耕地質(zhì)量等別變化診斷系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

任麗超+吳克寧+許妍+董芳玢+范麗娜

摘要：耕地質(zhì)量等別監(jiān)測是了解耕地質(zhì)量狀況和變化情況的有效手段，利用系統(tǒng)開發(fā)進行等別變化診斷對于耕地質(zhì)量等別監(jiān)測的信息化建設(shè)有非常重要的意義。系統(tǒng)基于Visual C# 2010和組件式GIS的開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了指標(biāo)匯總與分析、指標(biāo)遴選、指標(biāo)打分、等別變化量計算和數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出等5個功能，解決了耕地質(zhì)量等別監(jiān)測工作過程中數(shù)據(jù)量大、操作復(fù)雜的難題。筆者介紹了系統(tǒng)目標(biāo)、總體架構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，同時對數(shù)據(jù)庫的建立、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)特點進行了分析探討，最后提出系統(tǒng)具有指標(biāo)選取未分類、等別變化量計算沒有考慮新增或減少耕地情況等不足，有助于今后繼續(xù)對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能完善。

關(guān)鍵詞：耕地；監(jiān)測；指標(biāo)；等別變化量；GIS；ArcEngine

中圖分類號：F301.21 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2014）08-0393-04

耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，是人類社會不可替代的物質(zhì)財富。進入21世紀(jì)以來，人口不斷增多，耕地逐漸減少，人們生活水平不斷提高，保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展首先要確保耕地的數(shù)量和質(zhì)量，其中耕地質(zhì)量好壞更是關(guān)乎國計民生的大問題^[1-2]。全國農(nóng)用地調(diào)查與評定，為全國耕地質(zhì)量本底調(diào)查填補了空白，也為耕地質(zhì)量等別變化動態(tài)監(jiān)測提供了本底數(shù)據(jù)。耕地質(zhì)量等別監(jiān)測是了解區(qū)域內(nèi)最新耕地質(zhì)量等別狀況及一定時期內(nèi)耕地質(zhì)量等別變化情況的有效手段，具體是指針對新增耕地、減少耕地、質(zhì)量漸變耕地及質(zhì)量緩變耕地等不同的監(jiān)測對象，通過合理布設(shè)監(jiān)測樣點對影響耕地質(zhì)量等別因素的調(diào)查，評價新增耕地質(zhì)量等別、更新質(zhì)量緩變耕地及質(zhì)量突變耕地質(zhì)量等別、核算減少耕地質(zhì)量等別及其產(chǎn)能的損滅，掌握一定時期內(nèi)區(qū)域最新耕地質(zhì)量等別狀況，反映一定時期內(nèi)區(qū)域耕地質(zhì)量等別的整體變化情況^[3]。通過耕地質(zhì)量等別動態(tài)監(jiān)測動態(tài)掌握土地生產(chǎn)潛力變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的利用水平和投入產(chǎn)出狀況，為基本農(nóng)田保護與土地資源合理利用提供支撐，是保障糧食安全的一項長期性的基礎(chǔ)工作，對土地質(zhì)量管理具有深遠的意義。

