基于AE的土地生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

王海鷹，陸軍輝

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開封 475004；2.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣東廣州 510631)

·技術(shù)方法·

基于AE的土地生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

王海鷹1，陸軍輝2

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,開封 475004；2.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,廣東廣州 510631)

土地生產(chǎn)潛力評價是土地資源合理高效利用的基礎(chǔ)，其使用的數(shù)學(xué)評價模型計算復(fù)雜、過程繁瑣、評價結(jié)果抽象，因此具有綜合性、實踐性、基礎(chǔ)性的特點。利用GIS所具有的強大空間數(shù)據(jù)存儲、處理、分析和可視化的能力，可以彌補現(xiàn)有土地潛力評價模型的不足，更好地為土地資源管理提供支撐和保障。文章基于ArcGIS Engine(AE)二次開發(fā)組件、地理數(shù)據(jù)庫技術(shù)、土地生產(chǎn)潛力評價模型，利用VS2010開發(fā)了土地生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)編輯、空間分析和潛力評價以及專題圖制作等功能，具備性能運行穩(wěn)定、評價效率高，數(shù)據(jù)可視化等特點。以河南省為例進行了土地生產(chǎn)潛力分析評價，得到可靠、直觀的評價結(jié)果。研究驗證了土地生產(chǎn)潛力評價GIS系統(tǒng)開發(fā)的可行性，為土地管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃等提供管理和分析工具。

土地管理 組件式地理信息系統(tǒng) 土地生產(chǎn)潛力 系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

土地生產(chǎn)潛力評價是土地資源合理高效利用的基礎(chǔ)，是一項具有綜合性、實踐性的基礎(chǔ)研究工作。自1840年J.V.Liegbig提出最小因子定律開始，在早期，學(xué)者側(cè)重研究生物產(chǎn)量與環(huán)境因子的關(guān)系及環(huán)境因子之間相互作用的規(guī)律。后期，學(xué)者進入植物生理生態(tài)研究，使土地生產(chǎn)潛力研究微觀化、精確化，并建立了產(chǎn)量與相關(guān)因子的數(shù)學(xué)模型[1-3]。然而土地生產(chǎn)潛力研究的迅猛發(fā)展在提升評估精確性的同時，也逐步形成了對數(shù)學(xué)模型的過度依賴和重視，甚至具體到就某一生態(tài)因子進行研究，缺乏了普適性和綜合性； 同時傳統(tǒng)研究方法在獲取、存儲、處理、分析大量土地利用數(shù)據(jù)時往往效率低下，甚至于手工編制地圖，更缺乏實時、精確、海量的數(shù)據(jù)源，這在土地利用變化頻繁的今天，不利于土地生產(chǎn)潛力研究的健康發(fā)展； 另外，大部分土地生產(chǎn)潛力評價的數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜、計算過程繁瑣、其評價結(jié)果抽象。由于GIS所具有的海量數(shù)據(jù)獲取、強大的數(shù)據(jù)存儲、處理、分析功能以及時效性和可視化等特點[4]，非常有利于保障土地生產(chǎn)潛力計算的準確性、現(xiàn)勢性，并能將計算結(jié)果及其空間分布生動直觀地展現(xiàn)出來，可以彌補現(xiàn)有土地潛力評價模型的不足，更好地為土地資源管理提供支撐和保障，因此在土地生產(chǎn)潛力評價過程中使用GIS技術(shù)值得我們深入研究探索。在前人基礎(chǔ)上，文章結(jié)合GIS以及ArcGIS Engine(AE)組件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)[5-9]，綜合集成了相關(guān)評價模型(例如：邁阿密模型、光合潛力計算式等)，設(shè)計研發(fā)了一個界面簡潔、操作便利、基本功能通用的土地生產(chǎn)潛力評價專題信息系統(tǒng)，不但提高了評價分析的效率，而且還實現(xiàn)了評化結(jié)果的空間可視化。研究為土地管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃等提供管理和分析工具，有助于土地資源的科學(xué)管理。

1 系統(tǒng)開發(fā)原理和技術(shù)

