（计算机应用技术专业论文）基于组件技术的生态地球化学评价系统的设计与实现.pdf

摘要 生态环境是人类生存和发展的基本条件，是社会和经济可持续发 展的基础。为了掌握生态环境发展规律，必须要对影响生态环境的因 素进行实时动态监测，并在此基础上对其进行评价分析和预测。开发 生态评价信息系统能有效地管理有关生态评价的图形、资料和数据， 能提高生态评价模型运算的效率和可视化程度。组件技术是当今软件 工程领域中一种先进的软件开发技术，采用基于组件技术的开发方 法，可以提高软件的复用度、降低开发成本、缩短开发周期，从而大 大提高开发的效率。 论文深入研究了组件技术在生态评价系统开发中的应用与实现。 通过认真分析系统的用户需求和功能特点，文章设计了一种可适用于 生态评价软件开发的组件层次模型，根据系统的功能逻辑，把系统划 分成了几个内聚性强、耦合性弱的组件群，提出了“c # + a d o n e t + m a p x + m a t l a b ”的系统解决方案，整合c # 语言的界面开发能力、 a d o n e t 组件的数据访问能力、m a p x 组件的空间分析能力以及m a t l a b 的科学计算能力建立生态地球化学评价信息系统。 针对生态评价中的海量数据，文中选取了一种切实可行的数据存 储模式，基于该模式建立了系统的数据库和模型库，实现了系统图属 数据的一体化管理。进而采用基于组件技术的软件开发方法，对系统 主要功能模块进行了详细的设计与开发。通过c # 与m a t l a b 的混合编 程开发了各种生态评价应用模型组件，实现了应用模型评价的高效率 运算。为使评价结果得以可视化显示，论文认真分析了模型评价组件 与g i s 组件的集成技术，并实现了生态评价的空问分析功能。 系统开发过程中用到了面向对象技术、可视化控件技术、组件技 术等多种软件重用技术，整个应用程序具有良好的界面交互、高效的 无缝集成、较少的内存占用等特点，充分体现了基于组件技术的开发 方法的先进性和优越性。系统最终在长株潭地区生态地球化学评价项 目中得到成功的应用，为相关部门提供了技术支持和决策依据。 关键词生态环境，评价模型，组件技术，组件式g i s a b s t r a c t t h ee c o l o g ye n v i r o n m e n tl st h eb a s i cc o n d i t i o no f h u m a n ss u r v i v i n g a n dd e v e l o p i n ga n dt h ef o u n d a t i o no fc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y a n de c o n o m y i no r d e rt o g r a s p t h ed e v e l o p m e n tl a wo fe c o l o g y e n v i r o n m e n t ，t a k i n gt h e r e a l - t i m ed y n a m i cm o n i t o ro nt h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h ee c o l o g ye n v i r o n m e n ta n dc a r r i n gt h ea p p r a i s a la n a l y s i sa n d t h ef o r e c a s to i li ti nt h i sf o u n d a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y d e v e l o p i n ge c o l o g y a p p r a i s a li n f o r m a t i o ns y s t e mc a nm a n a g et h ee c o l o g i c a lg r a p h i c sa n dd a t a e f f e c t i v e l y ，a n de n h a n c et h ec o m p u t i n ge f f i c i e n c ya n dv i s u a l i z a t i o n d e g r e eo fe c o l o g i c a le v a l u a t i o nm o d e l c o m p o n e n tt e c h n o l o g yi sa n a d v a n c e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yi ns o f t w a r ee n g i n e e r i n gf i e l d n o w ，u s i n gd e v e l o p m e n tm e t h o d sb a s e do nc o m p o n e n tt e c h n o l o g yc a l l h e i g h t e nt h er e u s a b i l i t yo fs o f t w a r e ，l o w e rd e v e l o