農業地質與生態地球化學調查評價信息系統的設計與實現*

陳紅順 ，夏 斌 ，張俊嶺

（1.北京師范大學珠海分校 信息技術學院，廣東 珠海519087；2.中山大學 海洋學院，廣東 廣州510275；3.中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州510640）

珠江三角洲地區是我國經濟最發達的地區之一，近年來隨著經濟的快速發展和城鎮化的快速推進，環境污染和生態環境惡化問題日益突出。為此，珠江三角洲地區開展了系統的農業地質與生態地球化學調查，積累了大量的調查數據。如何利用這些數據進行生態環境評價和研究，是當前面臨的主要問題之一[1，2]。

為滿足珠江三角洲農業地質與生態地球化學調查、評價的需要，本文綜合利用GIS技術及各種數學方法開展生態地球化學評價研究，在此基礎上設計并實現了珠江三角洲農業地質與生態地球化學調查評價信息系統(PAESEIS)，該系統是一個集數據存儲、分析評價、預警預測、信息發布于一體的綜合信息平臺，可以為區域生態環境建設和社會可持續發展等提供基礎資料和科學依據。

1 建設目標

根據珠江三角洲地區農業地質與生態地球化學調查、評價和研究的實際需求，系統需要實現珠江三角洲地區農業地質與生態地球化學數據的數字化和動態管理監控，科學評價珠江三角洲地區生態地球化學環境狀況，預測珠江三角洲地區生態地球化學環境的發展演化趨勢，預測預警重大生態地球化學災害，實現生態地球化學數據的社會化服務。具體目標如下：

(1)建立完善的數據管理系統，對農業地質與生態地球化學各類數據進行有效的存儲和管理；

(2)建立合理的生態地球化學評價體系，實現區域生態環境的科學評價；

(3)建立生態地球化學預警系統，實現對可預見時間范圍內生態地球化學的預警、預測；

(4)建立信息發布模塊，實現生態地球化學數據的社會化服務。

2 系統設計

2.1 軟件體系結構

根據系統的設計目標，結合系統開發實際，系統以MAPGIS 7.0和Microsoft.NET為基礎開發平臺，采用多層體系結構，以便使系統具有良好的可擴展性、可維護性。如圖1所示，整個系統共分為四層：數據服務層、基礎組件層、功能服務層和用戶層。

數據服務層由空間數據庫引擎和大型商用數據庫構成，存儲、管理和維護各類數據，建立并維護空間、非空間索引，為系統提供數據管理和訪問服務。數據庫存儲和管理以下類型的數據：矢量數據、柵格數據、二維表格數據、元數據以及文檔數據等。

基礎組件層由系統的公共應用組件構成，為系統運行提供支撐服務。基礎組件包括由基礎開發平臺MAPGIS 7.0和Microsoft.NET本身提供的組件和基于基礎開發平臺二次開發出來的組件，后者主要有數據管理組件、安全管理組件、計算分析組件、分析評價組件、預警預測組件等。

功能服務層由基礎組件構建的各大功能模塊組成，主要包括數據管理、基礎分析、生態地球化學評價、生態地球化學預警預測、信息發布和系統管理六大功能模塊。

影像數據處理的作業流程為：資料準備，空三加密(控制點數據)，正射糾正，影像鑲嵌與裁切，獲得正射影像成果。影像糾正采用密集匹配和像控點相結合的方式進行正射糾正，直至精度符合技術規程要求為止。

用戶層直接面向用戶，是系統使用者與應用軟件之間的人機接口，系統的用戶群主要包括相關政府部門、企事業單位、科研單位、社會公眾。

2.2 系統功能設計

為滿足珠江三角洲農業地質與生態地球化學調查、評價的實際需要，PAESEIS系統共包括數據管理、基礎分析、生態地球化學評價、生態地球化學預警預測、信息發布和系統管理六大功能模塊[3-5]，如圖1所示。

（1）數據管理：是整個系統的數據管理平臺，實現對數據庫的日常管理維護、數據的錄入編輯和導入導出等操作以及元數據的管理維護，其主要管理對象是生態地球化學調查數據、測試分析數據、成果數據和質量監控數據等。

（2）基礎分析：系統的核心子功能之一，是生態地球化學評價和生態地球化學預警預測的基礎，主要包括數據編輯、查詢檢索、空間統計與分析、專題制圖、數據交換、數據預處理、多元統計分析、異常提取與分析等。

（3）生態地球化學評價：是系統的核心功能之一，主要實現評價目標明確、方法模型成熟的生態地球化學評價，主要包括：珠江水系生態地球化學評價、農田生態地球化學評價、城市生態地球化學評價、淺海生態地球化學評價和典型地區持久性有機污染物（POPs）探測與風險性評估。

（4）生態地球化學預警預測：主要實現珠三角生態地球化學的預警、預測功能。主要功能包括：根據已有數據實現土壤中金屬污染在5～10年的土壤元素含量變化預測；實現非點源污染的預警評價；實現農產品安全預警。

