基于ArcEngine的城市绿地生态功能动态评估系统的设计与实现

摘 要：当前我国在城市绿地生态系统功能评估方面的研究方兴未艾,本研究主要将城市绿地生态功能的主要模型予以实现,可以在不同时间、不同季节条件下,针对居民对城市绿地需求的不同特征,选择适当的基于气象因素的绿地生态功能质量动态评估,本研究以哈尔滨市作为研究城市,采集哈尔滨市绿地数据,选择涉及绿地涵养水源、固碳释氧、休闲游憩、降低噪声、净化大气五个方面的生态怎么写作评估模型,并简要阐述系统设计与实现的方法.

关 键 词 ：城市绿地；生态功能；动态评估

中图分类号：TP391.7 文献标识号：A 文章编号：2095-2163（2014）02-

Design and Implementation of Dynamic Evaluation System of the Ecological Function of Urban Greenland based on ArcEngine

JIANG Shan, LI Lei, ZHANG Lijun, ZHANG Jie, XU Ting, LI Ruigai

（College of Information and Computer Engineer, Northeast Forestry University, Harbin, China, 150040）

Abstract： Our current research in urban greenland ecosystem function evaluation is in the ascendant, and this paper mainly makes the model of urban greenland ecological function to be implemented. The demand of residents for urban greenland changes according to the condition, such as time, season, and weather condition. People could choose the proper model from various model of ecological function quality dynamic assesent about greenland. This paper selects Harbin city as research region, collects Harbin greenland data from RS images, and selects evaluation model involving five aspects include water-source conservation, carbon fixation and oxygen release, leisure and recreation, noise reduction, and purifying atmosphere. This paper also concerns design and implementation method of dynamic evaluation system of the ecological function about urban greenland.

Key words： Urban Greenland； Ecological Function； Dynamic Evaluation

0引 言

近年来,随着经济的发展,区域生态环境的质量也有所下降,人地矛盾日益突出.为了解决生态问题,需要对区域内生态结构进行合理规划,以最大化发挥各要素的生态效益,促进区域生态系统的良性发展.所以,对区域绿地的生态怎么写作功能进行评估,使城市规划部们能够及时了解不同区域绿地的生态功能现状,并以此为依据制定相应的规划决策,即具有十分重要的现实意义.同时,城市绿地的休闲游憩、净化空气等功能,也可以为市民提供一个有益身心的休闲场所.但是,不同季节不同天气条件下,居民对休闲场所的需求是不断变化的,所以对于居民来讲,城市绿地的生态效益也并非恒定不变的.当前我国在生态系统评估方面已经建立了一系列的评估模型,对其应用方面的研究也已开展得较为深入.但是一般情况下却都是以生态系统某一时间的静态数据进行评估,未曾考虑到不同环境条件下随着居民生态需求的不同,城市绿地的生态效益评估也应有所不同.

本项目的研究意义在于根据区域的季节、气象条件,选择适当的绿地生态效益动态评估模型,以从遥感图像上获取的生态绿地数据为基础,采用ArcEngine GIS中间件结合Visual Studio 2008进行二次开发,由此而实现对哈尔滨市区内城市绿地生态效益的静态、动态评估,以实时提供不同绿地斑块不同环境条件下绿地生态怎么写作功能的质量差异.本系统主要实现了对空间数据浏览、查询、检索、测量等功能,并对城市气象信息进行动态维护,同时有针对性地选择相应的绿地生态怎么写作功能评估模型（主要针对哈尔滨城市绿地生态系统怎么写作功能中休闲游憩、净化空气等功能）进行城市绿地生态怎么写作功能实时评估,而且可将评估结果显示在系统界面中,利于用户实时查看不同季节和不同气象条件下城市内部各绿地单元的生态功能状况,为其出行和游玩提供最优决策,进而带动相关产业的发展,还可以用于城市规划部门的辅助决策.

1系统开发平台简介

本项目组通过对当前市面上主流GIS的二次开发平台进行调研和模拟实验,最终集成开发环境选择Microsoft Visual Studio 2008,GIS二次开发平台选择ESRI公司的ARCGIS平台中的开发插件ArcObjects.

