GIS洪水淹沒模擬及災(zāi)害評估中的應(yīng)用

35/35GIS洪水淹沒模擬及災(zāi)害評估中的應(yīng)用導(dǎo)讀：洪水災(zāi)害是最頻發(fā)的自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟發(fā)展危害人民生命財產(chǎn)安全，破壞生態(tài)環(huán)境。近幾年來，將GIS技術(shù)與RS技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)數(shù)字高程模型DEM提供的三維數(shù)據(jù)和遙感影象數(shù)據(jù)來預(yù)測、模擬顯示洪水淹沒場景，并進(jìn)行洪水災(zāi)害評估，已成為GIS在洪水方面主要研究領(lǐng)域。1.前言洪水災(zāi)害是最頻發(fā)的自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響國民經(jīng)濟發(fā)展危害人民生命財產(chǎn)安全，破壞生態(tài)環(huán)境。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的高速發(fā)展和水利工程的增加，洪水災(zāi)害對人類的危害仍在加重。因此，快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地模擬、預(yù)測洪水淹沒范圍，對防洪減災(zāi)具有重要意義。特別是對于一些重點防洪城市和行蓄洪區(qū)，如果能夠預(yù)先獲知洪水的淹沒范圍和水深的分布情況，對于預(yù)先轉(zhuǎn)移受災(zāi)區(qū)的生命財產(chǎn)，減少損失具有非常重要的價值，而且對于洪水造成的災(zāi)害損失進(jìn)行評估也是非常有用的。近幾年來，將GIS技術(shù)與RS技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)數(shù)字高程模型DEM提供的三維數(shù)據(jù)和遙感影象數(shù)據(jù)來預(yù)測、模擬顯示洪水淹沒場景，并進(jìn)行洪水災(zāi)害評估，已成為GIS在洪水方面主要研究領(lǐng)域。本研究以數(shù)字高程模型DEM和RS影象為基礎(chǔ)，運用GIS的空間分析功能，研究試驗區(qū)洪水河流域的洪水淹沒情況。2.研究區(qū)域及數(shù)據(jù)簡介2.1研究區(qū)域地理概括紅水河是珠江流域西江水系的中上游河段，發(fā)源于云南省沾益縣馬雄山，流經(jīng)滇、黔、桂三?。▍^(qū)），上游主流稱南盤江，流至庶香雙江口與北盤江匯合后稱紅水河，到廣西三江口與柳江相匯合后稱黔江。紅水河流域位于東經(jīng)102°20′-109°30′，北緯23°04′-26°50′之間，流域四周為群山環(huán)繞，整個地勢自西北向東南傾斜，平均海拔高程1450m。本次實驗重點研究范圍為紅水河流域中的整個龍灘流域及其六個子流域（甲板、平臘、八茂、蔗香、這洞、高車）。

2.2實驗數(shù)據(jù)本研究采用的基本數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)以及其他輔助數(shù)據(jù)。其中空間數(shù)據(jù)包括龍灘流域的DEM底圖、modis遙感影象底圖、省市縣行政邊界、城市分布圖、站點分布圖、河網(wǎng)、龍灘流域及其子流域分布圖等。水文數(shù)據(jù)是各子流域水文站獲取的降雨量數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)是流域流經(jīng)區(qū)域經(jīng)濟數(shù)據(jù)以及為實現(xiàn)真實三維場景所采集到的部分建筑物紋理數(shù)據(jù)。3.研究的主要任務(wù)及思路通過利用研究區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）和遙感影象數(shù)據(jù)對其進(jìn)行三維場景仿真，再通過給定洪水水位高程值，認(rèn)為在水位以下則是淹沒區(qū)域，反之則不屬于淹沒范圍，并對淹沒過程進(jìn)行模擬，通過人工方法確定連通區(qū)域來計算洪水淹沒面積。同時結(jié)合研究區(qū)域土地利用類型數(shù)據(jù)、降雨量情況以及輔助經(jīng)濟數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)疊置生成洪水災(zāi)害風(fēng)險圖，為防洪抗災(zāi)做決策。4.研究區(qū)域三維場景建立。由于紅水河流域覆蓋面積廣闊，短時間內(nèi)不可能將整個流域的三維場景進(jìn)行模擬，本次研究只對紅水河流域某小山谷進(jìn)行三維建模。為了真實的反映地物的紋理特征，我們采用的原始數(shù)據(jù)是quickbird遙感影象以及對應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)。三維場景的制作是通過將數(shù)字地形模型（DEM）和遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，再將通過實地考察利用三維建模軟件googlesketchup建立好的建筑物模型和樹木模型導(dǎo)入場景中，生成具有三維可視的地貌景觀圖。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行紅水河流域水資源的研究、洪澇災(zāi)害快速監(jiān)測與評估及周邊地表起伏形態(tài)特征等。

