作為Windows環境下的類庫，以類庫為基礎它又是一種程序開發框架，可以方便開發者快速構建大型的，復雜的Windows應用軟件。本次的森林資源管理信息系統使用MFC應用程序框架[6]。

本次的應用程序開發方式是二次集成組件開發方式，用MFC構建主體的應用程序框架，并在其中引入并使用ArcGIS Engine 10.1地理信息系統組件軟件產品。ArcGIS Engine 10.1只是ArcGIS Engine的一個版本，比起先前的版本，它的功能得到了增強。

2.3.2應用程序框架的建立與ArcGIS Engine的引入

應用程序的框架由4個對象構成，它們分別是應用程序對象，主幀窗口對象，文檔對象，視圖對象。在Visual C++2010中使用MFC單文檔應用程序向導工具可以很快生成4個對象各自的類，這4個類分別繼承于CWinAppEx，CFrameWndEx，CDocument，CformView。在2010版本中，這4個類較之先前的版本得到了增強和擴展。在這里可以稱應用程序為擴展應用程序，主幀窗口為擴展主幀窗口，文檔和視圖不變。在程序加載運行的過程中，這4個對象被先后創建(應用程序靜態創建，其余都動態創建)作為整個應用軟件的框架，管理所有的應用程序資源。

ESRI公司完成了對地理信息系統的需求分析，系統設計，實現與測試，它將整個地理信息系統問題域分解為有限的對象，最終這些對象被實現為組件，ArcGIS Engine就是這樣的組件產品。要在用Visual C++ 2010開發的應用程序中使用ArcGIS Engine 10.1，就得在應用程序的源文件中引入ArcGIS Engine 10.1的組件庫(組件的集合)。為使用ArcGIS Engine 10.1中的地圖控件MapControl，三維地圖顯示控件ScanControl、GlobleControl，制圖控件PageLayoutControl，工具條控件ToolbarControl，內容表控件TOCControl等需要引入多個組件庫(組件庫之間有關聯)，源代碼為：

//stdafx.h

#import “libid：6FCCEDE0-179D-4D12-B586-58C88D26CA78” no_namespace raw_interfaces_only no_implementation rename(“esriProductCode”，“esriVersionProductCode”)

#import“esrisystem.olb” raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude( “OLE_HANDLE”，“OLE_COLOR”，“UINT_PTR”)rename(“IProgressDialog”，“esriIProgressDialog”)

#import“esrisystemui.olb”raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude( “OLE_HANDLE”，“OLE_COLOR”，“UINT_PTR” )rename(“IProgressDialog”，“esriIProgressDialog”)rename(“ICommand”，“esriICommand”)

#import“esrigeometry.olb”raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude( “OLE_HANDLE”，“OLE_COLOR”，“UINT_PTR” )

#import“esrigeodatabase.olb”raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude( “OLE_HANDLE”，“OLE_COLOR”，“UINT_PTR” )rename(“IRow”，“esriIRow”)rename(“ICursor”，“esriICursor”)

#import“esridisplay.olb”raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude( “OLE_HANDLE”，“OLE_COLOR”，“UINT_PTR” )

#import“esricarto.olb”raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude( “OLE_HANDLE”，“OLE_COLOR”，“UINT_PTR” )rename(“ITableDefinition”，“esriITableDefinition”)

#import“esricontrols.olb” raw_interfaces_only raw_native_types no_namespace named_guids exclude(“OLE_COLOR”，“OLE_HANDLE”)

組件庫的引入是通過import語句實現的，import語言是Visual C++對C++的擴展，當然在引入組件庫之前得先設置好Visual C++工程項目的編譯環境：預編譯符號，庫文件的位置設置等。

完成組件庫的引入后，就可以設計應用程序的主界面，同時也可以在主程序框架中使用組件庫中的組件、控件。最終應用程序框架使用ArcEngine組件、控件，運行的主界面如圖5所示。

圖5　應用程序框架的表示 Fig.5 Representation of the application framework

應用程序框架的主界面采用的是Microsoft Office 2007藍色背景主題風格，這樣的界面簡潔，而且操作方面，用戶可以根據自己的需求配置工具欄，菜單欄。這種主題風格的界面實際上就是4個主要的對象和ArcEngine控件的表示(或者說是用戶接口)，其中比較基礎的就是擴展應用程序對象和擴展主幀窗口對象。

2.3.3主要系統功能的實現

由于在應用程序框架中引入了ArcEngine10.1的控件(它們關聯了許多的組件)，通過這些控件、組件，森林資源管理信息系統的編碼實現變的比較容易和快速。

地圖顯示功能主要是由幾何對象(Geometry)、符號對象(Symbol)、標注對象(Label)、渲染對象(Renderer)、圖層對象(Layer)、地圖對象(Map)、顯示對象(Display)實現的。用戶通過圖形用戶界面(地圖控件)可以進行的操作有：打開地圖數據，地圖的放大、縮小、漫游，圖層管理。關鍵的程序代碼如下：

