孫瑋健，張榮群，艾 東

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

孫瑋健1，張榮群1，艾 東2

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

基于GIS技術(shù)的土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)可以為土地資源開發(fā)管理和高效利用提供決策咨詢平臺(tái)。本文以黑龍江省為例，在分析其土地資源可持續(xù)利用需求的基礎(chǔ)上，討論了土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)和功能目標(biāo)，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過運(yùn)用C#語言和ArcGIS Engine組件技術(shù)，并基于.NET框架的Microsoft Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了黑龍江省土地利用格局的查詢、展示、分析及其重要的驅(qū)動(dòng)力因素評(píng)價(jià)等功能，為土地資源可持續(xù)利用提供了技術(shù)支持。

土地利用；格局優(yōu)化；系統(tǒng)開發(fā)；ArcGIS Engine組件；黑龍江省

土地資源是人類賴以生存和持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類從事一切活動(dòng)的基本場(chǎng)所。土地利用/覆被變化(land use/land cover change)會(huì)直接影響與人類生存發(fā)展息息相關(guān)的自然基礎(chǔ)，如氣候、土壤、植被、生物多樣性等，影響到地球生物化學(xué)圈層結(jié)構(gòu)、功能及其物質(zhì)能量循環(huán)等方面，與全球的氣候變化、生物多樣性減少、人類可持續(xù)發(fā)展都有密切聯(lián)系，是全球變化的重要原因。國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)和全球環(huán)境變化中的人文因素計(jì)劃(IHDP)于1995年聯(lián)合提出了LUCC研究計(jì)劃，使土地利用/土地覆被變化成為全球變化研究領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)[1-2]。土地利用/土地覆被變化有特定的時(shí)間和空間屬性，其形態(tài)和特征可在多種時(shí)空尺度上變化，而且產(chǎn)生變化的原因也具有復(fù)雜多樣性，并引起一系列的生態(tài)效應(yīng)，因此深入研究土地利用/土地覆被變化的形成機(jī)制及其變化對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響是當(dāng)前亟待解決的科學(xué)問題。

黑龍江省土地資源豐富，耕地后備資源潛力大，是我國重要的商品糧基地，在保障國家糧食安全中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。但近年來黑龍江省耕地大規(guī)模開發(fā)，生態(tài)用地急劇減少，付出了巨大的生態(tài)代價(jià)；與此同時(shí)黑龍江省也處在振興東北老工業(yè)基地和加速沿邊開放開發(fā)的新時(shí)期，因此東北商品糧基地土地利用面臨著糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙向壓力，亟待開展緩解雙向壓力的土地利用研究。因此，本文結(jié)合實(shí)際工作需要，開發(fā)了土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)。

一、二次開發(fā)與開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)采用組件式GIS實(shí)現(xiàn)土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)。通過組件式GIS可以把GIS的各大功能模塊劃分為幾個(gè)組件，每個(gè)組件實(shí)現(xiàn)不同的功能[3-4]。通過二次開發(fā)建立的土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土地資源利用的可視化分析管理、土地資源空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的查詢、地圖的編輯、空間分析、驅(qū)動(dòng)力因素分析等功能，為研究區(qū)土地資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)性技術(shù)保障。

本文基于Esri公司發(fā)布的ArcGIS Engine組件式二次開發(fā)產(chǎn)品，它是對(duì)ArcGIS Desktop開發(fā)包ArcObjects組件集中的大部分接口、類、庫進(jìn)行封裝后構(gòu)成的獨(dú)立的嵌入式組件，不依賴ArcGIS Desktop桌面平臺(tái)。ArcGIS Engine主要由兩部分組成：面向用戶已經(jīng)完成的應(yīng)用程序可以運(yùn)行時(shí)的環(huán)境(ArcGIS Engine Runtime)和面向開發(fā)人員的開發(fā)運(yùn)行包(ArcGIS Engine Developer Kit)，其提供的組件包括20多個(gè)類庫，如Geomery、Display、System等，開發(fā)人員可以引用類庫中的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建完整的GIS應(yīng)用程序或指定嵌入式的GIS應(yīng)用[5-6]。經(jīng)過定制的應(yīng)用程序可在脫離ArcGIS Desktop環(huán)境下單獨(dú)執(zhí)行，進(jìn)而提高開發(fā)效率，節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)造成的時(shí)間損耗[7]。本系統(tǒng)采用基于.NET框架的Microsoft Visual Studio 2010作為客戶端界面的開發(fā)工具，并采用C#語言作為系統(tǒng)開發(fā)語言。