圖1

三維場景建立技術(shù)路線

圖2三維可視化場景圖5.洪水淹沒模擬分析及淹沒面積計算洪水淹沒模型是以三維地形和不同水位來綜合演示洪水淹沒行為的時空變化及水體形態(tài)。運用ArcGIS9.2中的3D擴展模塊，在研究區(qū)域數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上，在ArcScene中實現(xiàn)了該區(qū)域洪水淹沒演進(jìn)過程，直觀的顯示不同時刻和水位該區(qū)域洪水淹沒情況，為防洪救災(zāi)作出重要的決策。洪水淹沒由多種因素造成，降雨、上游來水都可以造成淹沒。按照洪水淹沒的成因，可將其分為兩大類：一類是無源淹沒，一類是有源淹沒。本次操作主要是利用arcmap軟件完成，通過已知紅水河流域各水文站水文數(shù)據(jù)確定洪水位，由已知DEM數(shù)據(jù)和給定洪水水位來確定淹沒區(qū)域并計算淹沒面積。具體操作流程在arctoolbox中新建modelbuilder模型，（如圖3），只需給定水文數(shù)據(jù)，可以直觀的觀察到其淹沒區(qū)域及面積。

圖3淹沒面積計算modelbuilder模型5.1無源淹沒分析只考慮受淹區(qū)的高程與給定水位的高程情況，而不用考慮淹沒區(qū)的連通問題，凡是高程低于給定水位的點都記入淹沒區(qū)，算作被淹沒的點，這種情形相當(dāng)于整個區(qū)域大面積均勻降水，所有低洼處都可能積水成災(zāi)。其淹沒面積計算比較簡單，所有低于或等于預(yù)測水位高程的像元都將計人淹沒區(qū)，經(jīng)累加計算得出淹沒面積5.2有源淹沒分析水流受到地表起伏特征的影響，在這種情況下，即使在低洼處，也可能由于地形的阻擋而不會被淹沒。造成的淹沒原因除了自然降水外，還包括上游來水、洼地溢出水等。面積計算稍微有點復(fù)雜，它是在無源淹沒的基礎(chǔ)上，考慮到連通要求的淹沒面積的計算。本文介紹的是用人為的方法確定符合連通條件的區(qū)域，將其取出，并計算出它的面積。具體做法是把決堤口定為源頭，在轉(zhuǎn)換生成的Raster中尋找與源頭連通的區(qū)域。將所有Raster的值為1的區(qū)域進(jìn)行累加計算，得出淹沒區(qū)的面積。6.洪水災(zāi)害風(fēng)險圖制作：洪水風(fēng)險圖是以圖的形式直觀反映洪水威脅區(qū)域發(fā)生某一頻率洪水后，可能淹沒的范圍、水深等洪水要素以及不同量級洪水可能造成的災(zāi)害風(fēng)險和對社會經(jīng)濟的損害程度的工具。根據(jù)該圖并結(jié)合影響區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，合理制定防洪指揮方案，合理評價各項防洪措施的經(jīng)濟效益，合理估計洪災(zāi)損失，為防洪保險提供依據(jù)。本文研究的風(fēng)險是一種相對的概念，即不同區(qū)域之間風(fēng)險大小的相對比較。在GIS的支持下，利用洪水淹沒計算得到的淹沒范圍、淹沒水深，與各種專題圖層（包括行政區(qū)劃、土地利用、居民點分布、人口分布、重要地物分布、交通線路等）進(jìn)行拓?fù)浏B加和空間分析（空間查詢、網(wǎng)絡(luò)分析等），即可生成有關(guān)專題淹沒圖件，包括重要設(shè)施淹沒圖、搶險遷安路線圖等。如進(jìn)一步關(guān)聯(lián)背景數(shù)據(jù)庫中的社會經(jīng)濟信息，并結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)模型，可統(tǒng)計由洪水淹沒造成的災(zāi)害損失。表一：紅水河龍灘流域水文站日降雨量數(shù)據(jù)6.1評價因子及評價原則編制洪水風(fēng)險圖有三大要素，即地形地貌、淹沒水位和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中本次研究主要有4個評價因子，包括高程、土地利用類型圖、各子流域降雨量及人口密度。其中高程值是由紅水河流域DEM數(shù)據(jù)生成；土地利用類型圖利用原始TM遙感影象通過監(jiān)督分類后生成；各子流域水文站測取的2002-2007年日降雨量數(shù)據(jù)，由于各水文站全年平均日降雨量比較接近，再加上洪水災(zāi)害一般發(fā)生在5、6、7三月，本次研究中各水文站平均日降雨量數(shù)據(jù)只取這四個月數(shù)據(jù)（如表一）。通過將該流域11個水文站數(shù)據(jù)利用arcgis生成泰森多邊形，并轉(zhuǎn)換生成紅水河面雨量柵格數(shù)據(jù)。人口密度數(shù)據(jù)，通過利用鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖以及搜集到的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積和人口數(shù)，將人口數(shù)除以鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積并轉(zhuǎn)換得到人口密度圖。6.2制作基本流程首先對淹沒致災(zāi)的各因子進(jìn)行分析，分別計算各影響因素形成洪水淹沒可能性大小的比例，制作成相應(yīng)的柵格圖層；在GIS技術(shù)的支持下，對各柵格圖層重分類后進(jìn)行加權(quán)疊置分析（具體操作流程見圖4），對各影響圖層確定評價系數(shù)以及子類型進(jìn)行打分，得到洪水風(fēng)險等級（如圖5）。

