程 敏, 張秀英, 陳書(shū)林, 盧學(xué)鶴, 鐘太洋

(1.江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210093; 2.南京大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)系, 江蘇 南京 210093)

我國(guó)大陸海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)18 000 km, 管轄海域面積約3×106km2, 占國(guó)土總面積的24%左右, 是國(guó)家重要的基礎(chǔ)資源。然而我國(guó)海域資源分布不均, 地理區(qū)位、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境及資源狀況的差異致使海域資源難以科學(xué)合理有效地被利用, 進(jìn)而導(dǎo)致了海域環(huán)境的污染、生態(tài)系統(tǒng)的破壞以及海域資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[1-3]。海域定級(jí)是在海洋功能區(qū)劃與全國(guó)海域分等的基礎(chǔ)上, 結(jié)合海域的區(qū)位、自然環(huán)境條件、資源環(huán)境等, 采用多因素綜合評(píng)定及定性、定量相結(jié)合的方法, 對(duì)各類(lèi)型用海進(jìn)行級(jí)別劃分[4-5], 通過(guò)海域定級(jí)能確定海域的最佳主導(dǎo)功能, 為實(shí)現(xiàn)海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局的優(yōu)化提供科學(xué)論證, 對(duì)科學(xué)管理和合理利用海域資源, 提高海域資源使用率具有重要意義[6-8]。早在 20世紀(jì)70年代, 美國(guó)開(kāi)發(fā)利用海岸帶時(shí), 不同地理位置的海岸帶收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不同, 此外英國(guó)、法國(guó)、新西蘭以及日本等國(guó)家海域的有償使用費(fèi)用同樣存在著區(qū)域差異性, 且不同功能、不同類(lèi)型的海域其有償使用的管理也存在著差異[9-10]。我國(guó)海域資源的利用和管理經(jīng)歷了從無(wú)償?shù)接袃數(shù)霓D(zhuǎn)變過(guò)程, 海域定級(jí)工作開(kāi)展時(shí)間不長(zhǎng), 但發(fā)展迅速, 從1993年, 財(cái)政部、國(guó)家海洋局聯(lián)合發(fā)布《國(guó)家海域使用管理暫行規(guī)定》, 明確海域有償使用制度, 逐漸開(kāi)始海域分等定級(jí)研究及工作, 已發(fā)展至目前的海域分類(lèi)定級(jí)[4-6,11]。

近年來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化的飛速發(fā)展,地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)已發(fā)展為一種成熟的技術(shù), 并以其強(qiáng)大的空間分析及地圖可視化功能, 廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地管理、林業(yè)資源管理及海洋研究等諸多領(lǐng)域[12-14]。美國(guó)夏威夷大學(xué)的太平洋制圖中心為開(kāi)發(fā)、管理和發(fā)展美國(guó)太平洋島嶼的專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū), 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了集成海洋信息系統(tǒng)[15]; 荷蘭利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集海岸帶的資源與環(huán)境的變化信息, 建立了完善的海洋地理信息系統(tǒng)[16]; 西班牙圣第亞哥大學(xué)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室借助衛(wèi)星利用交通船提供的信息服務(wù), 建立了有效的漁業(yè)信息系統(tǒng)[17-18]。我國(guó)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,大力倡導(dǎo) GIS在海洋研究中的應(yīng)用[19], 眾多研究者紛紛將海洋研究中的模型、原理及方法與 GIS技術(shù)相結(jié)合, 研究或者開(kāi)發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng), 章任群[20]利用GIS技術(shù)進(jìn)行海域管理信息系統(tǒng)的建設(shè); 姜杰等[21]在可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境 Visual C++下, 開(kāi)發(fā)了江蘇省海域管理信息系統(tǒng); 張瑞林等[22]針對(duì)信息化技術(shù)在福建省海域管理過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了海域使用管理信息系統(tǒng)的基本框架; 路文海等[23]基于 GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了海域定級(jí)系統(tǒng); 徐效波等[13]開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于 ArcEngine組件的大連市海域管理信息系統(tǒng); 卜志國(guó)等[24]研究了適用于海洋環(huán)境特點(diǎn)的時(shí)空分析模式和相關(guān)評(píng)價(jià)模型, 選用 GIS技術(shù)作為系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)建了海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)應(yīng)用系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析與評(píng)價(jià)等功能。

