基于ArcEngine的海域集約利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

柯麗娜， 梁婷婷， 宮國偉， 王姝婷， 李云昊

(1.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029； 2.大連勘察測繪研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

近年來，陸地資源減少、人口膨脹，導(dǎo)致沿海地區(qū)承受了人類高強(qiáng)度的開發(fā)利用[1].海洋資源的不合理開發(fā)利用導(dǎo)致沿海地區(qū)環(huán)境污染嚴(yán)重、海域資源短缺濫用、海域生態(tài)環(huán)境破壞等一系列問題，沿海地區(qū)海域資源的可持續(xù)利用受到了巨大挑戰(zhàn)[2-3].因此，研究如何優(yōu)化配置海域利用結(jié)構(gòu)，提高海域資源使用效率成為促進(jìn)社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，保障人海協(xié)調(diào)發(fā)展的一種重要的海域利用方式，探討海域集約利用狀況具有現(xiàn)實(shí)意義.

現(xiàn)有的集約利用理論和評價(jià)方法研究主要針對陸地區(qū)域，紀(jì)陳飛[4]和倪超[5]等人探討不同土地類型的集約利用狀況；姚成勝[6]、王秀圓[7]和王鵬飛[8]等人研究土地集約利用情況與其他影響因子之間的關(guān)系；李武龍[9]和陸曉蕙[10]等從指標(biāo)體系和評價(jià)方法等角度探討土地集約利用狀況.當(dāng)前，相對于陸域，關(guān)于海域集約利用的研究較少，僅側(cè)重于對海域集約利用的概念和內(nèi)涵的探討以及對集約用海造成的海洋資源、生態(tài)影響進(jìn)行評價(jià).柯麗娜等[11]將生態(tài)系統(tǒng)管理理論和海域集約利用相結(jié)合，從多方面出發(fā)建立海域集約利用評價(jià)的指標(biāo)體系，對河北省沿海地級市的海域集約利用狀況進(jìn)行定量評價(jià)和分析；Rollo等人[12]利用SAWT模型研究導(dǎo)致海岸帶水環(huán)境變化的影響因子；李志偉等[13]首先研究了集約用海工程給海洋資源所帶來的影響，在此基礎(chǔ)上建立集約用海對海洋資源影響的綜合評價(jià)指標(biāo)體系；邢文秀等人[14]提出養(yǎng)殖用海集約利用的含義，并從多方面出發(fā)構(gòu)建養(yǎng)殖用海集約利用評價(jià)指標(biāo)體系，并以我國9個沿海省、市、自治區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證研究.綜上所述，現(xiàn)有的海域集約利用評價(jià)方法大多數(shù)基于土地集約利用評價(jià)，基于簡單的數(shù)學(xué)模型，為了實(shí)現(xiàn)海域集約利用評價(jià)過程和評價(jià)信息的可視化表達(dá)和自動化輸出更為便捷.本文基于Visual Studio 2010開發(fā)平臺，結(jié)合嵌入式ArcEngine組件庫，引入可變模糊數(shù)學(xué)模型并與GIS空間分析方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)出基于ArcEngine的海域集約利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海域集約利用狀況的實(shí)時動態(tài)顯示.并將該系統(tǒng)應(yīng)用到遼寧沿海城市海域集約利用評價(jià)中，實(shí)現(xiàn)了遼寧沿海城市海域集約利用評價(jià)結(jié)果的直觀、可視化顯示，為海域集約利用評價(jià)和海域資源的合理利用和規(guī)劃提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 關(guān)鍵技術(shù)簡介

隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)在各個應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展和推廣使用，應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)主要有獨(dú)立開發(fā)、單純的二次開發(fā)和集成二次開發(fā)3種開發(fā)方式[15].其中，集成二次開發(fā)最為常用，其以面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具為平臺，如Visual Studio、Visual Basic、JAVA、Eclipse等，并結(jié)合專用的GIS工具軟件或?qū)?yīng)的組件進(jìn)行特定功能的二次開發(fā).目前有多種方法可實(shí)現(xiàn)集成二次開發(fā)，但是組件式二次開發(fā)不僅可以利用工具軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理、分析等功能，而且可以利用其他可視化開發(fā)語言，既能大大提高應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)效率，又方便、程序移植性好，便于推廣和維護(hù)[16].

