南四湖生態環境及其演變時空數據平臺的設計與實現

陳　飛，楊　俊,2

(1. 遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116029； 2. 中國科學院地理

科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

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南四湖生態環境及其演變時空數據平臺的設計與實現

陳飛1，楊俊1,2

(1. 遼寧師范大學自然地理與空間信息科學遼寧省重點實驗室，遼寧 大連 116029； 2. 中國科學院地理

科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

Design and Implementation of Spatial-temporal Data Platform for Eco-environment and Its Evolution Study of Nansi Lake

CHEN Fei，YANG Jun

摘要：南四湖生態環境及其演變時空數據平臺立足于生態環境和時空數據管理，充分運用ArcGIS Engine組件技術、C#.NET技術和數據庫技術，實現了時空數據管理、空間分析、數據編輯、信息查詢、生態評價和地圖制作與輸出等功能，是開展南四湖生態環境及其演變研究的重要輔助工具。本文對系統的總體設計、主要功能設計與實現進行了闡述，旨在為濕地生態系統的利用與保護研究和相關軟件系統的開發提供參考。

關鍵詞：時空數據平臺；生態環境；ArcGIS Engine；南四湖

南四湖核心區生態系統評估與演變趨勢研究是國家科技支撐計劃課題“南四湖核心區生態帶構建技術及示范”的重要內容之一，旨在結合南四湖生態系統最近20年歷史演替資料，以及多源多時序遙感影像、基礎地理信息數據和相關專題數據，探析南四湖生態系統時空格局變化。通過多屬性、多尺度時空數據融合，研究南四湖過去20年中典型的喬草型、灌草型、草本型濕地生態系統在演替序列中的地位、演替方向、速率、穩定性等特征；并在南水北調情景下，對南四湖生態系統進行綜合評估診斷，研究南四湖湖泊生態系統演替過程與生境因子的關系，確定影響南四湖生態系統演替的關鍵生態環境要素[1-2]。

南四湖生態環境研究所需的數據傳統上只能依靠收集現有資料或野外實地考察與監測獲得，但由于研究對象是一個范圍比較大的區域生態系統，所涉及的自然和人文時空格局及變化過程復雜，故在研究中需要采集和處理的數據量非常龐大，傳統的方法已很難適應研究和管理的需要。因此，本文基于南四湖生態環境及其演變研究，并結合業務化管理需求，以數據可視化作為基本要求，以多元信息作為數據源，通過ArcGIS Engine組件技術、C#.NET技術和數據庫技術，建立時空數據動態可視化管理平臺[3-4]。

一、總體設計

1. 需求概述

南四湖生態環境及其演變時空數據平臺的建設主要是根據生態環境及其演變趨勢研究過程中信息處理的要求，對南四湖地區的多源多時序遙感影像、地形地貌、植被和土地利用，以及各類環境和生態系統結構要素的空間及屬性數據、實地調查采樣數據進行整合，統一管理，并對未來各種信息進行高效更新。在此基礎上，利用建模技術評估南四湖濕地生態系統健康狀態，從而應用于南四湖生態環境及其演變研究。根據軟件設計的模塊化思想[5]，系統主要功能需求可劃分為地圖瀏覽、時空數據管理、數據編輯、信息查詢、空間分析、生態評價、地圖制作與輸出和用戶驗證及管理模塊。

2. 實現技術和總體結構

南四湖生態環境及其演變時空數據平臺以Visual Studio 2010為系統集成開發環境，采用Esri的二次開發組件ArcGIS Engine 10.2(AE)，結合C#語言和SQL Sever 2012進行組件式開發，實現開發可擴展、易維護的應用系統[6-8]。系統整體架構為客戶端/服務器(C/S)，采用C/S架構是因為南四湖生態環境及其演變研究涉及大量的數據處理和指標計算工作，且運算所涉及的部分專題數據為涉密數據，C/S架構可以有效地保證處理數據的安全性和系統的運行效率[9]。如圖1所示，系統總體結構由下至上可分為數據層、服務層、應用層和用戶層4個層次。數據層為系統提供管理和決策的基本數據支撐，服務層提供系統運行所需的基本組件，應用層實現系統的基本功能，用戶層提供平臺與用戶交互的界面，各層之間通過數據的交互實現用戶的需求。

