基于ArcGIS的國土調查地類流量分析模型構建與應用

李英明

(天津市寧河區自然資源調查與登記中心, 天津 301501)

0 引言

國土調查是我國一項重要的法規制度,能夠有效識別利用土地資源,同時也是核查我國領土資源的主要手段。為了能夠更加精準統計國土數據,掌握土地資源的基本信息并進一步完善國土調查制度,我國在不同的時間段會進行一次國土調查工作,為了減少下一階段的國土調查工作量,需要將上一階段的國土調查工作數據作為下階段的調查基礎,研究兩階段的土地資源變化,但傳統的國土調查地類流量分析方法在數據建設、流量分析速度等方面步驟較多,過于煩瑣。

文獻[1]中應用的流量分析技術主要基于初代的地理信息系統,能夠應用計算機較全面表現出國家土地資源在不同領域的發展狀態,再應用自動制圖(Automatic mapping,AM)技術拓展數據庫信息,隨著科技的不斷發展與人們對土地資源利用種類的增長,這種地理信息技術已經不能滿足實時性地對土地資源監測與管理,相應的計算機平臺不能與其他軟、硬件設備匹配。文獻[2]中應用多種軟件對地理信息系統(Geographic Information System,GIS)技術進行相關設備的融入與實現,還應用納米技術對相關設備的性能完成改善,較大提升了流量分析的速度與網絡基礎,這種GIS技術下的地類流量分析還能夠為用戶提供個性化服務,并將服務功能機制體現在Web平臺中,增加了國土調查地類流量的數據庫穩定性與高效性[1-2]。

本文則基于ArcGIS技術建立國土調查地類流量分析模型,提升國土資源調查的效率與信息化水平。

1 模型構建構架

本文基于ArcGIS的國土調查地類流量分析模型是在地圖板塊中實現的,所有的模型功能均需要運用地圖板塊中的矢量信息,地圖板塊在滿足用戶的信息需求情況下還需要對各種國土地類數據進行統計學分類與相應的簡單分析。本文選用ArcGIS網絡地圖作為模型構建的基礎,可以為用戶提供穩定實時的地類流量。ArcGIS地圖軟件具有較強的可開發功能,并采用ArcIMS軟件結構對地類流量緩存,顯著提升了軟件的實現效果。根據模型構架功能,本文設計地類數據接口與地圖數據庫接口相同的技術標準,圖1為本文構建模型接口應用的硬件服務模型結構圖。

圖1 模型接口應用的硬件服務模型結構圖

客戶端中引用常規性Web瀏覽器作為電子地圖板塊的后臺處理端口,不需要在端口安裝網絡插件即可完成地圖中地類流量的檢索,Web瀏覽器還支持國土地類流量調查程序運行,包括國土地類流量數據的預處理、管理、分析緩存等[3]。

對土地資源地理基層模塊劃分為Web應用程序模塊、Arc管理模塊、數據預處理模塊、地類資源庫。Web應用程序模塊主要包含互聯網服務器和Web運行程序,網絡服務器與客戶端連接，為用戶提供一定的數據交互功能,不需要用戶下載插件;Web運行程序主要負責網絡與地類資源管理模塊關聯,響應客戶的需求向客戶端檢索相應數據信息,再通過傳輸程序建立一條標準化語言接口,此程序不能滿足地類資源的運算。Arc管理模塊主要負責模型與服務器之間的交流實現,Arc管理模塊中軟件收到服務器的地類流量信息后將服務請求列入處理隊列中,分別對不同種類的地類流量采用不同的地圖定位體系,安排最佳的地圖路徑幫助國土調查模型的查詢。數據預處理模塊主要對地類流量數據進行適應性處理,將地圖基本數據與采集數據相融合,減少模型在數據處理方面的磨合工作量。地類資源庫程序中包含原始地類流量,在模型收到新類型數據時此程序通過檢索功能對地類流量進行地址緩存與發送服務信號,有助于工作人員的數據管理,圖2為土地資源地理基層模塊結構組成圖。