ArcGIS Engine是美國ESRI在ArcGIS9版本才開始推出的新產(chǎn)品，一套完整的基于COM技術(shù)的嵌入式GIS組件庫和工具庫.它支持COM、JAVA、NET和 C++等多種開發(fā)語言，并且能夠在Windows和Unix等平臺上運(yùn)行.開發(fā)者利用ArcEngine既可以開發(fā)出完整的 GIS 工具軟件獨(dú)立使用，還可以將GIS的功能嵌入已有的應(yīng)用程序集成配合使用，為廣大用戶提供專門完善的定制應(yīng)用[17].而且使用ArcGIS Engine開發(fā)的應(yīng)用程序可以脫離ArcGIS Desktop而獨(dú)立運(yùn)行.因此，本文利用獨(dú)立的嵌入式 ArcEngine組件，并與C#語言相結(jié)合，在當(dāng)前最廣泛應(yīng)用的Visual Studio 2010平臺下設(shè)計(jì)和開發(fā)基于GIS技術(shù)的海域集約利用系統(tǒng).它包含了一套建設(shè)完整GIS系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，這些軟件可以互相獨(dú)立或集成配合使用，為不同需求的用戶提供完善的解決之道.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，3層結(jié)構(gòu)框架已經(jīng)成為軟件開發(fā)領(lǐng)域的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[18].其基本思想是在表層與底層之間增加一個業(yè)務(wù)邏輯層，其作為表現(xiàn)層與數(shù)據(jù)層之間溝通的橋梁.其中，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層包含屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫；位于表現(xiàn)層與數(shù)據(jù)層中間的是業(yè)務(wù)邏輯層，封裝了對數(shù)據(jù)進(jìn)行的邏輯運(yùn)算，通過組件式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)海域集約利用系統(tǒng)的各模塊功能；表現(xiàn)層位于最外層，通過DoTNeTCharting和DoTNeTBar控件接收用戶輸入的數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對海域集約利用程度的統(tǒng)計(jì)、分析和結(jié)果的輸出等需求，是用戶與軟件系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互的界面.利用此框架可大大減少各功能模塊和數(shù)據(jù)之間的依賴性，更好地增強(qiáng)系統(tǒng)的復(fù)用性，縮短和降低了用于系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的時間和成本(圖1).

圖1 海域集約利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用海域使用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合海域集約利用評價(jià)指標(biāo)和可變模糊數(shù)學(xué)模型，分析遼寧沿海城市海域空間集約利用程度.本系統(tǒng)的主要模塊包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、GIS視圖模塊、海域集約評價(jià)模塊及空間分析模塊4個模塊.各模塊具體功能如圖2所示.

圖2 海域集約利用系統(tǒng)功能

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊 數(shù)據(jù)模塊主要實(shí)現(xiàn)對地圖文件的管理，包括shp、mxd、coverage等常見格式數(shù)據(jù)的加載、保存和關(guān)閉、修改后的各種地圖空間數(shù)據(jù)格式的另存、輸出海域集約利用評價(jià)結(jié)果以及導(dǎo)出制圖成果等、海域利用空間數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面的編輯等以及對空間要素進(jìn)行查詢，并將滿足制定指定的海域空間要素在地圖上高亮顯示.海域利用空間要素的查詢包括按屬性條件查詢、按位置條件查詢、按圖形屬性查詢等.