系統(tǒng)采用了GIS組件式開發(fā)技術(shù)。組件式開發(fā)是利用GIS功能組件進行可視化二次開發(fā)，具有系統(tǒng)集成方便、充分利用GIS工具軟件對空間數(shù)據(jù)所具有的優(yōu)勢、可視化開發(fā)的高效和方便等編程優(yōu)點[6]。它不僅能極大提升系統(tǒng)的開發(fā)效率，而且使開發(fā)出的應(yīng)用程序外觀效果良好，GIS功能強大。

ArcGIS Engine(簡稱AE)是ESRI的GIS二次開發(fā)組件，實際上是一組嵌入式GIS 組件庫[6， 8]。AE可以在 ArcGIS Desktop 框架之外使用GIS 組件和可視化控件來開發(fā)定制的GIS和桌面制圖應(yīng)用程序。由于AE提供了較完善的二次開發(fā)功能，又可完全脫離ArcGIS平臺，因此，針對土地生產(chǎn)潛力評價領(lǐng)域的特定要求，以Visual Studio 2012為集成開發(fā)環(huán)境，C#為開發(fā)語言，基于AE開發(fā)了土地生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標與需求分析，針對土地生產(chǎn)潛力評估業(yè)務(wù)的復(fù)雜性等特點，集成業(yè)務(wù)中多種分析評價方法，開發(fā)了基礎(chǔ)功能完善、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計功能強大的專題信息系統(tǒng)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 土地生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)運行主界面

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計

系統(tǒng)主界面設(shè)計簡潔大方美觀，操作便捷(圖2)，其主要內(nèi)容包括：菜單欄與定制工具，AE內(nèi)置工具的添加(如：打開和保存文檔、放大、縮小、平移、全局視圖、比例尺顯示、Identify、Measure、查找等基本工具)，MapControl與PageLayoutControl視圖聯(lián)動(編程實現(xiàn)地圖視圖與制版視圖切換顯示)，數(shù)據(jù)管理窗口，鷹眼窗口，狀態(tài)欄(顯示當前光標坐標、比例尺等動態(tài)信息)。

圖3 研究區(qū)分布

表1 屬性字段設(shè)計

描述字段類型唯一值IDOIDint各市名稱NAMEchar年平均氣溫(℃)AverageTemfloat全年日照時數(shù)(h)SunshineHofloat全年降水量(mm)TotalPrecifloat地形坡度(°)TerrainSlodouble糧食單位面積產(chǎn)量(kg/hm2)Grainshort

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用 ArcGIS的 Personal Geodatabase管理研究區(qū)(圖3)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，建立了土地生產(chǎn)潛力信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)為河南省18個地市的行政邊界圖； 屬性數(shù)據(jù)收集了各個地市的年平均氣溫、全年日照時、全年降水量、糧食單位面積產(chǎn)量(按播種面積計算)、地形坡度等5個因子，分別代表各地區(qū)土地資源利用的溫度、太陽輻射、水分、土壤肥力及坡度等限制因素的影響。

屬性字段設(shè)計如表1。

3 系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)據(jù)加載模塊

該模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入功能，是系統(tǒng)的基本模塊。支持輸入的數(shù)據(jù)有：地圖文檔(*.mxd)、ShapeFile(*.shp)、PersonGeodatabase(*.mdb)、CAD(*.DWG)、Raster(*.jpg*.bmp*.tiff)，且具備新建、打開、保存、另存為文檔等功能。其中共有5處可打開ShapeFile數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)視圖中右鍵功能、TOCControl右鍵功能、ToolbarControl1中、菜單欄中“打開數(shù)據(jù)”的子菜單“打開ShapefileData”， 4處可打開Raster數(shù)據(jù)，因此極大地方便了用戶操作本系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實用性。

3.2 數(shù)據(jù)顯示與管理模塊

關(guān)于數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)分2個部分：一是基本功能，包括放大(拉框放大和放大到所選擇的要素)、縮小、平移、選擇(AE內(nèi)置選擇工具和編程實現(xiàn)畫圓、線、矩形等來選擇)、全圖顯示以及前后視圖(找回原有視圖)等功能； 二是實現(xiàn)鷹眼功能、數(shù)據(jù)視圖和PageLayout面板切換顯示功能、以及工具條定制功能等。

