（计算机应用技术专业论文）基于组件的国家级农情遥感监测信息系统的研究.pdf

摘要 国家级农情遥感监测信息系统是地理信息系统以及遥感技术应用于农业的典型例子， 该研究旨在充分利用国内外已有的遥感监测模型技术成果，通过对新型遥感技术的实用化开 发和综合应用，解决系统集成过程中的关键技术问题，建立一个具有快速、准确、综合集成 特点的、适合我国国情、可用于业务化运行的农情遥感监测信息系统，用以实现全国主要农 作物( 冬小麦、玉米、水稻、棉花、大豆) 播种面积、跃势、灾情、产最等动态监测和预报。 通过技术探索，本文采用了组件式地理信息系统开发技术。以该技术为基础本文对f 面几个内容进行了着重的研究：( 1 ) 设计适应我国农业业务化运行需要的农情遥感监测信息 系统；( 2 1 实现部分遥感监测模型的组件化开发，包括影像抽样外推模型，地面调查模型；( 3 ) 实现对多种格式的空间数据和属性数据的集成操作；( 4 ) 探索海量农情背景数据库的建立管 理方案。 通过研究和实践，本文完成了上述的研究内容。在系统的实现上，采用组件技术，根据 组件间低耦合、组件内高内聚这一组件划分原则，把系统划分为若干个功能独立的组件，在 完成组件的研究开发的基础上，通过调用这些组件，能够方便快速的支持系统集成，并使系 统具有良好的可扩展性和可维护性。在对农情背景数据库的管理方面，系统实现了空间数据 库管理方案，采用g e o d a t a b a s e 空间数据模型的方式实现对海量空间数据的管理。 关键字：组件；地理信息系统；集成开发 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n go fn a t i o n a li n t e g r a t i o ns y s t e mo fm o n i t o r i n ga g r i c u l t u r ew i t hr e m o t e s e n s i n gi sat y p i c a le x a m p l eo fa p p l i c a t i o ni na g r i c u l t u r eb yg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n d r e m o t es e n s i n g t h em a i np u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi sb u i l d i n gaf a s ta n de x a c ti n t e g r a t i o ns y s t e m w h i c hw i l lp r o v i d ed y n a m i cm o n i t o ra n df o r e c a s to ft h em a i nc r o p s ( s u c ha sw i n t e rw h e a t , c o l l l ， r i c e ，c o t t o na n db e a n ) p l a n t i n ga r e a ，g r o w i n gw a ya n ds oo nw i t hg o o du s eo fa c t u a lr e m o t e s e n s i n gm o n i t o r i n gm o d e l s ，a n dd u r i n g t h ed e v e l o p i n g , w eh a v et os o l v em a n yt e c h n i c a l p r o b l e m s a f t e rr e s e a r c ht h et e c h n i q u e s ，w et a k ec o m g i sa st h em a i nd e v e l o p i n gm e t h o d t h e p a p e r s m a i n l yc o n t e n t s ：( 1 ) d e s i g nam o n i t o r i n ga g r i c u l t u r es y s t e mw i t hr e m o t es e n s i n gw h i c hc a n a p p l yf o rp r a c t i c a lu s e ；( 2 ) i m p l e m e n ts o m em o d e l st oc o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gs a m p l i n ga n d e x t r a p o l a t eo fc r o p s p l a n t i n ga r e a ；( 3 ) i n t e g r a t i n gt h em a n a g eo fm a n yk i n d so fd a t a ；( 4 ) e x p l o r i n gt h em e t h o dt om a n a g ea g r i c u l t u r ed a t aw h i c hi sl a r g ei nn