【精品論文】濕地碳源匯地理計(jì)算模型系統(tǒng)研究——以.doc

精品論文濕地碳源/匯地理計(jì)算模型系統(tǒng)研究以崇明島為例張世強(qiáng)，趙本福，李鵬，徐建華5（華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241） 摘要：濕地碳循環(huán)研究對全球變化具有重要意義，通過研究濕地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)過程，可 以了解不同類型濕地在碳源/匯過程中的作用。本文以 visual studio 2008 為開發(fā)平臺，利用 arcengine 二次開發(fā)技術(shù)，通過分析崇明濕地碳源/匯模擬和管理的需求，建立崇明濕地碳10源/匯模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有空間數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)的管理和查詢、碳源/匯指標(biāo)數(shù)據(jù)模擬、專 題圖的繪制以及數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)等功能，為研究濕地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與 gis 技術(shù)的結(jié)合 做出了一次成功的探索。關(guān)鍵詞：gis；linq；碳源/匯；地理計(jì)算；組件對象模型中圖分類號：p20815the research of wetland carbon source/sink geocomputation model system - a case study of chongming islandzhang shiqiang, zhao benfu, li peng, xu jianhua20(key laboratory of geographic information science,ministry of education,east china normaluniversity,shanghai 200241)abstract: the research on wetland carbon cycle is of great significance to global climate change. through the research of carbon cycle in different wetland ecosystems, this paper study the effects of different wetland ecosystems in global carbon cycle.based on visual studio 2008 development25platform, using arcengine repeated development technology, through the analysis of the need ofchongming wetland carbon management, chongming wetland carbon source/sink simulation system was established. this system can be used to query and manage spatial data and relational data, and there are different ways to view the simulation results. this paper make a successful exploration for the combination of gis and wetland ecosystem carbon research.30key words: gis;linq;carbon source/sink;geocomputation;component object model0 引言自工業(yè)化時(shí)代以來，人類活動向大氣中排入二氧化碳等溫室氣體逐年增加，導(dǎo)致溫室效 應(yīng)隨之增強(qiáng)，引起全球氣候變暖等一系列的問題。以全球變暖為主要特征的氣候問題已經(jīng)成 為國際社會普遍關(guān)注的熱點(diǎn)，過度的二氧化碳、甲烷等溫室氣體的排放已經(jīng)對人類生存和發(fā)35展造成了威脅。氣候變化成為人類最嚴(yán)峻、最深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)之一。為了應(yīng)對氣候變化，國際社 會也在共同尋求有效的解決途徑。濕地作為地球上一種重要的生態(tài)系統(tǒng)，在全球范圍的碳循 環(huán)中有著重要的地位1。濕地生態(tài)系統(tǒng)是目前已知陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于森林的重要碳匯， 具有巨大的能量與物質(zhì)循環(huán)功能，對全球范圍內(nèi)的碳循環(huán)有著顯著的影響2。濕地是介于陸地和水體之間的一種特殊生態(tài)系統(tǒng)類型3，擁有眾多特殊的動植物資源，40與海洋、森林并成為地球三大生態(tài)系統(tǒng)。