【摘 要】基于GIS發(fā)展的現(xiàn)狀的分析，提出專用GIS組件的開發(fā)，給出該組件的功能，包括地統(tǒng)計學(xué)、綜合評價、配方施肥等方法及具體內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】軟件GIS組件；地力評價；地統(tǒng)計學(xué)；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號:G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-8283(2009)01-0097-02

1認(rèn)識、研究、開發(fā)現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)（GIS ，geographic information system）是隨著地理科學(xué)、計算機技術(shù)、遙感技術(shù)和信息科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的一個學(xué)科。在計算機發(fā)展史上，在計算機發(fā)展史上，計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD）的出現(xiàn)使人們可以用計算機處理象圖形這樣的數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)的標(biāo)志之一就是圖形元素有明確的位置坐標(biāo)，不同圖形之間有各種各樣的拓?fù)潢P(guān)系。簡單地說，拓?fù)潢P(guān)系指圖形元素之間的空間位置和連接關(guān)系。簡單的圖形元素如點、線、多邊形等；點有坐標(biāo)（x， y）；線可以看成由無數(shù)點組成，線的位置就可以表示為一系列坐標(biāo)對（x1， y1），（x2， y2），……（xn， yn）；平面上的多邊形可以認(rèn)為是由閉合曲線形成范圍。圖形元素之間有多種多樣的相互關(guān)系，如一個點在一條線上或在一個多邊形內(nèi)，一條線穿過一個多邊形等等。在實際應(yīng)用中，一個地理信息系統(tǒng)要管理非常多、非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)，可能有幾萬個多邊形，幾萬條線，上萬個點，還要計算和管理它們之間的各種復(fù)雜的空間關(guān)系……。

地理信息系統(tǒng)是將計算機硬件、軟件、地理數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)管理人員組織而成的對任一形式的地理信息進行高效獲取、存儲、更新、操作、分析及顯示的集成。

我國GIS的發(fā)展較晚，經(jīng)歷了四個階段，即起步(1970-1980)、準(zhǔn)備(1980-1985)、發(fā)展(1985-1995)、產(chǎn)業(yè)化(1996以后)階段。GIS已在許多部門和領(lǐng)域得到應(yīng)用，并引起了政府部門的高度重視。從應(yīng)用方面看，地理信息系統(tǒng)已在資源開發(fā)、環(huán)境保護、城市規(guī)劃建設(shè)、土地管理、農(nóng)作物調(diào)查與結(jié)產(chǎn)、交通、能源、通訊、地圖測繪、林業(yè)、房地產(chǎn)開發(fā)、自然災(zāi)害的監(jiān)測與評估、金融、保險、石油與天然氣、軍事、犯罪分析、運輸與導(dǎo)航、110報警系統(tǒng)公共汽車調(diào)度等方面得到了具體應(yīng)用。

國內(nèi)外已有城市測繪地理信息系統(tǒng)或測繪數(shù)據(jù)庫正在運行或建設(shè)中。一批地理信息系統(tǒng)軟件已研制開發(fā)成功，一批高等院校已設(shè)立了一些與GIS有關(guān)的專業(yè)或?qū)W科，一批專門從事GIS產(chǎn)業(yè)活動的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)相繼成立。此外，還成立了“中國GIS協(xié)會“和“中國GPS技術(shù)應(yīng)用協(xié)會“等。

地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展經(jīng)歷了GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS、核心式GIS等幾個階段，現(xiàn)在已發(fā)展到組件式GIS和WebGIS階段。傳統(tǒng)GIS（集成式GIS、模塊化GIS等）技術(shù)體系面臨著新的挑戰(zhàn)，突出表現(xiàn)為開發(fā)負(fù)擔(dān)過重、應(yīng)用系統(tǒng)集成困難、二次開發(fā)語言復(fù)雜以及使用不便等問題。

目前來看，組件式GIS的開發(fā)主要側(cè)重于GIS的通用功能，而對于各種專業(yè)的分析模型則很少涉及。通常基于通用的GIS組件式進行二次開發(fā)，專業(yè)模型需要開發(fā)人員自己從基礎(chǔ)做起。而專業(yè)模型往往數(shù)量較多、功能較復(fù)雜，對開發(fā)者來說是一個沉重的負(fù)擔(dān)，不僅需要花費大量的時間，而且要求開發(fā)者在軟件開發(fā)和專業(yè)分析領(lǐng)域都要有較深厚的理論與實踐基礎(chǔ)，這往往限制了GIS在各領(lǐng)域的應(yīng)用深度。

2 設(shè)計思想依據(jù)