2.2.2 GIS視圖模塊 利用PageLayoutControl、axMapControl等控件在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)圖層顯示、頁面布局和地圖鷹眼窗口界面顯示等功能，支持矢量、柵格數(shù)據(jù)圖層的加載.數(shù)據(jù)視圖支持用戶對地圖放大、縮小、移動、縮放至圖層等操作.版面視圖下可以實(shí)現(xiàn)對海域集約評價(jià)結(jié)果地圖進(jìn)行編輯、打印、保存等功能.鷹眼視圖可以做到與主窗口的實(shí)時聯(lián)動,宏觀把握當(dāng)前窗口在全圖的位置信息.

2.2.3 海域集約評價(jià)模塊 海域集約評價(jià)模塊是本程序的核心模塊.該模塊主要通過人機(jī)交互，根據(jù)海域使用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，結(jié)合海域集約利用評價(jià)指標(biāo)與可變模糊模型，實(shí)現(xiàn)對沿海地區(qū)海域集約利用情況進(jìn)行綜合評價(jià)和研究.該模塊主要實(shí)現(xiàn)評價(jià)指標(biāo)體系管理、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的確定、可變模糊法評價(jià)3個功能.圖3為本文海域集約利用的指標(biāo)體系框架.

圖3 指標(biāo)體系框架

2.2.4 空間分析模塊 具有較強(qiáng)的空間分析能力是GIS的主要特征，主要用于實(shí)現(xiàn)將同一地區(qū)和同一比例尺的海域集約利用評價(jià)結(jié)果進(jìn)行疊加分析、緩沖區(qū)分析、柵格插值以及柵格計(jì)算等功能.

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)基本功能實(shí)現(xiàn)

3.1.1 空間要素查詢功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本模塊提供3種空間要素查詢方式，即空間數(shù)據(jù)的屬性、位置和圖形信息查詢，符合條件的海域區(qū)塊會高亮顯示.點(diǎn)選海域利用區(qū)塊后，該海域區(qū)塊的屬性數(shù)據(jù)可通過窗口查看.按數(shù)據(jù)屬性查詢主要通過調(diào)用 GetIdentifyResult (IMap tMap, IGeometry tGeometry, IScreenDisplay tScreen Display)方法實(shí)現(xiàn).此方法包含IMap、IGeometry和IScreenDisplay 3個參數(shù)，分別用于獲取查詢的地圖對象、查詢的地理要素，最后將符合條件的空間要素在屏幕上高亮顯示.主要使用代碼如下：

Private IArray GetIdentifyResult (IMap tMap,IGeometry tGeometry,IScreenDisplay tScreen Display)

{

IArray thArray=null;

IIdentify2 tIdentify;

ILayer sLayer;

int sLayerCount=t MapLayerCount;

for(int m=0;m

IArraytTempArray=null;

sLayer=tMap.getLayer(m);

if(sLayer.Visible==true) {

tldentify==(ldentify2)sLayer;

tTempArray=tIdentifty.Identify(tGeometry,tScreenDisplay.CancelTracker);

if(tTempArray!=null){

if(thArry!=null){

int sCount=tTempArray.Count;

for(int n=0;n

thArray.Add(tTempArray.getElement(n)); } }

else{thArray= tTempArray;} } }

} return thArray;

3.1.2 鷹眼功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 利用鷹眼窗口，用戶可以很直觀地看到主視圖中的要查看的區(qū)域在整個地圖范圍內(nèi)的位置.鷹眼功能實(shí)現(xiàn)代碼如下：

t Map = ax Map Control1.Map;

ax Map Control2.Clear Layers();

for (int m=0; m < tMap.Layer Count; m++) {

ax Map Control2. Map. AddLayer (tMap.getLayer(m));}

ax Map Control1.Extent = ax Map Control2.Full Extent;

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 海域集約評價(jià)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 海域集約利用評價(jià)模塊是本系統(tǒng)的核心，主要包括3個子模塊，分別為“評價(jià)指標(biāo)因子的管理”“評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的建立與管理”與“可變模糊評價(jià)”.