二、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1. 數(shù)據(jù)需求分析

土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成。空間數(shù)據(jù)包括黑龍江省1∶100 000標(biāo)準(zhǔn)分幅的地形圖，土地利用現(xiàn)狀圖、交通分布圖、水系分布圖、溝渠分布圖、行政區(qū)劃圖、零星地物分布圖，不同時(shí)期的土地利用調(diào)查圖，不同衛(wèi)星、不同分辨率、不同時(shí)相的原始遙感圖像及其土地利用遙感制圖獲取的土地利用分類圖等。屬性數(shù)據(jù)主要包括黑龍江省不同各地區(qū)的糧食種植種類、面積、產(chǎn)量，以及建成區(qū)面積、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(來自統(tǒng)計(jì)年鑒)，還包括黑龍江省的土地利用總體規(guī)劃、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃等法律法規(guī)及黑龍江省土地資源利用相關(guān)研究文獻(xiàn)資料等。

2. 系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)

土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土地資源的監(jiān)測(cè)和管理的信息化、自動(dòng)化。通過建立友好的用戶界面，實(shí)現(xiàn)土地資源的查詢、編輯、專題圖展示、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析、驅(qū)動(dòng)力評(píng)價(jià)等功能。系統(tǒng)采用自上而下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，并遵循高效性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)性、功能性、開放性和可擴(kuò)展性等設(shè)計(jì)原則。

3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下采用C#語言開發(fā)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用3層結(jié)構(gòu)，分別為用戶應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)庫層。用戶應(yīng)用層設(shè)計(jì)主要包括用戶對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、分析、評(píng)價(jià)，圖形編輯、操作、專題制圖、導(dǎo)出地圖等；業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)各種功能組件和對(duì)數(shù)據(jù)庫訪問的接口；數(shù)據(jù)庫層主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以及數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)的接口。該系統(tǒng)采用GeoDatabase地理數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)，并使用ArcGIS Engine提供的組件和接口來對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；各種屬性數(shù)據(jù)使用SQL Server數(shù)據(jù)庫來存放，使用ADO.NET技術(shù)來連接這些數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析等操作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

4. 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能模塊主要包括基本功能模塊、可視化操作模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、專題圖展示模塊、分析模塊、評(píng)價(jià)模塊，如圖2所示。

(1) 基本功能模塊

該模塊包括創(chuàng)建、打開、保存數(shù)據(jù)文件，加載Shape數(shù)據(jù)、Personal Geodatabase數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)等各種格式的數(shù)據(jù)，導(dǎo)出和打印地圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)功能

(2) 可視化操作模塊

為了更好地對(duì)黑龍江省土地資源進(jìn)行管理和操作，需要對(duì)地圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)放大、縮小、平移、漫游、測(cè)量距離、測(cè)量面積、歷史試圖控制等GIS基礎(chǔ)功能[8]。利用ArcGIS Engine內(nèi)置的Command控件與地圖顯示控件進(jìn)行交互，ArcGIS Engine內(nèi)置Command控件主要是利用ControlCommand名稱控件中提供的命令、工具，這些對(duì)象可以直接使用。所有的命令對(duì)象都要實(shí)現(xiàn)ICommand接口的所有成員，所有的工具對(duì)象都要實(shí)現(xiàn)ICommand和Itool兩個(gè)接口的所有成員。

(3) 數(shù)據(jù)查詢模塊

根據(jù)土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)查詢需要，系統(tǒng)中查詢功能模塊分為從圖形查詢屬性和從屬性查詢圖形兩種類型。從圖形查詢屬性，用戶可以通過點(diǎn)選、拉框選擇、拉多邊形選擇等方式，選中特定圖層中相應(yīng)的幾何實(shí)體，查詢出這些實(shí)體對(duì)應(yīng)的屬性信息；從屬性查詢圖形，用戶可輸入特定的屬性或空間關(guān)系的篩選條件，查出符合條件的集合實(shí)體。該系統(tǒng)中的屬性條件查詢和空間關(guān)系查詢分別對(duì)應(yīng)ArcGIS Engine中的QueryFilter對(duì)象和SpatialFilter對(duì)象[9]。QueryFilter對(duì)象是依據(jù)屬性約束條件查詢屬性數(shù)據(jù)的過濾器，IQueryFilter接口定義了QueryFilter類用于過濾數(shù)據(jù)時(shí)使用的屬性和方法。ISpatialFilter過濾器是基于空間關(guān)系的，這個(gè)接口定義了許多空間過濾時(shí)需要使用的屬性，如相交、相鄰等空間關(guān)系?？臻g查詢?yōu)橥恋刭Y源的合理利用提供了可供參考的輔助決策。

