基于ArcGISEngine的粵北巖溶山區農地石漠化預警系統設計

摘要：利用GIS技術對石漠化信息進行現狀分析、預警與決策，是石漠化災害防治的有效途徑之一。基于ArcGIS Engine組件技術、Visual Basic.NET平臺技術和SQL Server數據庫技術，設計了粵北巖溶山區農地石漠化預警系統，并對系統目標、結構、功能、數據庫設計進行了分析。該系統具備數據管理、查詢、分析、預警預報、制圖制表等功能，系統的建立有助于及時、準確、科學、全面地掌握粵北巖溶山區農地石漠化現狀及變化趨勢，為農地石漠化的綜合治理提供決策依據和技術支撐。

關鍵詞：農地石漠化；GIS；預警系統；粵北巖溶山區

中圖分類號： S127；S158.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0338-03

收稿日期：2013-09-25

基金項目：國家自然科學基金（編號：31170486、31070426）；廣東省哲學社會科學規劃（編號：GD12CGL01）；2013年廣東省大學生創新創業訓練計劃（編號：1184713015）；2013年國家級大學生創新創業訓練計劃（編號：1184713015）。

作者簡介：黃金國（1967—），男，湖南桃源人，副教授，研究方向為土地退化防治與農業資源利用。E-mail：fsjgh@163.com。粵北巖溶山區是廣東省石漠化分布的核心區域，石漠化與潛在石漠化總面積高達45.96 萬hm2，占全省的 94.6%[1]。農業是粵北巖溶山區的主業，農用地發生石漠化潛在威脅多、隱患大，不合理的農業生產活動造成的石漠化幾乎占了當地石漠化的全部。農地石漠化的存在與發展不僅制約著當地群眾的生存狀況和農村經濟的可持續發展，而且對珠江三角洲的生態安全構成嚴重威脅，甚至影響到廣東省國民經濟可持續發展和社會主義和諧社會的構建。

預警是農地石漠化防治工作的重要組成部分，通過預警可以定性、定量、定位地反映農地石漠化發生的可能性及其危害程度，把握農地石漠化發展變化的規律，進而對農地石漠化進行有效治理與科學防范，為農地資源的合理利用提供科學依據。地理信息系統（geographical information system，簡稱GIS）是用于采集、存儲、管理、綜合分析和處理空間信息的計算機系統，它可以將空間數據和屬性數據有機結合起來，具有強大的空間分析和空間數據庫管理能力[2]，能為農地石漠化信息管理和預警提供一個強大的表達、分析和管理工具。ArcGIS Engine是ESRI（美國環境系統研究所）在已有成熟技術的基礎上，整合了GIS與數據庫、軟件工程、人工智能、網絡技術而開發出的新一代GIS開發平臺，為用戶提供有針對性的GIS功能 [3]，它具有ArcGIS平臺的所有優點，如開發平臺的先進性、可擴展性和兼容性等，具有得天獨厚的優勢[4]。因此，本研究選擇ArcGIS Engine作為GIS支撐平臺，設計了粵北巖溶山區農地石漠化預警系統，系統的建立與應用為粵北巖溶山區農地石漠化的綜合治理提供了決策依據和技術支撐，對粵北巖溶山區農地石漠化防治工作走向信息化、科學化具有重要意義。

1系統目標與設計原則

1.1系統目標

粵北巖溶山區農地石漠化預警系統設計的目標主要包括2個方面：一是通過系統的構建，實現粵北巖溶山區農地石漠化信息的規范化、信息化管理，為農地石漠化防治提供實時、準確、快速的信息服務；二是應用GIS和數據庫技術，結合專業數學應用模型，構建一個可視化的、具有農地石漠化信息的錄入與存儲、檢索與查詢、修改與更新、數據統計與分析、預測預警、制圖輸出等功能的農地石漠化預警系統，為粵北巖溶山區農地石漠化的綜合治理提供決策支持和技術支撐。

1.2設計原則

粵北巖溶山區農地石漠化預警系統是以粵北巖溶山區空間數據庫為基礎，在地理信息系統（GIS）、遙感（RS）、網絡、多媒體及計算機仿真等現代高新科技手段的支持下，對農地石漠化空間數據進行采集、管理、查詢和統計分析，集知識、模型和決策為一體的系統[5]。其設計應滿足科學性、規范性、實用性、可延展性與開放性、安全性等原則。