在ArcGIS开发平台中,ArcMap提供两种类型的地图视图,即地理数据视图（Data View）和地图布局视图（Layout View）.本研究利用ArcMap中的地理数据视图,对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集,再利用地图布局视图对在Google earth下载的遥感数据进行空间坐标校正,并可以调整比例. Microsoft Visual Studio 2008是一款较为全面、稳定的程序开发软件,可用C、C++、C++.NET、C#、VB.NET、VB.Script等很多语言实现系统开发,且功能已较为完善,本研究主要利用C#语言,结合ArcGIS提供的相关控件而对windows窗体实现二次开发.该款软件较为便捷之处即是,可以通过ArcGIS提供的一些相关控件直接实现其写作功能,诸如放大、缩小等,如此即提供了更大的便利.

2系统开发初期准备

2.1城市绿地数据采集

本研究选择以哈尔滨市作为研究区域,对哈尔滨市绿地较为集中的地区如哈尔滨植物园、哈尔滨太阳岛风景区等进行实地调研,主要记录的绿地数据有：树高、树种、郁闭度、林种起源、龄组和周边环境等,通过Google Earth下载哈尔滨市绿地地区的遥感数据,并利用ArcMap对遥感数据进行几何精校正,再进行人工判断以获取相关绿地专题数据.

2.2建立评估模型

模型是本研究系统最为重要的一个环节,首先对实地调研采集的数据属性（树高、树种、郁闭度）进行分析,其次根据不同环境条件下各种森林类型对环境的作用选择适当的生态功能评估模型,主要分为涵养水源功能、净化大气功能、休闲游憩功能、固碳释氧功能、降低噪声功能,据此而进行绿地五种单一生态功能评估及综合生态效益评估.

2.2.1涵养水源功能评估模型

通过国内国外的研究显示,涵养水源功能主要评估方法是替代工程法,涵养水源总价值由涵养水源总量与水的影子决定,评估公式为：

（1）

（2）

其中,Wc是涵养水源总价值,Tw是涵养水源总量,Sp是水的影子,Fc是林地涵养水源系数,Ar为林地的面积.

水的影子获得方法有三种,分别是

（1）根据水库的蓄水成本确定；

（2）根据供用水的确定；

（3）根据净化水质的费用确定[1].

本研究利用方法（2）获得水的影子.而涵养水源总量由地区的森林类型以及林地所占面积大小决定,不同的林分类型涵养水源量不同,此涵养水源量系数由凋落物层以及土壤蓄水能力等方面进行综合考虑得到.而经过实地考察,在哈尔滨市大部分地区的林分类型主要是阔叶混交林以及针叶混交林[2],基于有关文献分析,几种不同林种类型的涵养水源系数主要有马尾松林394.4吨/公顷,柏木林941.6吨/公顷,针叶混交林401.6吨/公顷,阔叶混交林433.0吨/公顷,灌木丛346.8吨/公顷[3].将涵养水源总价值的结果经过计算之后,即可等差设置为优、良、中、差、劣五个等级.

2.2.2净化大气功能评估模型

对于某地区绿地净化空气的功能评估主要体现在吸收有毒气体和滞尘降尘两个方面.大气中有毒气体很多,如二氧化硫、氟化氢、氯气、氯化氢、二氧化氮、一氧化碳等,但主要以二氧化硫在有害气体中数量最多,分布地区最广,同时危害也最大,而绿地净化空气一方面是通过叶片吸收大气的有毒物质,降低大气中毒物的浓度,另一方面,树木能使某些毒物在体内分解,转化为无机物后代谢利用.不同林种对二氧化硫的吸收能力不同,可以通过计算二氧化硫以及粉尘的吸收量来对某地区绿地的净化空气功能进行评估,计算公式为：

（3）

（4）

（5）

其中,Cu表示二氧化硫吸收量,Ac表示不同森林吸收二氧化硫的能力,Ar表示林地的面积,Du表示粉尘颗粒吸收量,Dc表示粉尘颗粒吸收的能力,Ta为林地对二氧化硫以及粉尘吸收的总量.根据《中国生物多样性国情研究报告》可知,阔叶林对二氧化硫的吸收能力值为88.65kg/公顷年,对粉尘颗粒吸收能力为33.2吨/公顷年,针叶林对二氧化硫的吸收能力值为215.60kg/公顷年,对粉尘颗粒吸收能力为10.11吨/公顷年[4].通过计算后所得数值按比例等差设置为优、良、中、差、劣五个等级.

2.2.3降低噪声功能评估模型

城市交通、工厂生产、人民生活等各类事件经常会产生大量噪声,而绿地植物叶丛具有一定的吸音作用,噪声波投射到树木枝叶上,生长方向各异的叶片反射声波而产生轻微震动,因此可以使噪声减弱,降低噪声根据总价值分离法进行估算,计算公式为：

（6）

式中,M为林价,参考林价：650元/m；a为森林灭菌价值占森林总生态功能价值的比例系数,通常取为20%；q为林木单位储积量,A为林地面积,x为森林直接实物性使用价值占森林有形和无形总价值的比例系数,一般取15%计算[5].通过计算每个地区的Ez值,将其分为优、良、中、差、劣五个等级.