p m e n tc o s t sa n ds h o r t e n d e v e l o p m e n tc y c l e ，t h u sg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fd e v e l o p m e n t t h ea p p l i c a t i o na n dr e a l i z a t i o no fc o m p o n e n tt e c h n o l o g yi ne c o l o g y a p p r a i s a ls y s t e md e v e l o p m e n ti st h o r o u 曲l y s t u d i e di nt h i s p a p e r t h r o u g hc a r e 如la n a l y s i s o fu s e rn e e d sa n ds y s t e mf u n c t i o n s ，a c o m p o n e n tl e v e lm o d e lw h i c hc a nb ea p p l i e dt oe c o l o g ya p p r a i s a l s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n 1 0 9 i c ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a ls t r o n gc o h e s i o n , w e a kc o u p l i n g c o m p o n e n tg r o u p s a n dt h es y s t e ms o l u t i o na b o u t ”c 拌+ a d o ，n e t + m a p x + m a t l a b ”i sp r o p o s e d w h i c hi n t e g r a t e sc j 毕l a n g u a g e s i n t e r f a c ed e v e l o p m e n ta b i l i t y ，a d o n e tc o m p o n e n t sd a t aa c c e s sa b i l i t y ， m a p xc o m p o n e n t ss p a t i a la n a l y s i sa b i l i t y a n dm a t l a b ss c i e n t i f i c c o m p u t i n ga b i l i t yt ob u i l de c o l o g yg e o c h e m i s t r ya p p r a i s a li n f o r m a t i o n s y s t e m i nv i e wo fm a g n a n i m o l l sd a t ai ne c o l o g ya p p r a i s a l ，o n ek i n do f p r a c t i c a la n df e a s i b l ed a t as t o r a g ep a t t e r ni ss e l e c t e d ，b a s e so nw h i c h ，t h e s y s t e m sd a t a b a s ea n dt h em o d e l b a s ea r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ei n t e g r a t i o n m a n a g e m e n to fm a pa n ds a m p l i n gd a t ai sr e a l i z e d t h e na p p l i n gs o f t w a r e d e v e l o p m e n tm e t h o db a s e so nc o m p o n e n tt e c h n o l o g y ，t h es y s t e mm a i n f i m c t i o nm o d u l e sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e di nd e t a i l t h r o u 【g ham i x e d p r o g r a m m i n go fc 群a n dm a t l a b av a r i e t yo fe c o l o g ye v a l u a t i o n a p p l i c a t i o nc o m p o n e n t sa r ed e v e l o p e d ，t h a tr e a l i z e st h eh i g he f f i c i e n c y o p e r a t i o no fm o d e le v a l u a t e i no r d e rt or e a l i z et h ev i s i b l ed e m o n s