u m b e r o nt h eb a s i so fr e s e a r c ha n dp r a c t i c e ，w eh a v ec o m p l e t e dt h er e s e a r c ho nt h ea b o v ec o n t e n t s w et a k ec o m t e c h n o l o g yt od e v e l o pt h es y s t e m a c c o r d i n gt h ep r i n c i p l eo fd i v i d i n gc o m p o n e n t s ， w h i c hi sw e a kc o u p l i n gb e t w e e nc o m p o n e n t sa n ds t r o n gc o h e s i o nw i t h i nac o m p o n e n t ，w ed i v i d e t h es y s t e mi n t om a n yc o m p o n e n t s a n dt h e s ec o m p o n e n t si n t e g r a t et h es y s t e m s u c hm a n n e r m a k e st h es y s t e mg o o de x p a n d a b l ea n dm a i n t e n a n c e o nt h es i d eo fm a n a g i n ga g r i c u l t u r ed a t a ， w em a k eu s eo f g e o d a t a b a s et e c h n o l o g yt om a n a g et h el a r g en u m b e ro f s p a t i a ld a t a k e y w o r d s ：c o m p o n e n t ；g i s ；i n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n t 独创性声明 y 9 3 86 6 2 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 瓠诱暂 时间：力韶年月r p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 拖萜蕾 导师签名：莎 彳c 时间：优彩年月乒日 时间：沙易年易月吁日 z砑、 中国农业大学硕士学位论文第一章引言 1 1 研究背景和意义 1 1 1 地理信息系统发展概述 第一章引言 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ，简称g 1 s ) 是一种集采集、处理、传输、 存储、管理、查询、检索、分析、表达和输出地理信息为一体的计算机系统1 1 j 。地理信息系 统经历了从简单到复杂、从提供单一功能到提供多种功能的逐渐成熟完善的发展过程。传统 地理信息系统大多是基于十几年前或者是更早以前的技术体系设计和开发的，在信息技术快 速更新换代的情况下，它们将会不适应当前的技术发展现状，从而限制了g i s 软件的发展和 应用。同时，信息技术的高速发展，例如面向对象技术、组件技术、分布式技术等，也促进 了g i s 软件的改革，在当前技术环境下，出现了组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，简称c o m g i s ) 和万维网g i s ( 简称w e b g l s ) 。组件式g i s 不是对g i s 的简单改进，而是一种全新的g i s 软件体 系结构。目前国内外许多公司和机构都在从事组件g i s 的研究，井推出相应的产品。组件式 g i s 代表着当今g i s 发展的潮流。 地理信息系统以其强大的空间数据处理分析和地图可视化功能受到了各个部门的青睐， 目前止广泛应用于土地利用、国土整治、城市规划、交通指挥、水利水电、测绘、环境保护 等部门1 2 】。随着地理信息系统的发展，各部门对地理信息系统深入应用的同时，要求建立适 合自己部门、行业特点的地理信息系统的趋势也越来越强烈。因此，开发兼具通用地理信息 系统功能和专业应用功能的信息系统在地理信息系统的应用中已占了相当大的比重，逐渐引 起各方面的重视。 在我国，地理信息系统经过3 0 多年的发展，已逐渐渗透到各行各业，成为信息产业的重要 组成部分。尤其是“数字地球”概念的提出，g i s 更是有了用武之地。g i s 已经逐步应用到农 业、林业、城市管理、电子政务等多个领域。在市场需求和软件技术发展潮流的推动卜- ， g i s 在农业中的麻用，例如在精准农业、十坡调查和监测评价等方面，正在快速的发展，并 逐渐向业务化应爿j 方面迈进。 1 1 2 农情遥感监测的发展背景 我国是一个农产品生产大国、消费大国和贸易大国。农作物长势与产量是国民经济发 展的基础信息，以科学、准确的农情信息辅助农业生产管理与决策，不仅关系到我国农业生 产的健康发展、农民收入的提高、农村的可持续发展、国家和区域社会经济发展规划以及农 产品进出口计划的制定，而且关系到我国的粮食安全及社会可持续发展等重大战略性关键问 题。