雖然濕地生態(tài)系統(tǒng)僅占全球陸地面積的 3%-6%，但 是它的碳儲量巨大，占全球陸地碳儲量的 1/3，相當(dāng)于大氣中二氧化碳的 75%，因此濕地生作者簡介：張世強(qiáng)（1988-），男，碩士研究生，gis 系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用通信聯(lián)系人：徐建華（1965-），男，教授，主要從事地理計(jì)算(geo-computation)、地理信息系統(tǒng)(gis)、生 態(tài)經(jīng)濟(jì)模擬等. e-mail: - 9 -態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)和氣候變化的研究中起著重要的作用。地理信息系統(tǒng)（gis）作為一種計(jì)算機(jī)技術(shù)4，其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)分析和管理的功能為濕地碳源/匯的信息管理提供了有力 的工具，使用 gis 手段進(jìn)行碳排放和碳固定的研究，探索出一條基于 gis 的濕地碳源/匯指45標(biāo)數(shù)據(jù)模擬途徑具有十分重要的意義。gis 開發(fā)的常用模式有：獨(dú)立開發(fā)、宿主型二次開發(fā)和基于組件式二次開發(fā)5-6。獨(dú)立式 開發(fā)工作量大、任務(wù)重，宿主型二次開發(fā)又要依賴 gis 軟件平臺、靈活性差，而基于組件式 的二次開發(fā)既能利用 gis 軟件對空間數(shù)據(jù)的管理和處理功能，又能在可視化的編程環(huán)境下進(jìn) 行功能定制。arcengine7-8是 esri 公司推出的嵌入式開發(fā)工具包，支持多種編程語言，開50發(fā)人員可以在應(yīng)用程序中定制 gis 功能，滿足用戶的需求?；?arcengine 的 gis 系統(tǒng)開發(fā) 可以完全脫離 arcgis 系統(tǒng)運(yùn)行9-10，因此本文以 arcengine 二次開發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用 c# 面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，建立能夠?qū)竦靥荚?匯指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬、查詢、統(tǒng)計(jì)分析和圖形 展示的綜合的系統(tǒng)，提高碳源/匯數(shù)據(jù)的管理水平。1 系統(tǒng)開發(fā)平臺55microsoft visual studio（簡稱 vs）開發(fā)平臺是微軟公司提供的開發(fā)工具包，包括了 軟件生命周期中需要的大部分工具。vs 可以用來創(chuàng)建 windows 平臺下的桌面應(yīng)用程序和網(wǎng) 絡(luò)應(yīng)用程序，是一種強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，并且這個環(huán)境集成.net 的功能。c#語言是微軟為.net 平臺創(chuàng)建的一種安全、穩(wěn)定、高效的面向?qū)ο箝_發(fā)語言，繼承了 c和 c+的優(yōu)點(diǎn)也去掉了它們的復(fù)雜性。c#語言可以快速應(yīng)用到基于.net 平臺的應(yīng)用程序開發(fā)60中，提供生成持久系統(tǒng)的能力，而且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫訪問功能，完全支持基于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用 系統(tǒng)的開發(fā)。sql server 2008 是微軟公司推出的一個關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它在不變動應(yīng)用程序 的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件等都進(jìn)行了加密，提高了數(shù)據(jù)的安全性。sql server 2008 提供了更加可靠的數(shù)據(jù)庫鏡像平臺和錯誤處理機(jī)制，它支持 linq（language integrated65query）技術(shù)，開發(fā)人員可以通過管理程序而不是 sql 語句來對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。 在遙感影像的處理上采用 idl 二次開發(fā)語言，通過 idl 語言調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)完成對遙感影像的校正、反演等。arcengine 具有豐富的地圖展示和空間數(shù)據(jù)處理的功能，它是一 個簡單的、獨(dú)立于應(yīng)用程序的 arcobjects 編程環(huán)境，開發(fā)人員用于建立自定義應(yīng)用程序的 完整類庫11。arcengine 包含了 arcobjects 的核心功能，并且不依賴于 arcgis desktop 桌70面程序，是一個獨(dú)立的嵌入式組件，可以在不同的語言環(huán)境下使用。因此，系統(tǒng)采用arcengine 作為開發(fā)的基礎(chǔ)平臺。