圖4洪水風(fēng)險圖制作流程

圖5紅水河流域洪水災(zāi)害風(fēng)險圖7.結(jié)語：本文通過將GIS空間分析方法應(yīng)用在紅水河流域洪水災(zāi)害模擬及損失評估方面，初步得出以下結(jié)論：（1）利用DEM數(shù)據(jù)以及遙感影象數(shù)據(jù)和建筑物屬性數(shù)據(jù)可以真實的模擬該地區(qū)洪水淹沒真實場景，對于確定洪水淹沒區(qū)地形起著重要的作用。（2）依據(jù)洪水水位確定洪水淹沒范圍后，可以結(jié)合其土地利用類型以及經(jīng)濟數(shù)據(jù)，對可能受淹地區(qū)的林地、耕地、居民用地等以及人口數(shù)據(jù)等進(jìn)行快速評估，并進(jìn)一步預(yù)測洪水災(zāi)害損失。（3）充分利用該地區(qū)水文數(shù)據(jù)，初步預(yù)測近幾年洪水水位以及降水量情況，結(jié)合該區(qū)域經(jīng)濟數(shù)據(jù)，制作洪水災(zāi)害風(fēng)險圖，估計洪水發(fā)生時影響范圍，這樣可以為防災(zāi)救災(zāi)作決策支持。本次研究主要是通過arcgis空間分析功能，整個實現(xiàn)過程無需編程，而且方法簡單適用，值得廣泛應(yīng)用。BRDFBRDF（BidirectionalReflectanceDistributionFunction，即雙向反射分布函數(shù)）\o"查看圖片"

定義公式[1]光線照到一個物體，首先產(chǎn)生了反射，吸收和透射，所以BRDF的關(guān)鍵因素即為多少光被反射、吸收和透射（折射）了多少，是怎樣變化的。這時的反射多為漫反射。而要知道這些光線反射透射的變化就需要清楚三樣?xùn)|西，物體的表面材質(zhì)、光線的波長（即它是什么樣的光，是可見太陽光，節(jié)能燈光還是紫外線）和觀察者與物體之間的位置關(guān)系。三維世界角度可以類似是球體的，光線角度除了縱向180°的變化，還有橫向360的不同發(fā)散方向。會有相應(yīng)的入射光，反射光，入射角和反射角，它們在物體表面的法平面和切平面上的關(guān)系成為了BRDF的關(guān)鍵參數(shù)。由于人類眼睛對光的特殊敏感性，我們之所以能看到物體都是通過光線在物體上的發(fā)射和轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的。而雙向反射分布這樣的函數(shù)表示可以更好地描述光線在物體上的變化，反射光線同時發(fā)向分布在法線兩邊的觀察者和光源兩個方向，從而使人在計算機等模擬環(huán)境下，視覺上可以看到更好的物體模擬效果，仿佛真是的物體存在。1.幾何意義最初的BRDF的定義是愛德華尼哥蒂姆約于1965提出的?，F(xiàn)代的定義是：\o"查看圖片"

Lr（即上式的Lo）代表延ωo發(fā)射出去的光能（即輻射增量），Ei代表延ωi入射的光能（即輻射度），θi是ωi和物體入射點上平面法線之間的夾角。2.物理意義雙向反射率分布函數(shù)（BRDF）的物理意義是：來自方向地表輻照度的微增量與其所引起的方向上反射輻射亮度增量之間的比值。modis百科名片\o"查看圖片"

modismodis是搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的一個重要的傳感器，是衛(wèi)星上唯一將實時觀測數(shù)據(jù)通過x波段向全世界直接廣播，并可以免費接收數(shù)據(jù)并無償使用的星載儀器，全球許多國家和地區(qū)都在接收和使用modis數(shù)據(jù)。目錄全稱EOS衛(wèi)星簡述EOS與MODIS光譜波段反映信息用途分辨率對地觀測全稱EOS衛(wèi)星簡述EOS與MODIS光譜波段反映信息用途分辨率對地觀測多波段數(shù)據(jù)MODIS儀器特性、波段范圍特點和優(yōu)勢MODIS產(chǎn)品介紹展開編輯本段全稱modis的全稱為中分辨率成像光譜儀（moderate-resolutionimagingspectroradiometer）。編輯本段EOS衛(wèi)星簡述EOS（EarthObservationSystem）衛(wèi)星是美國地球觀測系統(tǒng)計劃中一系列\(zhòng)o"查看圖片"