2.2.4固碳释氧功能评估模型

绿地中植物通过光合作用固碳释氧,可缓解局部缺氧.目前,国内外评价森林生态系统固定二氧化碳和释放氧气功能价值的方法主要有：

（1）用温室效应损失法评价森林的固碳价值；

（2）用造林成本评价森林的固碳和释氧价值；

（3）用碳税法评价森林的固碳价值；

（4）用工业制氧评价森林的释氧价值[6].本项目主要使用造林成本法和工业制氧评价森林的释氧价值,根据应用经济学中的成本价值法和市场价值法估算固碳和释氧价值,可以表示为：

（7）

（8）

（9）

其中,Ec和Eo分别是为固碳和释氧的价值（元/a）,Vi为各种树种对应的蓄积年生长量（m3/a）, Ki为各种树种蓄积量的年增长率,杉木为10.54%、松木为5.47%、阔叶树为4.27%；ri为各树种蓄积量与生物量的转换系数（t/m3）,杉木为0.54、松木为0.56、阔叶树为1.72；Pi为竹林、经济林、灌木林的生产力（t/hm2a）,根据各树种年生长量,通过蓄积量和生物量的转换系数来计算生产力,竹林为17.16、经济林为7.09、灌木林为4.18；Si为竹林、经济林、灌木林的面积（hm2）；Cc表示固碳成本（元/t）,采用固碳造林成本规定Cc为273.3元/t；Co表示释氧（元/t）,据造林成本,中国森林提供1t氧的造林成本为369.7元,按照400元/t进行计算[7].通过计算每个地区的E,并将E等差分为优、良、中、差、劣五个等级. 2.2.5休闲游憩功能评估模型

休闲游憩模型可以为居民游玩提供一个辅助参考,主要针对群落结构、景观视觉效果、游憩开发条件这三个方面构建评鉴指标体系.对于群落组成结构科学合理的林分景观效果也相应会表现良好,森林组成指标选取森林覆盖度、树种组成、林龄、树种起源四个子项,KellomSki研究认为混交林的美景度较单纯林高,Staffelbach则指出针叶混交林和落叶混交林的美景高于针叶纯林,并且针叶纯林又高于落叶纯林[8]；而林龄主要划分为五个阶段,分别为幼龄林、中龄林、近熟林、过熟林,一般同一林龄的美景较不同林龄的林分更受欢迎；经过Hull等对林分景观进行了比较研究,表明天然林较人工林的视觉效果更好一些.而对于景观视觉效果,主要在于季相变化以及整体组合状况对森林景观的影响,季相变化主要指在不同季节能够给人以不同的视觉感受,季相变化丰富的林分的景观效果更好；而整体组合状况主要是周边各种景观与森林景观的整体效果能够相互衬托则为最佳,若组合效果一般就会起到削弱作用[9].而游憩开发条件指标主要是森林景观周边的交通、餐饮住宿条件两个子项,通过问卷调查可以反应人们出行对森林游憩的满意度.各种指标以及指标对应的分值如表1所示.

通过表1可以得到不同林分休闲游憩怎么写作功能的分值,表中的5、4、3、2、1代表评估指标划分不同等级的分值,5表示休闲游憩功能等级最高,1表示休闲游憩功能等级最低,这五个值分别对应优、良、中、差、劣五个等级.

2.2.6生态系统综合评估模型

根据国内外的文献研究,将综合五个评估模型综合在一起得到改进模型,根据五种不同模型得到的等级分值再经过计算公式（7）即可得到绿地生态功能综合评估结果（Ecological Service Function Quality Index,EQI）.具体公式为：

（10）

其中,Rs为各项生态怎么写作等级分值,Wi为不同模型评估的权值,绿地生态系统怎么写作功能这一综合性指标是由各项单一生态怎么写作功能评估结果集成而来,即项目采用了加权分析的方法,对各指标权重的赋值主要依据专家经验法,同时参考了指标重要性的分析,各项评价指标的权重见表2所示.根据公式（10）综合各生态怎么写作功能得到生态怎么写作总评分,最终对总评结果进行五分制等级划分,最高5分,最低1分,具体划分方法如表3所示.

