基于GIS的城市環保地理信息系統的設計與建設

沈麗霞

(福州市勘測院，福建 福州 350003)

1 引言

隨著“《國務院關于開展第一次全國污染源普查的通知》［國發〔2006〕36號］”文件的發布，全國污染源普查工作正式拉開了帷幕。此次全國污染源普查是全面掌握我國環境狀況的重要手段，搞好污染源普查，有利于正確地判斷環境形勢，科學制定環境保護政策和規劃，切實改善環境質量，保障國家環境安全，促進經濟結構調整，推進資源節約型、環境友好型社會建設。2011年福州市的污染源普查工作已進入后期階段，主要的工作重心在于整理各種普查表格和地圖，進行數據的編碼、錄入、入庫，分析評估普查數據、普查成果的進一步開發利用等。

福州市環境保護監測站作為市環保局的直屬單位，主要承擔著環境要素的常規普查與監測、污染源監視監測、污染事故監測及污染糾紛仲裁監測等工作，市環保局及監測站相關領導非常重視普查成果的開發利用。隨著普查污染源數據庫的逐步完善，為更好地利用普查成果資料，充分發揮普查成果的經濟效益和社會效益。部門領導在綜合考察了GIS技術在環保行業信息化建設方面的成功經驗后，決定在這次污染源源普查成果的基礎上開發建設《福州市污染源管理及應急監測地理信息系統》。

本項目采用地理信息系統與相關環境數學分析模型相結合的方式，充分利用地理信息系統對空間數據的查詢、管理和分析功能，保障各類歷史及現狀環保信息數據的綜合管理，并形成自己特有的環保知識庫來為社會提供技術支撐和信息服務。

2 系統建設目標和內容

人口、資源和環境是當今人類社會所共同面臨的最嚴峻的問題。隨著全球環境的日益惡化，人們已越來越認識到環境保護的重要性。同時，也越來越認識到科學技術，特別是信息技術對環境保護所起的重大作用。環境保護離不開環境信息的采集和處理，而環境信息85%以上與空間位置有關，所以，地理信息系統就自然成為環境保護信息化工作中的有力工具。

該項目的總體目標就是:利用GIS技術，在福州市電子地圖數據的基礎上，加載各類環保專用空間圖層，建立起福州市污染源管理及應急監測地理信息系統軟硬件平臺，提高環境監察、污染源分析、應急事故等工作的處置能力。

具體而言，該系統的建設內容包括兩個方面:

(1)福州市污染源管理及應急監測地理信息系統數據庫建設。其中又包括:福州市基礎地理空間數據庫和福州市環保專題信息數據庫。

(2)福州市污染源管理及應急監測地理信息系統。其中又包括兩個子系統:環境監測與污染源管理子系統、應急監測現場處理便攜子系統。

3 系統的總體框架設計

系統按照“分層設計、模塊構建”的思想進行設計，由4層結構，兩大保障構成。具體如圖1所示:

從下而上，第一層是基礎層:該層提供系統的基本網絡操作、桌面操作系統及企業級數據庫系統等基礎軟件環境，提供信息化系統運行所依賴的存儲設備、計算設施、網絡設施、安全設施等，是信息化系統的軟硬件設施基礎。

第二層是數據層，是整個系統的信息資源核心。污染源專題數據庫由污染源專題空間數據庫和染源屬性數據組成，污染源屬性數據庫直接從外部的污染源普查原始庫提取建庫;應急監測管理數據庫包括應急流程庫、預案庫、大氣模型庫、模擬預演庫、化學品和專家儀器庫等;環保專題數據由基礎地理空間數據庫提供所需地圖背景。

圖1 系統總體框架圖

第三層是服務層，在統一的GIS核心平臺運行框架上，提供工作流程的運轉服務，面向各應用子系統提供標準的服務接口，例如:基本GIS功能、數據更新恢復、空間信息的查詢、統計分析服務、專題圖的應用等各種系統管理服務。

第四層是應用層，在服務層的基礎上，面向污染源和應急監測管理的需求，為支持平臺提供應用:如普查污染源信息管理、普查污染源專題分析、大氣擴散模擬分析及應急監測現場處理等功能模塊。