圖1　系統總體結構

二、主要功能設計與實現

系統以模塊化結構為主體，按類別將所有功能模塊歸納在一起，通過系統主界面統一調用各大功能模塊。系統主界面如圖2所示，主要由主菜單、工具條、地圖顯示窗口、圖層控制窗口、鷹眼窗口和狀態欄組成，采用分級菜單與工具條相結合的形式實現各項功能的快速操作。

圖2　系統主界面

1. 用戶驗證及管理功能模塊

本功能模塊的設計主要出于系統使用和數據安全考慮，用戶只有通過密碼驗證才能進入系統主界面，包含用戶登錄、密碼修改和退出系統功能，管理員用戶還能增加新用戶，用戶信息保存在SQL Server數據庫中。

2. 地圖瀏覽功能模塊

本功能模塊的設計主要實現地圖的顯示與瀏覽，為用戶提供時空數據的可視化操作界面。它是實現整個時空數據平臺的基礎，主要包含地圖查看、縮放、漫游、鷹眼、信息提示和右鍵菜單功能。通過AE的MapControl控件提供地理空間數據的顯示和分析，PageLayoutControl控件提供地圖制作界面，并需要ToolbarControl和TOCControl配合使用。

3. 時空數據管理功能模塊

本功能模塊的設計主要實現對現有時空數據的管理，為生態環境演變趨勢的分析提供基礎，包含地圖文檔管理、圖層管理和數據管理3個子模塊。地圖文檔管理表現在對地圖文檔的新建、打開、保存和另存。而通過圖層管理能對已有的地圖文檔進行圖層的增減、顯示或隱藏、改變圖層的疊放順序，能夠實現對矢量數據文件、柵格數據文件和地理空間數據庫文件的操作。

通過數據管理子模塊，實現對南四湖地區的行政區劃圖、DEM、多源多時序遙感影像、土地利用、濕地景觀格局和濕地生態調查等專題數據分別進行管理。為便于空間分析，所有空間數據統一至投影坐標系Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_39，并統一存儲在ArcGIS的文件地理數據庫中。其中，遙感影像包含1980—2013年間13個時期的Landsat、Alos和資源一號02C的數據，用以輔助生態環境管理；土地利用包含1980年、1990年、2000年、2009年和2012年5期的土地利用現狀圖，用于分析南四湖地區的土地利用變化；濕地景觀格局包含1982年、1992年、2002年、2012年4期濕地景觀格局數據，用于分析南四湖濕地景觀格局的演變和生態評價；濕地生態調查數據包括南四湖地區的水溫采樣數據、水體PH值采樣、電導率、溶解氧和生態群落數據，用于對南四湖的生態環境進行綜合分析與評價。

4. 數據編輯功能模塊

本功能模塊主要實現地理要素數據的編輯操作，為用戶提供要素數據的編輯工具，實現空間數據的及時更新。本功能模塊主要包含點、線、面要素圖形數據的添加、刪除和修改，以及相應的屬性數據的編輯功能。同時，在編輯過程中能實現要素的復制、粘貼、撤銷和重做等功能。編輯功能通過綜合利用AE的EngineEditorClass類和IWorkspaceEdit接口來實現。

5. 信息查詢功能模塊

通過空間位置查詢屬性信息(圖形查屬性)和由屬性信息定位地物的空間位置(屬性查圖形)是進行空間決策的有效支持手段。本功能模塊主要包含圖形查屬性(包括點查詢和區域查詢)、屬性查圖形和打開屬性表等功能，用戶可通過多種方式對生態環境相關的專題信息進行多條件、多范圍的檢索和查詢，從海量數據中快速查找目標信息。

6. 空間分析功能模塊

空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的空間數據分析技術，其目的在于提取和傳輸空間信息。通過空間分析，不但可以了解時空數據庫中的數據，而且可以通過這些數據去揭示更深刻、更內在的規律和特征。本功能模塊主要包括空間量算和緩沖區分析功能。通過空間量算工具可以實現距離和任意多邊形面積的測量；通過緩沖區分析工具能夠在指定的點、線、面實體要素(緩沖目標)周圍建立一定寬度范圍的多邊形，面要素可以實現向內緩沖。

7. 生態評價功能模塊

生態系統健康評價是實現濕地監測管理、環境治理和生態修復的基礎[10]。建立南四湖濕地生態系統健康評價指標體系及其評價模式，并開發相應的軟件模塊，可為濕地生態系統業務化監控與管理、規劃提供決策依據。本功能模塊主要包含指標體系和權重配置、健康距離法模型功能。首先，根據研究需要設置評價濕地生態健康的評價指標，然后利用AHP層次分析法生成參與評價的指標權重。