t r a t i o n o ft h ea p p r a i s a lr e s u l t ，t h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fm o d e le v a l u a t i o n c o m p o n e n ta n dg i sc o m p o n e n t i sa n a l y z e de a r n e s t l yi nt h ep a p e r ，a n dt h e e c o l o g ya p p r a i s a l ss p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o ni sr e a l i z e df i n a l l y m a n yk i n d so fs o f t w a r er e u s et e c h n o l o g ys u c ha so b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y ，v i s u a l i z a t i o na c t i v e xt e c h n o l o g y ，c o m p o n e n tt e c h n o l o g ya r e u s e di nt h e s y s t e md e v e l o p m e n tp r o c e s s t h e e n t i r e a p p l i c a t i o n p r o g r a m m h a st h e g o o d i n t e r a c t i v e i n t e r f a c e ，h i g h e f f i c i e n c y a n d s e a m l e s s i n t e g r a t i o n ，l e s sm e m o r yo c c u p i e df e a t u r e s ，w h i c hf u l l y m a n i f e s t st h ea d v a n t a g ea n ds u p e r i o r i t yo ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t m e t h o db a s e so nc o m p o n e n tt e c h n o l o g y t h es y s t e mi ss u c c e s s f u l l y a p p l i e dt ot h ec h a n g - z h n - t a nr e g i o n a le c o l o g i c a lg e o c h e m i c a le v a l u a t i o n p r o j e c t ，a n dp r o v i d e st h et e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h ep o l i c y - m a k i n gf o rt h e c o r r e l a t i o nd e p a r t m e n t k e yw o r d s e c o l o g ye n v i r o n m e n t ，e v a l u a t i o nm o d e l ，c o m p o n e n t t e c h n o l o g y , c o m g i s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 鲢丝砼 日期：墨竺z 年- 竺月羔日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：丝红硷导师签看婆塑至日期：鲨2 年月卫日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 随着社会的发展和技术的进步，人类对自然环境的影响范围和强度都在不断 加大，由此引起生态环境问题也在不断扩大和加剧，如沙漠化、盐渍化、水土流 失、土壤和河流重金属含量超标等。这些区域生态环境问题正在严重威胁着人类 赖以生存的大气、土地和水资源，每年由此造成的损失是相当可观的。在我国， 日益恶化的生态环境，给我国的经济和社会发展带来了极大的危害，严重影响可 持续发展的能力，因此生态环境问题的预防和整治已经变得非常迫切。 要掌握生态环境发展规律，必须要对影响生态环境的因素进行实时动态监 测，并在此基础上对其进行评价分析和预测【l 】。因此，生态环境数据采集和管理、 模型分析与动态模拟、现状评价与趋势预警是生态环境管理重要的研究内容之 一。由于生态环境数据都与空间位置有关，具有丰富的空间内涵，且涉及海量的 属性数据和采样数据，评价模型也是非常专业化和复杂化，因此在生态环境评价 领域迫切需要寻找先进的适用于该领域的技术，充分运用多学科多技术方法以提 高生态环境评价的效率和效果。 目前，计算机的应用能力越来越强，应用系统的规模也越来越庞大而复杂。 