（1）科學性原則。系統的結構合理，功能模塊化，易于維護，數據庫設計重點考慮科學清晰的數據結構與組織，力求系統的科學性。

（2）規范性原則。數據合理分類和編碼的規范化、標準化是農地石漠化預警系統擴充聯網、實現信息交流與數據共享的基礎。為了使系統結果具有較高可信度，系統輸入的數據格式要規范，數據結構清晰，坐標系統統一等，在此原則下，本系統要建立一個包括農地石漠化各種影響因素的數據、圖像、圖形等的標準數據庫[6]。

（3）實用性原則。系統設計充分考慮用戶使用時的需求，能滿足相關部門對粵北巖溶山區不同區域農地石漠化相關數據的查詢、統計及決策分析等的要求；避免盲目追求最新技術，又要防止系統處理能力不夠；同時，系統結構、用戶界面、菜單、命令等力求簡潔清晰，便于使用者操作。

（4）可延展性與開放性原則。系統應具有良好的接口和方便的二次開發工具，以便系統能不斷地擴展和完善，在信息編碼、底圖坐標系統選擇、數據庫設計以及系統功能等方面，盡可能留有余地，方便系統的擴充或數據庫的移植，當新的模塊增加時，現有模塊和整個系統結構將不會受到大的影響[7]。

（5）安全性原則。系統應對用戶的登錄權、管理任務操作權和數據庫訪問權限等方面有高度的控制能力[8]。針對不同類型的用戶，根據口令設置不同的訪問權限級別，防止系統的越權使用及對數據的非法修改和拷貝等。

2系統總體設計

2.1平臺選擇

根據系統目標要求和系統的設計原則，本系統采用Windows Server 2003操作系統，以ESRI公司的ArcGIS Engine 93作為GIS支撐平臺，采用大型關系數據庫管理系統SQL Server 2000和空間數據庫引擎ArcSDE來實現對空間數據和屬性數據的統一存儲，選用微軟最新開發平臺Visual Studio.NET中的Visual Basic.NET進行程序設計，保證系統在平臺技術上處于領先地位。

2.2系統總體結構

根據粵北巖溶山區農地石漠化預警系統建設的需要和ArcGIS Engine的技術特點，本系統采用數據服務層、平臺層、表現層的3層結構模式（圖1）。

數據服務層是系統運行的數據基礎，主要提供數據存儲管理服務，由空間數據庫、屬性數據庫構成。空間數據庫主要由ArcSDE提供的服務進行管理，屬性數據庫主要由SQL Server 2000來組織和管理。系統通過ArcSDE連接到SQL Server 2000數據庫后，利用Arc Catalog提供的中間件導入空間數據，通過表間的關聯字段實現空間數據和屬性數據的無縫集成[9]。

平臺層是系統實現技術支撐，包括ArcGIS Engine組件、數據操作組件、視頻控制組件、Visual Studio.NET開發平臺。

表現層提供應用系統的功能界面，為用戶調用各模塊功能提供平臺，實現系統與用戶之間的動態交互。

2.3數據庫設計

數據庫為整個系統的運行提供數據支撐，它是整個系統的基礎，也是預警分析和信息輸出的依據，因此，在設計數據庫系統時，本著數據庫數據共享、獨立、完全、完整性的原則，盡量滿足各個子模塊能夠快速、方便、靈活地存取數據[10]。目前數據庫技術較多，主流的數據庫技術有Oracle、SQL Sever等，本系統選擇性能優越、穩定可靠的Microsoft SQL server 2000作為數據庫建庫平臺，以保證系統的存儲容量和數據的安全性。數據庫的設計包括空間數據庫的建立和屬性數據庫的建立，同時包括空間數據和屬性數據的連接。數據庫建立流程如圖2所示。

（1）空間數據庫設計。空間數據主要包括基礎空間信息數據（粵北巖溶山區的行政區劃圖、巖性圖、地質圖、地形圖、坡度圖等）、專題空間信息數據（土地利用現狀圖、植被指數圖、土壤侵蝕圖、農地石漠化分布圖等）和圖像數據（數字高程模型DEM、數字正射影像DOM等）[11]。空間數據采用數字化處理并分層存儲，空間數據庫的建立是在ArcGIS9.3中的ArcCatalog中創建，通過ArcSDE創建其連接，將采集后的數據導入到SQL Server數據庫中，其中將對空間數據創建新的字段來連接屬性數據[12]。