太湖藍(lán)藻eos/modis監(jiān)測報告衛(wèi)星的簡稱。經(jīng)過長達(dá)8年的制造和前期預(yù)研究準(zhǔn)備工作，第一顆EOS的上午軌道衛(wèi)星于1999年12月18日發(fā)射升空，發(fā)射成功的衛(wèi)星命名為TERRA（拉丁語“地球”的意思），主要目的是觀測地球表面。它是一個用一系列低軌道衛(wèi)星對地球進(jìn)行連續(xù)綜合觀測的計劃。它的主要目的是：實現(xiàn)從單系列極軌空間平臺上對太陽輻射、大氣、海洋和陸地進(jìn)行綜合觀測，獲取有關(guān)海洋、陸地、冰雪圈和太陽動力系統(tǒng)等信息；進(jìn)行土地利用和土地覆蓋研究、氣候的季節(jié)和年際變化研究、自然災(zāi)害監(jiān)測和分析研究、長期氣候變率和變化以及大氣臭氧變化研究等；進(jìn)而實現(xiàn)對大氣和地球環(huán)境變化的長期觀測和研究的總體（戰(zhàn)略）目標(biāo)。EOS衛(wèi)星軌道高度為距地球705公里，目前的第一顆上午軌道衛(wèi)星（Terra）過境時間為地方時11：30am左右，一天最多可以獲得4條過境軌道資料。編輯本段EOS與MODISEOS系列衛(wèi)星上的最主要的儀器是中分辨率成像光譜儀（MODIS），其最大空間分辨率可達(dá)250米。編輯本段光譜波段MODIS是當(dāng)前世界上新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，有36個離散光譜波段，光譜范圍寬，從0.4微米（可見光）到14.4微米（熱紅外）全光譜覆蓋。編輯本段反映信息MODIS的多波段數(shù)據(jù)可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學(xué)、大氣中水汽、氣溶膠、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的信息。編輯本段用途可用于對陸表、生物圈、固態(tài)地球、大氣和海洋進(jìn)行長期全球觀測。編輯本段分辨率中分辨率成像光譜儀（MODIS）最大空間分辨率可達(dá)250米，掃描寬度2330公里。MODIS是CZCS、AVHRR、HIRS和TM等儀器的繼續(xù)。MODIS是被動式成像分光輻射計。共有490個探測器，分布在36個光譜波段，從0.4微米（可見光）到14.4微米（熱紅外）全光譜覆蓋。編輯本段對地觀測MODIS儀器的對地觀測:MODIS儀器的地面分辨率為250m、500m和1000m，掃描寬度為2330km。在對地觀測過程中，每秒可同時獲得6.1兆比特的來自大氣、海洋和陸地表面信息，日或每兩日可獲取一次全球觀測數(shù)據(jù)。編輯本段多波段數(shù)據(jù)MODIS儀器的多波段數(shù)據(jù):多波段數(shù)據(jù)可以同時提供反應(yīng)陸地、云邊界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學(xué)、大氣中水汽、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的信息，用于對陸表、生物圈、固態(tài)地球、大氣和海洋進(jìn)行長期全球觀測。從數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用和經(jīng)濟核算綜合平衡的角度來看，更值得世界各國普遍注意的是安裝在TERRA和AQUA兩顆衛(wèi)星上的中分辨率成象光譜儀（MODIS）獲取的數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)主要有三個特點，其一，NASA對MODIS數(shù)據(jù)實行全世界免費接收的政策（TERRA衛(wèi)星除MODIS外的其他傳感器獲取的數(shù)據(jù)均采取公開有償接收和有償使用的政策），這樣的數(shù)據(jù)接收和使用政策對于目前我國大多數(shù)科學(xué)家來說是不可多得的、廉價并且實用的數(shù)據(jù)資源；其二，MODIS數(shù)據(jù)涉及波段范圍廣（36個波段）、數(shù)據(jù)分辨率比NOAA－AVHRR有較大的進(jìn)展（250米、500米和1000米）。這些數(shù)據(jù)均對地球科學(xué)的綜合研究和對陸地、大氣和海洋進(jìn)行分門別類的研究有較高的實用價值；其三，TERRA和AQUA衛(wèi)星都是太陽同步極軌衛(wèi)星，TERRA在地方時上午過境，AQUA將在地方時下午過境。TERRA與AQUA上的MODIS數(shù)據(jù)在時間更新頻率上相配合，加上晚間過境數(shù)據(jù)，對于接收MODIS數(shù)據(jù)來說，可以得到每天最少2次白天和2次黑夜更新數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)更新頻率，對實時地球觀測和應(yīng)急處理（例如森林和草原火災(zāi)監(jiān)測和救災(zāi)）有較大的實用價值。Terra衛(wèi)星\o"查看圖片"