(4) 專題圖模塊

土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包括黑龍江省多年的土地資源利用數(shù)據(jù)，通過對(duì)不同年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，并以餅狀圖、直方圖等形式展示出來，更能體現(xiàn)出土地利用格局的變化趨勢(shì)。因此，系統(tǒng)中為了比較某一要素圖層每條記錄的多個(gè)字段數(shù)值，選擇使用ChartRender圖標(biāo)渲染對(duì)象。該類實(shí)現(xiàn)了IChartRender接口，定義了設(shè)置著色對(duì)象圖表的屬性ChartSymbol和設(shè)置標(biāo)簽圖例Legend的Label屬性。此類著色方法有餅圖和柱狀圖兩種形式，柱狀圖包括水平和堆積排列方式。此渲染方法主要用于比較一條記錄中的不同屬性，為此需要參考某條記錄的多個(gè)字段，此設(shè)置利用IRendererField接口實(shí)現(xiàn)，調(diào)用AddFiled方法添加需要進(jìn)行比較的多個(gè)字段。

(5) 空間分析模塊

為了使系統(tǒng)具有土地資源動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)分析功能，本文設(shè)計(jì)了空間分析模塊，主要包括疊加分析、緩沖區(qū)分析、插值分析3種分析方法。疊加分析是利用不同時(shí)期土地利用分類圖進(jìn)行疊加，得到各種地類的流向和變化量等信息；緩沖區(qū)是對(duì)點(diǎn)、線和面要素按設(shè)定的距離條件，圍繞要素而形成的一個(gè)緩沖區(qū)多邊形實(shí)體，從而得到各種要素在區(qū)域的影響范圍；插值分析就是選取離散的采樣數(shù)據(jù)、選擇合適的插值方法得到一個(gè)連續(xù)的趨勢(shì)面的過程。系統(tǒng)使用GeoprocessingTools實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的疊加分析和緩沖區(qū)分析功能，它是一種非常方便的工具，可以利用ArcToolbox中的各種工具為地理空間工作進(jìn)行建模，自動(dòng)執(zhí)行空間分析與處理[10]。插值分析通過使用接口IInterpolationOp來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)中主要的插值模型為Kriging插值。

(6) 評(píng)價(jià)模塊

土地利用格局變化是各種驅(qū)動(dòng)力共同作用的結(jié)果，影響黑龍江省土地利用格局變化最主要的兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)力因素為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包括了黑龍江省各地區(qū)不用時(shí)期的糧食需求量、糧食種植面積、產(chǎn)量、建設(shè)用地?cái)?shù)量、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以及對(duì)應(yīng)的黑龍江省土地利用規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃。系統(tǒng)引入壓力評(píng)價(jià)體系，對(duì)不用時(shí)期的糧食安全壓力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)不用的壓力劃分等級(jí)，給出相應(yīng)的政策建議。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)編寫完成后，對(duì)黑龍江省土地資源及其利用格局進(jìn)行了應(yīng)用研究。黑龍江省土地利用有以下特征：城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，振興東北老工業(yè)基地、沿邊開放開發(fā)等戰(zhàn)略的實(shí)施，各業(yè)用地需求量大幅增加，占用耕地?cái)?shù)量不斷增加，經(jīng)濟(jì)建設(shè)用地與耕地保護(hù)之間的矛盾日益尖銳，耕地保護(hù)與糧食增產(chǎn)面臨巨大壓力，亟須優(yōu)化土地資源配置，釋放用地潛力。該系統(tǒng)選取黑龍江省多時(shí)期的遙感影像、土地利用現(xiàn)狀圖、自然數(shù)據(jù)、同期相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等綜合數(shù)據(jù)，對(duì)黑龍江省土地利用格局進(jìn)行評(píng)價(jià)。

系統(tǒng)的主界面、查詢窗口、查詢結(jié)果如圖3所示。對(duì)糧食安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)評(píng)價(jià)界面如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)主界面和查詢展示

四、結(jié)束語

ArcGIS Engine具有簡潔、靈活、易用、可移植性強(qiáng)、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前GIS軟件二次開發(fā)的主流產(chǎn)品[11]?；?NET和ArcGIS Engine開發(fā)的土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)可以提高土地資源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化管理水平，充分發(fā)揮GIS技術(shù)在空間分析、圖像處理等方面的優(yōu)勢(shì)，為土地資源管理提供了一種新的信息平臺(tái)。本文開發(fā)的土地利用格局優(yōu)化管理信息系統(tǒng)可以為政府部門制定土地利用規(guī)劃提供決策支持，為黑龍江省土地資源保護(hù)、利用開發(fā)服務(wù)，促進(jìn)其社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

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孫瑋健(1990—)，男，碩士，主要從事地理信息技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究。E-mail：825345806@qq.com