農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳紅順 ，夏 斌 ，張俊嶺

（1.北京師范大學(xué)珠海分校 信息技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海519087；2.中山大學(xué) 海洋學(xué)院，廣東 廣州510275；3.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州510640）

珠江三角洲地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，近年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化問題日益突出。為此，珠江三角洲地區(qū)開展了系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查，積累了大量的調(diào)查數(shù)據(jù)。如何利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和研究，是當(dāng)前面臨的主要問題之一[1，2]。

為滿足珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查、評(píng)價(jià)的需要，本文綜合利用GIS技術(shù)及各種數(shù)學(xué)方法開展生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)(PAESEIS)，該系統(tǒng)是一個(gè)集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析評(píng)價(jià)、預(yù)警預(yù)測(cè)、信息發(fā)布于一體的綜合信息平臺(tái)，可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)珠江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查、評(píng)價(jià)和研究的實(shí)際需求，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)字化和動(dòng)態(tài)管理監(jiān)控，科學(xué)評(píng)價(jià)珠江三角洲地區(qū)生態(tài)地球化學(xué)環(huán)境狀況，預(yù)測(cè)珠江三角洲地區(qū)生態(tài)地球化學(xué)環(huán)境的發(fā)展演化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)預(yù)警重大生態(tài)地球化學(xué)災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)生態(tài)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的社會(huì)化服務(wù)。具體目標(biāo)如下：

(1)建立完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和管理；

(2)建立合理的生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的科學(xué)評(píng)價(jià)；

(3)建立生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可預(yù)見時(shí)間范圍內(nèi)生態(tài)地球化學(xué)的預(yù)警、預(yù)測(cè)；

(4)建立信息發(fā)布模塊，實(shí)現(xiàn)生態(tài)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的社會(huì)化服務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)實(shí)際，系統(tǒng)以MAPGIS 7.0和Microsoft.NET為基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)，采用多層體系結(jié)構(gòu)，以便使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)共分為四層：數(shù)據(jù)服務(wù)層、基礎(chǔ)組件層、功能服務(wù)層和用戶層。

數(shù)據(jù)服務(wù)層由空間數(shù)據(jù)庫引擎和大型商用數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，存儲(chǔ)、管理和維護(hù)各類數(shù)據(jù)，建立并維護(hù)空間、非空間索引，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理和訪問服務(wù)。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和管理以下類型的數(shù)據(jù)：矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、二維表格數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)以及文檔數(shù)據(jù)等。

基礎(chǔ)組件層由系統(tǒng)的公共應(yīng)用組件構(gòu)成，為系統(tǒng)運(yùn)行提供支撐服務(wù)。基礎(chǔ)組件包括由基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)MAPGIS 7.0和Microsoft.NET本身提供的組件和基于基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)二次開發(fā)出來的組件，后者主要有數(shù)據(jù)管理組件、安全管理組件、計(jì)算分析組件、分析評(píng)價(jià)組件、預(yù)警預(yù)測(cè)組件等。

功能服務(wù)層由基礎(chǔ)組件構(gòu)建的各大功能模塊組成，主要包括數(shù)據(jù)管理、基礎(chǔ)分析、生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)、生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警預(yù)測(cè)、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理六大功能模塊。

影像數(shù)據(jù)處理的作業(yè)流程為：資料準(zhǔn)備，空三加密(控制點(diǎn)數(shù)據(jù))，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(diǎn)相結(jié)合的方式進(jìn)行正射糾正，直至精度符合技術(shù)規(guī)程要求為止。

用戶層直接面向用戶，是系統(tǒng)使用者與應(yīng)用軟件之間的人機(jī)接口，系統(tǒng)的用戶群主要包括相關(guān)政府部門、企事業(yè)單位、科研單位、社會(huì)公眾。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為滿足珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查、評(píng)價(jià)的實(shí)際需要，PAESEIS系統(tǒng)共包括數(shù)據(jù)管理、基礎(chǔ)分析、生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)、生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警預(yù)測(cè)、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理六大功能模塊[3-5]，如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)管理：是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的日常管理維護(hù)、數(shù)據(jù)的錄入編輯和導(dǎo)入導(dǎo)出等操作以及元數(shù)據(jù)的管理維護(hù)，其主要管理對(duì)象是生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)、測(cè)試分析數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)和質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。

（2）基礎(chǔ)分析：系統(tǒng)的核心子功能之一，是生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)和生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，主要包括數(shù)據(jù)編輯、查詢檢索、空間統(tǒng)計(jì)與分析、專題制圖、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、多元統(tǒng)計(jì)分析、異常提取與分析等。

（3）生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)：是系統(tǒng)的核心功能之一，主要實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)目標(biāo)明確、方法模型成熟的生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)，主要包括：珠江水系生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)、農(nóng)田生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)、城市生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)、淺海生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)和典型地區(qū)持久性有機(jī)污染物（POPs）探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估。

（4）生態(tài)地球化學(xué)預(yù)警預(yù)測(cè)：主要實(shí)現(xiàn)珠三角生態(tài)地球化學(xué)的預(yù)警、預(yù)測(cè)功能。主要功能包括：根據(jù)已有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)土壤中金屬污染在5～10年的土壤元素含量變化預(yù)測(cè)；實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源污染的預(yù)警評(píng)價(jià)；實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全預(yù)警。