与计划经济时代相比，我国农业生产已经发生深刻变化，如农业生产逐步走向市场化， 中国农业大学硕士学位论文 第一章弓l 言 即以市场需求来决定农业生产，因此农作物播种面积有较大的年闻变化波动；农业土地利用 出现多元化与多样化的趋势；而且，农作物产量、草地生产力及畜牧业生产等也因农业生产 条件、品种和管理措施等的不同而具有差异，农业生产环境，如气温、降水、墒情等都有较 大空间差异和时间变化。另一方面，现代化农业生产管理需要快速准确地掌握上述农情信息， 以制定科学合理的农业生产管理措施及相关农业政策，农业生产管理与决策对快速信息获取 与信息服务有强烈的业务需求。农情遥感监测的i t 的就是要获取上述的各种农情信息。农情 遥感监测是利用遥感技术为主的空间信息技术对农业生产过程的动态监控，包括对主要粮食 作物的种植面积、作物布局、作物长势、农业灾害发生与发展、作物产量等生长过程进行系 统监控【3 】。我国主要的粮食品种包括大豆、小麦、棉花、水稻与玉米等。粮食主产区的监 测必须采用遥感技术才能迅速获取信息，因其时效高、范围大、客观准确等优势是常规监测 手段无法比拟的。农情信息在粮食期货市场、对外贸易等事务中也正产生重要影响，甚至左 右农产品市场。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外农情遥感监测信息系统的应用开发现状 农情遥感监测信息集成系统就是把各种主要粮食作物的面积监测、长势监测、灾害监 测、估产等遥感监测模型进行信息集成化，并对遥感监测中的影像数据、作物信息等基础数 据进行管理的信息系统。 到目前为止，国外已经有多个农情遥感监测信息系统的应用实例，并且部分已达到相当 高的水平，能够准确监测全球作物长势并预测产量，为国际农产品市场提供服务。 最早的农情遥感监测工作是美国的“大面积农作物估产实验”计划，是农情遥感监测的 里程碑。从1 9 7 4 1 9 7 7 年，美国农业部( u s d a ) 、国家海洋大气管理局( n o a a ) 、宇航局 ( n a s a ) 和商业部合作主持了“大面积农作物估产实验( 1 a r g ea r e ac r o pi n v e n t o r ya n d e x p e r i m e n t ，简称l a c i e ) ”项目1 4 1 ，该项目分三个阶段进行，第一阶段对美国大平原9 个 小麦生产州的小麦种植面积、单产和产量做出估算；第二阶段，对包括美国本土、加拿大和 前苏联部分地区小麦种植面积、单产和产量做出估算；第三阶段是对世界其他地区小麦种植 面积、总产鼍进行估算。 在l a c i e 计划以后，从1 9 8 6 年开始，美国农业部等部门又联合开展了农业和资源的空间 遥感调查计划( 简称, a g r i s t a r s ) i s ，它主要包括灾害早期预警、作物状况评价、国外8 种农产品产量预报、作物单产模型发展、作物波谱特性及技术手段支持研究、土壤湿度测量、 本国作物和土壤覆盖分类与面积估算、再生资源清查以及水土保持与污染影响评价等内容。 此计划成功地将面积抽样框架技术( a r e as a m p l i n gf r a m e ) 和遥感技术引入农作物种植面积 估测中。随后，将这种成熟的技术分别由不同的部门应用到农作物估产实践当中，如美国农 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 业统计局负责将遥感技术应用于美国国内的主要农作物估产；农业部外国农业局负责美国以 外的国家的农作物估产。继美国之后，欧盟也开始进行农业遥感监测技术的应用开发，欧盟 农业遥感监测计划( m o n i t o r i n ga g r i c u l t u r ew i t hr e m o t es e n s i n g ，简称m a r s ) 就是由欧盟第 六司( 负责欧盟农业) 于1 9 8 7 年提出的将遥感技术应用于农业统计的1 0 年研究项目。该项目 研究目的是利用遥感技术开发出能够改善欧洲共同体内部农业统计体系的新方法。这种改进 的方法将在相当犬的范围内进行实验，并成为能够实际应用的运行系统。该项目主要对农作 物种植面积清查、农作物总产量清查、农作物总产量预报这几个内容作了主要的研究，实现 了快速提供关于欧洲的农作物状况的早期统计信息，包括耕地分布，农作物产量估计等。 除上述农情监测系统以外，俄罗斯、加拿大、日本、印度、阿根廷、巴西、澳大利皿、 泰国、埃及等也相继开展了对小麦、水稻、玉米、大豆、棉花、甜菜等的遥感估产研究，取 得了可喜的进展坤j 。它们不仅发展了不同的单产模型，特别是遥感估产研究，而且还采用了 不同的遥感资料估算作物的种植面积。如澳大利亚用陆地卫星m s s 数据对新南威尔士的莫著 毕季区双季稻种植面积的估算，精度达到9 8 。 1 2 2 国内农情遥感监测信息系统的应用开发现状 在农情遥感监测信息系统的研究方面，我国已经有了2 0 多年的研究历史，并已取得了 一些不错的研究成果。从1 9 8 4 年开始，国家气象局组织北方1 1 省、市开展冬小麦气象卫 星遥感综合测产技术研究，开创了国内以应用气象卫星为主的大面积遥感综合估产的先例 j 。