Terra衛(wèi)星及其搭載傳感器Terra衛(wèi)星（EOS-AM1）發(fā)射于1999年12月18日，是EOS計劃中第一星。Terra衛(wèi)星上共有五種傳感器，能同時采集地球大氣、陸地、海洋和太陽能量平衡等信息：云與地球輻射能量系統(tǒng)CERES、中分辨率成像光譜儀MODIS、多角度成像光譜儀MISR、先進(jìn)星載熱輻射與反射輻射計ASTER和對流層污染測量儀MOPITT。Terra是美國、日本和加拿大聯(lián)合進(jìn)行的項目。美國提供了衛(wèi)星和三種儀器：CERES、MISR和MODIS，日本的國際貿(mào)易和工業(yè)部門提供了ASTER裝置，加拿大的多倫多大學(xué)（機構(gòu)）提供了MOPITT裝置。Terra沿地球近極地軌道航行，高度是705km，它在早上當(dāng)?shù)赝粫r間經(jīng)過赤道，此時陸地上云層覆蓋為最少，它對地表的視角的范圍最大。Terra的軌道基本上是和地球的自轉(zhuǎn)方向相垂直，所以它的圖像可以拼接成一幅完整的地球總圖像。通過分析這些數(shù)據(jù)，有助于科學(xué)家認(rèn)識全球氣候變化的起因和發(fā)展，了解地球氣候和環(huán)境是如何作為一個整體作用的。Aqua衛(wèi)星這顆衛(wèi)星的名字“阿卡”（Ａｑｕａ）取自拉丁文，意思是“水”。這顆衛(wèi)星主要使命是研究地球水循環(huán)，它的觀測結(jié)果有望增進(jìn)科學(xué)家對全球氣候變化的了解，并可用來進(jìn)行更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報。按計劃，衛(wèi)星上的６個科學(xué)儀器將對地球海洋、大氣層、陸地、冰雪覆蓋區(qū)域以及植被等展開綜合觀測，搜集全球降雨、水蒸發(fā)、云層形成、洋流等水循環(huán)活動數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家們可以更深入地研究地球水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律，從而加深對地球生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境變化之間相互作用關(guān)系的理解。該衛(wèi)星還可以對地球大氣層溫度和濕度、海洋表面溫度、土壤濕度等變化進(jìn)行更精確的測量，有關(guān)測量結(jié)果在天氣預(yù)報上據(jù)認(rèn)為有重要價值。

“阿卡”是美國宇航局發(fā)射的第二顆“地球觀測系統(tǒng)”系列衛(wèi)星。這一系統(tǒng)旨在對地球進(jìn)行全面觀測，主要由三顆衛(wèi)星組成，第一顆（Terra）于１９９９年１１月發(fā)射，主要觀測陸地。最后一顆衛(wèi)星（Aura）將重點搜集地球大氣臭氧層數(shù)據(jù)。圖像融合的概念：

圖像融合（ImageFusion）是指將多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理和計算機技術(shù)等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后綜合成高質(zhì)量的圖像，以提高圖像信息的利用率、改善計算機解譯精度和可靠性、提升原始圖像的空間分辨率和光譜分辨率，利于監(jiān)測。圖像融合技術(shù)是指將多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像經(jīng)過一定的圖像處理，提取各自信道的信息，最后綜合成同一圖像以供觀察或進(jìn)一步處理。數(shù)字高程模型(DEM)的概念與應(yīng)用

數(shù)字高程模型(DEM)，也稱數(shù)字地形模型(DTM)，是一種對空間起伏變化的連續(xù)表示方法。由于DTM隱含有地形景觀的意思，所以，常用DEM，以單純表示高程。

盡管DEM是為了模擬地面起伏而開始發(fā)展起來的，但也可以用于模擬其它二維表面的連續(xù)高度變化，如氣溫、降水量等。對于一些不具有三維空間連續(xù)分布特征的地理現(xiàn)象，如人口密度等，從宏觀上講，也可以用DEM來表示、分析和計算。