如何有效地解决应用软件开发效率低，重复劳动多，周期长，适应性差等问题， 是摆在软件开发人员面前的一个难题。在过去的几十年里，软件工程的专家学者 一直在致力于研究各种程序设计技术来解决这个难题，从而出现了结构化设计、 面向对象方法和基于组件的开发方法【2 j 。从传统的结构分析与结构设计技术到面 向对象的设计，软件开发的可重用性，可维护性，灵活性等方面都有了很大提高。 但是，面向对象的可重用性局限于同种开发环境下，即要求有相同的开发平台和 开发语言，对于不同的开发环境，面向对象开发的可重用性仍然很差。然而计算 机应用技术的飞速发展，使得软件开发平台、开发语言的多样性成为必然。因此， 寻求与开发平台和开发语言无关的软件开发方法仍然是软件开发中亟待解决的 问题。我们注意到，基于组件式的开发方法开发出来的组件可复用、容易维护， 能够跨进程、跨机器、跨语言甚至跨操作平台进行通信，最有相当强的优势。另 外，随着组件的不断积累，软件开发中开发的比重不断降低，而集成的比重不断 提高，因此可大大提高软件的开发效率，降低开发成本【3 4 】。 随着计算机软硬件技术的发展，目前生态环境评价也逐渐引入现代化技术手 段。地理信息系统( g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的一项以计算机 为基础的新兴技术，是在计算机硬件、软件系统的支持下，以地理空间数据库为 基础，采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有 硕士学位论文第一章绪论 关的数据，为地理研究和地理决策服务的空间信息系统1 5 “。它可以对空间数据 按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及 相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息， 并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。在其4 0 多年的发展历程中已 经取得了很大成就，并广泛地应用于土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、 城市规划、经济建设以及政府各职能部门。随着计算机技术的不断发展，计算速 度越来越快，也使得地理信息系统技术的应用领域越来越广泛。 将组件技术应用于生态地球化学评价系统的开发过程中，能够显著地减少软 件开发过程中的复杂度，提高软件的可维护性和可重用性，从而加快了系统的开 发进程，避免了软件资源的极大浪费。将g i s 技术应用于生态地球化学评价领域， 能够科学有效地管理生态环境空问数据，提高综合分析能力，能够直观地反应生 态环境质量的空间分布规律及其变化特征，能够实现生态环境评价及结果表达的 可视化。 1 2 研究现状 生态环境质量评价是指根据选定的指标体系，运用综合评价的方法评定某区 域生态环境的优劣，作为环境现状评价和环境影响评价的参考标准，或为环境规 划和环境建设提供基本依据。国外环境质量评价始于上世纪6 0 年代中期，7 0 年 代蓬勃发展，2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机的普及，一些先进技术尤其是遥 感、全球定位系统和地理信息系统开始应用于环境科学领域。1 9 8 9 年美国国家 环保局选用a r c i n f o 进行了大量科学研究和应用，范围覆盖环境质量影响评价、 地下水保护、点源和面源污染分析及环境管理【”。9 0 年代以来，国外的环境质量 评价无论是方法还是技术上都取得了飞速发展，而且针对评价结果进行环境方面 的改造、治理，使得生态环境尤其是城市生态环境质量彻底改善。美国科罗拉多 州立大学m a r i om e j i a - n a v 和e l l e ne w o h l ( 1 9 9 4 年) 在哥伦比亚的麦德林地区， 借助g i s 软件的空间信息存储、缓冲区分析、d e m 模型及叠加分析等功能，进 行地质灾害和风险评估删。同样是美国科罗拉多州立大学m a r i om e j i a - n a v a r r o 博 士后等人( 1 9 9 6 年) 将g i s 技术与决策支持系统( d s s ) 结合，利用g i s 及工 程数学模型建立了自然灾害及风险评估的决策支持系统，并应用在科罗拉多州的 g l e n w o o ds p r i n g s 地区【9 】。 我国的环境评价始于2 0 世纪7 0 年代的城市环境污染现状调查和评价，近几 年来，结合新一轮国土资源综合调查，各省市自治区正在陆续开展省级区域生态 环境综合评价工作。随着遥感和g i s 技术的发展和应用，技术方法已经由初期针 对生态环境状况某一方面的单要素调查、监测，逐步发展到利用多种数据支持的 2 硕士学位论文第一章绪论 综合评价，并逐步开始建立区域性的生态环境综合评价指标体系，以数值分析的 方法描述生态环境状况。由于g i s 具有强大的空间分析能力，故在对空间数据信 息进行获取、处理、分析时，都使用到了g i s 技术。比如马雄德( 2 0 0 5 年) 以 m a p g i s 为平台、以s q l s e r v e r 为后端数据库、以v c + + 为开发手段，构建地质 生态环境模型体系，开发了基于g i s 的地质生态环境评价信息系统【1 0 1 。