该计划发展了气象卫星遥感估产信息的提取、加工和处理技术，组建了全国冬小麦遥 感综合测产地面监测系统，开展了气象卫星大面积监测冬小麦长势的方法和技术研究，研制 了n o a a a v h r r 数字图像解译技术、遥感估产方法和遥感辅助估产模式，建立了不同类型的 气象卫星遥感面积测算与估产方法。但该计划没有进行农作物面积的遥感监测。 在国家“八五”攻关项目“重点产粮区主要农作物遥感估产”中，中国科学院地理所、 遥感所等单位主持了中国科学院农作物遥感监测计划，该计划以遥感信息估测作物播种面 积、长势监测、单产估算的技术流程为线索，融遥感技术、地理信息系统技术、全球定位技 术为一体，结合地面采样实测和历史状况分析研究了农作物遥感估产的基本理论和技术方 法。重点研究了小麦、玉米和水稻大范围遥感估产的机理和方法，包括估产区划、地面采样 点布设技术、利用t m 提取面积，在g i s 支持下，t m 和n o a a 资料结合提取面积的基本方法和 流程，以及作物在一个生育期内所进行的长势动态监测及预报、墒情和苗情的监控，遥感估 产综合模型的研制等。另外该计划还研制了在g i s 技术支持卜的大面积多品种遥感动态监 测和估产综合集成系统，包括遥感图像处理系统、估产背景数据库、估产模型系统及模型自 动生成工具库系统、综合集成软件系统等，有机地将异机平台的系统综合集成一个平台上实 现大面积估产运行。应该说该计划首次在国内进行了大面积、多作物的遥感估产运行系统的 全面探索，为作物遥感估产业务运行打下了一个坚实的基础。但在某些估产关键技术、运行 成本、时效性和监测精度方面与业务运行方面还存在一定的距离。 中国农业大学硕士学位论文第一章引言 从1 9 9 8 年开始，全国农业资源区划办公室( 农业部发展计划司) 为及时了解和掌握每年全 国农作物实际生长情况，实施了一项“全国农作物业务遥感估产”项目。该项目以业务化农 作物遥感监测为目标，利用3 s 技术，发展一套适合中国国情的农作物遥感监测系统。监测 的主要对象是冬小麦、玉米和棉花，并逐步扩大到水稻和大豆等作物。其技术思路是通过采 用遥感和地理信息系统手段，动态监测每年农作物生长状况，准确了解农作物播种面积变化 率，并对农作物单产变化率和总产变化率进行准确估测。该项目的成功实施，对每年农作物 播种面积变化( 与上年相比) 、农作物单产变化预测、农作物总产变化估测等有了一个准确了 解和预测。为农业部及时、准确了解每年全国农作物生产状况提供一个比较准确的信息源。 国内除上述农情遥感监测计划以外，科学家们从2 0 世纪7 0 年代末就在不同方面和层次上 开始了农情遥感监测的机理和方法研究。如中科院等单位对农作物的光谱特性、绿度指数、 作物长势及其和作物产量之间的关系、热红外和微波监测十壤水分等方面进行了研究，对陆 地卫星图像数据辅以航空遥感和地面采样进行大范围农田耕地面积计算的问题开展了试验 研究。农业部及所属单位开展了全国3 0 0 个县的农业资源动态监测及三省两市小麦估产工作。 8 0 年代末北京大学和江苏省农科院等单位开展了气象卫星和地面调查相结合的河南省小麦 和江苏省水稻等的遥感估产机理研究丁作。江苏省农科院研制成功水稻、小麦、棉花和玉米 栽培计算机模拟优化决策系统等。 1 2 3 目前存在的问题 经过多年的研究与试验，农情遥感监测模型的应用经历了从单一作物到多种作物、从定 性到定量、从试验研究到业务化运行的发展过程，在估产机理、技术方法及大范围试运行等 方面均取得了很大的进展。但还存在不少问题，影响了农情遥感监测模型在农业生产中的实 际应用。 ( 1 )开发平台种类繁多，数据格式不一致 在已建立的农情遥感监测系统中自行开发的平台很少，大多是利用商业的专业g i s 平 台。遥感监测模型的应用涉及到对多个专业软件的操作，操作过程过于复杂，掌握较困难， 不利丁- 大范围的推广和应用。同时，由于不同专业软件在数据格式、信息处理的机制上存在 很大的差别，致使各个遥感监测系统之间的交流和数据共享存在很大困难，不利于信息的管 理和共享。 ( 2 ) 单一领域的研究较多，在集成方面的研究还较少 对我国现有的农情遥感监测系统而言，绝大多数都是针对某一领域的遥感监测分析，如 旱情，冬小麦估产，水稻估产等，例如2 0 0 4 年刚通过验收的水利部遥感技术应用中心承担的 旱情遥感监测的业务化运行系统。这些系统只能针对特定的情况进行监测分析，在条件发生 变化时，系统就不能应用或是没有好的效果，使用起来也会比较困难，不利于业务化运行推 广。同时，对单一模型的开发通常采用专业g i s 软件提供的简单二次开发宏语言，例如a r c v i e w 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 的a v e n u e 语言，这些宏语言通常只能提供基于本软件功能范围内的简单编程功能，不能很好 的支持遥感监测模型中的复杂算法和操作过程的实现，从而阻碍了遥感监测模型的开发和应 用。 ( 3 ) 多源数据集成不够，数据库不够完善，影响了农情遥感监测精度 农情遥感监测精度是农情遥感监测结果是否可信的关键问题。理论上讲，单纯从遥感图 像上分类识别农作物的精度只能达n 7 0 - - 8 0 的精度，通过辅助相关背景数据，如作物物 候、土地、地形、气候和历史数据等，可以使监测精度提高到9 0 以上p j 。