【精品论文】湿地碳源汇地理计算模型系统研究——以.doc

精品论文湿地碳源/汇地理计算模型系统研究以崇明岛为例张世强，赵本福，李鹏，徐建华5（华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241） 摘要：湿地碳循环研究对全球变化具有重要意义，通过研究湿地生态系统中碳循环过程，可 以了解不同类型湿地在碳源/汇过程中的作用。本文以 visual studio 2008 为开发平台，利用 arcengine 二次开发技术，通过分析崇明湿地碳源/汇模拟和管理的需求，建立崇明湿地碳10源/汇模拟系统。该系统具有空间数据和关系数据的管理和查询、碳源/汇指标数据模拟、专 题图的绘制以及数据的可视化表达等功能，为研究湿地生态系统碳循环与 gis 技术的结合 做出了一次成功的探索。关键词：gis；linq；碳源/汇；地理计算；组件对象模型中图分类号：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 引言自工业化时代以来，人类活动向大气中排入二氧化碳等温室气体逐年增加，导致温室效 应随之增强，引起全球气候变暖等一系列的问题。以全球变暖为主要特征的气候问题已经成 为国际社会普遍关注的热点，过度的二氧化碳、甲烷等温室气体的排放已经对人类生存和发35展造成了威胁。气候变化成为人类最严峻、最深远的挑战之一。为了应对气候变化，国际社 会也在共同寻求有效的解决途径。湿地作为地球上一种重要的生态系统，在全球范围的碳循 环中有着重要的地位1。湿地生态系统是目前已知陆地生态系统中仅次于森林的重要碳汇， 具有巨大的能量与物质循环功能，对全球范围内的碳循环有着显著的影响2。湿地是介于陆地和水体之间的一种特殊生态系统类型3，拥有众多特殊的动植物资源，40与海洋、森林并成为地球三大生态系统。虽然湿地生态系统仅占全球陆地面积的 3%-6%，但 是它的碳储量巨大，占全球陆地碳储量的 1/3，相当于大气中二氧化碳的 75%，因此湿地生作者简介：张世强（1988-），男，硕士研究生，gis 系统开发与应用通信联系人：徐建华（1965-），男，教授，主要从事地理计算(geo-computation)、地理信息系统(gis)、生 态经济模拟等. e-mail: - 9 -态系统在全球碳循环和气候变化的研究中起着重要的作用。地理信息系统（gis）作为一种计算机技术4，其强大的空间数据分析和管理的功能为湿地碳源/汇的信息管理提供了有力 的工具，使用 gis 手段进行碳排放和碳固定的研究，探索出一条基于 gis 的湿地碳源/汇指45标数据模拟途径具有十分重要的意义。gis 开发的常用模式有：独立开发、宿主型二次开发和基于组件式二次开发5-6。独立式 开发工作量大、任务重，宿主型二次开发又要依赖 gis 软件平台、灵活性差，而基于组件式 的二次开发既能利用 gis 软件对空间数据的管理和处理功能，又能在可视化的编程环境下进 行功能定制。arcengine7-8是 esri 公司推出的嵌入式开发工具包，支持多种编程语言，开50发人员可以在应用程序中定制 gis 功能，满足用户的需求。基于 arcengine 的 gis 系统开发 可以完全脱离 arcgis 系统运行9-10，因此本文以 arcengine 二次开发技术为基础，采用 c# 面向对象的编程语言，建立能够对湿地碳源/汇指标数据进行模拟、查询、统计分析和图形 展示的综合的系统，提高碳源/汇数据的管理水平。1 系统开发平台55microsoft visual studio（简称 vs）开发平台是微软公司提供的开发工具包，包括了 软件生命周期中需要的大部分工具。vs 可以用来创建 windows 平台下的桌面应用程序和网 络应用程序，是一种强大的集成开发环境，并且这个环境集成.net 的功能。c#语言是微软为.net 平台创建的一种安全、稳定、高效的面向对象开发语言，继承了 c和 c+的优点也去掉了它们的复杂性。c#语言可以快速应用到基于.net 平台的应用程序开发60中，提供生成持久系统的能力，而且具有强大的数据库访问功能，完全支持基于数据库应用 系统的开发。sql server 2008 是微软公司推出的一个关系型数据库管理系统。它在不变动应用程序 的基础上，对数据库、数据文件等都进行了加密，提高了数据的安全性。sql server 2008 提供了更加可靠的数据库镜像平台和错误处理机制，它支持 linq（language integrated65query）技术，开发人员可以通过管理程序而不是 sql 语句来对数据库进行操作。 在遥感影像的处理上采用 idl 二次开发语言，通过 idl 语言调用相应的处理函数完成对遥感影像的校正、反演等。