(1)評價(jià)指標(biāo)因子的管理

評價(jià)指標(biāo)因子的選擇和建立最為重要，是進(jìn)行海域集約利用評價(jià)的關(guān)鍵.本系統(tǒng)對收集到的各種表征集約利用水平的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行遴選后，建立不同的屬性表：海洋資本投入強(qiáng)度數(shù)據(jù)表、海洋開發(fā)利用結(jié)構(gòu)程度數(shù)據(jù)表、海洋經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)表和海洋生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)表等.在設(shè)計(jì)每一個屬性表時，注意要將每個字段的名稱定義的通俗易懂，字段類型要統(tǒng)一，并為每一個數(shù)據(jù)表建立主鍵，使之僅代表一條數(shù)據(jù).為了降低數(shù)據(jù)的冗余度，需要定義外鍵，使相關(guān)的數(shù)據(jù)表之間通過外鍵相互聯(lián)系.然后向建立好的海域集約利用評價(jià)數(shù)據(jù)庫中錄入與海域集約利用有關(guān)的屬性數(shù)據(jù).最后經(jīng)過仔細(xì)檢查形成屬性數(shù)據(jù)庫.

(2)評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的建立與管理

首先利用系統(tǒng)的ComboBox控件選擇某一指標(biāo)與該海域集約開發(fā)利用評級的相關(guān)性.再通過人機(jī)交互的方式確定海域集約利用各評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，將各海域集約利用評價(jià)的指標(biāo)取值范圍進(jìn)一步劃分為不同等級區(qū)間.如海岸線利用率指標(biāo)可以反映海岸線的合理開發(fā)利用程度，因此，在此窗口中運(yùn)算符應(yīng)選擇正相關(guān)性，并將利用率值范圍分為5類.

(3)可變模糊評價(jià)

可變模糊評價(jià)分析[19]是本系統(tǒng)的關(guān)鍵.首先利用海域集約利用評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)、構(gòu)建的樣本特征值和指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值矩陣，并結(jié)合集約利用評價(jià)對象的標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間計(jì)算相對隸屬度，確定每個評價(jià)指標(biāo)因子的影響權(quán)重大小.然后計(jì)算不同參數(shù)的4種組合結(jié)果，并計(jì)算其模糊級別特征值，再計(jì)算4種組合的平均值，從而得到海域集約利用分級結(jié)果.再于表中添加列名和分級結(jié)果兩個字段，通過for循環(huán)完成海域集約利用數(shù)據(jù)的模糊評價(jià)及表的更新，得到各海域開發(fā)利用斑塊的分級級別值.通過ArcEngine中的setValue方法將評價(jià)結(jié)果添加到相應(yīng)圖層數(shù)據(jù)的屬性表中,并將 “評價(jià)結(jié)果”字段進(jìn)行內(nèi)插，最終在該海域集約利用系統(tǒng)中呈現(xiàn)出不同城市區(qū)域的集約利用情況.主要代碼如下：

public void()

l= new float[point, 5];

t= new float[point, 5];

floatsi= (float)1.0/ (stand - 1);

for (int m=0;m < point; m++){

for (int n= 1;n < stand; n++){

for (int q=0;q<= 4; q++){

b[m, q] += (float)(p[m,n,q] * si); }}}

for (int m=0;m< point; m++) {

for (int n=0;n<= 4;n++){

g1[m,n]=t[m,n]} };

for (int m= 0;m< point; m++){+

gr1[m]=g1[m,0]*1 +g1[m,1]*2+g1[m,2]*3+g1[m,3]*4+g1[m,4]*5}};

for (int m= 0;m< point; m++){

float temp = (gr1[m] + gr2[m] + gr3[m] + gr4[m]) / 4; grsum[m] = Round(temp, 0) };

table1.Columns.Add("a=1,p=1");

table1.Columns.Add("a=1,p=2");

table1.Columns.Add("a=2,p=1");

table1.Columns.Add("a=2,p=2");

table1.Columns.Add("評價(jià)結(jié)果");

for (int m= 0; m< grsum.Length; m++){

DataRow row = table1.Rows[m];

row["l=1,w=1"]= gr1[m];

row["l=1,w=2"]= gr2[m];

row["l=2,w=1"]= gr3[m];

row["l= 2,w=2"]= gr4[m];

row["評價(jià)結(jié)果"] = grsum[m];}

dataGridView1.Refresh();