目前, 海域使用分類(lèi)定級(jí)尚屬新的研究領(lǐng)域[4-5,11],在將 GIS與海域定級(jí)相結(jié)合的領(lǐng)域, 諸多研究者多是利用 GIS技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)海域信息管理系統(tǒng), 路文海[23]設(shè)計(jì)的海域定級(jí)系統(tǒng)偏重于指標(biāo)體系的確定及因子權(quán)重的計(jì)算等。本研究以Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái), 結(jié)合嵌入式ArcEngine組件庫(kù), 采用海洋公益領(lǐng)域?qū)＜抑贫ǖ闹笜?biāo)體系, 實(shí)現(xiàn)了遙感影像數(shù)據(jù)、觀(guān)測(cè)離散數(shù)據(jù)等多源海域定級(jí)數(shù)據(jù)的加載、管理、集成、分析以及海域定級(jí)計(jì)算及其結(jié)果顯示, 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了海域定級(jí)領(lǐng)域具有較高專(zhuān)業(yè)性和實(shí)用性的海域定級(jí)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)模式

目前應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要有 3種方式: 獨(dú)立開(kāi)發(fā), 單純的二次開(kāi)發(fā)和集成二次開(kāi)發(fā)。集成二次開(kāi)發(fā)正成為應(yīng)用 GIS開(kāi)發(fā)的主流方向[25], 是指以面向?qū)ο蟮目梢暬_(kāi)發(fā)工具為平臺(tái)(Visual Basic、Delphi、Eclipse、Visual Studio), 結(jié)合專(zhuān)用的 GIS工具軟件或相應(yīng)的組件進(jìn)行應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)的集成二次開(kāi)發(fā)。目前集成二次開(kāi)發(fā)方式主要有DDE/OLE方式和組件式兩種, 而組件式地理信息系統(tǒng)憑借其面向?qū)ο蟆⒖蓴U(kuò)展性等優(yōu)勢(shì)已成為集成二次開(kāi)發(fā)的主要方式[26]。

ArcGIS Engine是一個(gè)完整的基于COM技術(shù)的嵌入式GIS組件庫(kù)和工具包, 它支持多語(yǔ)言(COM、JAVA、NET及 C++等)和多系統(tǒng)(Windows和 Unix),開(kāi)發(fā)者通過(guò)ArcEngine可以定制完整的GIS軟件, 同時(shí)還可以將 GIS功能嵌入到已有的應(yīng)用軟件中?；贏(yíng)rcEngine開(kāi)發(fā)GIS應(yīng)用系統(tǒng)具有高效性等優(yōu)勢(shì),已成為GIS桌面系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)[27-28]。

本研究利用獨(dú)立的嵌入式ArcEngine組件, 通過(guò)目前流行的 Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境Visual Studio 2010進(jìn)行海域定級(jí)系統(tǒng)的集成二次開(kāi)發(fā), 既可以充分利用ArcEngine簡(jiǎn)潔、靈活、易用、可移植性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)海域定級(jí)系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)管理、集成和分析及海域定級(jí)計(jì)算等 GIS功能, 也可以利用Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)的高效、方便等編程優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計(jì)

海域定級(jí)主要是遙感影像數(shù)據(jù)、觀(guān)測(cè)離散數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的管理、集成、分析、定級(jí)計(jì)算及其結(jié)果顯示。根據(jù)海域定級(jí)過(guò)程的需求, 按照系統(tǒng)的實(shí)用性、簡(jiǎn)潔性以及安全性等原則, 海域定級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4個(gè)模塊: GIS視圖模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)集成處理模塊、海域定級(jí)模塊(圖1)。

圖1 海域定級(jí)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The functional modular of the marine grading system

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 GIS視圖模塊

利用 ArcEngine中的 TOCControl、MapControl等控件, 實(shí)現(xiàn)定級(jí)系統(tǒng)的頁(yè)面布局、鷹眼視圖、坐標(biāo)比例尺的實(shí)時(shí)顯示, 圖層管理下的圖層的添加、關(guān)閉及移除等, 制圖模式下的查看、編輯及打印等, 以及主窗口下的視圖的放大、縮小、平移及全圖顯示等功能, 其主要控件及其功能見(jiàn)表1, 系統(tǒng)運(yùn)行主頁(yè)面如圖2。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 The main interface of the system

表1 GIS視圖模塊所用控件及其引用和功能Tab.1 The reference and function of controls used in modules of GIS view

2.2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖文件的管理, 包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和Mxd數(shù)據(jù)的加載、保存、關(guān)閉, 指北針、比例尺等各種制圖符號(hào)添加后的打印輸出, Jpg、Tiff、Bmp等各種圖像格式的另存, 及地圖屬性數(shù)據(jù)的查看和管理。

2.2.3 數(shù)據(jù)集成處理模塊

海洋數(shù)據(jù)具有多源性特征, 不同的采集方法和管理系統(tǒng)使得海洋數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式上具有很大差異[29-30]。這種多源性決定了在進(jìn)行最終海域定級(jí)計(jì)算前必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析, 實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成統(tǒng)一。