系統(tǒng)的圖層管理功能由TOCControl控件的右鍵菜單功能承擔(dān)，大體分為3類，即圖層基本操作、打開圖層屬性表和打開圖層屬性。圖層基本操作有圖層添加(shp、raster數(shù)據(jù))、刪除、改變順序、更改名字、改變點線面符號(符號選擇窗口)及縮放到圖層(Zoom To Layer)等。

3.3 數(shù)據(jù)查詢模塊

通過該模塊，可以對數(shù)據(jù)進行屬性查詢?yōu)g覽，即基本查詢工具(Identify和Measure)、根據(jù)圖形查屬性(拉框查詢)、根據(jù)屬性查空間對象(SQL查詢)，并將查詢結(jié)果高亮顯示。根據(jù)圖形查屬性的功能，用戶通過選中目標的空間圖形信息(高亮顯示)即可瀏覽其屬性信息，這種方式簡單方便，考慮到了用戶在查詢過程中的即時靈活的特點； 而根據(jù)屬性查空間對象功能是用戶在已知查詢條件的屬性信息下，精確地搜索目標并選中，以便獲得其空間信息。

3.4 數(shù)據(jù)編輯模塊

實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的實時編輯功能。該系統(tǒng)除了直接調(diào)用AE內(nèi)置的編輯工具(Editor工具條)，還具有創(chuàng)建點線面等地圖要素的功能。通過該模塊可以進行實時的基本編輯，以保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)實性和準確性，例如：撤銷、重復(fù)、裁剪、復(fù)制、粘貼等； 可以實現(xiàn)對矢量空間圖形文件的編輯，例如：創(chuàng)建點、折線、曲線、自由曲線、多邊形、矩形、圓形以及橢圓等； 還可進行屬性數(shù)據(jù)的編輯(屬性值修改、字段的添加與刪除、字段名編輯等)，以及捕捉的設(shè)置等。

3.5 分析與評價模塊

系統(tǒng)可進行緩沖區(qū)分析和土地生產(chǎn)潛力評價，提供土地生產(chǎn)潛力評價的專題應(yīng)用功能。評價時，往往先在目標圖層的屬性表中添加新的字段，然后使用相關(guān)數(shù)據(jù)、依據(jù)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型計算土地生產(chǎn)潛力，并將計算結(jié)果添加至新建字段中，最后依據(jù)新字段的數(shù)值進行圖層的分等級渲染，以生動展示土地生產(chǎn)潛力的空間分布狀況。

3.6 專題圖制作與輸出模塊

(1)專題圖制作

制作的專題地圖包括簡單圖、餅圖和點狀圖。簡單專題圖是依據(jù)目標圖層的某個特定字段的值，進行分類、隨機和透明渲染，即用顏色深淺、種類和透明度高低來生表達特定字段值的高低和分布情況。餅圖專題圖依據(jù)一個或多個字段的值來控制所繪餅圖的大小或各字段的比重。點狀專題圖可形象表達某地區(qū)某一屬性的分布密度。例如：若以“全年降水量”字段制作專題圖，則餅圖可展示河南省2013年全省降雨的分布，點狀圖表明各地降水充沛程度。

(2)地圖輸出

地圖輸出通常是指轉(zhuǎn)換輸出(將地圖輸出為不同格式的文件，如JPEG、TIFF、BMP等)。本系統(tǒng)在地圖輸出之前可在布局視圖中進行地圖整飾，如添加圖名、比例尺、圖例、指北針、方里網(wǎng)等要素，且專題地圖簡潔、精美，具備了專業(yè)GIS的制圖功能。系統(tǒng)利用地圖轉(zhuǎn)換輸出對象(ExportFileDialog對象)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換輸出功能，可將地圖保存為10種格式的文件，還可以設(shè)置輸出的屬性，如圖片質(zhì)量、分辨率等。