（2）屬性數據庫的設計。屬性數據主要包括粵北巖溶山區環境信息、石漠化基本信息、石漠化程度評價數據信息、社會經濟信息等數據，如年均降水量、年均暴雨次數、植被蓋度、土層厚度、基巖裸露率、石漠化程度、土地墾殖率、土地利用類型、農業人口密度、農業總產值等。將這些數據收集完后經過整理、核對、分類、編碼完成入庫，同時在相關數據的屬性表中增加了一個關鍵字段，該字段作為數據庫各表之間建立各種關聯關系的標志符，通過識別該字段來完成鏈接[7]。屬性數據庫的設計主要考慮用戶需求和能夠提供的數據、數據的格式、制定字段及其值的輸入規范，以SQL Server數據表的形式存儲[13]。

3系統功能與實現

根據系統的建設目標和設計原則，結合基于可擴展性和可維護性的系統3層體系結構，在邏輯上將系統總體功能分解成若干模塊，每個模塊完成一部分功能，模塊與模塊之間既獨立又相互配合，共同實現整個系統的功能。系統主要具有如下功能：

（1）數據管理。該模塊具有數據的管理功能，主要是利用數據庫及GIS專業軟件來實現各種空間和屬性數據文件的創建、維護、數據庫備份和更新，以及分析預測模型參數的修改和構建新的模型。

（2）數據查詢。該模塊可通過分類查詢、空間數據查詢、屬性數據查詢以及圖-屬互查等查詢方式，實現對粵北巖溶山區農地石漠化信息、自然環境條件、農地利用狀況、社會經濟條件等的查詢，并可對查詢結果進行保存、顯示及打印等。

（3）空間分析。該模塊提供了疊置分析、緩沖區分析、統計分析等功能，用戶可結合數據庫中的空間數據和屬性數據對農地石漠化形成的自然和人為環境要素以及農地石漠化的發生范圍、發展速率、發展趨勢等進行空間分析，并將結果以圖、表等形式顯示出來。

（4）預測預警。該模塊是本系統的核心模塊，具有對用戶指定區域進行各種分析統計和預測的功能。用戶只要指定要分析預測的工作區域，系統就會利用GIS的空間分析、空間數據表達的直觀功能，通過調用系統數據庫中的數據資料，利用開發的預警模型進行運算、分析、模擬和判斷，并將預警結論和分析結果以色塊圖方式或圖表形式直觀地顯示給用戶，為用戶提供參考。

（5）數據輸出。該模塊可根據用戶需求生成并輸出各種數據文件、專題地圖和統計圖表，輸出形式為計算機屏幕顯示和通過打印機打印輸出2種。

（6）決策支持。該模塊可根據預警結果中的警情判定，調用數據庫中歷史防治措施與經驗，提供相應的防治方案，以便及時排除警情，為農地石漠化防治提出對應的決策支持。

（7）系統管理。包括用戶管理和系統維護2方面的功能。用戶管理是對不同級別的用戶授予不同的權限，保證系統及數據的安全性。如一般用戶只能對信息進行瀏覽查詢，無權修改或刪除任何信息，而系統管理員則可以添加、修改、刪除和查詢用戶信息，并可以進行數據庫的備份、恢復以及遠程數據提取等操作[8]。系統維護的內容主要包括應用系統的維護、數據的維護、代碼的維護、硬件的維護等。

4結語

本研究設計的基于ArcGIS Engine的粵北巖溶山區農地石漠化預警系統，充分利用了ArcGIS Engine強大的空間分析能力和空間數據庫管理能力以及Visual Studio.NET的快速可視化編程優勢，提高了系統的開發效率，實現了粵北巖溶山區農地石漠化多源海量數據的統一存儲與管理，集農地石漠化信息“數據采集-查詢檢索-空間分析-預警預報-專題制圖”等功能于一體，具有較好的智能化與自動化能力。系統的建成與應用不僅粵北巖溶山區農地石漠化的研究提供了新的途徑和方法，而且為粵北巖溶山區農地石漠化的綜合治理提供了決策依據和技術支撐。

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