綜合考慮各個開發(fā)框架的優(yōu)劣性，選擇了.net 開發(fā)環(huán)境并將 c#作為主要開發(fā)語言，選 擇 sql server 2008 為應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，以 arcengine 作為地圖開發(fā)平臺，采用面向?qū)ο蟮慕M件 開發(fā)技術(shù)和模型庫技術(shù)，開發(fā)濕地碳源/匯模擬系統(tǒng)。752 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)目標(biāo)本系統(tǒng)是基于崇明濕地碳源/匯研究進(jìn)展開發(fā)的碳源/匯模擬系統(tǒng)，以現(xiàn)有的初始化數(shù) 據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和植物生理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；以生態(tài)學(xué)專業(yè)模型為邏輯運(yùn)算規(guī)則， 模擬崇明濕地碳循環(huán)過程，為崇明濕地碳管理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算流80程如圖 1 所示。根據(jù)與用戶的探討和實(shí)地考察，崇明濕地碳源/匯模擬系統(tǒng)應(yīng)該具有以下功能：1、界面必須簡潔、一致，易于用戶使用和了解，減少用戶錯誤操作的可能性。界面必 須處于用戶的控制之下，結(jié)構(gòu)清晰，減少用戶記憶負(fù)擔(dān)，風(fēng)格和內(nèi)容相統(tǒng)一。2、系統(tǒng)的操作具有一定的專業(yè)性，需要具備相關(guān)知識的研究人員才能使用。為了維護(hù)85系統(tǒng)安全和限制用戶操作，系統(tǒng)要具有用戶管理的功能，不同的用戶具有不同的權(quán)限。3、系統(tǒng)模擬運(yùn)算過程中用到大量的參數(shù)數(shù)據(jù)，而且模擬結(jié)果也要以直觀化、形象化的 方式表現(xiàn)出來。因此系統(tǒng)必須具備多種展示方式，包括柱狀圖、線圖和表格等形式。4、系統(tǒng)應(yīng)具有專題數(shù)據(jù)渲染、圖層導(dǎo)出功能，要實(shí)現(xiàn)對遙感影像的空間圖展示，準(zhǔn)確 的反映數(shù)據(jù)的時(shí)間變化和空間變化趨勢。902.2 業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)圖 1 模擬運(yùn)算邏輯圖fig.1 analog arithmetic logic95100105本系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)量大、模型眾多、運(yùn)算邏輯復(fù)雜，因此采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來統(tǒng)一管 理空間數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)的功能分析，在模擬運(yùn)算過程中模型要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行頻繁 的讀寫操作，同時(shí)存在對多個功能模塊的重復(fù)調(diào)用，因此采用了面向?qū)ο蟮乃枷牒徒M件化的 設(shè)計(jì)原則。將功能代碼進(jìn)行封裝，形成彼此獨(dú)立的組件，完成對數(shù)據(jù)庫的查詢和操作請求和 邏輯業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，主要的業(yè)務(wù)邏輯有三部分：碳源匯模擬運(yùn)算的邏輯、碳源匯指標(biāo)展示的邏 輯和模型庫管理邏輯。碳源匯的模擬運(yùn)算邏輯主要是通過計(jì)算崇明濕地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯狀況，預(yù)測不同氣候 和管理情境下碳源/匯的時(shí)空變化。并且根據(jù)用戶需求對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化展示、數(shù)據(jù)存 儲和打印服務(wù)等等。系統(tǒng)的運(yùn)算是以濕地類型或者濕地區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，通過設(shè)置預(yù)測的時(shí)間步 長以及相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，最終得到結(jié)果進(jìn)行展示的。碳源匯指標(biāo)的展示邏輯是指通過可視化的圖形界面，以直觀形象的方式將模擬結(jié)果進(jìn)行110展示，力簡潔高效突出重點(diǎn)。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了四種方式實(shí)現(xiàn)對十一種碳源/匯指標(biāo)的展示，分別為表格、線狀圖、柱狀圖和空間圖。其中，表格、線狀圖和柱狀圖采用 microsoft 推出 的開發(fā)工具 mschart 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，空間圖由 envi/idl 進(jìn)行生成，使用 arcengine 動態(tài)渲染。 模型庫的管理功能包括對模型文件、配置文件和結(jié)果數(shù)據(jù)的綜合管理，如圖 2 所示。