在上述四層結構之外，還必須建立環保數據標準、數據規范體系及信息管理制度、安全保障體系，從而保證信息有序，防止信息管理混亂，使信息化建設和運作有章可循，規范發展。

4 系統功能實現

4.1 環保綜合空間數據庫建設

環保綜合空間數據庫軟件平臺采用Oracle 10g+ArcSDE，用于保存基礎地理空間數據、環保專題空間數據及相關的業務屬性數據。地理圖層的坐標系以1954年北京大地坐標系為基準，采用“高斯—克呂格投影”。

數據內容包括:

(1)1∶25000電子地圖:主要包括市級行政區劃、縣級行政區劃、各級政府所在地、居民地、鐵路、主要水系面、各級道路、火車站、碼頭、機場等地物要素。數據范圍覆蓋福州市5區8縣。

(2)1∶5000電子地圖:主要包括行政區劃、縣市政府所在地、鄉鎮所在地、行政村、鐵路、水系、道路面、公園綠地、居民地等地物要素。數據范圍覆蓋福州市主城區及各區縣的縣城區。

(3)數碼航拍影像:數據范圍覆蓋福州市主城區及重點監測污染源周邊 4 km2。

(4)高程DEM數據:基于1∶10000比例尺，精度為 1 m×1 m的DEM高程數據。數據范圍覆蓋福州地區5區8縣。

(5)熱點定位數據:主要包括企事業單位、醫院、學校、酒店、商業等重要地物信息點數據。數據范圍覆蓋福州市主城區及各區縣的縣城區。

(6)道路中心線數據:數據范圍覆蓋福州市中心城區及8縣城區。

(7)河道中心線數據:主要包括福州市區內主要內河、閩江及主要支流、龍江、敖江等。

(8)污染源普查數據:數據范圍覆蓋福州地區5區8縣。

(9)應急重點污染源數據:主要描述污染源的空間分布，并表示污染源與地物之間的空間關系。數據范圍覆蓋福州地區5區8縣。

(10)環境監測點數據:主要描述環境監測信息源的空間分布，包括水質監測斷面、大氣監測站點、水質監測點、噪聲監測點。數據范圍覆蓋福州地區5區8縣。

(11)危險化學品危害及處置技術資料庫:主要包括環保監測單位日常工作中涉及的各種危險化學品的基本化學性質及對環境的影響情況。同時還提供在現場應急監測的方法、實驗室檢測方法、環境標準以及應急處理處置方法等信息。

(12)監測儀器及專家信息:在應急監測過程現場需要各類專業的監測儀器設備及專業人員來保障，主要包括車載應急監測流動實驗室，各類儀器設備;專業人員信息庫要求有人員的姓名、性別、所屬部門、專業、技術能力等信息。

4.2 地圖操作子系統建設

(1)地圖瀏覽:實現平移、縮放、全圖、前后視圖等操作，從而達到方便快速瀏覽地圖信息的目的。

(2)地圖鷹眼:通過地圖鷹眼，對地圖全貌進行“鳥瞰”，實現對電子地圖的快速定位。

(3)地圖圖層控制:系統提供可視化的操作方式，控制視圖的顯示、選擇狀態及文本顯示狀態。

(4)地圖量測:實現點位坐標量測、距離量測、任意多邊形區域面積量測。

(5)影像數據加載:顯示影像圖數據，并可和矢量圖數據進行切換瀏覽。

(6)污染源空間專題圖:將污染源在地圖中的分布情況以專題圖方式體現出來，使數據形象地顯示在專題地圖上。

4.3 查詢定位

提供對公共專題數據、環保專題數據、應急監測相關數據的屬性查詢和空間查詢功能，以列表展示查詢結果，并可以在地圖上定位顯示，具體功能包括:

(1)常用地名查詢:用戶輸入地名、道路名，進行地名模糊查詢定位。

(2)常用單位查詢:用戶輸入單位名稱，進行地名模糊查詢定位。

(3)污染源分級樹圖顯示及查詢定位:系統根據污染源所屬類別進行三級分類，并點擊某污染源時進行查詢定位。

(4)污染源查詢定位:用戶輸入污染源名稱，對污染源進行模糊查詢定位。如圖2所示:

圖2 污染源查詢定位

(5)污染源屬性查詢:用戶點選污染源后，可顯示污染源的詳細屬性信息。

(6)地圖選擇查詢:通過選擇工具來獲取框選范圍內的污染源分布情況，并能查看其屬性。選擇方式可以為點選、圈選、框選、多邊形選擇等。

(7)化學品信息查詢:用戶輸入化學品名稱、性質、類型等關鍵字進行模型查詢，顯示該危險化學品的全部相關信息及處理建議程序。

(8)儀器設備及應急專家查詢:用戶輸入類型、名稱等條件能查詢各類儀器設備，輸入姓名、專業、技能可查詢全部專業人士檔案信息。

4.4 環境質量監測

(1)水環境監測:對地下水、湖庫、內河、飲用水、河流等重點水域的水質監測情況進行查看，篩選過濾。

(2)空氣監測:對重點監測點的城市空氣、降塵、降水、硫酸鹽化速率監測情況等進行查看、過濾、分析和統計。

(3)聲源監測:對主要功能區和道路的道路交通噪聲、功能區噪聲、區域環境噪聲等監測情況進行查詢、過濾、分析和統計。

(4)專題報表統計:對水環境、空氣、聲源三類監測數據進行專題報表統計、分析、導出等。如圖3所示:

圖3 報表統計分析

(5)大氣擴散模型分析:根據擴散模型的模擬分析數據，結合GIS的空間分析功能，顯示污染物種類及數量，涉及或影響的范圍，自動生成應急布控范圍，預演擴散點分布等，如圖4所示。

圖4 大氣擴散模型分析

(6)環境監測站360°全景展示:以360°全景技術，全方位展示環境監測站整體外觀、實驗室內部布局、重要區域情況等，提供以步進方式循序漸進展示。

4.5 應急監測管理

系統可提供對應急監測工作的流程制定及向導式工作管理，并可形成應急監測工作的統計分析報表并導出。

(1)應急監測工作向導:按照應急監測工作的設計流程，提供向導方式的應急監測工作管理模式，使操作用戶可以簡單清晰地完成應急監測各項工作。如圖5所示:

圖5 應急監測工作向導

(2)應急監測流程制定:提供對應急監測工作的流程制定，為向導式工作管理提供基礎。

(3)應急監測方案管理:提供應急監測方案的管理功能，包括方案增加、修改刪除等。方案在應急監測工作向導中可自動調用。

(4)應急監測案例查詢:系統提供可查詢已經存在的污染事故案例信息，對已有的環境污染事故的應急監測案例進行存檔和管理，通過數據挖掘為環境污染事故區域應急和預警工作提供有價值的信息。

(5)應急監測統計報表:對應急監測工作中的過程數據及結果進行統計查詢分析，并可輸出到Word或Excel文件。

4.6 信息動態維護管理

(1)重點污染源數據維護:實現對重點污染源數據的錄入、編輯修改、導入、導出等數據維護。

(2)環保信息專題更新:實現對空氣、水源及噪聲等各類自動監測站環保相關信息的維護管理。

(3)化學品信息更新維護:可進行危害化學品相關信息及處置流程的錄入、編輯和修改。

(4)儀器專家信息更新維護:對監測儀器設備及應急專家信息的錄入、修改和更新。

(5)應急監測資料庫管理:系統內置相關應急處理規范、國際條例等相關文檔資料。用戶可根據事故情況參照查找，為應急處理提供理論幫助。

4.7 環保專題地圖分析

系統對污染源進行基于專題圖的統計分析，并提供報表的統計瀏覽及導出功能。

(1)工業源專題統計分析:在地圖上直接對不同專題顯示其分析結果。如按普查企業數量、行業分布情況、工業源用水情況、廢水廢氣產生處理及排放情況、工業源能源消費情況等來分析。能用顏色的差異、不同大小的圖例直觀地在電子地圖上表達出來。

(2)生活源專題統計分析:在地圖上直接對不同專題顯示其分析結果。如按普查對象數量、生活源污水產生、處理、排放情況、各項普查污染物的區域、行業分布、生活源廢氣產生量、處理量等來分析。能用顏色的差異、不同大小的圖例直觀地在電子地圖上表達出來。如圖6所示:

圖6 環保專題圖分析

(3)集中式污染治理設施專題統計分析:在地圖上直接對不同專題顯示其分析結果。如按污水處理廠數量、建設情況，按照城鎮污水處理廠、工業廢水集中處理設施、其他污水集中處理設施以及其中二級以上污水處理設施等分類分析。能用顏色的差異、不同大小的圖例直觀地在電子地圖上表達出來。