//控件包裝類對象定義為視圖對象的成員數據

CMapcontrol1 m_MapCtl；

CToccontrol1 m_TOC；

CToolbarcontrol1 m_MapTool；

//視圖對象的OnInitialUpdate函數成員中對地圖控件的初始操作

CWnd *pWndCal=GetDlgItem(IDC_MAPCONTROL1)；

LPUNKNOWN pUnk=pWndCal->GetControlUnknown()；

pUnk->QueryInterface(IID_IMapControl2，(LPVOID*)&m_ipMapControl)；

m_ipMapControl->get_Map(&m_ipMap)；

LPDISPATCH pDisp=m_MapCtl.getDispatch()；

m_TOC.SetBuddyControl(pDisp)；

m_MapTool.SetBuddyControl(pDisp)；

//視圖對象的OnSize成員函數中控制地圖控件的顯示

CWnd *MapCtl=GetDlgItem(IDC_MAPCONTROL1)；

CWnd *TOCCtl=GetDlgItem(IDC_TOCCONTROL1)；

CWnd *ToolBarCtl=GetDlgItem(IDC_TOOLBARCONTROL1)；

if(MapCtl)

{

CRect rectMap，rectTOC，rectToolBar；

MapCtl->GetWindowRect(&rectMap)；

TOCCtl->GetWindowRect(&rectTOC)；

ToolBarCtl->GetWindowRect(&rectToolBar)；

rectTOC.SetRect(0，0，200，cy)；

rectMap.SetRect(200，30，cx，cy)；

rectToolBar.SetRect(200，0，cx，30)；

TOCCtl->MoveWindow(0，0，rectTOC.Width()，rectTOC.Height())；

MapCtl->MoveWindow(200，30，rectMap.Width()，rectMap.Height())；

ToolBarCtl->MoveWindow(200，0，rectToolBar.Width()，rectToolBar.Height())；

}

其中熱林中心4個實驗場的分布圖顯示如圖6所示。

其他的每一種功能：地圖編輯功能，地圖查詢、統計功能，地圖分析功能都是通過地圖控件、內容表控件、工具條控件、三維顯示控件、制圖控件以及與它們關聯的組件實現的，只是它們需要的具體控件、組件有所區別[7-13]。

圖6　實驗林場分布圖 Fig.6 Distribution map of the experimental forest farm

3結論

由于從前人們認識的局限性，僅僅認識到森林對個人、少數人的價值，而忽視了森林的社會價值，生態價值，忽視了森林的生存和發展的需要，即它們自身追求的價值。本質上體現的是一種片面思想，對立思想，靜止思想。現今的森林生態系統思想，接近自然林業，可持續發展思想取代了以前的思想，最終認識到森林具有經濟價值、社會價值、生態價值。它自身也有生存、發展的需要，也追求著自身的價值。在森林資源管理信息系統開發中就運用生態系統的思想，強調綜合整體性，開放性，動態性。因為森林資源管理信息系統它具有生命周期，從出生到死亡，一次次生命周期的重復，就像森林生態系統一樣生存、發展著，面向對象思想、面向對象的空間數據庫Geodatabase正體現這一點。

所以，本次在森林資源管理信息系統開發中，一方面更加注重了軟件工程的思想理論，尤其是面向對象思想方法的使用，另外一方面采用Geodatabase模型和數據庫統一存儲與管理森林資源數據。由于使用Visual C++2010和ArcGIS Engine10.1進行應用程序集成二次開發難度大，所以在開發中主要采用ArcGIS Engine控件的方式進行原型開發，只形成了森林資源管理信息系統的雛型，但采用

Geodatabase模型和數據庫，Visual C++2010和ArcGIS Engine 10.1確實是一次有益的探索，當然也需要更多的研究和嘗試。

【參考文獻】

[1]秦琳.基于ArcSDE和Geodatabase的森林空間數據庫構建研究[J].林業調查規劃，2010，35(2)：85-88.

[2]祝國祥，許輝.Excel與ArcGIS相結合自動編寫森林資源規劃設計調查小班號方法初探[J].四川林業科技，2011，32(4)：123-125.

[3]史嘉權.數據庫系統概論[M].北京：清華大學出版社，2006：10-55.

[4]劉忠誠，張學勇，蔣宇，等.基于GIS的林地“一張圖”在森林資源管理中的應用[J].四川林業科技，2013，34(4)：104-106.

[5]牛麗平，郭新志，宋強，等.UML面向對象設計與分析基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2007：7-68.

[6]Jeff Prosise.MFC Windows 程序設計(第2班)[M].北京：清華大學出版社，2007：1-40.

[7]許洋，劉兆剛，趙穎慧，等.基于GIS 的帽兒山林場數字化管理信息系統構建[J].森林工程，2009，25(3)：115-119.

[8]何政偉，黃潤秋，陳兵，等.林業信息系統體系構建分析[J].成都理工大學學報，2004，31(1)：81-85.

[9]劉足良.縣級林業綜合地理信息系統的建立和應用實踐——以浙江省縉云縣為例[J].華東森林經理，2013，27(1)：57-62.

[10]周洪澤，高心丹，任廣宇，等.現有林經營管理系統的技術框架與GIS外殼的研建[J].東北林業大學學報，2000，28(5)：35-39.

[11]梁源川，趙穎慧，李鳳日，等.組件開發式森林資源GIS中的數據更新[J].東北林業大學學報，2006，34(3)：84-86.

[12]蔣汪洋，羅傳文，孫海洪，等.基于ArcEngine的帽兒山林場GIS開發系統[J].東北林業大學學報，2010，38(10)：115-118.

[13]李超，羅傳文.基于ArcGIS Engine的森林資源管理系統的設計與實現[J].森林工程，2013，29(1)：15-20.

[責任編輯：劉美爽]