产生农情遥感监 测的误差有多个因素，包括遥感数据本身带来的误差，分类识别解译过程中产生的误差等。 因此，提高监测精度也应该从多个方面进行。其中重要的一个方面就是应尽可能采用目前可 用的遥感信息源，从低空间分辨率到高空间分辨率、从多光谱到高光谱、从光学到雷达，通 过多源信息的融合和相互验证来提高精度。另外一个不容忽视的方面是加强农情背景数据库 的建设，有强大的农情背景数据的支持，对监测精度就能起到很好的指导作用。然而，目前 遥感监测模型的背景数据源已经有了很大的积累，但是较为分散，没有建立统一的数据库进 行管理。要建立这样的农情背景数据库，需要解决多种数据格式的集成以及海量数据库的管 理这样两个难题。 针对这些问题，本文对各种解决方案进行了研究和探索，最终提出一套切实可行的技术 路线。针对第一个问题，即开发平台种类繁多，不利于系统的推广和共享，经过对目前的信 息系统开发技术的分析和比较，我们发现组件式地理信息系统开发方式正好能够使问题迎刃 而解，具体的原理将在第二章中重点阐述；第二个问题的解决方案主要在系统的实现和应用 方面，要打破单一性，使系统具有较好的推广性，可以采用制作行业性组件的思路，并把多 个行业功能组件集成到一个应用系统中，可装可卸，方便了各个遥感监测模型的集成，实现 了多种遥感监测模型在同一系统中运行的目的。针对第三个问题的解决，其中一个关键点就 是建立统一的农情背景数据库，根据农情背景数据库格式多样、空间数据和属性数据并存的 特点，我们采用空间数据模型g e o d a t a b a s e 技术来建立空间数据库，并对这些数据进行统一 的管理，在第二章中将对这一技术进行详细的介绍。 1 3 论文的主要研究内容和组织 1 3 1 论文的主要研究内容 本文采用理论和实践相结合的方法，以国家8 6 3 计划“国家级农情遥感监测与信息服务 系统”项目为依托，在理论研究和充分调研实践的基础上，运用组件技术和组件式地理信息 系统开发技术，在可视化开发工具v i s u a lb a s i c6 0 下进行开发，实现一个面向农业部需求的 国家级农情遥感监测与信息服务系统。 5 中国农业大学硕士学位论文第一章引言 该研究的目标旨在充分利用国内外已有的遥感监测模型技术成果，通过对新型遥感技术 的实用化开发和综合应用，解决系统集成过程中的关键技术问题，建立一个具有快速、准确、 综合集成特点的、适合我国国情、可用于业务化运行的农情遥感监测系统，用以实现全国主 要农作物( 冬小麦、玉米、水稻、棉花、大豆) 播种面积、长势、灾情、产量和草地生产力 的动态监测和预报，并形成业务化运行能力和多层次信息服务能力。 根据研究目标，本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 设计适应我国农业业务化运行需要的农情遥感监测信息系统。作为地理信息系统， 该系统首先要具有g i s 的一般功能，在本文中主要研究如何用组件的方式实现这些功能，包 括在图层分层显示和控制上，显示各种动态信息和静态信息，显示栅格图像，实现对任意图 层的控制显示( 可显示、可选择、可编辑等) ，并可以按照视野范围显示不同的图层；在地 理信息查询上，系统提供对图形信息和属性信息的多种双向查询方式，并可对查询信息形成 文件或打印输出；以及地理信息维护，图形打印输出等基本功能。 ( 2 ) 实现部分遥感监测模型的组件化开发，包括影像抽样外推模型，地面调查模型等， 同时提供对其它以组件形式提供的遥感监测模型的扩展接口。 ( 3 ) 实现对多种格式的空间数据和属性数据的集成操作。 ( 4 ) 探索海量农情背景数据库的建立管理方案。 1 3 2 论文的组织方式 论文按照如下方式组织：第一章绪论介绍了论文的研究意义与背景、国内外现状及存在 问题、论文研究的主要内容以及主要创新点；第二章系统关键技术的研究，着重介绍了本文 用到的组件技术、组件式g i s 、空间数据库等主要技术的相关理论和发展介绍；第三章主要 介绍了国家级农情遥感监测信息集成系统的框架以及各个主要模块的详细设计；第四章介绍 了国家级农情遥感监测信息集成系统的应用实例；最后一章是对研究工作做出总结，并对未 来的工作进行展望。 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统关键技术的研究 第二章系统关键技术的研究 2 1 国家级农情遥感监测信息系统的概述 国家级农情遥感监测信息系统是利用遥感技术和地理信息系统技术，对农情数据进行分 析处理的信息系统，是应用于农业的典型的应用型地理信息系统。 首先，它具有地理信息系统的特点，能以电子地图的形式，直观地表现背景地物信息， 并支持图文互查、综合分析等。地理信息系统在分析处理问题中同时使用了空间数据与属性 数据，并通过空间数据库管理系统使二者有机地结合起来达到共同管理、分析和应用的目的， 使系统具有强大的空间数据管理功能，支持对空间数据的操作，包括数据可视化、空间查询、 检索、空间分析等。 其次，作为应用型地理信息系统，国家级农情遥感监测信息系统是应用在农情遥感监测 方面的信息服务系统，它专业性较强，主要体现在农情检测实现模型上，例如需要提供影像 抽样外推模型、地面调查模型、旱灾监测模型等。另外，根据实际应用的需求，系统还应该 达到下面的目标：支持多源数据，支持海量数据，支持扩展模块等。 