圖2 土地資源地理基層模塊結構組成圖

2 基于ArcGIS國土調查地類流量數據處理

2.1 基于ArcGIS的數據處理與優化

應用ArcGIS對國土資源數據統計需要在不同階級地圖中添加編碼字段,我國第二次地類數據調查與第三次地類數據調查數據顯示主要以字段方式顯示,因此也需要應用ArcGIS技術添加最新地類調查數據,地類數據緩存程序中具有屬性值,屬性定義取決于地類數據編碼前兩位,二級屬性地類數據主要包含森林沼澤、紅樹林地、沼澤草地、沿海灘涂、內陸灘涂和沼澤地等;一級屬性地類數據主要包含濕地。電子地圖中任何線性地類數據與面性地類數據都能夠表現出相應的地類流量特征,可將多種元素組合成一套獨立的幾何數據要素。本文設計應用ArcToolBox軟件對電子地圖中具有地類數據特征字段作為流量融合元素,每一類地類流量獲取一定數量的圖像與電子線段,數據融合過程中還要注意字段的創新環節,每一個數據要素的融合都會表現不同階級的地類流量,根據新融合地類流量種類進行分析處理,圖3為數據融合軟件分析圖。

圖3 數據融合軟件分析圖

ArcGIS數據在電子地圖中占有較大的比例,統計地類流量的調查數據還需要大比例縮放的矢量數據與影像數據,采集地類流量中具有多元性、先有性特性的數據,合理規劃與表達地類數據是ArcGIS數據調查的重點內容,因此需要對此部分數據按照《地理信息公共服務平臺地理實體與地名地址數據規范》與《地理信息公共服務平臺電子地圖數據規范》條例設計數據調研標準,對初步采集的地類數據進行脫密處理,將數據采集點在網絡中公布使用,并達到網絡空間維度標準。地名地址流量是地類流量的重要組成部分,可以實現對電子地圖的地類數據直接收集,圖4為地名地址流量的獲取流程圖。

圖4 地名地址流量獲取流程圖

地名地址的獲取流程受到地類復雜度影響,在電子地圖中體現的數據根據地類范圍粒度區域而劃分地名地址數據采集范圍,為滿足更加精準地類流量調查,在數據采集模型中添加資源獲取服務,接受業外人員對地類流量調查的數據貢獻[4]。

基于ArcGIS國土調查地類流量模型數據處理后可對部分地類流量緩存處理,為下一階段國土調查地類流量奠定數據基礎。ArcGIS軟件服務器具有實時性特點,地圖中的不同地類圖層的緩存優化方式不同,對于基本的地類流量數據緩存需要應用ArcGIS技術對電子地圖信息重新編輯格式并更新,根據軟件后臺提供的編輯范圍確定實際地類流量的可編輯范圍。通過電子地圖重新對數據進行定位,數據處理模型中將地類流量分為靜態流量與動態流量,靜態流量內容主要為索引流量,將地類流量切割成圖片文件,收集圖片文件并緩存,傳輸到ArcGIS服務器中生成一套新地圖索引程序,表1為以地類流量比例尺為變量而區分的靜態流量。

表1 靜態流量說明

當下一階段的國土地類流量調查更換地類流量比例尺時,可以在數據庫中查詢該比例尺的靜態流量,重新生成地類流量所在范圍與相關狀態信息。動態流量是服務器緩存的主要內容,能夠針對實現狀態與環境狀態智能判斷地類流量是否滿足緩存條件,每個緩存數據均要求在相應的地類流量范圍內,根據不同地類流量級別限制服務器中產生的信息條件[5-7]。

2.2 基于ArcGIS的交互數據庫設計

基于ArcGIS交互數據庫的設計有利于提升電子地圖的整體流量運行。在數據庫的結構設計中,本文主要應用分布式數據庫管理技術,國土資源調查人員可以根據自身所在位置確定國土地類流量類型,交互數據庫中具有標本特性的地理流量標識碼隨著該地理位置屬性向服務器中發送,地理位置屬性包括地類流量類型、地理矢量長度、地類流量覆蓋面積、數據庫緩存時間等。交互數據庫中緩存地類流量參數能夠實現自我管理,每套參數配置數據預處理體系,參數與實際地類流量關聯后,地類流量表現出的數據形式直接向交互數據庫外輸出,與普通數據庫之間呈現映射關系。預處理中新儲存的參數主要通過流量引擎訪問地類流量初始位置,為國土地類流量調查人員提供精準信息[8]。

數據交互過程中設置地類流量監聽芯片,對新處理的地類流量參數進行切片處理。設定每10 d向電子地圖服務層獲取地類流量參數變化狀態。并設計不同顏色表示不同的地類流量狀態,監聽芯片可以對預處理程序中的地類流量參數運算,在電子地圖服務層中提取出不必要地類流量參數,此監聽芯片還可以建設一條索引機制,向地類流量調查空間中的更新機制提供廣泛空間[9]。圖5為監聽芯片實物圖。