DEM有許多用途，例如：在民用和軍用的工程項目(如道路設(shè)計)中計算挖填土石方量；為武器精確制導(dǎo)進(jìn)行地形匹配；為軍事目的顯示地形景觀；進(jìn)行越野通視情況分析；道路設(shè)計的路線選擇、地址選擇；不同地形的比較和統(tǒng)計分析；計算坡度和坡向，繪制坡度圖、暈渲圖等；用于地貌分析，計算浸蝕和徑流等；與專題數(shù)據(jù)，如土壤等，進(jìn)行組合分析；當(dāng)用其它特征(如氣溫等)代替高程后，還可進(jìn)行人口、地下水位等的分析。近年來它在軍事上的用途也日益凸顯,從飛行模擬訓(xùn)練,導(dǎo)彈飛行匹配,無人機操控。到三維戰(zhàn)場態(tài)勢模擬,軍事演習(xí)模擬都得到了廣泛的應(yīng)用。海陸結(jié)合部數(shù)字高程模型是海洋戰(zhàn)場地理環(huán)境的重要組成部分組件式地理信息系統(tǒng)研究與開發(fā)宋關(guān)福鐘耳順（中國科學(xué)院地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，北京100101）[摘要]組件式地理信息系統(tǒng)是適應(yīng)軟件組件化潮流的新一代地理信息系統(tǒng)。本文闡述了組件式地理信息系統(tǒng)的概念和技術(shù)基礎(chǔ)，討論了組件式地理信息系統(tǒng)的特點，及其與萬維網(wǎng)地理信息系統(tǒng)之間的關(guān)系，進(jìn)而探討組件式地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

[關(guān)鍵詞]地理信息系統(tǒng)、組件式軟件、組件式對象模型、萬維網(wǎng)

引言

經(jīng)歷三十多年的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystems，縮寫為GIS）正在形成完整的技術(shù)系統(tǒng)并逐漸建立其理論體系。GIS應(yīng)用也已形成一個多層次和不同尺度的應(yīng)用格局，成為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[1]。然而，計算機技術(shù)和全球信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，對GIS產(chǎn)生了巨大的沖擊，組件式GIS(ComponentsGIS)和萬維網(wǎng)GIS（WebGIS）等新興技術(shù)應(yīng)運而生。GIS正在進(jìn)入一個嶄新的發(fā)展階段。

組件式軟件技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今軟件技術(shù)的潮流之一(比爾.蓋茨，1997)，為了適應(yīng)這種技術(shù)潮流，“GIS軟件象其他軟件一樣，已經(jīng)或正在發(fā)生著革命性的變化，即由過去廠家提供了全部系統(tǒng)或者具有二次開發(fā)功能的軟件，過渡到提供組件由用戶自己再開發(fā)的方向上來”(徐冠華,1997)。無疑，組件式GIS技術(shù)將給整個GIS技術(shù)體系和應(yīng)用模式帶來巨大影響。

一、組件式GIS的概念

GIS技術(shù)的發(fā)展，在軟件模式上經(jīng)歷了功能模塊、包式軟件、核心式軟件，從而發(fā)展到組件式GIS和WebGIS的過程。傳統(tǒng)GIS雖然在功能上已經(jīng)比較成熟，但是由于這些系統(tǒng)多是基于十多年前的軟件技術(shù)開發(fā)的，屬于獨立封閉的系統(tǒng)。同時，GIS軟件變得日益龐大，用戶難以掌握，費用昂貴，阻礙了GIS的普及和應(yīng)用。組件式GIS的出現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS面臨的多種問題提供了全新的解決思路。

組件式軟件是新一代GIS的重要基礎(chǔ),組件式GIS是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件式軟件在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用。認(rèn)識組件式GIS，首先需要了解所依賴的技術(shù)基礎(chǔ)－組件式對象模型和ActiveX控件。

COM是組件式對象模型(ComponentObjectModel)的英文縮寫，是OLE(ObjectLinking&Embedding)和ActiveX共同的基礎(chǔ)。COM不是一種面向?qū)ο蟮恼Z言，而是一種二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)。COM所建立的是一個軟件模塊與另一個軟件模塊之間的鏈接，當(dāng)這種鏈接建立之后，模塊之間就可以通過稱之為“接口”的機制來進(jìn)行通信[2]。COM標(biāo)準(zhǔn)增加了保障系統(tǒng)和組件完整的安全機制，擴展到分布式環(huán)境。這種基于分布式環(huán)境下的COM被稱作DCOM(DistributeCOM)。DCOM實現(xiàn)了COM對象與遠(yuǎn)程計算機上的另一個對象之間直接進(jìn)行交互。

