王海鹰，陆军辉

(1.河南大学环境与规划学院,开封 475004；2.华南师范大学地理科学学院,广东广州 510631)

·技术方法·

基于AE的土地生产潜力评价信息系统的设计与实现*

王海鹰1，陆军辉2

(1.河南大学环境与规划学院,开封 475004；2.华南师范大学地理科学学院,广东广州 510631)

土地生产潜力评价是土地资源合理高效利用的基础，其使用的数学评价模型计算复杂、过程繁琐、评价结果抽象，因此具有综合性、实践性、基础性的特点。利用GIS所具有的强大空间数据存储、处理、分析和可视化的能力，可以弥补现有土地潜力评价模型的不足，更好地为土地资源管理提供支撑和保障。文章基于ArcGIS Engine(AE)二次开发组件、地理数据库技术、土地生产潜力评价模型，利用VS2010开发了土地生产潜力评价信息系统。系统集成了数据加载、数据管理、数据查询、数据编辑、空间分析和潜力评价以及专题图制作等功能，具备性能运行稳定、评价效率高，数据可视化等特点。以河南省为例进行了土地生产潜力分析评价，得到可靠、直观的评价结果。研究验证了土地生产潜力评价GIS系统开发的可行性，为土地管理、农业生产规划等提供管理和分析工具。

土地管理 组件式地理信息系统 土地生产潜力 系统设计

0 引言

土地生产潜力评价是土地资源合理高效利用的基础，是一项具有综合性、实践性的基础研究工作。自1840年J.V.Liegbig提出最小因子定律开始，在早期，学者侧重研究生物产量与环境因子的关系及环境因子之间相互作用的规律。后期，学者进入植物生理生态研究，使土地生产潜力研究微观化、精确化，并建立了产量与相关因子的数学模型[1-3]。然而土地生产潜力研究的迅猛发展在提升评估精确性的同时，也逐步形成了对数学模型的过度依赖和重视，甚至具体到就某一生态因子进行研究，缺乏了普适性和综合性； 同时传统研究方法在获取、存储、处理、分析大量土地利用数据时往往效率低下，甚至于手工编制地图，更缺乏实时、精确、海量的数据源，这在土地利用变化频繁的今天，不利于土地生产潜力研究的健康发展； 另外，大部分土地生产潜力评价的数学模型较复杂、计算过程繁琐、其评价结果抽象。由于GIS所具有的海量数据获取、强大的数据存储、处理、分析功能以及时效性和可视化等特点[4]，非常有利于保障土地生产潜力计算的准确性、现势性，并能将计算结果及其空间分布生动直观地展现出来，可以弥补现有土地潜力评价模型的不足，更好地为土地资源管理提供支撑和保障，因此在土地生产潜力评价过程中使用GIS技术值得我们深入研究探索。在前人基础上，文章结合GIS以及ArcGIS Engine(AE)组件和数据库技术[5-9]，综合集成了相关评价模型(例如：迈阿密模型、光合潜力计算式等)，设计研发了一个界面简洁、操作便利、基本功能通用的土地生产潜力评价专题信息系统，不但提高了评价分析的效率，而且还实现了评化结果的空间可视化。研究为土地管理、农业生产规划等提供管理和分析工具，有助于土地资源的科学管理。

1 系统开发原理和技术

系统采用了GIS组件式开发技术。组件式开发是利用GIS功能组件进行可视化二次开发，具有系统集成方便、充分利用GIS工具软件对空间数据所具有的优势、可视化开发的高效和方便等编程优点[6]。它不仅能极大提升系统的开发效率，而且使开发出的应用程序外观效果良好，GIS功能强大。

ArcGIS Engine(简称AE)是ESRI的GIS二次开发组件，实际上是一组嵌入式GIS 组件库[6， 8]。AE可以在 ArcGIS Desktop 框架之外使用GIS 组件和可视化控件来开发定制的GIS和桌面制图应用程序。由于AE提供了较完善的二次开发功能，又可完全脱离ArcGIS平台，因此，针对土地生产潜力评价领域的特定要求，以Visual Studio 2012为集成开发环境，C#为开发语言，基于AE开发了土地生产潜力评价信息系统。

2 系统总体设计

2.1 系统框架结构设计

根据系统的设计目标与需求分析，针对土地生产潜力评估业务的复杂性等特点，集成业务中多种分析评价方法，开发了基础功能完善、数据查询和统计功能强大的专题信息系统。系统功能结构设计如图1所示。