3.2.2 反距離權(quán)重插值功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 反距離權(quán)重是一種常見的全局插值方法，該算法將插值點(diǎn)與樣本間的距離作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算.距離插值點(diǎn)越近的樣本受到的影響越大，賦予的權(quán)重越大[20].該方法簡便易操作, 考慮了距離與方向因素, 結(jié)果較為合理且對于數(shù)據(jù)來說是有意義的.但是易受數(shù)據(jù)集的影響，對權(quán)重函數(shù)的選擇特別敏感.反距離權(quán)重插值適用于表現(xiàn)出分布均勻而且足夠密集以反映局部差異的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)集的場景，關(guān)鍵代碼如下：

static void GetDistance() {

for (int m=0; m< points.Length; m++) {

points[m].d = Math.Sqrt(Math.Pow

((point.x-points[m].x),

2) +Math.Pow((pointy-points[m].y), 2));}}

static void GetWeight(int n)

{double x = Getx(n);

for (int m= 0; m< points.Length; m++)

{points[m].w = Math.Pow((1/points[m].d),n)/

x;}

}

4 海域集約評價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用

應(yīng)用本文中設(shè)計(jì)的海域集約利用系統(tǒng)對2014年遼寧沿海城市海域集約利用評價(jià)進(jìn)行分級.將海域集約利用度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個等級，分別對應(yīng)精細(xì)、高度、中度、低度和粗放集約利用.其中，利用度等級越高代表該海域集約利用程度就越好.遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶中，只有營口市的集約利用等級達(dá)到精細(xì)利用，大連、錦州和盤錦達(dá)到高度集約利用，而丹東與葫蘆島的集約利用等級分別為中度和低度.將集約利用等級結(jié)果與遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策相結(jié)合研究，發(fā)現(xiàn)遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶自2009年進(jìn)入國家戰(zhàn)略之后，海域集約利用程度整體發(fā)展迅速，接著又提出“一核、一軸、兩翼”的總體布局框架，使大連—營口—盤錦“一軸”的集約度相對較高，而“兩翼”的布局也比較明顯，葫蘆島、丹東的海域利用集約度水平明顯低于其他市.區(qū)域協(xié)調(diào)有序發(fā)展對于各市也顯得尤為重要，因此，政府在制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略時要合理分配各市資源.

5 結(jié)束語

針對目前海域開發(fā)利用的現(xiàn)狀和海域集約評價(jià)的需求，本系統(tǒng)利用海域調(diào)查數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)和海域使用動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，基于美國ESRI的ArcGIS系列產(chǎn)品中的ArcEngine嵌入式組件庫，將可變模糊數(shù)學(xué)模型與GIS空間分析手段相結(jié)合，在.Net VS2010平臺下進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ArcEngine的海域集約利用系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了海域集約利用度空間分布狀況的實(shí)時動態(tài)顯示.將該系統(tǒng)應(yīng)用到遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶的海域集約利用評價(jià)中，實(shí)現(xiàn)了遼寧沿海城市海域集約利用綜合評價(jià)結(jié)果的直觀、可視化顯示.本系統(tǒng)完整地實(shí)現(xiàn)了GIS編輯、數(shù)據(jù)處理、空間分析以及海域集約利用評價(jià)功能，對當(dāng)前海域開發(fā)利用情況分析有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，并可為海域評價(jià)提供參考.