4 系統(tǒng)評價模型和應(yīng)用實例

4.1 土地生產(chǎn)潛力評價流程

土地生產(chǎn)潛力評價功能分為2個部分：一為采用單因子土地潛力評價指數(shù)、加權(quán)平均模型和內(nèi)梅羅綜合評價指數(shù)等數(shù)學(xué)模型設(shè)計開發(fā)； 二為逐步計算光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力，最后得出土地生產(chǎn)潛力。所有評價流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)潛力評價流程

在目前的土地生產(chǎn)潛力評價中，主要考慮的是光、熱、水分、土壤等影響因素，在實際中大致分為太陽輻射、溫度、水分、坡度、土地肥沃度五大類[3]。光能生產(chǎn)潛力主要根據(jù)太陽輻射，然后采用相應(yīng)模型計算獲得。光溫生產(chǎn)潛力是在計算光能生產(chǎn)潛力后考慮溫度的影響得到的，而氣候生產(chǎn)潛力則進一步考慮水分因素，最后計算土地生產(chǎn)潛力時加入土地參數(shù)[10-13]。

4.2 系統(tǒng)評價模型

(1)單因子土地生產(chǎn)潛力評價模型

(1)

式中，Pi為土地中限制因素Ci的單項土地生產(chǎn)潛力評價指數(shù)；Ci為調(diào)查點土地中限制因素i的實測值；Si為限制因素i的土地參考值； 地形坡度因子與土地生產(chǎn)潛力為負相關(guān)，其余因子為正相關(guān)。

(2)加權(quán)平均綜合土地生產(chǎn)潛力評價模型

(2)

式中，n為被綜合的因素個數(shù)；wi為各指標的權(quán)重；Pi=Ci/Si,為第i個限制性因素的評價指數(shù)，Ci為第i個因素實測值，Si為限制因素i的土地參考值。該文選用年平均氣溫、全年日照時、全年降水量、糧食單位面積產(chǎn)量(按播種面積計算)及地形坡度共5個限制因素作為綜合污染評價指標。評價的參考值分別為15、1800、450、4500、0.001。在評價中，各限制因素的權(quán)重確定采取層次分析法[14]， 5個限制因素權(quán)重分別取為0.18、0.15、0.24、0.23、0.2。

(3)內(nèi)梅羅綜合土地潛力評價模型

(3)

(4)土地生產(chǎn)潛力評價模型

土地生產(chǎn)潛力(PL)的計算是在氣候生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上加入修正函數(shù)(FL=FD×FZ×FSa，土壤質(zhì)地、土層厚度Z、土壤含鹽量Sa)。各因素的修正函數(shù)關(guān)系式如下。

表2 土壤質(zhì)地與生產(chǎn)力指數(shù)的關(guān)系

土壤質(zhì)地編碼生產(chǎn)力指數(shù)FD壤質(zhì)11偏砂偏粘壤土20.72粘土砂土30.57含礫質(zhì)土40.43以砂礫為主50.29

土層厚度的修正函數(shù)關(guān)系式為：

(4)

土壤含鹽量的修正函數(shù)關(guān)系式為：

(5)

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用實例

作者在實用性、標準化、規(guī)范化、可擴展性等原則下設(shè)計開發(fā)了基于AE的生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)，系統(tǒng)除了具備GIS系統(tǒng)操作的基本功能(例如：數(shù)據(jù)采集、編輯、管理、維護等)外，還具有以下功能：(1)能進行常規(guī)空間分析、土地生產(chǎn)潛力評價等工作； (2)能制作相關(guān)專題地圖、進行地圖整飾并輸出。系統(tǒng)實現(xiàn)了河南省地區(qū)土地生產(chǎn)潛力的快速分析和評價，得到可靠、直觀的評價信息，為土地管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃等工作提供了管理和分析工具。