(4)統計報表瀏覽:包含報表查詢、報表查詢結果詳細分類顯示、污染源的詳細信息顯示等。

(5)統計結果導出:將統計結果輸出到報表，并可打印，或輸出Word，Excel文檔，以便保存。

4.8 系統維護管理

提供支撐系統正常運行的基本管理功能，包括用戶管理、角色管理、權限管理、配置管理及日志管理。

(1)用戶管理:系統范圍內的用戶的新增、修改、刪除等基本功能。

(2)角色管理:提供角色的定義，可將不同的功能模塊及功能進行組合，設定為不同的角色。

(3)權限管理:對系統使用人員按不同的職位設置不同的角色，使得每人擁有相應的權限，只能在自己的權限范圍內辦理自己的工作業務。

(4)配置管理:提供系統所需代碼、數據字典的管理工具。

(5)日志管理:系統自動記錄每個用戶的登錄、使用情況，可對記錄的日志進行瀏覽、備份、刪除等操作。

(6)備份管理:將系統重要的業務數據定期備份。

5 項目的特色

5.1 整體設計

該項目建設在污染源普查成果的基礎上充分利用GIS、數據庫、三維虛擬現實等技術搭建一套的環保綜合空間數據庫管理平臺，并保證后期利用該平臺可進行更多專業應用系統的開發，譬如環境監測分析系統、環境污染事故應急監測管理系統、環境質量考核與總量控制系統、環境污染模擬與預測信息系統及環境資源信息發布與服務系統等。

5.2 應急監測工作流程化

應急監測工作具有時間緊迫、責任重大等特點，通過分析應急監測工作內容，將應急監測工作分為7個步驟，分別是建立警情、應急調度、路徑分析、現場記錄、應急方案、記錄報告、終止監測。通過實際應急工作處置時間段，具體細化各流程的工作內容，通過警情輔助定位、應急資源查詢調度、最短路徑分析、集成大氣擴散模型、部署應急監測點、上傳應急現場和監測圖片視頻資料等手段，輔助部署、分析、決策，輔助應急監測工作。

5.3 整合環保業務數據、統一平臺處理

環境監測站多年來積累了許多環保數據，如普查監測數據、重點污染源數據、水、氣、聲等常規監測數據，這些數據以分散形式存儲在市環保站內，并且使用不同的系統進行日常管理使用，造成了數據維護和日常工作的不便。該項目將普查污染源數據和各類污染源數據進行整合，在系統上集成現有業務系統的部分功能，初步解決了“信息孤島”問題，并且以本次項目成果為基礎，將來可以將更多的環保數據和業務應用都集成到一個平臺上，實現環保業務的統一平臺處理。

5.4 采用最新配圖切圖技術

本項目的矢量和影像切圖樣式吸收了長久以來的信息系統地圖以及網絡電子地圖的特點，對項目底圖數據重新配圖，矢量切圖數據最后兩級還采用了2.5維建筑配圖方案，增加了地圖的美觀性;在切圖方面，采用ArcGIS 10的最新切圖技術，用切片數據壓縮技術，減少了切片數據量，減少了系統數據部署遷移的時間。

5.5 插件式開發和Silverlight開發技術

應急監測子系統采用Microsoft Silverlight插件式開發技術，可以在系統基本框架不變的情況下，以插件開發方式擴展基礎功能和業務功能。不僅系統框架清晰，并且不同模塊間的開發不會相互影響，降低了系統集成難度以及系統模塊間的耦合度。

6 結論與展望

在項目建設過程中，福州市環境監測站各級領導和相關部門骨干給予了大力支持;他們憑借多年在環保行業積累的經驗，給我們提出了寶貴的意見和建議，為項目建設的順利完成起到了重要的作用。

隨著系統應用的深入和條件的成熟，還可從以下幾個方面對現有系統進行拓展:

(1)建立應急監測指揮平臺，真正實現應急警情接入、現場指揮的功能;

(2)集成常規監測數據庫，實現常規監測數據錄入、管理;

(3)在重點污染源企業的環保關注位置安裝監控探頭，將實時視頻數據回傳到監測站，實現實時動態監控。

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