3系统设计与实现

3.1系统设计分析

基于系统设计前需求分析可知,本研究是以一种简单易行的方法开发得到一种实用性较强的评估系统,要求系统使用方便、界面友好、而且方便用户的操作和使用.据此可得本系统功能模块设计如图1所示.

图1 系统功能模块图

Fig.1 System function block diagram

3.2模块功能实现

系统可分为六大模块,主要包括文件管理模块、地图浏览模块、集成查询与测量模块、城市绿地生态系统怎么写作功能评估模块、数据维护模块、用户信息模块六大模块.对各个模块的功能描述如下.

（1）文件管理模块.主要实现功能是对文件的操作和管理,文件的打开,文件的保存、另存；地图打印功能,分别实现打印类型的设置、页面设置、打印预览、连接打印机并打印的功能；显示文件的属性,显示当前文件的存储路径；导出地图功能是基于矢量格式的输出,可分为EMF格式、AI格式、PDF格式、BMP格式、TIFF格式、EPS格式、JPEG格式等,并根据不同需要输出不同格式的数据.退出,即退出当前软件的使用.

（2）地图浏览模块.实现功能是利用AE的控件对当前地图任意地区进行不同的查看操作,可实现自由放大、自由缩小、二倍自动放大、二倍自动缩小、漫游、全景显示、插入书签功能,并实现鹰眼图与主窗口的互动查询.同时,利用PageLayoutControl控件实现地图版面视图功能,而且实现与MapControl的联动,还可连接打印机进行版面视图的打印.

（3）集成查询与测量模块.可以利用AE控件实现单击任意区域查询图层属性的功能,并且连接Access数据库,即可查询某一地区的详细绿地信息.具体查询数据包括：树种组成、郁闭度、起源、树高、龄组等,利于专业人员对任意绿地图层数据进行浏览并寻找感兴趣的信息；进一步还可以利用AE控件以及GIS建立图形查询方式,根据需求用户可以用直线、多边形来查询空间数据和属性信息.

（4）城市绿地生态系统怎么写作功能评估模块.根据已建立的城市绿地生态怎么写作功能动态评估模型,在林地和草地两个空间图层的属性表中各添加一个名为result的字段用于存储生态怎么写作功能动态评估结果,各绿地斑块的评估结果以五级等级制进行表示,每种评估模型将结果值写入绿地图层的result属性中,并通过对图层以result值分类设置图例,以区分不同生态怎么写作功能等级的绿地斑块的空间分布情况,有利于用户查看符合独特需求的绿地斑块位置.如果用户查询哈尔滨地区在某个季节的某个时间哪里适合游玩,可以通过输入当前天气和温度变化情况,系统会根据当前温度变化、天气情况选择适当的游憩功能动态评估模型对每个绿地斑块进行遍历,读取绿地属性数据,进行动态评估,并将评估结果写入result属性中.同时,可将哈尔滨地区的城市绿地斑块以5种颜色由深到浅逐级显示在地图浏览界面中,通过颜色即可选取最符合用户需求的绿地斑块位置,而通过属性查询就能实现对绿地信息的详细查看.绿地生态系统怎么写作功能评估流程如图2所示.2013年6月16日哈尔滨城区内城市绿地生态怎么写作功能和草地生态怎么写作功能等级评估结果则如图3所示.

图2 绿地生态系统怎么写作功能评估流程

Fig.2 Services evaluation process of greenland ecosystem

图3 城市绿地生态怎么写作功能评估结果 Fig.3 Eco-service function evaluation of urban greenland

（5）数据维护模块.气象信息维护部分,即用户可以输入当前温度以及天气情况信息,系统即自动将当前天气信息传给各个模型,用户可以查看当前天气情况下不同模型的信息；而数据更新部分则主要针对系统维护人员,根据哈尔滨市绿地出现不同的变化,如森林的生长、砍伐等发生变化时需要更新Access数据库中相应图层数据,即可通过此项进行修改.

4结束语

本系统的研究与实现,一方面有利于哈尔滨市相关林业部门对本城区的城市绿地的生态系统怎么写作功能进行动态评估,并以此为依据制定相应的城市规划决策,在最大程度上发挥城市绿地的生态效益,另一方面也可为居民出行和游玩提供有效决策,能够推动城市绿地旅游业以及其他产业的良性发展.在系统开发过程中利用ArcEngine中提供的GIS中间件可以十分快速地完成空间数据的浏览、查询与测量等功能,大大缩短了系统开发周期、降低了开发成本,为相关领域的系统研发提供了有益的参考和借鉴.