最后，该系统又是遥感和地理信息系统相结合的产物，在系统集成技术方面具有其特殊 需求。需要提供对多种遥感影像数据的可视化操作，以及与专业遥感处理模型相融合的接口 等。 针对以上国家级农情遥感监测信息系统所体现的特点，本文进行了相应的研究，并提出 了可行性实现方案：在功能开发方面，采用组件式g i s 开发方式，基于功能强大的a r c o b j e c t s 组件库进行独立二次开发；在数据库建立方面，通过对各种数据模型的研究比较，选择 g e o d a t a b a s e 空间数据模型，建立海量空间数据库，提供对多种数据格式的支持；在扩展方 面，采用组件重构等技术进行扩展，提供外部连接接口。下面对其中的关键技术进行详细探 讨。 2 2 组件式g l s 开发技术研究 2 2 1 组件技术概述 随着计算机技术的飞速发展，计算机软件功能不断增大，综合处理能力不断增强，软件 开发者和用户在软件开发领域中遭遇到了一系列令人棘手的问题，如软件研制周期过长，开 发和维护管理费用过高：软件系统过于复杂，大多数功能不能灵活地装卸、单独升级或重复 利用，难以扩展；应用程序不易集成，各模块间缺乏协同工作的能力等。 为了克服上述问题，人们经过不懈的尝试与探索，发现组件技术能够担此重任，软件组 件化正是为了解决上述问题而提出的。 组件是一段被封装、可被其他代码使用( 可复用) 的二进制代码 8 1 。组件的本质属性 是：首先，组件是可独立配置的软件单元，可以进行独立设计、独立开发、独立测试、独立 发布；其次，组件具有严格的封装性，强调和其他组件的分离，外部没有机会也没有必要知 道组件内部的实现细节，组件内部强调强内聚、组件之间追求松耦合；最后，组件具有语言 无关性，只要提供了清楚的接口规范，基于不同语言设计的组件可以在不同语言环境下被重 复使用，例如使用v i s u a lb a s i c 设计的组件，可以在v i s u a lc + + 中调用。总之，组件技术对 软件开发有着深远的影响，增加了软件的可重用性和语言无关性，提高了软件开发的效率， 降低了软件开发的成本，减少了维护工作的负担。 目前，市场上比较流行的组件规范和模型主要有以下三种：c o m d ) c o m 、c o r b a 、 j a v a b e a n 。从技术成熟性上看，c o m 技术最初是用来代替d d e ( 动态数据交换) 作为o l e 底层技术，经过多年实践证明，c o m 技术是成熟有效的；另外，c o m 是在微软操作系统 下实现的，由于微机操作系统在当前所占比例最高，使用人数最多，使得c o m 逐渐赢得了 多数程序员的偏爱p j 。本文也将采用c o m 技术作为系统开发的关键技术。 c o m 是c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 的缩写，即组件对象模型，是微软公司于1 9 9 3 年制定 并颁布，为促进软件交互使用设计，允许两个以上的应用程序或组件方便地进行协同工作的 一种不依赖于任何编程语言的组件对象模型。c o m 是o l e ( o b j e c t l i n k i n g e m b e d d i n g ) 和 a c t i v e x 共同的基础，其作用是使各种对象之间能够用一种统一的标准方式进行交互。c o m 不是一种面向对象语言，而是一种与源代码无关的二进制标准。c o m 所建立的是多个软件 模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接1 2 ”的机制来进行 通信，我们称之为c o m 接口。c o m 接1 2 是组件问进行通信的关键，同一软件中的组件必 须使用同样的接口标准。 c o m 组件是提供c o m 对象的载体，一个组件包含一个或多个组件对象。c o m 对象是 c o m 类的实例，每个c o m 对象包含一个或多个接口，每个接口又由一组相关的属性和方 法组成。c o m 组件，对象，接口之间的关系如图2 - 1 所示。 c o l d 蛆件 田甲 接c i l 接口2接口3 图2 - 1c 0 1 d 组件对教接口之间的关系 为了在应用程序中方便地使用，每个接口都有两个名字，供程序员使用的名称是一串字符， 它必须保证在一个程序中的唯一性。供软件使用的名称是一个1 2 8 位的整数，它必须保证全 球唯一性，也就是说，在任何情况f ，两个不同的接口有不同的标识码，称为全球唯一标识 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统关键技术的研究 码( g l o b a l u n i q u e i d e n t i f i e r ，简称g u i d ) 。g u i d 来源于o s f 为分布式计算环境( d c e ) 而 定义的“宇宙唯一标识码( u u i d ) ”，g u i d 可以看作是u u i d 的一个别名。生成g u i d 的方 法可以确保g u i d 在时间上和空间上的唯一性，并且在可以预见的将来不会被用尽。