80年代是GIS的推廣應(yīng)用階段，由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在性能大幅度提高的同時，價格迅速下降，特別是工作站和個人計算機的出現(xiàn)與完善，使GIS的應(yīng)用領(lǐng)域與范圍不斷擴大。GIS與衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合，開始用于全球性問題的研究，如全球變化和全球監(jiān)測、全球沙漠化、全球可居住區(qū)評價、厄爾尼諾現(xiàn)象及酸雨、核擴散及核廢料等(李德仁，1994)；從土地利用、城市規(guī)劃等宏觀管理應(yīng)用，深入到各個領(lǐng)域解決工程問題，如環(huán)境與資源評價、工程選址、設(shè)施管理、緊急事件響應(yīng)等。在這一時期，出現(xiàn)了一大批代表性的GIS軟件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINPO、ERDAS、Microstation等，其中ARC／INFO已經(jīng)愈來愈多地為世界各國地質(zhì)調(diào)查部門所采用，并在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域礦產(chǎn)資源與環(huán)境評價、礦產(chǎn)資源與礦權(quán)管理中發(fā)揮越來越重要作用。 90年代為GIS的用戶時代，隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的建立和數(shù)字化信息產(chǎn)品在全世界的普及，GIS成為了一個產(chǎn)業(yè)，投入使用的GIS系統(tǒng)，每2～3年就翻一番，GIS市場的增長也很快。目前，GIS的應(yīng)用在走向區(qū)域化和全球化的同時，己滲透到各行各業(yè)，涉及千家萬戶，成為人們生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)和工作中不可缺少的工具和助手。與此同時，GIS也從單機、二維、封閉向開放、網(wǎng)絡(luò)(包括Web GIS)、多維的方向發(fā)展。我國地理信息系統(tǒng)方面的工作始于80年代初。地理信息系統(tǒng)進入發(fā)展階段的標(biāo)志是第七個五年計劃的開始，地理信息系統(tǒng)研究作為政府行為，正式列入國家科技攻關(guān)計劃，開始了有計劃、有組織、有目標(biāo)的科學(xué)研究、應(yīng)用實驗和工程建設(shè)工作。許多部門同時展開了地理信息系統(tǒng)研究與開發(fā)工作。1994年中國GIS協(xié)會在北京成立，標(biāo)志中國GIS行業(yè)已形成一定規(guī)模。九五期間，國家將地理信息系統(tǒng)的研究應(yīng)用作為重中之重的項目予以支持，1996年，為支持國產(chǎn)GIS軟件的發(fā)展，原國家科委開始組織軟件評測，并組織應(yīng)用示范工程。這一系列的舉措極大的促進了國產(chǎn)GIS軟件的發(fā)展與GIS的應(yīng)用。1998年，國產(chǎn)軟件打破國外軟件的壟斷，在國內(nèi)市場的占有率達(dá)25%。同年，在抽樣調(diào)查25個省市19個行業(yè)的1000多個單位中，全部使用了地理信息系統(tǒng)(秦其明、袁勝元，2001)。地理信息系統(tǒng)在資源調(diào)查、評價、管理和監(jiān)測，在城市的管理、規(guī)劃和市政工程、行政管理與空間決策、災(zāi)害的評估與預(yù)測、地籍管理及土地利用，在交通、農(nóng)業(yè)、公安等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2. 地理信息系統(tǒng)的組成 GIS的應(yīng)用系統(tǒng)由五個主要部分構(gòu)成，即硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。

本研究對GIS的分析方法進行深入地研究、歸類、整理，提取其中共性的要素，擬開發(fā)出一套用于專業(yè)分析的GIS組件，減少用戶二次開發(fā)的負(fù)擔(dān)?？臻g插值是空間分析過程中由離散的采樣點數(shù)據(jù)構(gòu)建連續(xù)的地理特征表面分布數(shù)據(jù)所必須的步驟，而地統(tǒng)計學(xué)方法不僅插值效果好，理論基礎(chǔ)完備，而且還可以提供空間變異的多種參數(shù)和表示方法，反距離加權(quán)插值則具有操作簡單、易于理解的特點。綜合評價是各專業(yè)領(lǐng)域常用的分析功能，不同領(lǐng)域分析、計算方法既有一定聯(lián)系又有較大的區(qū)別，其中環(huán)境質(zhì)量評價和耕地地力評價是比較有代表性的兩類評價，其方法體系在其他領(lǐng)域內(nèi)也可應(yīng)用。測土配方施肥是近些年來逐漸發(fā)展成熟的一項技術(shù)，有較完備的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，且與耕地地力評價有緊密的聯(lián)系。

3 主要研究內(nèi)容

1 開發(fā)一般GIS組件對象和方法，這部分與所有GIS組件功能類似。

2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和連接提供程序接口的設(shè)計與開發(fā)