（6）系統管理：主要是功能和數據的安全，主要功能包括日志管理、用戶管理、角色管理和權限管理等。

3 系統開發與實現

系統采用C/S與B/S混合模式的體系結構。信息發布模塊采用B/S模式，方便各類用戶在線查詢和下載；其他功能模塊采用C/S模式系統，在高速局域網環境下表現為桌面應用程序。系統采用大型的關系型數據庫Oracle集中管理空間數據和非空間數據，采用大型組件式地理信息系統軟件開發平臺MAPGIS 7.0和Microsoft.NET開發平臺C#語言進行開發。

4 關鍵問題研究

4.1 數據組織與存儲

系統數據來源廣泛、類型眾多，如何有效組織和管理大量的異構、多源、多比例尺、多時段的數據成為系統的關鍵問題之一。

為此，系統選用Oracle作為數據庫管理系統，MAPGIS 7.0作為空間數據引擎，統一管理空間與非空間數據。這種存儲管理方式有利于屬性數據在空間地圖顯示上的實時動態更新，同時提供了空間數據多用戶并發訪問和共享機制，此外還大大拓展了空間數據的容量，使海量空間數據可以存放到關系數據庫中?？臻g數據則采用“縱向分層”的管理模式，便于空間數據的管理與分析；同時，在橫向（平面）上對空間數據采用無縫拼接地圖庫（“分幅”）的模式進行管理，即可以按圖幅、行政區劃分及任意多邊形為單位來管理數據。

4.2 GIS數據加載與顯示

由于數據種類繁多、圖形數據多樣，多種圖形數據在集成顯示時，對于不同的顯示順序、比例尺等，會產生局部或全部遮蓋等問題。為便于用戶理解、突出專題、體現層次，必須對每類數據的顯示順序、比例尺等進行控制，鄧吉秋等在研究長株潭區域生態地球化學評價系統時，提出了圖層顯示的原則和比例尺控制的原則[6]，具體如下：點、線、面三類數據的顯示原則有：(1)整體上從上層至底層依次為點、線、面、柵格；(2)同類數據中的不同種數據根據重要性或自然跨越性確定順序(如公路處于河流的上層)；(3)同種數據的不同級別（或比例尺）數據根據重要性或自然跨越性確定順序(如縣級行政區處于市州行政區的上層)；(4)特殊數據的順序特殊處理，如坐標網格可以處于最頂層。比例尺的控制原則有：(1)小數據量數據比大數據量數據具有更廣的比例尺范圍；(2)同種數據大級別數據比小級別數據具有更廣的比例尺范圍。

4.3 評價模型實現

由于專業評價應用種類繁多、評價方法多樣，如何實現和管理評價模型成為系統的關鍵問題之一。

評價模型的核心是數學計算公式，在系統中表現為具體的算法，按照一定規則的算法組合就可以實現特定的評價模型。本系統的評價模型采用如下4種不同的方法建立：

(1)直接實現計算過程：對于簡單的評價模型(如土壤環境質量評價的單項污染指數法)，在實現時只需調用 GIS組件的功能訪問圖形與屬性數據，利用有關計算公式對數據進行計算就可以得到評價結果。

(2)導入第三方組件：主要針對評價過程復雜的數學模型，如涉及到矩陣或者微積分運算的數學模型，用 C#實現起來很復雜，則考慮采用第三組件組建實現。具體實現方法如下：將已經實現該模型的第三方組件編譯成動態鏈接庫（DLL）文件，然后通過 C#加載到其開發平臺下進行調用，從而實現其評價功能。

(3)用戶基于接口開發：對于部分用戶需要但系統沒有實現的部分評價模型，用戶可以自主開發。系統對用戶開放相關的開發接口，用戶只需要實現相關接口，并將其編譯成動態鏈接庫（DLL）文件，系統加載后就可以實現相關評價功能。

(4)用戶自定義組合算法流程實現：系統提供一些輔助性的工具，供用戶根據需要進行組合應用。這些工具既包括GIS所特有的數據分析、空間分析、專題制圖等，也包括評價過程中常用的統計分析方法和數學計算公式。

目前，該系統已經成功運行，并在珠江三角洲農業地質與生態地球化學的調查評價工作中發揮了重要作用。它不僅可以為珠江三角洲農業地質與生態地球化學數據的高效存儲和科學管理提供先進、實用的綜合數據管理平臺，還可以為相關專家和領導提供農業地質方面的數據處理、統計分析、綜合評價、預測預警和輔助決策的功能強大、穩定易用的信息系統支撐平臺。該系統的應用大大提升了農業地質與生態地球化學調查的數據處理效率和成果應用水平。

[1]于磊，張柏，張樹清.基于 GIS的三江平原生態環境地球化學質量評價研究[J].土壤通報，2004，35（5）：529-532.

[2]梁宇君，唐斌，蔡子華，等.GIS支持下生態環境地球化學質量評價方法探索[J].貴州工業大學學報（自然科學版），2006，35（6）：28-31.

[3]譚漢松，陳紅玲，田黨清，等.基于GIS的長株潭生態評價系統設計與實現[J].計算機技術與發展，2007，17（1）：145-147.

[4]郭虎.成都市生態地球化學信息系統的開發與應用[D].成都：成都理工大學，2004.

[5]李建寧.長春市生態地球化學信息系統的設計與建立[D].長春：吉林大學，2007.

[6]鄧吉秋，吳塹虹，劉合桃.長株潭區域生態地球化學評價系統設計與開發[J].計算機工程，2007，33(22)：269-271.