g u i d 可以在程序的运行过程中实时产生( 通过调用c o m d c o m 库提供的a p i 函数 c o c r e a t e g u i d ) ，也可以使用专用的工具( 如g u i d g e n e x e ) 事先生成，通常人们都会用后 一种方法。除了接口之外，c o m d c o m 对象类也必须用g u l l ) 来识别，以保证其唯一性。 在w i n d o w s 系统中，用于标识对象类的称为c l s i d ，用于标识接口的称为l i d 。 c o m d c o m 中最重要也是最基本的接口就是i u n k n o w n 接口。任何一个c o m d c o m 对象都必须支持i u n k n o w n 接口，并且任何其他接口都必须继承于i u n k n o w n 接口。l u n k n o w n 接口由三部分组成：q u e r y i n t e r f a c e 、a d d r e f 和r e l e a s e 。i u n k n o w n 接口的存在主要是为了 解决c o m d c o m 对象使用过程中的两个关键问题：一个是接口查询，另一个是生命周期 控制。 如前所述，一个c o m d c o m 对象可以支持多个接口，对象的客户在产生该对象时通 常得到对象的第一指针，客户可以通过i u n k n o w n ：o u e r y i n t e r f a c e 来询问对象是否支持某一 接口，客户给q u e r y i n t e r f a c e 指明所要查询接口的l i d ，如果对象支持该接口，则客户得到 该接口的指针，否则客户得到一个空指针n u l l 。生命周期控制是针对对象开始运行后，何 时可以结束的问题，解决该问题的办法是由对象自身来控制自己的生命周期，也就是说对象 自己跟踪有多少客户使用它，当没有用户使用它时，它即刻停止自己的运行。对象跟踪自己 用户的技术称为参考计数，由i u n k n o w n 的a d d r e f 和r e l e a s e 方法来实现。 c o m 的好处显而易见。c o m 接口定义与实现是分离的，自某一接口发布之后，其定 义和功能将保持不变。c o m 组件开发者可以改变接口功能的实现方式，也可以发布具有新 功能的接口，还可以用更好的对象来代替原有对象，而建立在组件基础上的应用程序几乎不 用修改，这些大大提高了代码的重用性。同时，c o m 可以用多种语言进行开发，并与现有 的开发工具兼容，支持多种网络传输协议，具有较强的安全性能，而且c o m 作为微软操作 系统的构成元件，普遍存在于所有微软系列产品之中，有成熟的规范和众多的实例可以参考， 有益于推广和应用。 ( 1 ) a c t i v e x c o m 组件有多种表现形式，包括a c t i v e x 控件，a c t i v e xd l l ，a c t i v e xe x e 。 a c t i v e x 是1 9 9 6 年微软推出的o l e 扩充规范，建立在c o m 基础上，能提供一种与操作系 统平台无关、与机器平台无关，并且可以在应用程序之间互相访问对象的一种机制，是微软 的分布式计算平台的接e l 标准。到目前为l p ，w i n d o w s 平台上的a c f i v e x 技术已较为成熟， 包括a c t i v e x 控件、a c t i v e x 文档、a c t i v e x 脚本和a c t i v e x 服务器体系结构等几部分。任何 支持a c t i v e x 的开发环境都可以使用a c t i v e x 控件。 a c t i v e xd l l ，o a c t i v e x 动态链接库，是进程内进行通信的组件，它由接口提供应用 程序之间的通信，其接口由属性、方法和事件组成。当客户调用进程内组件的方法时，进程 内组件和客户程序在同一进程地址空间内，客户程序得到的接口指针直接指向组件的 v t a b l e ，提高了组件的执行效率。进程内组件引出4 个函数：d l l g e t c l a s s o b j e c t ， d l l r e g i s t e r s e r v e r ，d l l u n r e g i s t e r s e r v e r ，d l l c a n u n l o a d n o w 。d l l g e t c l a s s o b j e c t ) 羽创建类厂 对象；d l l r e g i s t e r s e l v e 用t 在注册表注册组件，由r e g s v r 3 2 e x e 调用；d l l u n r e g i s t e r s e r v e r 用于取消注册，f l j r e g s v r 3 2 e x e 调用；d l l c a n u n l o a d n o w 用于组件的卸载，当组件的每个对 象的引用记数为。和类厂的锁记数为0 时，d l l c a n u n l o a d n o w 返回t r u e l l o j 。 a c t i v e x e x e 是进程外组件，它不能提供引出函数给其他应用程序使用，但它可以作为 一个独立的进程运行，是可执行文件。对于访问者来说，进程外组件要比进程内组件慢，因 为操作系统必须进行切换，并复制需要在客户端和服务器端应用程序之间进行传输的任何数 据。 