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【摘 要】基于GIS发展的现状的分析，提出专用GIS组件的开发，给出该组件的功能，包括地统计学、综合评价、配方施肥等方法及具体内容。
【关键词】软件GIS组件；地力评价；地统计学；环境监测
中图分类号:G424 文献标识码:A 文章编号:1009-8283(2009)01-0097-02
1认识、研究、开发现状
地理信息系统（GIS ，geographic information system）是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。在计算机发展史上，在计算机发展史上，计算机辅助设计技术（CAD）的出现使人们可以用计算机处理象图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标（x, y）；线可以看成由无数点组成，线的位置就可以表示为一系列坐标对（x1, y1），（x2, y2），……（xn, yn）；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系，如一个点在一条线上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形等等。在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形，几万条线，上万个点，还要计算和管理它们之间的各种复杂的空间关系……。
地理信息系统是将计算机硬件、软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对任一形式的地理信息进行高效获取、存储、更新、操作、分析及显示的集成。
我国GIS的发展较晚，经历了四个阶段，即起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段。GIS已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。
国内外已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地理信息系统软件已研制开发成功，一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立。此外，还成立了“中国GIS协会“和“中国GPS技术应用协会“等。
地理信息系统（GIS）的发展经历了GIS模块、集成式GIS、模块化GIS、核心式GIS等几个阶段，现在已发展到组件式GIS和WebGIS阶段。传统GIS（集成式GIS、模块化GIS等）技术体系面临着新的挑战，突出表现为开发负担过重、应用系统集成困难、二次开发语言复杂以及使用不便等问题。
目前来看，组件式GIS的开发主要侧重于GIS的通用功能，而对于各种专业的分析模型则很少涉及。通常基于通用的GIS组件式进行二次开发，专业模型需要开发人员自己从基础做起。而专业模型往往数量较多、功能较复杂，对开发者来说是一个沉重的负担，不仅需要花费大量的时间，而且要求开发者在软件开发和专业分析领域都要有较深厚的理论与实践基础，这往往限制了GIS在各领域的应用深度。
2 设计思想依据
80年代是GIS的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高的同时，价格迅速下降，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，使GIS的应用领域与范围不断扩大。GIS与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究，如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等(李德仁，1994)；从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题，如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。在这一时期，出现了一大批代表性的GIS软件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINPO、ERDAS、Microstation等，其中ARC／INFO已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。 90年代为GIS的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为了一个产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的增长也很快。目前，GIS的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时，GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络(包括Web GIS)、多维的方向发展。我国地理信息系统方面的工作始于80年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1994年中国GIS协会在北京成立，标志中国GIS行业已形成一定规模。九五期间，国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持，1996年，为支持国产GIS软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。1998年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达25%。同年，在抽样调查25个省市19个行业的1000多个单位中，全部使用了地理信息系统(秦其明、袁胜元，2001)。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。 2. 地理信息系统的组成 GIS的应用系统由五个主要部分构成，即硬件、软件、数据、人员和方法。