如圖5a所示，若只考慮地形限制因素對土地生產(chǎn)潛力的制約，則河南省西部、西南部、南部地區(qū)的土地生產(chǎn)潛力比較低，如三門峽市、洛陽市、信陽市等； 東、中、北部地區(qū)土地生產(chǎn)潛力則較高，如鄭州市、商丘市、濮陽市等； 圖5b、(c)分別是綜合5個限制因素所獲得的加權(quán)平均、內(nèi)梅羅綜合土地生產(chǎn)潛力的評價結(jié)果，雖然計算原理不同，但殊途同歸，其土地生產(chǎn)潛力評價結(jié)果都與(a)大體呈現(xiàn)出西低東高的趨勢，這可能與東部地區(qū)地形平緩、降水充沛等自然因素有關(guān)； 圖5d、(e)分別展示出依據(jù)氣溫和降水因子所獲得的河南省光溫生產(chǎn)潛力的空間分布，其生產(chǎn)潛力大體呈現(xiàn)出東南高西北低的態(tài)勢。此應(yīng)用實例說明了系統(tǒng)在評估土地生產(chǎn)潛力上的可行性和科學(xué)性，一定程度上便于研究者掌握土地生產(chǎn)潛力的空間分布狀態(tài)，更好地促進科學(xué)計算、提高管理效率。

圖5 河南省土地生產(chǎn)潛力評價空間分布

5 結(jié)語

該文基于AE組件開發(fā)技術(shù)、地理數(shù)據(jù)庫和土地生產(chǎn)潛力模型開發(fā)了土地生產(chǎn)潛力評價信息系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)周期短、穩(wěn)定性強、評價分析效率高，實現(xiàn)了土地生產(chǎn)潛力的空間評價和可視化，展現(xiàn)了GIS在數(shù)據(jù)存儲、查詢、編輯、空間分析與決策支持等方面所具有的獨特優(yōu)勢。以河南省為例進行了土地生產(chǎn)潛力的分析評價，系統(tǒng)得到了可靠、直觀的評價信息，同時驗證了的土地生產(chǎn)潛力評價系統(tǒng)開發(fā)的可行性，為土地生產(chǎn)管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃等提供了一種新的管理和分析手段。當然，研究也存在多源數(shù)據(jù)管理能力較弱，功能定制不靈活等缺點。解決這些問題需要參考商業(yè)軟件的一些優(yōu)點，結(jié)合土地生產(chǎn)潛力評價研究現(xiàn)狀中的具體需求，開發(fā)出更加豐富實用的功能，這也是該文進一步的研究方向。

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DESIGN AND REALIZATION OF THE LAND POTENTIAL PRODUCTIVITY EVALUATION INFORMATION SYSTEM BASED ON AE*

Wang Haiying1, Lu Junhui2

(1.College of Environment and Planning，Henan University， Kaifeng 475004，China； 2.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou，Guangdong 510631，China)

Land potential productivity evaluation is a basis for the rational and efficient utilization of land resources. The mathematical model used for the evaluation is complex and abstract that has the comprehensive, practical and basic characteristics. With the powerful spatial data storage, processing, analysis and visualization, GIS can make up the deficiency of the existing land potential evaluation model, and provide the better support and guarantee for the land resource management. Based on the second development components of the Engine ArcGIS (AE), geo-database technology, land production potential evaluation model, this paper used the VS2010 platform to develop the land production potential evaluation information system. The system integrated the functions of data loading, data management, data query, data editing, spatial analysis, potential evaluation and thematic map making, and had the characteristics of stable performance, high efficiency, data visualization and so on. Taking Henan Province as an example, it analyzed and evaluated the land production potential, and obtained reliable and intuitive evaluation results. The research verified the feasibility of GIS system for the land productivity evaluation, and provided a management and analysis tool for land management and agricultural production planning.

land management; GIS component; land productivity potential; system design

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161106

2016-05-20

王海鷹(1980—)，男，河南洛陽人，博士、博士后、講師、碩士生導(dǎo)師。研究方向：空間智能優(yōu)化與決策。Email：whyhdgis@163.com

*資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“基于空間模擬和群智能優(yōu)化的城市增長邊界劃定方法研究”(41401457)； 河南省重大科技專項子課題“農(nóng)村公共數(shù)據(jù)標準與共享技術(shù)研究與應(yīng)用”(131100110400)； 河南省高等學(xué)校重點科研項目“基于生物智能的新型農(nóng)村社區(qū)空間布局優(yōu)化技術(shù)研究”(15A170003)

S127; F301.2

A

1005-9121[2016]11-0037-07