a c t i v e x 控件是对o l e 控件概念的扩充，它是一种可编程、可重用的c o m 对象，不仅 可以用在一般的a c t i v e x 容器程序( 比如v i s u a lb a s i c 等) 中，而且可以用在 n t e m e t 的w e b 页面中，w e b 页面中的控件通过脚本互相通信。a c t i v e x 控件通过属性、方法、事件等接口 与包容器和其他控件进行交互，不同的是，a c f i v e x 控件通常有自己的显示窗口。a c t i v e x 控件可以用于所有支持c o m 规范的容器中，或者作为i n t e m e t 控件嵌入到w e b 页面中。一 个典型的a c t i v e x 控件包括设计时的用户界面，以及各个代表控件的属性、方法和事件的接 口。从运行角度看，它就象是一个a c t i v e xd l l 。 ( 2 ) 小结 总之，c o m 作为组件标准将会随着l t 技术的发展而不断发展和完善，并与各行各业的 专业软件相结合产生专业软件，例如与g i s 相结合产生c o m g i s ，促进社会的信息化建设。 根据c o m 技术的特点，在本文的研究中，我们采用了c o m 技术来实现系统中的各个功能 组件的开发，提高了系统的开发效率、扩展性以及集成能力，使国家级农情遥感监测信息系 统具有较好的业务化运行能力。 2 2 。2 地理信息系统二次开发技术发展探讨 目前，地理信息系统已经应用到各行各业，包括农林水利、城市规划、交通管理等。应 用型地理信息系统的开发通常有两种方式：一种是从数据结构底层开始设计，用编程语言从 底层开发；另一种是使用己发布的商用专业g i s 平台。前一种开发方式难度很大，耗时耗 力，花费巨大，而且，往往由丁- 工作进度要求、人员限制等，所设计软件的效果并不理想。 相对而言，使用商用专业g i s 平台能够避免上述问题，因为，这些已发布的g i s 平台是作 为商品出现的，已经经过了很多用户的测试，软件商家也根据用户的反馈，进行了很多完善。 目前，大多数商用专业g i s 平台都支持二次开发，为了满足特定行业的特殊功能，人们可 以通过二次开发，设计生成适合本行业内使用的专用g i s 软件。 综合国内外已有的二次开发应用型地理信息系统，可以分为两种开发方式：传统的g i s 二次开发技术和组件式g i s 开发技术。本内容将对这两种开发方式进行比较。 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统关键技术的研究 ( 1 ) 传统的g l s 二次开发技术 归纳起来，基于传统g i s 二次开发软件的集成方案主要有4 种模式，如图2 2 所示： 棋6 i s 基础软件b 叶g 燃文件 梗 。n l 憾础软件“g i 滋觳件 式- 中问文件 i 式 l。 舟 。 i 应用分析梗型1 一 应用分析梗型匿j 应用梗塑文件1 一 梗 g i s 基础软件i梗 6 工s 基础软件| 叫g 工s 数据文件l t 式 6 b 式 jg 工3 数据文件 = 应用分析梗型严。 四 应用分析梗型j _ 一应用模型文件 一 图2 - 2g i s 系统传统集成方式 模式1 ：在g i s 基础软件与应用分析模型之间，通过文件存取方式建立数据交换通道。 在这种集成方式中，g i s 与应用分析模型通过中间文件格式交换数据，不适合于大量而频繁 地交换数据的情况，而且g i s 基础软件与应用分析模型相互独立，系统整合性差。 模式2 ：直接使用g i s 软件提供的二次开发语言编制应用分析模型，如e s r i 的a r c v i e w 提 供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司研制的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等等。它解 决了模式1 的缺陷，但是g i s 所提供的二次开发语言大都不能与c 、c + + 、f o r t r a n 等专业 程序设计语言相比，难以开发复杂的应用模型。 模式3 ：利用专业程序设计语言开发应用模型，并直接访问g i s 软件的内部数据结构。 应用模型开发者可以根据自己的意愿选择使用某种高级语言开发复杂的应用模型，但是直接 访问g i s 软件数据结构增加了应用开发的难度。 模式4 ：通过动态数据交换( d d e ) 建立g i s 与应用模型之间的快速通信。这是在d d e 技术 发展起来以后，对第1 种集成方式的改进，可以避免频繁的文件数据交换所带来的效率降低 的毛病，也避免了从g i s ，b 部直接访问g i s 数据结构的代价。但是，它以d d e 方式启动g i s 工 具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功 能，g i s 与应用模型仍然是分离的，这种拼接是“有缝”的。 通过分析以上四种开发模式发现，传统的g i s t s 次开发方式存在下面一些问题： 要在专fj 的g i s 开发平台上进行二次开发，只能利用该平台提供的专门开发语言， 由熟悉业务的专业人员开发。 g i s 开发中使用的二次开发语言，开发功能