arcengine 具有丰富的地图展示和空间数据处理的功能，它是一 个简单的、独立于应用程序的 arcobjects 编程环境，开发人员用于建立自定义应用程序的 完整类库11。arcengine 包含了 arcobjects 的核心功能，并且不依赖于 arcgis desktop 桌70面程序，是一个独立的嵌入式组件，可以在不同的语言环境下使用。因此，系统采用arcengine 作为开发的基础平台。综合考虑各个开发框架的优劣性，选择了.net 开发环境并将 c#作为主要开发语言，选 择 sql server 2008 为应用数据库，以 arcengine 作为地图开发平台，采用面向对象的组件 开发技术和模型库技术，开发湿地碳源/汇模拟系统。752 系统总体设计2.1 系统目标本系统是基于崇明湿地碳源/汇研究进展开发的碳源/汇模拟系统，以现有的初始化数 据、气象数据、土壤数据和植物生理数据为基础数据；以生态学专业模型为逻辑运算规则， 模拟崇明湿地碳循环过程，为崇明湿地碳管理提供数据支持和决策依据。系统的逻辑运算流80程如图 1 所示。根据与用户的探讨和实地考察，崇明湿地碳源/汇模拟系统应该具有以下功能：1、界面必须简洁、一致，易于用户使用和了解，减少用户错误操作的可能性。界面必 须处于用户的控制之下，结构清晰，减少用户记忆负担，风格和内容相统一。2、系统的操作具有一定的专业性，需要具备相关知识的研究人员才能使用。为了维护85系统安全和限制用户操作，系统要具有用户管理的功能，不同的用户具有不同的权限。3、系统模拟运算过程中用到大量的参数数据，而且模拟结果也要以直观化、形象化的 方式表现出来。因此系统必须具备多种展示方式，包括柱状图、线图和表格等形式。4、系统应具有专题数据渲染、图层导出功能，要实现对遥感影像的空间图展示，准确 的反映数据的时间变化和空间变化趋势。902.2 业务逻辑设计图 1 模拟运算逻辑图fig.1 analog arithmetic logic95100105本系统的输入输出数据量大、模型众多、运算逻辑复杂，因此采用数据库技术来统一管 理空间数据和模型数据。根据系统的功能分析，在模拟运算过程中模型要对数据库进行频繁 的读写操作，同时存在对多个功能模块的重复调用，因此采用了面向对象的思想和组件化的 设计原则。将功能代码进行封装，形成彼此独立的组件，完成对数据库的查询和操作请求和 逻辑业务的实现。在本系统中，主要的业务逻辑有三部分：碳源汇模拟运算的逻辑、碳源汇指标展示的逻 辑和模型库管理逻辑。碳源汇的模拟运算逻辑主要是通过计算崇明湿地生态系统碳源/汇状况，预测不同气候 和管理情境下碳源/汇的时空变化。并且根据用户需求对模拟结果进行可视化展示、数据存 储和打印服务等等。系统的运算是以湿地类型或者湿地区域为基础，通过设置预测的时间步 长以及相应的参数数据，最终得到结果进行展示的。碳源汇指标的展示逻辑是指通过可视化的图形界面，以直观形象的方式将模拟结果进行110展示，力简洁高效突出重点。在本系统中设计了四种方式实现对十一种碳源/汇指标的展示，分别为表格、线状图、柱状图和空间图。其中，表格、线状图和柱状图采用 microsoft 推出 的开发工具 mschart 进行实现，空间图由 envi/idl 进行生成，使用 arcengine 动态渲染。 模型库的管理功能包括对模型文件、配置文件和结果数据的综合管理，如图 2 所示。它 执行湿地模型、湿地支持文件和模拟结果的存储、管理和更新，并具有对模型进行修改、更新的功能；对模拟初始文件、模型参数文件和模拟驱动变量的创建、调用、浏览和修改功能； 同时，模型库也实现了对模拟结果的管理、浏览和调用等。1152.3 系统功能模块图 2 模型库管理功能fig.2 model management基于 arcengine 的碳源/汇模型系统集成了 gis 技术、遥感技术和生态学模型，能够提 供对空间数据的显示、管理，碳源/汇指标数据的模拟等功能。根据系统的设计目标，将系统分为用户管理、模拟运算和结果展示 3 个模块，系统的功能模块如图 3 所示：1203 系统关键技术图 3 系统功能框架fig.3 system function framework1253.1 linq 技术数据访问层也称为持久层，其主要功能是负责数据库的访问，实现对数据表的查询、插 入、更新和删除等操作。系统开发中采用了微软推出的新一代数据库访问技术 linq to sql， 通过实现 orm（对象关系映射）将数据库表与编码环境相结合，使用面向对象的方式操作数130据库。linq to sql 是在 c#2.0 和 ado.net 基础上实现的，它能够翻译 sql 语句，将查询结果集作为对象返回。linq 技术降低了数据库应用程序开发的难度，优化了底层数据访问层， 加快了项目的开发进度。本系统是基于数据库设计实现的，linq to sql 技术是一种安全高效的数据库访问方式， 它采用延迟加载（deferred loading）和缓存技术，提高了数据库的性能和程序的运行速度。 