于明洋 ( 2 0 0 5 年) 采用l m b p 神经网络算法对南四湖流域的水环境评价系统进行构建、 对水环境进行总体评价及对比计算分析，运用g i s 技术构建了一套完整的评价系 统u l l 等。但这些研究主要是为了满足某个项目的需要而开发系统，没有从软件工 程的角度考虑系统的可重用性、可维护性、可扩展性。 随着对软件开发技术重视程度的提高，也有在进行系统开发时运用到组件技 术的研究，比如孙金华( 2 0 0 5 年) 选用g i s 组件( m a p o b j e e t s ) ，结合v b 建立 了唐山市区环境地质模糊综合评价模型，开发唐山市区地质数据管理与环境地质 评价管理系统 1 2 1 。于海泳从软件工程的角度深入地研究了组件技术在g i s 领域 的应用与研究【1 3 】、还有刘迎春等基于组件g i s 的应用系统开发技术【1 4 1 、罗予东 等组件式g i s 的研究与开发【l5 】等。但是这些研究中提到的组件通常都只是对现 成的g i s 组件进行二次开发来实现空间分析功能，对于系统中需要实现的复杂且 专业的评价模型则一般都是通过直接用编程语言( 如v c + + 、v b 等) 编码实现， 这种方法虽然解决了当前的问题，但是却难以移植到别的开发平台中得到复用。 综合分析国内外的研究现状，总的来说当前生态环境评价和预测系统的开发 大都是采用传统软件开发技术开发而成，或者虽然采用了组件技术，但系统组件 集成度不高。主要体现在：一方面，基于整个g i s 软件平台，通过二次开发来实 现生态环境信息数据的存储、查询、管理，这样开发出来的系统庞大、用户难以 掌握、费用昂贵；另一方面，虽然用到了组件式g i s 技术来裁剪和定制地图管理 功能，使系统得以精减，但对于生态环境评价模型的运算，则是单纯用某种编程 语言编码实现，这种方法得到的评价模型可移植性差，不能跨语言、跨进程运行， 系统的可扩展性和可维护性不高。基于此，在生态环境评价系统的开发领域探索 一条成本更低、效率更高、周期更短的开发方法具有很好的实践意义和应用价值。 1 。3 课题来源 本论文的研究是围绕长株潭城市区域生态地球化学评价项目的研究而展开 的，“长株潭城市区域生态地球化学评价”是“湖南省洞庭湖区生态地球化学调 查”总项目中的专题研究部分。受“湖南省洞庭湖区生态地球化学调查”项目部的 委托，中南大学、湖南省环境监测中心站、湖南省地质研究所联合负责“长株潭 城市区域生态地球化学评价”专题工作，旨在对长株潭地区野外调查取样及部分 3 硕士学位论文 第一章绪论 样品进行测试，并完成“大宗无公害农产品生态地球化学环境评价”和“区域地球 化学生态环境预警”等专题研究，提交湖南省长株潭地区生态地球化学调查报 告。 生态地球化学评价与空间信息有密切的关系，涉及的空间数据和属性数据内 容繁杂，评价模型专业而且复杂，传统的管理方式和评价手段难以适应工程动态 管理的需要，因此开发生态地球化学评价信息系统符合当前研究的需要，符合时 代发展的需要。为实现该项目数据的科学化管理和模型评价的智能化，本人在导 师的安排和指导下，于2 0 0 5 年7 月至2 0 0 6 年7 月有幸参与了该项目的管理信息 集成系统的研发，本论文的研究工作着眼于系统的开发与实现，论文的主要工作 是在研究生态环境评价领域已有技术的基础上，结合g i s 技术、c o m 技术以及 数据库技术，采用基于组件式的软件开发方法，研究和开发了一套生态地球化学 评价管理系统。开展本课题的研究和系统研发，不仅为长株潭城市区域生态地球 化学评价项目提供有效的管理支持，为相关部门提供决策支持，并希望能为生态 地球化学评价软件的研发提供一定的参考经验，实现生态地球化学评价的可视 化、信息化和科学化。 1 4 相关技术概述 1 组件技术 组件技术的思想是将复杂系统的应用分割为小的、功能单一的组件模块，组 件之间可以跨进程、跨机器、跨语言甚至跨操作平台进行通信，这些组件模块可 以运行在不同的开发环境中【1 6 】。采用组件技术，软件系统的开发就可转化为组件 的开发和集成。由于组件具有可复用性，用户可以在原有组件的基础上开发新的 组件或将原有组件集成为一个大的组件。随着组件的不断积累，软件开发中开发 的比重不断降低，而集成的比重不断提高，因此可大大提高软件的开发效率，降 低开发成本。 组件模型是组件程序之间的接口标准。组件对象模型( c o m ：c o m p o n e n t o b j c o tm o d e l ) 是其中一种基于组件技术的组件模型，它是一种二进制标准，它 定义了组件对象之间基于这些技术进行交互的方法【l7 1 。它允许任意两个组件互相 通信，对象是组件的基本要素之一，组件提供给客户的是以对象形式封装起来的 实体，但对象本身对于用户是不可见的，客户请求服务是通过接口进行的，接口 是c o m 对象提供给外界的方法或函数集合。客户程序并不关心组件模块的名称 和位置，通过系统注册表和c o m 库，它知道自己在和哪个c o m 对象进行交互， 通过一个1 2 8 位的全局唯一标识符g u i d ，保证c o m 对象的唯一性。客户通过 g u i d 获得接口的指针，再通过接口指针，就可以调用相应的成员函数。 