它 執(zhí)行濕地模型、濕地支持文件和模擬結(jié)果的存儲、管理和更新，并具有對模型進(jìn)行修改、更新的功能；對模擬初始文件、模型參數(shù)文件和模擬驅(qū)動變量的創(chuàng)建、調(diào)用、瀏覽和修改功能； 同時(shí)，模型庫也實(shí)現(xiàn)了對模擬結(jié)果的管理、瀏覽和調(diào)用等。1152.3 系統(tǒng)功能模塊圖 2 模型庫管理功能fig.2 model management基于 arcengine 的碳源/匯模型系統(tǒng)集成了 gis 技術(shù)、遙感技術(shù)和生態(tài)學(xué)模型，能夠提 供對空間數(shù)據(jù)的顯示、管理，碳源/匯指標(biāo)數(shù)據(jù)的模擬等功能。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，將系統(tǒng)分為用戶管理、模擬運(yùn)算和結(jié)果展示 3 個模塊，系統(tǒng)的功能模塊如圖 3 所示：1203 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)圖 3 系統(tǒng)功能框架fig.3 system function framework1253.1 linq 技術(shù)數(shù)據(jù)訪問層也稱為持久層，其主要功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)表的查詢、插 入、更新和刪除等操作。系統(tǒng)開發(fā)中采用了微軟推出的新一代數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù) linq to sql， 通過實(shí)現(xiàn) orm（對象關(guān)系映射）將數(shù)據(jù)庫表與編碼環(huán)境相結(jié)合，使用面向?qū)ο蟮姆绞讲僮鲾?shù)130據(jù)庫。linq to sql 是在 c#2.0 和 ado.net 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，它能夠翻譯 sql 語句，將查詢結(jié)果集作為對象返回。linq 技術(shù)降低了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序開發(fā)的難度，優(yōu)化了底層數(shù)據(jù)訪問層， 加快了項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度。本系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，linq to sql 技術(shù)是一種安全高效的數(shù)據(jù)庫訪問方式， 它采用延遲加載（deferred loading）和緩存技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)庫的性能和程序的運(yùn)行速度。 基于 linq 的應(yīng)用程序開發(fā)框架如圖 4 所示。1353.2 組件式開發(fā)技術(shù)圖 4 linq 應(yīng)用框架fig.4 linq application framework140145150為了提高代碼重用率和開發(fā)效率，microsoft 提出 com（component object model）標(biāo) 準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了代碼在二進(jìn)制級別上的共用。com 對象是建立在二進(jìn)制代碼基礎(chǔ)之上的，因此它是 與具體的開發(fā)語言無關(guān)的，這一特性使得由不同開發(fā)語言開發(fā)的組件之間進(jìn)行交互成為可 能。組件式開發(fā)技術(shù)在程序開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用，組件運(yùn)行效率高、方便管理和使用，而 且組件之間是相互獨(dú)立的，開發(fā)人員不需要了解組件的實(shí)現(xiàn)過程。com 組件有較高的可重用 性，為我們提供了一種新的軟件設(shè)計(jì)思路，以組件為中心的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)融合到面向?qū)ο蟮?設(shè)計(jì)中，使面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)提升到了系統(tǒng)應(yīng)用的層次。在本系統(tǒng)的開發(fā)中，選用 arcengine 作為主要工具開發(fā) gis 模塊的功能。arcengine 是 一個簡單、獨(dú)立的 arcobjects 開發(fā)環(huán)境，用于建立應(yīng)用程序的嵌入式 gis 組件的一個完整 類庫。esri 選用 com 構(gòu)建 arcengine 的組件技術(shù)，因?yàn)?com 技術(shù)比較成熟，能提供良好的 性能，而且有很多組件可用于擴(kuò)展 engine 的功能。4 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)4.1 用戶管理功能為了維護(hù)系統(tǒng)安全和限制用戶操作，系統(tǒng)將用戶分為普通用戶和專業(yè)用戶兩類。