图1 土地生产潜力评价信息系统结构

图2 系统运行主界面

2.2 系统界面设计

系统主界面设计简洁大方美观，操作便捷(图2)，其主要内容包括：菜单栏与定制工具，AE内置工具的添加(如：打开和保存文档、放大、缩小、平移、全局视图、比例尺显示、Identify、Measure、查找等基本工具)，MapControl与PageLayoutControl视图联动(编程实现地图视图与制版视图切换显示)，数据管理窗口，鹰眼窗口，状态栏(显示当前光标坐标、比例尺等动态信息)。

图3 研究区分布

表1 属性字段设计

描述字段类型唯一值IDOIDint各市名称NAMEchar年平均气温(℃)AverageTemfloat全年日照时数(h)SunshineHofloat全年降水量(mm)TotalPrecifloat地形坡度(°)TerrainSlodouble粮食单位面积产量(kg/hm2)Grainshort

2.3 数据库设计

系统采用 ArcGIS的 Personal Geodatabase管理研究区(图3)的空间数据与属性数据，建立了土地生产潜力信息系统数据库。空间数据为河南省18个地市的行政边界图； 属性数据收集了各个地市的年平均气温、全年日照时、全年降水量、粮食单位面积产量(按播种面积计算)、地形坡度等5个因子，分别代表各地区土地资源利用的温度、太阳辐射、水分、土壤肥力及坡度等限制因素的影响。

属性字段设计如表1。

3 系统功能

3.1 数据加载模块

该模块实现了系统的数据输入功能，是系统的基本模块。支持输入的数据有：地图文档(*.mxd)、ShapeFile(*.shp)、PersonGeodatabase(*.mdb)、CAD(*.DWG)、Raster(*.jpg*.bmp*.tiff)，且具备新建、打开、保存、另存为文档等功能。其中共有5处可打开ShapeFile数据：数据视图中右键功能、TOCControl右键功能、ToolbarControl1中、菜单栏中“打开数据”的子菜单“打开ShapefileData”， 4处可打开Raster数据，因此极大地方便了用户操作本系统，提高了系统的实用性。

3.2 数据显示与管理模块

关于数据显示，该系统分2个部分：一是基本功能，包括放大(拉框放大和放大到所选择的要素)、缩小、平移、选择(AE内置选择工具和编程实现画圆、线、矩形等来选择)、全图显示以及前后视图(找回原有视图)等功能； 二是实现鹰眼功能、数据视图和PageLayout面板切换显示功能、以及工具条定制功能等。

系统的图层管理功能由TOCControl控件的右键菜单功能承担，大体分为3类，即图层基本操作、打开图层属性表和打开图层属性。图层基本操作有图层添加(shp、raster数据)、删除、改变顺序、更改名字、改变点线面符号(符号选择窗口)及缩放到图层(Zoom To Layer)等。

3.3 数据查询模块

通过该模块，可以对数据进行属性查询浏览，即基本查询工具(Identify和Measure)、根据图形查属性(拉框查询)、根据属性查空间对象(SQL查询)，并将查询结果高亮显示。根据图形查属性的功能，用户通过选中目标的空间图形信息(高亮显示)即可浏览其属性信息，这种方式简单方便，考虑到了用户在查询过程中的即时灵活的特点； 而根据属性查空间对象功能是用户在已知查询条件的属性信息下，精确地搜索目标并选中，以便获得其空间信息。

3.4 数据编辑模块

实现对空间数据和属性数据的实时编辑功能。该系统除了直接调用AE内置的编辑工具(Editor工具条)，还具有创建点线面等地图要素的功能。通过该模块可以进行实时的基本编辑，以保证数据的现实性和准确性，例如：撤销、重复、裁剪、复制、粘贴等； 可以实现对矢量空间图形文件的编辑，例如：创建点、折线、曲线、自由曲线、多边形、矩形、圆形以及椭圆等； 还可进行属性数据的编辑(属性值修改、字段的添加与删除、字段名编辑等)，以及捕捉的设置等。

3.5 分析与评价模块

系统可进行缓冲区分析和土地生产潜力评价，提供土地生产潜力评价的专题应用功能。评价时，往往先在目标图层的属性表中添加新的字段，然后使用相关数据、依据相应数学模型计算土地生产潜力，并将计算结果添加至新建字段中，最后依据新字段的数值进行图层的分等级渲染，以生动展示土地生产潜力的空间分布状况。

3.6 专题图制作与输出模块

(1)专题图制作

制作的专题地图包括简单图、饼图和点状图。简单专题图是依据目标图层的某个特定字段的值，进行分类、随机和透明渲染，即用颜色深浅、种类和透明度高低来生表达特定字段值的高低和分布情况。饼图专题图依据一个或多个字段的值来控制所绘饼图的大小或各字段的比重。点状专题图可形象表达某地区某一属性的分布密度。例如：若以“全年降水量”字段制作专题图，则饼图可展示河南省2013年全省降雨的分布，点状图表明各地降水充沛程度。