ActiveX是一套基于COM的可以使軟件組件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行互操作而不管該組件是用何種語言創(chuàng)建的技術(shù)。作為ActiveX技術(shù)的重要內(nèi)容，ActiveX控件是一種可編程、可重用的基于COM的對象。ActiveX控件通過屬性、事件、方法等接口與應(yīng)用程序進(jìn)行交互。

一些軟件公司專門生產(chǎn)各種用途的ActiveX控件，比如：數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、圖形顯示、圖像處理，甚至三維動畫等等。幾個著名的GIS軟件公司把COM技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)，紛紛推出由一系列ActiveX控件組成的組件式GIS軟件，比如Intergraph公司的GeoMedia、ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，國內(nèi)的北京朝夕公司推出了MapEngine，我們也研制了自己的組件式GIS軟件--ActiveMap，并在幾個大型GIS應(yīng)用項目中成功應(yīng)用[3]。

組件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其它非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應(yīng)用。控件如同一堆各式各樣的積木，他們分別實現(xiàn)不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根據(jù)需要把實現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，就構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)。

二、組件式GIS與WebGIS

國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)的迅速崛起，并在全球范圍內(nèi)飛速發(fā)展，使萬維網(wǎng)(WorldWideWeb簡稱WWW或者Web)成為高效的全球信息發(fā)布渠道。隨著人們對GIS應(yīng)用的需求，利用Internet技術(shù)在Web上發(fā)布和出版空間數(shù)據(jù)，以供用戶瀏覽、查詢并獲取所需的空間數(shù)據(jù)和應(yīng)用，是GIS發(fā)展的必然趨勢，這就產(chǎn)生了WebGIS。從WWW的任意一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數(shù)據(jù)，以及制作專題圖，進(jìn)行各種空間檢索和空間分析。

許多WebGIS軟件包均采用HTML標(biāo)準(zhǔn)，活動內(nèi)容采用Javaapplets(SUN標(biāo)準(zhǔn))或者ActiveX(Microsoft標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行傳遞[4]。新型的分布式面向?qū)ο骔ebGIS可以采用CORBA/Java或者DCOM/ActiveX技術(shù)進(jìn)行開發(fā)[5]。

ActiveX控件不僅可以用于一般的ActiveX容器程序(比如VisualBasic、Delphi等)，而且能嵌入Web頁面中。任何ActiveX控件都可以設(shè)計成Internet控件，作為Web頁面的一部分，Web頁面中的控件通過腳本()互相通信。因此，組件式GIS是WebGIS的一種解決方案，而基于這一方案的WebGIS通常比基于Java的運行速度快[5]。

三、組件式GIS的特點

組件式GIS的發(fā)展符合當(dāng)今軟件技術(shù)的發(fā)展潮流，同時也極大地方便了應(yīng)用和系統(tǒng)集成。同傳統(tǒng)的GIS比較，這一技術(shù)具有以下幾方面特點：

1.高效無縫的系統(tǒng)集成

一個系統(tǒng)的建立往往需要對GIS數(shù)據(jù)、基本空間處理功能與各種應(yīng)用模型進(jìn)行集成。而系統(tǒng)集成方案在很大程度上決定了系統(tǒng)的適用性和效率，不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同的應(yīng)用開發(fā)者所采用的系統(tǒng)集成方案往往不同。歸納起來，基于傳統(tǒng)的GIS基礎(chǔ)軟件的集成方案主要有四種模式(圖1)。

模式一：在GIS基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用分析模型之間，通過文件存取方式建立數(shù)據(jù)交換通道。在這種集成方式中，GIS與應(yīng)用分析模型通過中間文件格式交換數(shù)據(jù)（圖1-），不適合于大量而頻繁地交換數(shù)據(jù)的情況，而且GIS基礎(chǔ)軟件與應(yīng)用分析模型相互獨立，系統(tǒng)整合性差。

模式二：直接使用GIS軟件提供的二次開發(fā)語言編制應(yīng)用分析模型（圖1-）。解決了模式一的缺陷，但是GIS所提供的二次開發(fā)語言大都不能與C、C++、FORTRAN等專業(yè)程序設(shè)計語言相比，難以開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用模型。

模式三：利用專業(yè)程序設(shè)計語言開發(fā)應(yīng)用模型，并直接訪問GIS軟件的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用模型開發(fā)者可以根據(jù)自己的意愿選擇使用何種高級語言開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用模型，但是直接訪問GIS軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了應(yīng)用開發(fā)的難度。模式四：通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)建立GIS與應(yīng)用模型之間的快速通信。這是在DDE技術(shù)發(fā)展起來以后，對第一種集成方式的改進(jìn)，可以避免頻繁的文件數(shù)據(jù)交換所帶來的效率降低的毛病，也避免了從GIS外部直接訪問GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的代價。但是，GIS與應(yīng)用模型仍然是分離的，這種拼接是“有縫”的。