專業(yè)用 戶具有較大的權(quán)限，可以進(jìn)行所有的操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對模型的更新、系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)和刪除等 功能。從安全性角度考慮，普通用戶只能進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和結(jié)果輸出等一般性操作。系統(tǒng)登陸 界面如圖 5 所示。1554.2 參數(shù)管理功能圖 5 系統(tǒng)登陸界面fig5 system login form160碳源/匯模擬模型涉及到的參數(shù)眾多，主要分為植物生理參數(shù)、氣候參數(shù)、土壤參數(shù)和 遙感空間參數(shù)。參數(shù)管理包括了對各個參數(shù)的創(chuàng)建、更新、修改以及由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到模型參數(shù) 的轉(zhuǎn)換。不同的濕地類型參數(shù)也是不相同的，用戶可以根據(jù)一定的查詢條件查詢出所需要的參數(shù)記錄，對其進(jìn)行修改或者刪除。參數(shù)文件管理界面如圖 6 所示。1654.3 結(jié)果管理功能圖 6 參數(shù)文件管理界面fig.6 parameter file management本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對崇明濕地 14 種濕地類型的碳源/匯模擬，每次模擬運(yùn)算都會產(chǎn)生大量的 結(jié)果數(shù)據(jù)，用戶可以將有價(jià)值的數(shù)據(jù)以圖表（柱狀圖、線狀圖和空間分布圖）的形式保存，170也可以保存到結(jié)果專題數(shù)據(jù)庫中以備后來的研究使用。結(jié)果管理模塊包括了對結(jié)果的展示、刪除和導(dǎo)出，以 excel 格式文件的形式保存為外部可以利用的數(shù)據(jù)。結(jié)果文件管理界面如圖7 所示。1754.4 模擬運(yùn)算功能圖 7 模擬結(jié)果管理fig.7 the simulation results management180該模塊是系統(tǒng)運(yùn)行的核心模塊，它實(shí)現(xiàn)了對碳源/匯指標(biāo)的模擬計(jì)算。系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) 了對濕地類型或濕地區(qū)域的模擬，可以預(yù)測在不同的氣候條件和管理情境下碳源/匯的時(shí)空 變化。濕地類型模擬是將崇明濕地分為互花米草、藨草、建筑用地、農(nóng)田等 14 個大類，配 置模型運(yùn)算的時(shí)間步長，輸入所需的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對全島濕地的類型模擬，如圖 8 所示； 區(qū)域模擬是通過選擇感興趣的區(qū)域或者需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，配置區(qū)域類型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對局 部區(qū)域的模擬，如圖 9 所示。圖 8 類型選擇fig.8 type selection1854.5 數(shù)據(jù)展示功能圖 9 區(qū)域選擇fig.9 area selection190195該模塊主要包括專題圖的顯示、模擬結(jié)果的多形式展現(xiàn)和空間圖展示等,如圖 10 所示。（1）專題圖是指崇明濕地的類型劃分圖，不同的類型用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)對地圖 的放大、縮小、漫游以及選擇等圖層控制操作，可以便捷的顯示類型信息。（2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了對模擬結(jié)果以表格、線狀圖和柱狀圖等形式的展示，用戶在選擇所關(guān)心的碳源/匯指標(biāo)后， 設(shè)定要輸出的形式，就可以用設(shè)定的樣式展現(xiàn)出來。（3）空間分布圖是為觀察碳源/匯指標(biāo) 的空間分布情況而設(shè)計(jì)的，通過將模擬結(jié)果分配到遙感空間圖上，以直觀化的渲染方式展示 數(shù)據(jù)的分布，區(qū)分各個區(qū)域的碳排放或碳固定在數(shù)量上的不同。圖 10 模擬結(jié)果展示形式fig.10 the simulation results show style2002055 結(jié)語本文采用 c#作為開發(fā)語言，利用 arcengine 組件開發(fā)崇明濕地碳源/匯模擬系統(tǒng)。系統(tǒng) 既具有地理信息的展示、渲染和保存功能，又具有碳源/匯模型參數(shù)的轉(zhuǎn)換、指標(biāo)數(shù)據(jù)的模 擬和結(jié)果的圖形化輸出功能。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫，并且在這些數(shù)據(jù)庫 的基礎(chǔ)上開發(fā)了管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了崇明碳源/匯數(shù)