4 硕士学位论文 第一章绪论 2 a d o n e t 组件简介 a d o n e t 是微软针对a d o 的缺陷而重新设计的新一代数据访问对象，支 持底层的数据交换模型，是n e t 体系结构中的一部分，它是一种基于c o m 规 范的组件产品。a d o n e t 提供了一个一致的、高性能的、高兼容性的数据访问 接口，涵盖了从一层到多层数据库应用的解决方案以及基于w e b 的数据驱动解 决方案，专门用于结构松散的、本质非链接的应用程斛1 8 1 。 a d o n e t 提供一组向n e t 程序员公开数据访问服务的类，组成其的各个类 被包含在s y s t e m d a t a ，s y s t e m d a t a s q l c l i e n t ，s y s t e m d a t a o r a c l e c l i e n t ， s y s t e m d a t a o l e d b ，以及s y s t e m d a t a 。o d b c 五个命名空间中，可以将这些类分为 两大类型：提供者类和使用者类【嘲。提供者类完成将数据从数据源读取和写入等 实际操作，当数据被读到存储介质后，由使用者类完成数据的访问和操作等功能。 提供者类中包括了c o n n e c t i o n , c o m m a n d ，d a t a r e a d e r 和d a t a a d a p t e r 等，每 一种数据库连接方式，都有这些类的自我版本。c o n n e c t i o n 类用来建立与特定数 据源的连接，它代表数据库和数据用户之间的实际联接。c o m m a n d 类用来对数 据源执行s q l 命令语句或存储过程，如进行数据插入、删除、修改等操作。 d a t a r e a d e r 类用来从数据源中读取数据行的只进数据流。d a t a a d a p t e r 类用来在 数据源和数据集之间交换数据。 使用者类中包括了d a t a s e t , d a t a t a b l e 。d a t a c o l u m n , d a t a r o w 和d a t a r e l a t i o n 等，其中d a t a s e t 对象是支持a d o n e t 的断开式、分布式数据方案的核心对象， 用以实现独立于任何数据源的数据访问。d a t a s e t 类用来处理从数据源读出的数 据，表示数据在内存中的缓存。它可以用于多个不同的数据源，用于x m l 数据， 或用于管理应用程序本地的数据。d a t a s e t 类包含数据表d a t a t a b l e 类的t a b l e s 集合和d a t a r e l a t i o n 类的r e l a t i o n s 集合。d a t a t a b l e 类包含数据行d a t a g o w 类的 r o w s 集合、d a t a c o l u m n 类的c o l u m n s 集合以及数据关系的c h i l d r e l a t i o n s 和 p a r e n t r e l a t i o i l s 集合。 3 m 叩x 组件简介 m a p x 是m a p l n f o 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的组件产品。由 于它是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准控件，因而能支持绝大多数标准的可 视化开发环境，如v c + + 、v b 、c 拌、d e l p h i 等。编程人员在开发过程中可以选 用自己最熟悉的开发语言，轻松地将地图功能嵌入到应用中，并且可以脱离 m a p l n f o 的软件平台运行。利用m a p x 能够简单快速地在系统应用中嵌入地图化 功能，增强系统应用的空间分析能力。m a p x 采用基于m a p i n f op r o f e s s i o n a l 相同 的地图化技术，可以实现m a p l n f op r o f e s s i o n a l 具有的绝大部分地图编辑和空间 硕士学位论文第一章绪论 分析功能。而且，m a p x 提供了各种工具、属性和方法，采用c 群对其进行二次 开发，实现这些功能是非常容易的。 空间数据结构是g i s 的基石，g i s 就是通过这种地理空间拓扑结构建立地 理图形的空间数据模型并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图形和数据 库的结合。从横向分析，m a p x 采取的空间数据结构是基于空间实体和空间索引 相结合的一种结构。从纵向分析，m a p x 的空间数据结构是一种分层存放的结构。 用户可以通过图形分层技术，根据自已的需求或一定的标准对各种空间实体进行 分层组合，将一张地图分成不同图层。采用这种分层存放的结构，可以提高图形 的搜索速度，便于各种不同数据的灵活调用、更新和管理【2 们”。 m a p x 组件的基本组成单元是o b j e c t ( 单个对象) 和c o l l e c t i o n ( 集合) ，其 中集合包括对象，是多个对象的组合 2 2 1 。每种对象和集合负责处理地图某一方面 的功能。