基于 linq 的应用程序开发框架如图 4 所示。1353.2 组件式开发技术图 4 linq 应用框架fig.4 linq application framework140145150为了提高代码重用率和开发效率，microsoft 提出 com（component object model）标 准实现了代码在二进制级别上的共用。com 对象是建立在二进制代码基础之上的，因此它是 与具体的开发语言无关的，这一特性使得由不同开发语言开发的组件之间进行交互成为可 能。组件式开发技术在程序开发中得到广泛的应用，组件运行效率高、方便管理和使用，而 且组件之间是相互独立的，开发人员不需要了解组件的实现过程。com 组件有较高的可重用 性，为我们提供了一种新的软件设计思路，以组件为中心的设计方法已经融合到面向对象的 设计中，使面向对象程序设计提升到了系统应用的层次。在本系统的开发中，选用 arcengine 作为主要工具开发 gis 模块的功能。arcengine 是 一个简单、独立的 arcobjects 开发环境，用于建立应用程序的嵌入式 gis 组件的一个完整 类库。esri 选用 com 构建 arcengine 的组件技术，因为 com 技术比较成熟，能提供良好的 性能，而且有很多组件可用于扩展 engine 的功能。4 系统主要功能实现4.1 用户管理功能为了维护系统安全和限制用户操作，系统将用户分为普通用户和专业用户两类。专业用 户具有较大的权限，可以进行所有的操作，同时实现对模型的更新、系统数据维护和删除等 功能。从安全性角度考虑，普通用户只能进行数据查询和结果输出等一般性操作。系统登陆 界面如图 5 所示。1554.2 参数管理功能图 5 系统登陆界面fig5 system login form160碳源/汇模拟模型涉及到的参数众多，主要分为植物生理参数、气候参数、土壤参数和 遥感空间参数。参数管理包括了对各个参数的创建、更新、修改以及由基础数据到模型参数 的转换。不同的湿地类型参数也是不相同的，用户可以根据一定的查询条件查询出所需要的参数记录，对其进行修改或者删除。参数文件管理界面如图 6 所示。1654.3 结果管理功能图 6 参数文件管理界面fig.6 parameter file management本系统实现了对崇明湿地 14 种湿地类型的碳源/汇模拟，每次模拟运算都会产生大量的 结果数据，用户可以将有价值的数据以图表（柱状图、线状图和空间分布图）的形式保存，170也可以保存到结果专题数据库中以备后来的研究使用。结果管理模块包括了对结果的展示、删除和导出，以 excel 格式文件的形式保存为外部可以利用的数据。结果文件管理界面如图7 所示。1754.4 模拟运算功能图 7 模拟结果管理fig.7 the simulation results management180该模块是系统运行的核心模块，它实现了对碳源/汇指标的模拟计算。系统设计并实现 了对湿地类型或湿地区域的模拟，可以预测在不同的气候条件和管理情境下碳源/汇的时空 变化。湿地类型模拟是将崇明湿地分为互花米草、藨草、建筑用地、农田等 14 个大类，配 置模型运算的时间步长，输入所需的各项参数，实现对全岛湿地的类型模拟，如图 8 所示； 区域模拟是通过选择感兴趣的区域或者需要重点关注的区域，配置区域类型参数，实现对局 部区域的模拟，如图 9 所示。图 8 类型选择fig.8 type selection1854.5 数据展示功能图 9 区域选择fig.9 area selection190195该模块主要包括专题图的显示、模拟结果的多形式展现和空间图展示等,如图 10 所示。（1）专题图是指崇明湿地的类型划分图，不同的类型用不同的颜色进行区分，实现对地图 的放大、缩小、漫游以及选择等图层控制操作，可以便捷的显示类型信息。（2）系统实现 了对模拟结果以表格、线状图和柱状图等形式的展示，用户在选择所关心的碳源/汇指标后， 设定要输出的形式，就可以用设定的样式展现出来。（3）空间分布图是为观察碳源/汇指标 的空间分布情况而设计的，通过将模拟结果分配到遥感空间图上，以直观化的渲染方式展示 数据的分布，区分各个区域的碳排放或碳固定在数量上的不同。图 10 模拟结果展示形式fig.10 the simulation results show style2002055 结语本文采用 c#作为开发语言，利用 arcengine 组件开发崇明湿地碳源/汇模拟系统。系统 既具有地理信息的展示、渲染和保存功能，又具有碳源/汇模型参数的转换、指标数据的模 拟和结果的图形化输出功能。本文设计实现了系统数据库和模型数据库，并且在这些数据库 的基础上开发了管理系统，实现了崇明碳源/汇数