隨著國土資源管理的日益信息化，通過軟件開發(fā)解決土地問題成為相關(guān)學(xué)者的研究熱點。胡寶清等應(yīng)用GIS和RS技術(shù)對土地資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究，成果可應(yīng)用于土地管理、土地規(guī)劃、國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃等很多方面^[4-8]；羅宇等分別對土地利用總體規(guī)劃、土地開發(fā)整理規(guī)劃和土地復(fù)墾規(guī)劃的管理系統(tǒng)開發(fā)進行了研究，不僅提高了規(guī)劃的工作效率，也為規(guī)劃的管理實施提供了有力的辦公工具^[9-14]；王洪戰(zhàn)等對土地儲備管理信息系統(tǒng)進行了開發(fā)與應(yīng)用研究，簡化了土地儲備流程，提高了土地儲備管理水平和管理效率^[15-16]；夏敏等對農(nóng)用地定級估價和土地集約評價信息系統(tǒng)進行了研究，對土地評價工作的監(jiān)管和調(diào)控具有重要意義^[17-18]；吳明輝開發(fā)了全國第2次土地調(diào)查成果質(zhì)量檢測系統(tǒng)，大幅提高了工作效率，確保了成果的規(guī)范性和準(zhǔn)確性^[19]；在耕地質(zhì)量方面，盛宣偉研究了耕地占補平衡信息系統(tǒng)的開發(fā)^[20]；王澤云研究了縣級耕地質(zhì)量評價系統(tǒng)軟件的開發(fā)^[21]。但目前尚未對耕地質(zhì)量等別變化的相關(guān)系統(tǒng)進行開發(fā)研究，耕地質(zhì)量等別變化診斷的過程涉及大量數(shù)據(jù)和信息，人為操作起來十分復(fù)雜，通過軟件開發(fā)實現(xiàn)這一過程不僅能夠提高耕地質(zhì)量等別監(jiān)測的工作效率，也為國土資源管理的全面信息化提供參考。耕地質(zhì)量等別變化診斷系統(tǒng)在實現(xiàn)錄入、查詢、編輯、輸出等基本功能的基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)了指標(biāo)的選取、診斷過程，并結(jié)合GIS計算自然等、利用等、經(jīng)濟等、國家自然等、國家利用等、國家經(jīng)濟等的等指數(shù)和等別，以專題圖形式呈現(xiàn)，為分析區(qū)域內(nèi)等別變化情況提供有利依據(jù)。本研究介紹了系統(tǒng)目標(biāo)、總體架構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，同時對數(shù)據(jù)庫的建立、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)特點進行了分析探討，最后討論了系統(tǒng)的不足之處以及今后的研究展望。

1 耕地質(zhì)量等別變化診斷

導(dǎo)致耕地質(zhì)量等別變化的因素是多種多樣的，根據(jù)利用過程中人為干預(yù)強弱所導(dǎo)致的耕地等別變化分異特點，將耕地質(zhì)量變化區(qū)分為突變型和緩變型的耕地質(zhì)量變化。耕地質(zhì)量等別突變指耕地滅失或破壞，耕地產(chǎn)能提升，耕地產(chǎn)能補充的因素，而緩變指不同經(jīng)營方式下耕地變化。引起耕地質(zhì)量發(fā)生緩變的因素主要為氣候等自然因素，引起耕地質(zhì)量發(fā)生突變的因素為土地整理、復(fù)墾、開發(fā)等活動的工程措施。

耕地質(zhì)量等別變化診斷主要分為2個部分，一部分是監(jiān)測指標(biāo)的選取和診斷，一部分是等別變化量的計算。監(jiān)測指標(biāo)的選取，根據(jù)《農(nóng)用地分等規(guī)程》（以下簡稱“規(guī)程”）推薦分等因素及其分值和權(quán)重，各省份在農(nóng)用地分等實踐中根據(jù)實際情況進行了調(diào)整。在耕地質(zhì)量等別監(jiān)測中，為了保持指標(biāo)體系的一致性，更好與上輪分等成果對比銜接，應(yīng)在原分等指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上建立監(jiān)測指標(biāo)體系，但是對于上輪分等中指標(biāo)體系出現(xiàn)的不足之處，也需要進行修正。在與規(guī)程推薦分等指標(biāo)的對比后，要對農(nóng)用地分等指標(biāo)體系進行分析，找出各省份指標(biāo)選取的特點和不足之處，得到仍保留的指標(biāo)集A；也要結(jié)合耕地利用過程中緩變和突變因素^[22]影響的指標(biāo)情況，對監(jiān)測指標(biāo)進行補充，得到指標(biāo)集B，對2套指標(biāo)集進行合并處理，得到該區(qū)域的建議監(jiān)測指標(biāo)集，應(yīng)用主成分分析法計算最小數(shù)據(jù)集。對各區(qū)域監(jiān)測指標(biāo)進行可視化診斷和打分，并結(jié)合上一輪農(nóng)用地分等成果計算等別變化量，以專題圖的形式呈現(xiàn)，具體流程見圖1。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