8. 地圖制作與輸出功能模塊

本功能模塊的設計主要用于地圖制作與輸出，可以制作符合特定要求的專題地圖，主要包含地圖同步、地圖切換、專題圖制作和地圖輸出功能。當前打開地圖文檔存在多個地圖時，通過地圖切換菜單工具能在不同地圖對象間進行切換。

(1) 地圖同步

在數據視圖和制圖視圖中的焦點地圖顯示窗口中的數據應該保持同步，它是進行地圖制作的基礎。地圖同步的實質是使PageLayoutControl和MapControl中的Map對象指向同一個地圖實例，實現的方式是使用PageLayoutControl的ReplaceMaps()方法和設置MapControl的Map屬性，來指向MapDocument中的同一個Map對象。其中，ReplaceMaps()方法接收IMaps類型的對象，由于AE中沒有定義IMaps接口，需要創建自定義類實現該接口。為保證系統中只有一個ActiveView對象，當從PageLayoutControl切換至MapControl時，需要先調用PageLayoutControl的DeActivate方法，再調用MapControl的Activate方法；從MapControl切換至PageLayoutControl時，先調用MapControl的DeActivate方法，再調用PageLayoutControl的Activate方法。

(2) 專題圖制作與地圖輸出

本平臺能根據需要對地圖添加文本標注和進行符號化修飾，制作包含圖例、比例尺、指北針等圖邊要素的專題圖。為用戶分別提供文本、圖層符號、比例尺和指北針的符號選擇器，可以向地圖文檔中插入圖例、比例尺和指北針，并根據需要調整其大小和位置。符號選擇器的實現主要涉及IStyleGalleryItem、ILegendClass、IGraphicsContainer和IMapSurroundFrame接口。

專題圖制作好后，通過對圖像分辨率、畫布大小等的設置可導出多種類型的圖片文件，如*.ai、*.eps、*.jpg、*.pdf和*.tif等。實現過程中主要涉及IPageLayoutControl、IEnvelope、IActiveView和IExport接口。

三、結論與討論

根據實用、可操作性的原則，基于南四湖生態環境及其演變研究和業務化管理需求，本文利用C#.NET編程技術、ArcGIS Engine組件技術和數據庫技術，建立了操作簡便、界面友好的生態環境及其演變趨勢時空數據平臺。該平臺主要應用于南四湖濕地資源和相關數據的管理、可視化查詢及濕地生態健康狀況的評估，為濕地生態系統的研究和管理提供科學決策的依據。

通過對已有地圖資料、遙感影像、土地利用圖和野外調查采集到的數據編輯整理后輸入到統一的地理空間數據庫中，可以讓濕地管理人員和相關研究人員高效地管理濕地和利用濕地數據，實現了南四湖濕地信息的空間可視化，為湖泊濕地空間信息的及時共享、快速便捷查詢等提供了良好的信息平臺。通過對數據的空間分析，構建濕地健康評價指標體系，可以對南四湖濕地生態健康狀況快速作出評價，從而可以從技術、經濟和環境的角度提出較優的管理決策方案，以期達到濕地資源可持續利用和保護的目的。在下一步研究中，系統將進一步完善空間分析和生態評價模塊，集成生態健康評價和生態脆弱性評價功能，更好地為濕地生態環境研究提供保障；同時，系統將結合元胞自動機(CA)和多智能體(MAS)等技術對南四湖地區的土地利用和景觀格局發展變化趨勢進行更準確的預測。

目前，系統已申請軟件著作權登記。在南四湖生態環境及其演變研究工作中，本系統發揮了重要的作用，并取得了良好的效果。可以預見，在未來南四湖地區生態環境演變監測和濕地保護研究工作中，本系統必將扮演更重要的角色，并為其他濕地生態系統的利用與保護研究提供參考。

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中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0132-04

作者簡介：陳飛(1989—)，男，碩士生，主要研究方向為地理信息系統開發和地理模擬。E-mail：fly_gis@163.com通信作者： 楊俊。E-mail：yangjun@ lnnu.edu.cn

基金項目：國家科技支撐計劃(2012BAC04B01)；國家自然科學基金(41471140)；遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃(LJQ2015058)

收稿日期：2015-12-28

引文格式： 陳飛，楊俊. 南四湖生態環境及其演變時空數據平臺的設計與實現[J].測繪通報，2016(2)：132-135.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0069.