圖5 監聽芯片實物圖

3 模型應用

基于ArcGIS分析模型對于國土地類流量的處理模型的主要實現程序體現在國土地類流量調查管理人員的Web應用層。管理人員通過對Web應用層的交互控制可以對電子地圖中地類流量數據傳送至相應的調查客戶端,當管理人員發送請求后電子地圖的響應程序便會提取有效流量,應用地類流量的底層數據接連Web層的程序接口,提升地類流量的檢索效率[10-13]。

該模型中的用戶端界面向管理人員提供地類流量調查信道,信道與信道之間相互連接構成一套完整的電子地類流量檢索體系,對信道內容壓縮并傳遞出交互程序應用層,對應用層進行操作便可獲取不同地類流量的屬性信息。圖6為以城市地類流量為例的交互界面。

圖6 以城市地類流量為例的交互界面

模型后臺是地類流量統計與分類的數據處理中心。當用戶向模型輸入地類屬性或地類流量信息時,Web應用層開始與數據處理中心建立連接橋,同時服務器中的信道建立與數據庫之間的線程與通信協議,不容易造成地類流量與數據庫中相關地類屬性的格式沖突;用戶退出模型程序時,Web應用層控制整體模型的通信模塊,發送關閉指令至數據庫與數據處理中心并撤銷所有線程與通信協議[14]。

模型應用需要對數據庫中地類流量進行定位,需要定位算法與檢索算法的協同,在界面文本框中輸入地類流量代碼,根據電子地圖的所在圖層尋找相應的地類流量位置,利用平面直角坐標系形式表現出來,將X、Y值與原始地理圖層作對比,找到地類流量的實時動態信息。運行模型程序還需要將二調一級類融合、三調一級類融合等地類流量設定規范保存格式,方便流量總體的匯總與分析,根據地類流量分析數據可控制地類流量的調查質量,保障調查區域內的全部模型處于可操控狀態[15]。

4 實驗研究

啟動模型并打開ArcGIS軟件,向電子地圖的地類屬性迭代器中輸入地類流量編碼,按照不同地類流量字段形式添加新型地類流量變量,命名新添變量并添加數據鏈接,向迭代器中再次輸入裁剪過的參數信息,重新添加圖片形式的地類流量空間變量,規范地類流量緩存位置并驗證模型的可用性。

實驗根據《土地利用現狀分類》第二次調查地類流量分類進行分析,對一級分類中的耕地、種植園地、林地、草地、交通運輸地、其他用地、礦地等統計。表2為一級分類地類流量分析表。

表2 一級分類地類流量分析表

表中統計面積表示在上一階段的某一地區調查面積基礎上的調查各個地類流量調查面積,流入面積表示上一階段的其他地類流量更改為此類調查地類流量面積,流出面積表示上一階段此類地類調查面積改變為其他地類流量面積,變化量表示較以往的調查面積存在的變化差值。

本文構建基于ArcGIS技術的模型對某地區地類流量數據可以多方位呈現,相比其他電子地圖中提供的分析材料內容更加詳細,包括地類流量中存在的建筑內容以及人員內容。文獻[1]、文獻[2]中的流量分析提供的數據包豐富度不夠,主要依靠各個導航的數據豐富自身模型,不能提供較好的用戶服務與交互,用戶在應用模型的過程中需要加載大量的內存數據,導致加載地類流量數據慢,對網絡服務器的要求較高。圖7為不同模型對地類流量分析的加載速度。

圖7 不同模型對地類流量分析的加載速度

根據圖7中的對比結果可知,本文模型能夠優先加載地類流量,最高加載速度可達50 MB/s。文獻[1]中模型更注重圖像制作與分析,待加載流量較大,最高加載速度控制在30 MB/s左右;文獻[2]中模型加載流量速度較快,但不能與軟件程序形成關聯狀態。

本文方法能夠對湖泊中的植物種類、水資源狀態、生物的生長周期等方面進行分析,在物理尺度上精細化分析程度,可知湖泊的物種退化平均值為3.61,單位面積內生物生長周期為6,分析得知該湖泊的物種正處于增長狀態。

5 結束語

本文在ArcGIS基礎上構建國土地類流量調查分析模型,采用Web服務器采集電子地圖中的地類信息與編輯代碼,實現了基本地類流量的采集與分析,建立數據預處理與地類流量空間之間的信道,實現了國土地類流量分析的高效性與實用性。