耕地質(zhì)量等別變化診斷系統(tǒng)在地理信息系統(tǒng)平臺的支持下，構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)科學(xué)、功能完整、操作簡單、界面友好的設(shè)計系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)耕地質(zhì)量等別監(jiān)測指標(biāo)的快速決策與診斷，以及結(jié)果的智能運算，為耕地質(zhì)量等別監(jiān)測提供輔助支持，主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、監(jiān)測指標(biāo)的查詢、監(jiān)測指標(biāo)的診斷、監(jiān)測結(jié)果智能運算、分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出以及成果打印。endprint

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

目前GIS開發(fā)主要有3種模式，獨立開發(fā)模式、宿主型二次開發(fā)模式以及基于組件技術(shù)的開發(fā)模式。常用GIS二次開發(fā)組件有SuperMap公司的SuperObject，ESRI公司的ArcEngine等^[11]。耕地質(zhì)量等別變化診斷系統(tǒng)專題圖制作模塊采用基于組件技術(shù)的開發(fā)模式，采用的組件是ArcEngine 9.3。整個系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境是Visual C# 2010，后臺數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)選用Windows 7/Windows XP。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫建設(shè)是系統(tǒng)開發(fā)的核心，選擇合理有效數(shù)據(jù)庫對于系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性有至關(guān)重要的影響。MySQL數(shù)據(jù)庫是一種關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個大倉庫內(nèi)，這樣就增加了速度并提高了靈活性。MySQL數(shù)據(jù)庫短小精悍，操作簡單，相對于其他數(shù)據(jù)庫有特色又實用的語法多一些，它很難像SQL Server數(shù)據(jù)庫那樣擔(dān)當(dāng)大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫。該系統(tǒng)為桌面應(yīng)用程序，規(guī)模較小，所以選擇MySQL數(shù)據(jù)庫就能夠達到系統(tǒng)目標(biāo)的要求，運行速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定。

根據(jù)該系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)類型分別建立表格庫、圖形庫、文檔庫，表格庫用來存儲規(guī)程分等指標(biāo)數(shù)據(jù)表、省級分等指標(biāo)數(shù)據(jù)表、監(jiān)測成果表等以Excel格式錄入的表格。圖形庫存儲2種格式的數(shù)據(jù)：（1）監(jiān)測點和標(biāo)準(zhǔn)樣地的JPG（JPEG）格式土壤剖面照片和景觀照片，用于指標(biāo)可視化診斷功能；（2）shp格式的分等單元圖等相關(guān)圖層，用于專題圖制作。文檔庫用來存儲系統(tǒng)中可供系統(tǒng)用戶下載使用的Word格式幫助文檔。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 基本功能

圖形、屬性數(shù)據(jù)的錄入、編輯、顯示、輸出、各種方式的查詢等，以及統(tǒng)計分析、系統(tǒng)維護等。其中圖形查詢屬性提供通過選擇地理要素，顯示要素對應(yīng)屬性信息的功能，屬性查圖實現(xiàn)了被查信息的地圖快速定位，查詢到的圖形要素能夠以高亮的形式呈現(xiàn)。屬性數(shù)據(jù)查詢部分根據(jù)查詢結(jié)果支持系統(tǒng)管理人員對指標(biāo)進行增加、刪除和修改。

3.2.2 專業(yè)功能

3.2.2.1 指標(biāo)分析功能 系統(tǒng)支持以縣（市、區(qū)）為單位的規(guī)程分等指標(biāo)和省級分等指標(biāo)的查詢功能，并可以根據(jù)查詢結(jié)果進行對比分析，分析結(jié)果顯示規(guī)程和省級分等指標(biāo)的相同和不同指標(biāo)，并給出建議舍去指標(biāo)和建議保留指標(biāo)。