本研究对GIS的分析方法进行深入地研究、归类、整理，提取其中共性的要素，拟开发出一套用于专业分析的GIS组件，减少用户二次开发的负担。空间插值是空间分析过程中由离散的采样点数据构建连续的地理特征表面分布数据所必须的步骤，而地统计学方法不仅插值效果好,理论基础完备,而且还可以提供空间变异的多种参数和表示方法，反距离加权插值则具有操作简单、易于理解的特点。综合评价是各专业领域常用的分析功能，不同领域分析、计算方法既有一定联系又有较大的区别，其中环境质量评价和耕地地力评价是比较有代表性的两类评价，其方法体系在其他领域内也可应用。测土配方施肥是近些年来逐渐发展成熟的一项技术，有较完备的理论基础和丰富的实践经验，且与耕地地力评价有紧密的联系。
3 主要研究内容
1 开发一般GIS组件对象和方法，这部分与所有GIS组件功能类似。
2 空间数据结构和连接提供程序接口的设计与开发
采用对象关系数据模型存储空间数据，数据表至少应包括包络矩形（2个点，4个坐标值）和几何对象列，可以扩展属性数据列，组件设计有数据提供程序接口（iProvider），用户可以自定义数据提供程序，从而实现空间数据和属性数据的同表存储。
3 地统计学（空间插值）方法的开发
3.1 数据的基本统计分析（Summary statistics）、数据检验（Test）及数据变换（Transformation）。
3.2 规则及不规则采样条件下协方差函数（Covariance）和变异函数（Semivariogram）的计算及可视化表达。
3.3 趋势分析（Trend analysis）；分析数据是否存在趋势，拟合趋势函数。
3.4 空间结构和方向变异分析分析（Spatial structure and directional variation）。
3.5 克里格插值的实现。
3.6 估计标准误差（Predict standard error）的计算方法。
3.7 反距离加权插值（Inverse Distance Weighted，IDW）方法。
4 环境质量评价方法的开发
指标是评价的基本尺度和衡量标准，指标体系是综合评价的根本条件和理论基础，因此，指标体系选取得合适与否，将直接影响到评价结果的准确性和可靠性。由于评价区域的自然、社会经济情况不同，研究者所处的背景不同，建立的指标体系也不同，所以很难有统一的指标体系。因此，在建立指标体系的过程中，应遵循一定的原则，在众多复杂的因子中筛选出那些最灵敏、便于度量、在宏观管理上又可以调控的因素或参数作为综合评价的主要指标。
4.1 指标对象（Indicator）、指标集合（Indicators）对象；
4.2 指标集合读取（Read）、保存（Save）、删除（Delete）方法；
4.3 指标的添加（Add）、删除（Remove）、查询（Find）、计数（Count）等方法；
4.4 指标类别枚举（Indicator type）：直线型、戒上型、戒下型、峰型、概念型等；
4.5 单因子指数计算方法（Uni-index）；
4.6内梅罗综合指数计算方法（Nemerow index）；
4.7 灰色关联度的计算方法（Grey relational index）；
4.8 标准差标准化的计算方法（Standard）；
4.9 相关系数阵的计算方法（Correlationcoefficient Matrix）；
4.10 协方差系数阵的计算方法（Covariance coefficient Matrix）；
4.11 雅克比法计算特征值和特征向量（Jocabi）；
4.12 主成分分析方法（Principal component analysis，PCA）；
5 测土配方施肥和耕地地力评价方法的开发
5.1 采样点图的自动生成，适用于传统农业（Sampling）和精准农业（Precision Agriculture sampling）；
5.2 养分平衡法配方施肥（Nutrient balance）；
5.3 养分丰缺指标法配方施肥（Fertility index）；
5.4 多种肥料效应函数模型（Fertilizer response model）
5.5 处方图（Prescription）自动生成；
5.6 T分布上概率（TDist）
5.7 F分布上概率（FDist）
5.8 全主元高斯消去法求实系数线性代数方程组的解（Gauss）
5.9 单指标隶属函数计算方法（Membership function）
5.10 模糊综合评价方法（Fuzzy comprehensive assessment）；
4 面临的风险及应对措施
作为专用组件，二次开发用户涉及特定行业，在一定程度上存在着系统部分功能（算法）不能符合行业要求的技术风险。不仅需要积累了大量行业功能需求经验，而且需要掌握了行业GIS组件开发算法和程序设计方法，尤其在解决地统计学、环境监测、地力评价等方面具有国内领先的技术专长。一次开发时需要采用“开发前期了解并熟悉具体行业规范、开发中期边开发边与行业用户交互、开发后期用户测试并反馈”的交互措施，这样才能保证组件的实用性、易用性与健壮性。
参考文献:
[1] Open Geospatial Consortium, Inc. OpenStandards and Specifications. http://www.opengeospatial.org，2008
[2] 蔡德利，郭庆丰，汪春. 扩展MapObjects数据源的研究I——将Shapefiles保存到ADO.NET数据集[J], 计算机工程与设计,2006,27(9):1533-1536
[3] 蔡德利. 扩展MapObjects数据源的研究II——空间数据在SQL Server中的存取[J]. 计算机工程与设计,2006,27(10):1734-1736.
