宋 健，秦 奮，韓志剛

（1.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實驗室，河南 開封 475004；2.河南大學 環(huán)境與規(guī)劃學院，河南 開封 475004）

基于插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的探討與實現(xiàn)

宋 健1,2，秦 奮1,2，韓志剛1,2

（1.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實驗室，河南 開封 475004；2.河南大學 環(huán)境與規(guī)劃學院，河南 開封 475004）

插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)結(jié)合了GIS技術(shù)和插件技術(shù)，再現(xiàn)土壤侵蝕經(jīng)驗性表達過程。在．NET開發(fā)環(huán)境中, 利用 ArcGIS Engine開發(fā)包，借助插件技術(shù)的松散耦合機制，賦予了系統(tǒng)動態(tài)擴展特性，從而實現(xiàn)了宿主程序、插件模塊和通信契約的設(shè)計，完成了基礎(chǔ)地圖操作插件、基本文件管理插件、基礎(chǔ)地形分析插件以及年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮拈_發(fā)設(shè)計，方便了其他模型和框架平臺的集成，進而驗證了構(gòu)建插件式系統(tǒng)的可行性。

框架平臺；插件；接口；土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌驈那治g產(chǎn)沙的基本成因出發(fā)，根據(jù)實際觀測到的數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計方法，建立不同流域侵蝕產(chǎn)沙量與主要影響因素之間的經(jīng)驗關(guān)系，指導人們合理利用土地，對于維持人類生存環(huán)境具有重要作用[1-3]。在土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ烷_發(fā)過程中，傳統(tǒng)的方法只是根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計，按部就班地完成軟件的各個功能，最終開發(fā)出一個完整的軟件系統(tǒng)。而這樣的軟件框架并沒有很好的模塊化、可重用性、可擴展性、簡單性和可維護性[4]。采用基于插件式GIS土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)方法，對于編寫結(jié)構(gòu)復雜、需求多變的土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ投圆皇樽罴堰x擇之一。

本文將插件技術(shù)引入到土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ烷_發(fā)當中，并在模型的選取與方法的運用上，開發(fā)了平臺宿主程序，插件連接器和不同的插件模塊。探索基于ArcGIS Engine的GIS軟件搭建土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮脚_的關(guān)鍵技術(shù)與方法，實現(xiàn)了插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)。

1 插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂蚣芷脚_

基于ArcGIS Engine的插件式框架平臺主要由宿主程序、插件契約、插件容器及插件引擎組成。宿主程序是不同插件的依附對象，可以獨立存在，在不改變主程序框架的情況下，可以通過增減插件和改變插件的方式來管理系統(tǒng)功能。插件契約作為插件式GIS框架中宿主程序和插件層的通信橋梁，主要以接口的形式表示。插件容器的設(shè)計是插件式應(yīng)用框架的重要組成部分。通過對框架平臺的搭建，實現(xiàn)了對GIS控件管理以及解析基礎(chǔ)地圖操作插件、工程文件管理插件、基礎(chǔ)地形分析插件和年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮墓δ?。其中框架平臺的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 框架平臺基本結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ土鞒淘O(shè)計

土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵话阌赡Ｐ?、?shù)據(jù)處理及模型計算成果演示3部分組成。模型開發(fā)選擇具有代表性的入黃支流孤山川為典型研究區(qū)，以流域DEM、流域土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、流域雨量站空間數(shù)據(jù)、流域工程因子數(shù)據(jù)、年降雨觀測數(shù)據(jù)、年NDVI數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依托，基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ退惴?，結(jié)合各類模型因子的計算以及經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂梢暬夹g(shù)，形象直觀地展示了土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷挠嬎氵^程。

在模型計算之前，最為重要的是獲取有關(guān)模型計算的數(shù)據(jù)。其中，關(guān)鍵的流域DEM數(shù)據(jù)，可利用地形圖進行數(shù)字化處理，然后再內(nèi)插生成DEM[5,6]。土地利用數(shù)據(jù)參考流域土地利用圖等相關(guān)資料，建立對應(yīng)的分類體系與解譯標準，再基于遙感影像進行監(jiān)督分類和交互式解譯，從而完成土地利用類型提取。土壤類型數(shù)據(jù)是流域侵蝕產(chǎn)沙的一個重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Williams的K值估算法提取。雨量站數(shù)據(jù)的獲取，是利用經(jīng)緯度坐標生成相應(yīng)的點要素類，并賦以站名屬性，從而獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。流域工程因子數(shù)據(jù)以流域治理規(guī)劃圖為基礎(chǔ)，參照野外采樣的標準流域治理措施圖片、采樣表等，再進行影像人工解譯、勾繪來獲取。流域降雨觀測資料是進行土壤侵蝕預(yù)報不可缺少的關(guān)鍵資料，多以表格的形式加以記錄。年NDVI數(shù)據(jù)主要是TM影像經(jīng)過幾何校正，從TM影像中計算分析所得。

在模型的計算結(jié)果演示中，主要包括基礎(chǔ)地形分析插件和年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮嬎恪；A(chǔ)地形分析插件完成了地形填洼中DEM預(yù)處理和坡度分析，并計算出相應(yīng)結(jié)果。年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯?yīng)3個不同的部分，每個部分實現(xiàn)了不同的接口，主要完成年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷囊蜃佑嬎慵澳Ｐ陀嬎?，以及計算成果的可視化功能，有關(guān)功能設(shè)計如圖2所示。