3.2.2.2 指標(biāo)診斷功能 包括受因素影響的指標(biāo)快速診斷和監(jiān)測指標(biāo)可視化診斷。指標(biāo)快速診斷功能即通過突變因素或緩變因素的選擇，如土地平整工程，即可診斷出該因素影響到的指標(biāo)：有效土層厚度、表層土壤質(zhì)地、土體構(gòu)型、地形坡度、土壤有機質(zhì)含量、障礙層距地表深度和地表巖石露頭度等（圖3）。指標(biāo)可視化診斷功能又分為比照和計分功能，比照功能即通過監(jiān)測點的選擇，可得到該監(jiān)測點對應(yīng)的土壤剖面照片和景觀照片，并同時顯示與其比照的標(biāo)準(zhǔn)樣地的同種照片。計分功能是指在系統(tǒng)用戶比照指標(biāo)相應(yīng)照片之后，可選擇高、較高、中、較低、低5個層次中的1層進行計分（圖4）。

變化量進行專題圖制作。系統(tǒng)支持對專題圖屬性的設(shè)置，如類型的選擇、用戶自定義著色、地圖要素選擇等。通過應(yīng)用唯一值著色法對專題圖進行渲染，將等別變化范圍內(nèi)的各個變化量加以區(qū)分和直觀呈現(xiàn)，便于系統(tǒng)用戶對區(qū)域內(nèi)等別的變化情況進一步分析。

3.3 系統(tǒng)特點

（1）系統(tǒng)集成了《農(nóng)用地規(guī)程》所推薦的指標(biāo)集和各省實際分等所用指標(biāo)集，提供根據(jù)二級區(qū)、縣名進行指標(biāo)查詢、編輯的功能，并對指標(biāo)進行分析；

（2）提供監(jiān)測指標(biāo)的快速診斷，能夠根據(jù)縣（市、區(qū)）快速提供耕地質(zhì)量等別監(jiān)測的推薦指標(biāo)；

（3）利用主成分分析成果，匯總監(jiān)測指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集；

（4）提供監(jiān)測指標(biāo)的打分功能，包括可視化診斷打分和定量化打分；

（5）基于上一輪農(nóng)用地分等成果和本次耕地質(zhì)量監(jiān)測成果數(shù)據(jù)計算等別變化量；并基于ArcEngine的二次開發(fā)將計算結(jié)果以專題圖的形式直觀呈現(xiàn)。

4 結(jié)語

利用GIS、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫以及C#.NET編程語言等技術(shù)，在建立耕地質(zhì)量等別監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入、監(jiān)測指標(biāo)查詢和診斷、監(jiān)測結(jié)果智能運算、分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出及成果打印等全部功能，為耕地質(zhì)量等別監(jiān)測工作提供一個信息化手段，提高縣域內(nèi)耕地質(zhì)量等別監(jiān)測工作效率，為國土資源管理全面信息化提供參考。但是，開放式可選擇監(jiān)測指標(biāo)體系由耕地質(zhì)量等別監(jiān)測有關(guān)的必選指標(biāo)、可選指標(biāo)、影響土地利用系數(shù)的指標(biāo)、影響土地經(jīng)濟系數(shù)的指標(biāo)構(gòu)成，耕地質(zhì)量等別變化診斷系統(tǒng)并沒有對其進行具體劃分，選取出的指標(biāo)只是一個整體而缺少有序分類。等別變化量計算模塊只是對上輪農(nóng)用地分等和本輪耕地監(jiān)測重疊的分等單元進行了變化量計算，對于減少耕地和新增耕地沒有做出具體說明。在今后的研究中可將監(jiān)測指標(biāo)的選取標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)分類、新增或減少耕地的情況說明添加到系統(tǒng)設(shè)計中，對各地開展耕地質(zhì)量等別監(jiān)測工作具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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