[4] 毛先成，彭华熔. 关系数据库存储空间数据模型与结构分析[J]. 地球信息科学, 2005,7(1):76-79,83
[5] Shashi Shekhar, Sanjay Chawla著,谢昆青等译.空间数据库[M].北京：机械工业出版社，2004
[6] Kevin Johnston, Jay M. Ver Hoef, Konstantin Krivoruchko, and Neil Lucas. Using ArcGIS? Geostatistical Analyst. ESRI, 2001
[7] 王政权，地统计学及在生态学中的应用[M].北京:科学出版社，1999
[8] 田有国，辛景树，栗铁申.耕地地力评价指南[M].北京:中国农业出版设，2006
[9] 李祚泳,丁晶,彭荔红.环境质量评价原理与方法[M].北京:化学工业出版社.2004(责任编辑：晏欢)
【关键词】软件GIS组件；地力评价；地统计学；环境监测
中图分类号:G424 文献标识码:A 文章编号:1009-8283(2009)01-0097-02
1认识、研究、开发现状
地理信息系统（GIS ，geographic information system）是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。在计算机发展史上，在计算机发展史上，计算机辅助设计技术（CAD）的出现使人们可以用计算机处理象图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标（x, y）；线可以看成由无数点组成，线的位置就可以表示为一系列坐标对（x1, y1），（x2, y2），……（xn, yn）；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系，如一个点在一条线上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形等等。在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形，几万条线，上万个点，还要计算和管理它们之间的各种复杂的空间关系……。
地理信息系统是将计算机硬件、软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对任一形式的地理信息进行高效获取、存储、更新、操作、分析及显示的集成。
我国GIS的发展较晚，经历了四个阶段，即起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段。GIS已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。
国内外已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地理信息系统软件已研制开发成功，一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立。此外，还成立了“中国GIS协会“和“中国GPS技术应用协会“等。
地理信息系统（GIS）的发展经历了GIS模块、集成式GIS、模块化GIS、核心式GIS等几个阶段，现在已发展到组件式GIS和WebGIS阶段。传统GIS（集成式GIS、模块化GIS等）技术体系面临着新的挑战，突出表现为开发负担过重、应用系统集成困难、二次开发语言复杂以及使用不便等问题。
目前来看，组件式GIS的开发主要侧重于GIS的通用功能，而对于各种专业的分析模型则很少涉及。通常基于通用的GIS组件式进行二次开发，专业模型需要开发人员自己从基础做起。而专业模型往往数量较多、功能较复杂，对开发者来说是一个沉重的负担，不仅需要花费大量的时间，而且要求开发者在软件开发和专业分析领域都要有较深厚的理论与实践基础，这往往限制了GIS在各领域的应用深度。
2 设计思想依据
80年代是GIS的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高的同时，价格迅速下降，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，使GIS的应用领域与范围不断扩大。GIS与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究，如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等(李德仁，1994)；从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题，如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。在这一时期，出现了一大批代表性的GIS软件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINPO、ERDAS、Microstation等，其中ARC／INFO已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。 90年代为GIS的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为了一个产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的增长也很快。目前，GIS的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时，GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络(包括Web GIS)、多维的方向发展。我国地理信息系统方面的工作始于80年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1994年中国GIS协会在北京成立，标志中国GIS行业已形成一定规模。九五期间，国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持，1996年，为支持国产GIS软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。1998年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达25%。同年，在抽样调查25个省市19个行业的1000多个单位中，全部使用了地理信息系统(秦其明、袁胜元，2001)。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。 2. 地理信息系统的组成 GIS的应用系统由五个主要部分构成，即硬件、软件、数据、人员和方法。