圖2 年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮K設(shè)計

2.2 宿主程序設(shè)計

參照一般的插件式應(yīng)用程序框架設(shè)計，本文的宿主程序設(shè)計包含主控程序、插件引擎和通信契約的設(shè)計。

主控程序包含一個EXE的可執(zhí)行程序，也是整個框架程序的接入口，負責調(diào)用插件庫中不同類型的插件對象，并以用戶接口（UI）的形式顯示，配合宿主程序上的GIS控件、其他UI控件以及不同插件對象之間的相互交互。其中，主控程序解析UI對象，生成相應(yīng)的工具、按鈕和菜單等。最后加載模擬工程文件，生成宿主程序界面，如圖3所示。

插件引擎負責對插件程序集進行解析，提取其中的插件類型信息并生成對應(yīng)的插件對象，存儲到插件容器中，采用．NET的反射機制和接口技術(shù)來實現(xiàn)插件模塊的動態(tài)加載，再交給界面程序處理。

圖3 插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)

通信契約是宿主程序和插件之間互相認可的一種標準，以接口形式存在。根據(jù)插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂蚣苄枨?，要實現(xiàn)不同的插件表現(xiàn)形式，需要定義以下5種接口：IPlugin、ICommand、ITool、IToolBarDef、IMenuDef。這些接口是以ESRI．ArcGIS．SystemUI中定義的擴展插件接口為模仿對象，同時也為了設(shè)計的簡單化，本文合并了一些接口的定義，設(shè)計了對應(yīng)的自定義插件對象接口。

2.3 功能插件設(shè)計

基于黃土高原水土流失經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷难芯?，開發(fā)插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，能夠?qū)崿F(xiàn)對區(qū)域土壤侵蝕的經(jīng)驗性表達，分析出區(qū)域土壤侵蝕產(chǎn)沙特征，對整個土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ脱芯慷加惺种匾囊饬x。此外，本系統(tǒng)需要集成一些GIS常用功能，在數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程中，為用戶提供交互式操作，而插件又是系統(tǒng)的承載者。因此，土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)包含基礎(chǔ)地圖操作插件、基本文件管理插件、基礎(chǔ)地形分析插件以及年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮?/p>

2.3.1 基礎(chǔ)地圖操作插件

通過調(diào)用ArcGIS Engine內(nèi)置組件，GIS基礎(chǔ)地圖操作插件，實現(xiàn)添加數(shù)據(jù)、地圖放大、地圖縮小、平移、全局視圖、刷新功能。該插件是一個通用插件，每一個土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)，都能夠加載此插件實現(xiàn)GIS基本功能。

2.3.2 基本文件管理插件

基本文件管理插件是整個土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)，通過配置各項參數(shù)，運行模型，實現(xiàn)工程文件新建、打開、另存和關(guān)閉功能。只有實現(xiàn)了該插件功能，才能為后續(xù)的基礎(chǔ)地形分析插件和年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮峁┫葲Q條件。同時，該插件也是一個通用插件，任何土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮寄芗虞d此插件來管理模擬工程功能。

2.3.3 基礎(chǔ)地形分析插件

基礎(chǔ)地形分析插件包含地形填洼和坡度分析兩個功能。首先，在地形填洼中，需要搜索原始DEM矩陣用來確定洼地單元格，從洼地集水區(qū)域中找出潛在的出流點，通過對洼地的有效處理生成無洼地DEM，從而完成地形填洼運算。在坡度分析中，采用擬合曲面法，即3×3的窗口，每個窗口中心是一個高程點，利用對應(yīng)的坡度計算公式來進行坡度分析算法的計算。

2.3.4 年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮?/p>

年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮瓿赡Ｐ鸵蜃臃治觥⒔?jīng)驗?zāi)Ｐ颓治g評價以及模型成果可視化功能。該插件根據(jù)年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷脑?，在進行模型開發(fā)時，設(shè)計 了 RFactor、KFactor、BFactor、EFactor、TFactor、LSFactor、GFactor類庫，定義了一系列年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷挠嬎惴椒ǎ庋b了模型的計算過程。根據(jù)設(shè)定好的計算參數(shù)，可直接調(diào)用相關(guān)算法，分步驟計算各類因子、進行經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎?，再完成相?yīng)的成果可視化。

該組件集中各組件類的詳細結(jié)構(gòu)圖如4所示。

圖4 組件類結(jié)構(gòu)示意圖

在完成了宿主程序和其他功能插件的開發(fā)之后，再將年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮诺狡脚_存放插件的plugin目錄文件夾中。啟動插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)后，加載基本文件管理插件，添加對應(yīng)的模擬工程，進而在“年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒寮敝羞M行模型運算。圖5以“耕作因子”計算為例，展示年產(chǎn)沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷挠嬎氵^程。

3 結(jié) 語

插件式土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ突冢甆et技術(shù)和ArcGIS Engine平臺搭建，將不同的功能模塊以插件的形式集成到框架中，實現(xiàn)了宿主框架在軟件應(yīng)用工程方面的擴展。本文根據(jù)土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮谙到y(tǒng)開發(fā)方面存在的問題，在深入研究GIS、土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃筒寮夹g(shù)基礎(chǔ)上，提出將土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃筒寮夹g(shù)相結(jié)合的開發(fā)設(shè)想，實現(xiàn)了主程序和插件間的無縫連接，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和擴展性，驗證了構(gòu)建插件式系統(tǒng)的可行性，從而為黃土高原土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)支撐。

圖5 耕作因子計算結(jié)果圖

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P208

B

1672-4623（2014）05-0098-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.036

宋健，碩士，主要從事基礎(chǔ)測繪、地理信息系統(tǒng)軟件應(yīng)用與開發(fā)、遙感應(yīng)用研究。

2014-01-15。

項目來源：水利部公益性行業(yè)專項經(jīng)費資助項目（201201081）。