(2)地图输出

地图输出通常是指转换输出(将地图输出为不同格式的文件，如JPEG、TIFF、BMP等)。本系统在地图输出之前可在布局视图中进行地图整饰，如添加图名、比例尺、图例、指北针、方里网等要素，且专题地图简洁、精美，具备了专业GIS的制图功能。系统利用地图转换输出对象(ExportFileDialog对象)实现转换输出功能，可将地图保存为10种格式的文件，还可以设置输出的属性，如图片质量、分辨率等。

4 系统评价模型和应用实例

4.1 土地生产潜力评价流程

土地生产潜力评价功能分为2个部分：一为采用单因子土地潜力评价指数、加权平均模型和内梅罗综合评价指数等数学模型设计开发； 二为逐步计算光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力，最后得出土地生产潜力。所有评价流程如图4所示。

图4 生产潜力评价流程

在目前的土地生产潜力评价中，主要考虑的是光、热、水分、土壤等影响因素，在实际中大致分为太阳辐射、温度、水分、坡度、土地肥沃度五大类[3]。光能生产潜力主要根据太阳辐射，然后采用相应模型计算获得。光温生产潜力是在计算光能生产潜力后考虑温度的影响得到的，而气候生产潜力则进一步考虑水分因素，最后计算土地生产潜力时加入土地参数[10-13]。

4.2 系统评价模型

(1)单因子土地生产潜力评价模型

(1)

式中，Pi为土地中限制因素Ci的单项土地生产潜力评价指数；Ci为调查点土地中限制因素i的实测值；Si为限制因素i的土地参考值； 地形坡度因子与土地生产潜力为负相关，其余因子为正相关。

(2)加权平均综合土地生产潜力评价模型

(2)

式中，n为被综合的因素个数；wi为各指标的权重；Pi=Ci/Si,为第i个限制性因素的评价指数，Ci为第i个因素实测值，Si为限制因素i的土地参考值。该文选用年平均气温、全年日照时、全年降水量、粮食单位面积产量(按播种面积计算)及地形坡度共5个限制因素作为综合污染评价指标。评价的参考值分别为15、1800、450、4500、0.001。在评价中，各限制因素的权重确定采取层次分析法[14]， 5个限制因素权重分别取为0.18、0.15、0.24、0.23、0.2。

(3)内梅罗综合土地潜力评价模型

(3)

(4)土地生产潜力评价模型

土地生产潜力(PL)的计算是在气候生产潜力的基础上加入修正函数(FL=FD×FZ×FSa，土壤质地、土层厚度Z、土壤含盐量Sa)。各因素的修正函数关系式如下。

表2 土壤质地与生产力指数的关系

土壤质地编码生产力指数FD壤质11偏砂偏粘壤土20.72粘土砂土30.57含砾质土40.43以砂砾为主50.29

土层厚度的修正函数关系式为：

(4)

土壤含盐量的修正函数关系式为：

(5)

4.3 系统应用实例

作者在实用性、标准化、规范化、可扩展性等原则下设计开发了基于AE的生产潜力评价信息系统，系统除了具备GIS系统操作的基本功能(例如：数据采集、编辑、管理、维护等)外，还具有以下功能：(1)能进行常规空间分析、土地生产潜力评价等工作； (2)能制作相关专题地图、进行地图整饰并输出。系统实现了河南省地区土地生产潜力的快速分析和评价，得到可靠、直观的评价信息，为土地管理、农业生产规划等工作提供了管理和分析工具。

如图5a所示，若只考虑地形限制因素对土地生产潜力的制约，则河南省西部、西南部、南部地区的土地生产潜力比较低，如三门峡市、洛阳市、信阳市等； 东、中、北部地区土地生产潜力则较高，如郑州市、商丘市、濮阳市等； 图5b、(c)分别是综合5个限制因素所获得的加权平均、内梅罗综合土地生产潜力的评价结果，虽然计算原理不同，但殊途同归，其土地生产潜力评价结果都与(a)大体呈现出西低东高的趋势，这可能与东部地区地形平缓、降水充沛等自然因素有关； 图5d、(e)分别展示出依据气温和降水因子所获得的河南省光温生产潜力的空间分布，其生产潜力大体呈现出东南高西北低的态势。此应用实例说明了系统在评估土地生产潜力上的可行性和科学性，一定程度上便于研究者掌握土地生产潜力的空间分布状态，更好地促进科学计算、提高管理效率。