在m a p x 的模型结构中，l a y e r 、d a t a s e t 、a n n o t a t i o n 是m a p x 对象下 面3 个重要的分支。如果要操作地图的图层，就要用到l a y e r 对象和l a y e r s 集合： 如果要在地图上增加文本或符号，就要用到a n n o t a t i o n 对象和a n n o t a t i o n s 集合； 如果要访问空间数据表，那就要用到d a t a s e t 对象和d a t a s e t s 集合；对m a p x 的 二次开发就是对这些对象实例化以及对其属性进行赋值或对其方法进行调用的 过程。 1 5 研究内容 近几年迅速发展起来的g i s 技术为生态环境评价管理软件的开发提供了有 力的技术支持。g i s 可实现在空间框架下图形、图像数据与属性数据的动态连接， 提供可视化查询和空间分析的功能。在计算机软硬件和网络的支持下，能够获取、 存储、检索、分析和显示空间数据信息及其相关的属性数据。因此利用这些分析 功能可以提高生态环境评价管理软件的可视化程度和工作效率。目前市场上有些 功能相当成熟的g i s 组件产品可以直接拿过来使用，比较有名的有：美国环境研 究所e s r i 公司的m a p o b j e c t s 、美国m a p l n f o 公司的m a p x 、i n t e r g r a p h 公司的 g e o m e d i a 和国内的武汉中地公司m a p g i s 等，这些g i s 组件以具有强大的空间 分析能力而著称，完全能够满足对空间数据的有效管理需求。因此，对这些通用 g i s 组件进行二次开发，使其满足对系统空间数据的管理和分析功能是本课题的 研究重点之一。 尽管如此，要满足为解决实际问题而进行的评价、预测分析的要求，仅仅依 靠g i s 的常规功能是不够的。比如生态环境评价领域中经常要用到一些专业模型 的运算和分析，此时这些通用的g i s 组件就有点显得力不从心了。而在进行环境 评价和预测时所使用的模型中大多数是生态环境评价时经常采用到的模型，比如 6 硕士学位论文第一章绪论 定量分析时用到的单指标质量模型、综合指标质量模型、土壤环境质量指数模型 等，以及定量与定性结合分析时用到的模糊综合评判模型、人工神经网络模型、 层次分析模型等田l 。故在开发系统时，如果能采用组件开发技术，将这些模型的 算法也固化成组件的形式，这样就可以在其它环境评价系统软件的开发中方便地 对其进行调用，以此提高软件的复用率。这对生态环境评价管理软件的开发将是 一项很好的创新。 基于组件的软件开发具有应用程序间更大范围重用的特点，使应用程序具有 定义良好的接口，可以很容易地替换其中的组件，在软件的可靠性、可移植性、 可重用性等方面都具有相当强的优势。因此在进行系统开发时采用组件开发技 术，以g i s 通用组件为依托，自行开发出用于生态环境评价领域的专业组件，最 后将这些组件整合起来，应用到长株潭地区生态环境评价管理系统中。这是本课 题的另一研究重点，也是课题的难点之一。 本课题的研究目标是将生态环境评价分析模型组件与g i s 组件进行有机的 结合，实现在同一平台上以数据库为基础，以生态环境评价分析模型体系为支撑 的多源信息采集、查询、更新、合成以及生态环境评价分析与管理等功能，突出 多学科信息的叠加与综合，提高生态环境评价分析效率和可靠性。 本论文分成以下几个部分： 第一章总结生态环境评价管理的内容、功能以及特点，研究生态环境评价的 现状，对相关技术进行了概述，进而提出本文的研究意义和研究内容。 第二章对生态地球化学评价系统进行认真的需求分析和功能分析，从而确定 系统的开发平台和系统的总体结构；在分析研究生态环境数据特点的基础上，确 定了系统数据的存储模式，并设计了系统数据库和模型库。 第三章在对组件技术进行深入研究的前提下，提出了一种可适用于生态地球 化学评价系统开发的组件层次模型，对系统的组件进行了选形和划分，并给出了 具体的系统解决方案，进而遵照该方案，采用组件技术对系统主要功能模块进行 设计和开发。 第四章研究了系统的关键技术，包括系统交互界面设计技术、系统与g i s 组 件的集成技术、模型评价的可视化实现技术、系统开发过程中的重用技术。 第五章以长株潭地区土壤环境现状评价为例介绍了系统在长株潭地区生态 地球化学评价项目中的具体应用，并基于此应用，得出了当前长株潭地区生态地 球化学土壤的环境现状结论，为相关部门提供决策依据。 最后，总结了本文的主要工作，并指出了论文的不足和下一步所要做的工作。 7 硕士学位论文第二章生态评价系统的总体设计 第二章生态评价系统的总体设计 2 1 系统的需求分析 本系统是根据“长株潭地区生态地球化学评价项目”的实际需求，结合生态 地球化学评价的实际内容和特点，进行研究与开发的。旨在对长株潭三地海量的 空间数据和采样数据进行自动化管理，按照生态地球化学评价中常用的模型构建 系统模型库，对采样数据按指定的模型进行评价分析，得到分析结果、制作结果 专题地图等，实现对长株潭地区生态环境监测项目的科学和信息化管理，为研究 人员提供准确和可视化的结果数据，为相关部门提供决策支持。