不論采用以上何種系統(tǒng)集成模式，傳統(tǒng)的GIS軟件在系統(tǒng)集成上都存在缺陷。組件式GIS提供了解決以上問題的理想方案。組件式GIS不依賴于某一種開發(fā)語言，可以嵌入通用的開發(fā)環(huán)境(如：VisualBasic和Delphi)中實現(xiàn)GIS功能，專業(yè)模型則可以使用這些通用開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)，也可以插入其它的專業(yè)性模型分析控件。因此，使用組件式GIS可以實現(xiàn)高效、無縫的系統(tǒng)集成。

2.無須專門GIS開發(fā)語言

傳統(tǒng)GIS往往具有獨立的二次開發(fā)語言，如Arc/Info的AML、MGE的MDL、MapInfo的MapBasic等。對GIS基礎(chǔ)軟件開發(fā)者而言，設(shè)計一套二次開發(fā)語言是不小的負(fù)擔(dān)，同時二次開發(fā)語言對用戶和應(yīng)用開發(fā)者而言也存在學(xué)習(xí)上的負(fù)擔(dān)。而且使用系統(tǒng)所提供的二次開發(fā)語言，開發(fā)往往受到限制，難以處理復(fù)雜問題。組件式GIS則不需要額外的GIS二次開發(fā)語言，只需實現(xiàn)GIS的基本功能函數(shù)，按照Microsoft的ActiveX控件標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)接口。這有利于減輕GIS軟件開發(fā)者的負(fù)擔(dān)，而且增強了GIS軟件的可擴展性。GIS應(yīng)用開發(fā)者，不必掌握額外的GIS開發(fā)語言，只需熟悉基于Windows平臺的通用集成開發(fā)環(huán)境，以及組件式GIS各個控件的屬性、方法和事件，就可以完成應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和集成。目前，可供選擇的開發(fā)環(huán)境很多，如VisualC++、VisualBasic、VisualFoxPro、BorlandC++、Delphi、C++Builder以及PowerBuilder等等。

3.大眾化的GIS

組件式技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以象使用其他ActiveX控件一樣使用組件式GIS控件，使非專業(yè)的普通用戶也能夠開發(fā)和集成GIS應(yīng)用系統(tǒng)，推動了GIS大眾化進(jìn)程。組件式GIS的出現(xiàn)使GIS不僅是專家們的專業(yè)分析工具，同時也成為普通用戶對地理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的的可視化工具。

4.成本低

由于傳統(tǒng)GIS結(jié)構(gòu)的封閉性，往往使得軟件本身變得越來越龐大，不同系統(tǒng)的交互性差，系統(tǒng)的開發(fā)難度大。組件式GIS提供實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理、分析和模擬等功能，至于其他非GIS功能(如關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計圖表制作等)則可以使用專業(yè)廠商提供的專門組件，有利于降低GIS軟件開發(fā)成本。另一方面，組件式GIS本身又可以劃分為多個控件，分別完成不同功能。用戶可以根據(jù)實際需要選擇所需控件，最大限度地降低了用戶的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。

四、組件式GIS的設(shè)計與開發(fā)

概念：2.組件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其它非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應(yīng)用?？丶缤欢迅魇礁鳂拥姆e木，他們分別實現(xiàn)不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根據(jù)需要把實現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，就構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)。GIS組件的構(gòu)成GIS軟件的模型包含若干功能單元，諸如空間數(shù)據(jù)獲取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖形編輯、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、制圖表示等?？梢韵胂笠堰@些所有的功能放在一個控件中幾乎是不可能的，即使實現(xiàn)也會帶來系統(tǒng)效率上的低下。一般可以認(rèn)為GIS構(gòu)件的設(shè)計主要遵循應(yīng)用領(lǐng)域地需求。例如ESRI地MapObjects就是以空間數(shù)據(jù)訪問、查詢、制圖為主要目標(biāo)的GIS構(gòu)件。GIS組件產(chǎn)品GIS組件的代表作應(yīng)首推MapObjects以及MapX等。其中MapObjects由全球最大的GIS廠商ESRI(美國環(huán)境研究所)推出；MapX由著名的桌面GIS廠商美國MapInfo公司推出。另外還有加拿大阿波羅科技集團的TITAN等。

設(shè)計組件式GIS，需要根據(jù)功能劃分為多個控件。劃分控件需要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模型進(jìn)行具體分析，要考慮以下幾個方面的問題：(1)控件間差別最大、控件內(nèi)差別最小；(2)純設(shè)計用模塊與將隨集成系統(tǒng)發(fā)布的模塊分開，例如地圖符號編輯、線型編輯器應(yīng)與空間查詢分析等模塊分開；(3)相同顯示窗口的模塊盡可