本研究对GIS的分析方法进行深入地研究、归类、整理，提取其中共性的要素，拟开发出一套用于专业分析的GIS组件，减少用户二次开发的负担。空间插值是空间分析过程中由离散的采样点数据构建连续的地理特征表面分布数据所必须的步骤，而地统计学方法不仅插值效果好,理论基础完备,而且还可以提供空间变异的多种参数和表示方法，反距离加权插值则具有操作简单、易于理解的特点。综合评价是各专业领域常用的分析功能，不同领域分析、计算方法既有一定联系又有较大的区别，其中环境质量评价和耕地地力评价是比较有代表性的两类评价，其方法体系在其他领域内也可应用。测土配方施肥是近些年来逐渐发展成熟的一项技术，有较完备的理论基础和丰富的实践经验，且与耕地地力评价有紧密的联系。
3 主要研究内容
1 开发一般GIS组件对象和方法，这部分与所有GIS组件功能类似。
2 空间数据结构和连接提供程序接口的设计与开发
采用对象关系数据模型存储空间数据，数据表至少应包括包络矩形（2个点，4个坐标值）和几何对象列，可以扩展属性数据列，组件设计有数据提供程序接口（iProvider），用户可以自定义数据提供程序，从而实现空间数据和属性数据的同表存储。
3 地统计学（空间插值）方法的开发
3.1 数据的基本统计分析（Summary statistics）、数据检验（Test）及数据变换（Transformation）。
3.2 规则及不规则采样条件下协方差函数（Covariance）和变异函数（Semivariogram）的计算及可视化表达。
3.3 趋势分析（Trend analysis）；分析数据是否存在趋势，拟合趋势函数。
3.4 空间结构和方向变异分析分析（Spatial structure and directional variation）。
3.5 克里格插值的实现。
3.6 估计标准误差（Predict standard error）的计算方法。
3.7 反距离加权插值（Inverse Distance Weighted，IDW）方法。
4 环境质量评价方法的开发
指标是评价的基本尺度和衡量标准，指标体系是综合评价的根本条件和理论基础，因此，指标体系选取得合适与否，将直接影响到评价结果的准确性和可靠性。由于评价区域的自然、社会经济情况不同，研究者所处的背景不同，建立的指标体系也不同，所以很难有统一的指标体系。因此，在建立指标体系的过程中，应遵循一定的原则，在众多复杂的因子中筛选出那些最灵敏、便于度量、在宏观管理上又可以调控的因素或参数作为综合评价的主要指标。
4.1 指标对象（Indicator）、指标集合（Indicators）对象；
4.2 指标集合读取（Read）、保存（Save）、删除（Delete）方法；
4.3 指标的添加（Add）、删除（Remove）、查询（Find）、计数（Count）等方法；
4.4 指标类别枚举（Indicator type）：直线型、戒上型、戒下型、峰型、概念型等；
4.5 单因子指数计算方法（Uni-index）；
4.6内梅罗综合指数计算方法（Nemerow index）；
4.7 灰色关联度的计算方法（Grey relational index）；
4.8 标准差标准化的计算方法（Standard）；
4.9 相关系数阵的计算方法（Correlationcoefficient Matrix）；
4.10 协方差系数阵的计算方法（Covariance coefficient Matrix）；
4.11 雅克比法计算特征值和特征向量（Jocabi）；
4.12 主成分分析方法（Principal component analysis，PCA）；
5 测土配方施肥和耕地地力评价方法的开发
5.1 采样点图的自动生成，适用于传统农业（Sampling）和精准农业（Precision Agriculture sampling）；
5.2 养分平衡法配方施肥（Nutrient balance）；
5.3 养分丰缺指标法配方施肥（Fertility index）；
5.4 多种肥料效应函数模型（Fertilizer response model）
5.5 处方图（Prescription）自动生成；
5.6 T分布上概率（TDist）
5.7 F分布上概率（FDist）
5.8 全主元高斯消去法求实系数线性代数方程组的解（Gauss）
5.9 单指标隶属函数计算方法（Membership function）
5.10 模糊综合评价方法（Fuzzy comprehensive assessment）；
4 面临的风险及应对措施
作为专用组件，二次开发用户涉及特定行业，在一定程度上存在着系统部分功能（算法）不能符合行业要求的技术风险。不仅需要积累了大量行业功能需求经验，而且需要掌握了行业GIS组件开发算法和程序设计方法，尤其在解决地统计学、环境监测、地力评价等方面具有国内领先的技术专长。一次开发时需要采用“开发前期了解并熟悉具体行业规范、开发中期边开发边与行业用户交互、开发后期用户测试并反馈”的交互措施，这样才能保证组件的实用性、易用性与健壮性。
参考文献:
[1] Open Geospatial Consortium, Inc. OpenStandards and Specifications. http://www.opengeospatial.org，2008
[2] 蔡德利，郭庆丰，汪春. 扩展MapObjects数据源的研究I——将Shapefiles保存到ADO.NET数据集[J], 计算机工程与设计,2006,27(9):1533-1536
[3] 蔡德利. 扩展MapObjects数据源的研究II——空间数据在SQL Server中的存取[J]. 计算机工程与设计,2006,27(10):1734-1736.
[4] 毛先成，彭华熔. 关系数据库存储空间数据模型与结构分析[J]. 地球信息科学, 2005,7(1):76-79,83
[5] Shashi Shekhar, Sanjay Chawla著,谢昆青等译.空间数据库[M].北京：机械工业出版社，2004
[6] Kevin Johnston, Jay M. Ver Hoef, Konstantin Krivoruchko, and Neil Lucas. Using ArcGIS? Geostatistical Analyst. ESRI, 2001
[7] 王政权，地统计学及在生态学中的应用[M].北京:科学出版社，1999
[8] 田有国，辛景树，栗铁申.耕地地力评价指南[M].北京:中国农业出版设，2006
[9] 李祚泳,丁晶,彭荔红.环境质量评价原理与方法[M].北京:化学工业出版社.2004(责任编辑：晏欢)