考虑到为了使系 统以后便于扩展和复用，在综合了与用户进行多次交流后得到的反馈信息之后， 最终研究分析确定系统的主要需求为： ( 1 ) 对与采样点相关的空间数据、属性数据、以及采样原始文档、项目文档、 结果数据进行良好的组织和管理； ( 2 ) 具有g i s 的常规功能，能实现地图的浏览、放大、缩小、鹰跟等功能； ( 3 ) 能够将空间数据和属性数据进行关联，实现由空间数据到属性数据以及 由属性数据到空间数据的查询、更新功能； ( 4 ) 建立包含一定数量的常用生态评价模型的系统模型库，能够对采样数据 进行评价和预测，并能将评价结果可视化显示和输出； ( 5 ) 所有的监测数据和评价结果都要存入系统数据库，系统要有评价标准库， 且提供功能完善的数据输入输出接口； ( 6 ) 实现对评价结果的多种形式的输出，如文本文件、图表、专题图输出等。 2 2 系统的功能分析 在对系统做了详细的需求分析之后，确定本系统应实现以下功能： 1 数据管理功能 环境评价过程中涉及到大量的空间数据、采样数据、国家标准、评价结果数 据。数据管理主要实现对系统原始数据的管理以及对数据库的各种操作，实现各 功能模块所需数据的互相通信。 ( 1 ) 数据表的添加与删除。能够对采样数据新建表，提供手工录入功能，对 不再需要的评价结果数据表进行删除，能对数据表中的记录进行修改和更新。 ( 2 ) 外部数据导入和内部数据导出。能够将外部的采样数据文件，包含 e x c e l 和a c c e s s 文件的数据导入为系统内部数据，以及将内部的评价结果数 据导出为e x c e l 、a c c e s s 和文本文件格式的数据文件。 硕士学位论文第二章生态评价系统的总体设计 ( 3 ) 数据关联。根据实际需要动态建立空间数据与属性数据之间的关联，实 现由图形到属性或由属性到图形的相互查询；根据这种关联，能够方便地对评价 结果制作专题图和等值线图。 ( 4 ) 图文互访。用鼠标单击图层上的地理元素，可显示其属性信息；提供属 性数据的模糊查询、条件组合查询功能来查找地图对象，能高亮度显示查询结果。 2 模型评价功能 模型评价功能要完成对采样数据中土壤、地表水、重金属污染的应用模型评 价分析，能够由用户根据需要选择不同模型、不同标准、不同参数进行分析。 ( 1 ) 模型参数设置。能够提供用户界面，让用户配置包括评价标准、模型种 类、模型参数等信息。 ( 2 ) 模型库与属性数据库的接口设置。提供接口配置界面，让模型评价时由 系统自动从数据库中读取评价时所需的国家标准值，以及评价完成后，将缓存中 的评价结果数据自动存入系统结果数据表中。 ( 3 ) 模型库与空间数据库的接口设置。提供接口配置界面，模型评价后得出 的评价结果数据传递给g i s 组件进行专题图的制作，形成专题图层叠加到地理底 图上，并且能将结果专题图层存于系统空间数据库中。 3 可视化分析功能 能够将评价所得的数据结果以专题图、等值线或饼图等可视化形式输出到用 户界面。 ( 1 1 制作专题图。允许用户在地图上给不同区域分配专题属性值，并且能将 评价后得到的数据结果以不同方法加以显示，包括范围值、等级符号、独立值、 点密度等形式，形成的专题图层能够导入系统空间数据库，以便后续使用。 ( 2 ) 绘制等值线。根据评价结果，由用户选择不同的跨度绘制等值线，绘制 的等值线能以图层的形式导入系统空间数据库。 ( 3 ) 生成饼图。对于污染等级区域评价要求能生成饼图进行污染面积统计。 生成的饼图能由打印输出模块直接打印输出。 4 其它功能 ( 1 ) 模型的维护和升级。实现对各种模型的统一管理，能够方便地根据不同 时期的应用需要对系统模型库进行的维护和升级，比如将不适用时代发展需要的 应用模型删除出库，或者添加新的、更复杂的模型入库等。 ( 2 ) 工程的管理。系统以工程为单位管理每次评价所需的原始数据和结果数 据。每一次新的评价活动，系统为用户创建一个工程并自动生成一个工程文件夹， 将地图数据、采样数据、资料数据分别存入其中，便于用户的查询和使用。 9 硕士学位论文第二章生态评价系统的总体设计 ( 3 ) 打印输出。对评价前的原始文档或评价过程中产生的图表和文本文件提 供打印输出功能。 根据前面的系统需求分析和功能分析，规划出系统的功能结构框图如图2 1 。 2 3 系统的开发平台 图2 - 1 系统功能结构图 本系统选择v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 n e t 为基础开发平台，利用m a p x 组件提供 的空间分析功能实现对地图的管理和操作，以及利用m a t l a b 提供的科学计算功 能实现对数据的运算和将模型开发成c o m 组件，编程语言选择c # n e t ，充分 利用n e t 提供的数据库操作组件a d o n e t ，实现对数据库、模型库的连接及其 与g i s 组件的集成。系统开发过程中，充分利用了w i n d o w s 友好的图形界面及 其a p i 资源函数和m a p l n f o 二次开发函数( a p d 及其基本功能。 ( 1 ) 系统的软件开发环境配置如下： 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 开发平台：v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 n e t 系统编程语言：c 撑n e t 数据访问操作组件：a d o n e t