采用對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型存儲空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表至少應(yīng)包括包絡(luò)矩形（2個點，4個坐標(biāo)值）和幾何對象列，可以擴展屬性數(shù)據(jù)列，組件設(shè)計有數(shù)據(jù)提供程序接口（iProvider），用戶可以自定義數(shù)據(jù)提供程序，從而實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的同表存儲。

3 地統(tǒng)計學(xué)（空間插值）方法的開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計分析（Summary statistics）、數(shù)據(jù)檢驗（Test）及數(shù)據(jù)變換（Transformation）。

3.2 規(guī)則及不規(guī)則采樣條件下協(xié)方差函數(shù)（Covariance）和變異函數(shù)（Semivariogram）的計算及可視化表達(dá)。

3.3 趨勢分析（Trend analysis）；分析數(shù)據(jù)是否存在趨勢，擬合趨勢函數(shù)。

3.4 空間結(jié)構(gòu)和方向變異分析分析（Spatial structure and directional variation）。

3.5 克里格插值的實現(xiàn)。

3.6 估計標(biāo)準(zhǔn)誤差（Predict standard error）的計算方法。

3.7 反距離加權(quán)插值（Inverse Distance Weighted，IDW）方法。

4 環(huán)境質(zhì)量評價方法的開發(fā)

指標(biāo)是評價的基本尺度和衡量標(biāo)準(zhǔn)，指標(biāo)體系是綜合評價的根本條件和理論基礎(chǔ)，因此，指標(biāo)體系選取得合適與否，將直接影響到評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。由于評價區(qū)域的自然、社會經(jīng)濟情況不同，研究者所處的背景不同，建立的指標(biāo)體系也不同，所以很難有統(tǒng)一的指標(biāo)體系。因此，在建立指標(biāo)體系的過程中，應(yīng)遵循一定的原則，在眾多復(fù)雜的因子中篩選出那些最靈敏、便于度量、在宏觀管理上又可以調(diào)控的因素或參數(shù)作為綜合評價的主要指標(biāo)。

4.1 指標(biāo)對象（Indicator）、指標(biāo)集合（Indicators）對象；

4.2 指標(biāo)集合讀?。≧ead）、保存（Save）、刪除（Delete）方法；

4.3 指標(biāo)的添加（Add）、刪除（Remove）、查詢（Find）、計數(shù)（Count）等方法；

4.4 指標(biāo)類別枚舉（Indicator type）：直線型、戒上型、戒下型、峰型、概念型等；

4.5 單因子指數(shù)計算方法（Uni-index）；

4.6內(nèi)梅羅綜合指數(shù)計算方法（Nemerow index）；

4.7 灰色關(guān)聯(lián)度的計算方法（Grey relational index）；

4.8 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化的計算方法（Standard）；

4.9 相關(guān)系數(shù)陣的計算方法（Correlationcoefficient Matrix）；

4.10 協(xié)方差系數(shù)陣的計算方法（Covariance coefficient Matrix）；

4.11 雅克比法計算特征值和特征向量（Jocabi）；

4.12 主成分分析方法（Principal component analysis，PCA）；

5 測土配方施肥和耕地地力評價方法的開發(fā)

5.1 采樣點圖的自動生成，適用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)（Sampling）和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture sampling）；

5.2 養(yǎng)分平衡法配方施肥（Nutrient balance）；

5.3 養(yǎng)分豐缺指標(biāo)法配方施肥（Fertility index）；

5.4 多種肥料效應(yīng)函數(shù)模型（Fertilizer response model）

5.5 處方圖（Prescription）自動生成；

5.6 T分布上概率（TDist）

5.7 F分布上概率（FDist）

5.8 全主元高斯消去法求實系數(shù)線性代數(shù)方程組的解（Gauss）

5.9 單指標(biāo)隸屬函數(shù)計算方法（Membership function）

5.10 模糊綜合評價方法（Fuzzy comprehensive assessment）；

4 面臨的風(fēng)險及應(yīng)對措施

作為專用組件，二次開發(fā)用戶涉及特定行業(yè)，在一定程度上存在著系統(tǒng)部分功能（算法）不能符合行業(yè)要求的技術(shù)風(fēng)險。不僅需要積累了大量行業(yè)功能需求經(jīng)驗，而且需要掌握了行業(yè)GIS組件開發(fā)算法和程序設(shè)計方法，尤其在解決地統(tǒng)計學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、地力評價等方面具有國內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)專長。一次開發(fā)時需要采用“開發(fā)前期了解并熟悉具體行業(yè)規(guī)范、開發(fā)中期邊開發(fā)邊與行業(yè)用戶交互、開發(fā)后期用戶測試并反饋”的交互措施，這樣才能保證組件的實用性、易用性與健壯性。

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