目前, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成的模式大致有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模式、直接數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)模式及數(shù)據(jù)互操作模式[31-32]。海域定級(jí)數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù), 觀(guān)測(cè)調(diào)查離散數(shù)據(jù), 文獻(xiàn)資料中的基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)以及以公路、城鎮(zhèn)、港口等為原始數(shù)據(jù)的空間分析再生成數(shù)據(jù)等。根據(jù)各種數(shù)據(jù)的特點(diǎn), 定級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了柵格矢量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換、表格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)、IDW點(diǎn)位內(nèi)插、緩沖區(qū)分析以及柵格計(jì)算器等數(shù)據(jù)集成處理模塊, 將多源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的海域定級(jí)計(jì)算。

2.2.4 海域定級(jí)模塊

多因素綜合評(píng)價(jià)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)海域定級(jí)研究中的主導(dǎo)方法[33]。本系統(tǒng)采用“綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法”對(duì)海域進(jìn)行評(píng)價(jià), 綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法是將影響海域資源質(zhì)量的各個(gè)因子的分值與其權(quán)重值相乘, 得到各個(gè)評(píng)價(jià)因素的指標(biāo)指數(shù), 再計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)各參評(píng)因素的指標(biāo)指數(shù)之和, 最后根據(jù)指數(shù)和的大小來(lái)確定海域資源的等級(jí)[2,28,34]。如公式(1)根據(jù)指標(biāo)體系中已確定的各指標(biāo)因子的Aij值與權(quán)重Wj, 計(jì)算評(píng)估單元的綜合質(zhì)量指數(shù):

式中,Fi為第i個(gè)評(píng)估單元的綜合質(zhì)量指數(shù),Wj為第j個(gè)參評(píng)子系統(tǒng)因素的權(quán)重,Aij為第i個(gè)評(píng)估單元、第j個(gè)參評(píng)子系統(tǒng)因素的得分值,n為參評(píng)子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)。

海域定級(jí)系統(tǒng)采用海洋公益領(lǐng)域?qū)＜抑贫ǖ奶詈Ｔ斓囟?jí)、港口航運(yùn)用海定級(jí)、養(yǎng)殖用海定級(jí)以及旅游用海定級(jí)指標(biāo)體系, 利用初始化后IMapAlgebraOp接口對(duì)象將各個(gè)評(píng)價(jià)因子的柵格圖像轉(zhuǎn)換為字符串標(biāo)識(shí)符, 利用 Execute()函數(shù)參照公式(1)實(shí)現(xiàn)海域定級(jí)計(jì)算, 生成IGeoDataset對(duì)象。然后利用 IRaster接口對(duì)象將生成的 IGeoDataset對(duì)象轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù), 同時(shí)利用 IRasterLayer接口的CreateFromFilePath方法將已知柵格數(shù)據(jù)創(chuàng)建為IRasterLayer對(duì)象, 最終將該對(duì)象添加到Map中, 實(shí)現(xiàn)定級(jí)結(jié)果在主窗口中的顯示, 數(shù)據(jù)流如圖3, 養(yǎng)殖用海定級(jí)系統(tǒng)界面如圖4。

圖3 海域定級(jí)數(shù)據(jù)流圖Fig.3 The data flow graph of Marine grading

圖4 養(yǎng)殖用海定級(jí)系統(tǒng)界面Fig.4 The system interface of marine grading used for cultivation

3 結(jié)語(yǔ)

圖5 養(yǎng)殖用海海域定級(jí)結(jié)果Fig.5 Results of grading of seawater for Mariculture use

本研究以Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)平臺(tái), 結(jié)合嵌入式ArcEngine組件庫(kù)進(jìn)行集成二次開(kāi)發(fā), 針對(duì)當(dāng)前海域定級(jí)中的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法和數(shù)據(jù)管理、集成分析等相關(guān)問(wèn)題, 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了海域定級(jí)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集成處理分析、海域定級(jí)綜合計(jì)算以及 GIS視圖編輯等功能, 提高了海域定級(jí)效率, 降低了成本, 為海域資源的科學(xué)合理利用提供了科學(xué)依據(jù)。

目前, 國(guó)家尚沒(méi)有成熟統(tǒng)一的海域定級(jí)指標(biāo)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)海域定級(jí), 此外, 不同的地理區(qū)位、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境等條件致使定級(jí)數(shù)據(jù)來(lái)源多樣, 指標(biāo)體系復(fù)雜多變, 海域定級(jí)工作復(fù)雜, 因此仍需要根據(jù)具體情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善。

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