（6）系統(tǒng)管理：主要是功能和數(shù)據(jù)的安全，主要功能包括日志管理、用戶管理、角色管理和權(quán)限管理等。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C/S與B/S混合模式的體系結(jié)構(gòu)。信息發(fā)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(tǒng)，在高速局域網(wǎng)環(huán)境下表現(xiàn)為桌面應(yīng)用程序。系統(tǒng)采用大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle集中管理空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，采用大型組件式地理信息系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)MAPGIS 7.0和Microsoft.NET開發(fā)平臺(tái)C#語言進(jìn)行開發(fā)。

4 關(guān)鍵問題研究

4.1 數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源廣泛、類型眾多，如何有效組織和管理大量的異構(gòu)、多源、多比例尺、多時(shí)段的數(shù)據(jù)成為系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。

為此，系統(tǒng)選用Oracle作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，MAPGIS 7.0作為空間數(shù)據(jù)引擎，統(tǒng)一管理空間與非空間數(shù)據(jù)。這種存儲(chǔ)管理方式有利于屬性數(shù)據(jù)在空間地圖顯示上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，同時(shí)提供了空間數(shù)據(jù)多用戶并發(fā)訪問和共享機(jī)制，此外還大大拓展了空間數(shù)據(jù)的容量，使海量空間數(shù)據(jù)可以存放到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。空間數(shù)據(jù)則采用“縱向分層”的管理模式，便于空間數(shù)據(jù)的管理與分析；同時(shí)，在橫向（平面）上對(duì)空間數(shù)據(jù)采用無縫拼接地圖庫（“分幅”）的模式進(jìn)行管理，即可以按圖幅、行政區(qū)劃分及任意多邊形為單位來管理數(shù)據(jù)。

4.2 GIS數(shù)據(jù)加載與顯示

由于數(shù)據(jù)種類繁多、圖形數(shù)據(jù)多樣，多種圖形數(shù)據(jù)在集成顯示時(shí)，對(duì)于不同的顯示順序、比例尺等，會(huì)產(chǎn)生局部或全部遮蓋等問題。為便于用戶理解、突出專題、體現(xiàn)層次，必須對(duì)每類數(shù)據(jù)的顯示順序、比例尺等進(jìn)行控制，鄧吉秋等在研究長(zhǎng)株潭區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)時(shí)，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(diǎn)、線、面三類數(shù)據(jù)的顯示原則有：(1)整體上從上層至底層依次為點(diǎn)、線、面、柵格；(2)同類數(shù)據(jù)中的不同種數(shù)據(jù)根據(jù)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(shù)據(jù)的不同級(jí)別（或比例尺）數(shù)據(jù)根據(jù)重要性或自然跨越性確定順序(如縣級(jí)行政區(qū)處于市州行政區(qū)的上層)；(4)特殊數(shù)據(jù)的順序特殊處理，如坐標(biāo)網(wǎng)格可以處于最頂層。比例尺的控制原則有：(1)小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)比大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)具有更廣的比例尺范圍；(2)同種數(shù)據(jù)大級(jí)別數(shù)據(jù)比小級(jí)別數(shù)據(jù)具有更廣的比例尺范圍。

4.3 評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)

由于專業(yè)評(píng)價(jià)應(yīng)用種類繁多、評(píng)價(jià)方法多樣，如何實(shí)現(xiàn)和管理評(píng)價(jià)模型成為系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。

評(píng)價(jià)模型的核心是數(shù)學(xué)計(jì)算公式，在系統(tǒng)中表現(xiàn)為具體的算法，按照一定規(guī)則的算法組合就可以實(shí)現(xiàn)特定的評(píng)價(jià)模型。本系統(tǒng)的評(píng)價(jià)模型采用如下4種不同的方法建立：

(1)直接實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程：對(duì)于簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)模型(如土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的單項(xiàng)污染指數(shù)法)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)只需調(diào)用 GIS組件的功能訪問圖形與屬性數(shù)據(jù)，利用有關(guān)計(jì)算公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算就可以得到評(píng)價(jià)結(jié)果。

(2)導(dǎo)入第三方組件：主要針對(duì)評(píng)價(jià)過程復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，如涉及到矩陣或者微積分運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型，用 C#實(shí)現(xiàn)起來很復(fù)雜，則考慮采用第三組件組建實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：將已經(jīng)實(shí)現(xiàn)該模型的第三方組件編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，然后通過 C#加載到其開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)其評(píng)價(jià)功能。

(3)用戶基于接口開發(fā)：對(duì)于部分用戶需要但系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)的部分評(píng)價(jià)模型，用戶可以自主開發(fā)。系統(tǒng)對(duì)用戶開放相關(guān)的開發(fā)接口，用戶只需要實(shí)現(xiàn)相關(guān)接口，并將其編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，系統(tǒng)加載后就可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)評(píng)價(jià)功能。

(4)用戶自定義組合算法流程實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)提供一些輔助性的工具，供用戶根據(jù)需要進(jìn)行組合應(yīng)用。這些工具既包括GIS所特有的數(shù)據(jù)分析、空間分析、專題制圖等，也包括評(píng)價(jià)過程中常用的統(tǒng)計(jì)分析方法和數(shù)學(xué)計(jì)算公式。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)行，并在珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)的調(diào)查評(píng)價(jià)工作中發(fā)揮了重要作用。它不僅可以為珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和科學(xué)管理提供先進(jìn)、實(shí)用的綜合數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，還可以為相關(guān)專家和領(lǐng)導(dǎo)提供農(nóng)業(yè)地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)警和輔助決策的功能強(qiáng)大、穩(wěn)定易用的信息系統(tǒng)支撐平臺(tái)。該系統(tǒng)的應(yīng)用大大提升了農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查的數(shù)據(jù)處理效率和成果應(yīng)用水平。

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