图5 河南省土地生产潜力评价空间分布

5 结语

该文基于AE组件开发技术、地理数据库和土地生产潜力模型开发了土地生产潜力评价信息系统，系统设计开发周期短、稳定性强、评价分析效率高，实现了土地生产潜力的空间评价和可视化，展现了GIS在数据存储、查询、编辑、空间分析与决策支持等方面所具有的独特优势。以河南省为例进行了土地生产潜力的分析评价，系统得到了可靠、直观的评价信息，同时验证了的土地生产潜力评价系统开发的可行性，为土地生产管理、农业生产规划等提供了一种新的管理和分析手段。当然，研究也存在多源数据管理能力较弱，功能定制不灵活等缺点。解决这些问题需要参考商业软件的一些优点，结合土地生产潜力评价研究现状中的具体需求，开发出更加丰富实用的功能，这也是该文进一步的研究方向。

[1] 黄秉维. 关于农业生产潜力研究.中国土地资源的人口承载能力研究.北京：中国科学技术出版社, 1992，(9)： 1～3

[2] 郭岐峰， 傅硕龄.我国农业生产潜力的研究进展.地理研究， 1992, 11(4): 105～115

[3] 史培军， 周涛，王静爱.资源科学导论.北京：高等教育出版社， 2009，66～68

[4] 李建松. 地理信息系统原理.武汉：武汉大学出版社， 2006

[5] 杨波， 何露.农业文化遗产研究的GIS应用前景分析.中国农业资源与区划, 2015，36(2)： 139～144

[6] 兰小机， 刘德儿，魏瑞娟.基于ArcObjects与C#.NET的GIS应用开发.北京：冶金工业出版社， 2011

[7] 肖明子， 程先富.基于.NET和ArcGISEngine的洪涝灾害风险评价信息系统设计.测绘与空间地理信息, 2012，(6)： 63～66

[8] 吴建华. 基于ArcGISEngine的GIS软件开发方法.测绘通报, 2010，(11)： 54～57

[9] 苗德强， 胡锋，李辉信.基于.NET和ArcGISEngine的土壤污染评价管理信息系统的设计与实现.科技通报, 2011，(3)： 299～304

[10]刘扬， 贾树海，那波.土地生产潜力计算方法研究.中国农学通报， 2005, 21(12): 376～381

[11]贾伟洁， 张继贤，许瑞波，等.基于GIS的济南市土地生产潜力和人口承载力分析.国土资源情报, 2008，(11)： 26～28

[12]王少静， 张潇潇，李伏生.百色市主要农作物土地生产潜力研究.南方农业学报， 2013, 44(11): 1841～1845

[13]杜莲英， 王秀芬，尤飞.黄淮海区气候变化及其对冬小麦光温生产潜力的影响.中国农业资源与区划， 2015, 36(3): 112～119

[14]徐建华. 计量地理学.北京：高等教育出版社， 2006

DESIGN AND REALIZATION OF THE LAND POTENTIAL PRODUCTIVITY EVALUATION INFORMATION SYSTEM BASED ON AE*

Wang Haiying1, Lu Junhui2

(1.College of Environment and Planning，Henan University， Kaifeng 475004，China； 2.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou，Guangdong 510631，China)

Land potential productivity evaluation is a basis for the rational and efficient utilization of land resources. The mathematical model used for the evaluation is complex and abstract that has the comprehensive, practical and basic characteristics. With the powerful spatial data storage, processing, analysis and visualization, GIS can make up the deficiency of the existing land potential evaluation model, and provide the better support and guarantee for the land resource management. Based on the second development components of the Engine ArcGIS (AE), geo-database technology, land production potential evaluation model, this paper used the VS2010 platform to develop the land production potential evaluation information system. The system integrated the functions of data loading, data management, data query, data editing, spatial analysis, potential evaluation and thematic map making, and had the characteristics of stable performance, high efficiency, data visualization and so on. Taking Henan Province as an example, it analyzed and evaluated the land production potential, and obtained reliable and intuitive evaluation results. The research verified the feasibility of GIS system for the land productivity evaluation, and provided a management and analysis tool for land management and agricultural production planning.

land management; GIS component; land productivity potential; system design

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161106

2016-05-20

王海鹰(1980—)，男，河南洛阳人，博士、博士后、讲师、硕士生导师。研究方向：空间智能优化与决策。Email：whyhdgis@163.com

*资助项目：国家自然科学基金项目“基于空间模拟和群智能优化的城市增长边界划定方法研究”(41401457)； 河南省重大科技专项子课题“农村公共数据标准与共享技术研究与应用”(131100110400)； 河南省高等学校重点科研项目“基于生物智能的新型农村社区空间布局优化技术研究”(15A170003)

S127; F301.2

A

1005-9121[2016]11-0037-07