礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)例研究

張 可 慧，劉 劍 鋒，2＊ ，孫 雷 剛，2

（1.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050021；2.河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050021）

日益增長的礦山開發(fā)造成的生態(tài)安全問題愈發(fā)嚴(yán)重，礦區(qū)生態(tài)安全已成為生態(tài)安全研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。3S及空間數(shù)據(jù)庫等技術(shù)為礦山生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究提供了可靠數(shù)據(jù)源和技術(shù)手段［1］。目前，國內(nèi)研究多以單目標(biāo)或某類目標(biāo)遙感調(diào)查為主［2－4］，多因素綜合的小尺度區(qū)域礦區(qū)生態(tài)安全評價與預(yù)警研究尚處于起步階段，更缺乏面向部門應(yīng)用的礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。近年來隨著國產(chǎn)遙感技術(shù)的發(fā)展，尤其是高分系列衛(wèi)星的發(fā)射，為礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警提供了低成本、高時空分辨率的數(shù)據(jù)源，加之社會經(jīng)濟(jì)及環(huán)境監(jiān)測共享數(shù)據(jù)獲取渠道更加豐富和便捷、成熟的本底數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)對小尺度區(qū)域礦區(qū)生態(tài)安全狀況的短時間跨度動態(tài)監(jiān)測、評價及預(yù)警。因此，本文基于ArcGIS、ArcSDE、Microsoft Visual C＃.NET平臺技術(shù)、統(tǒng)一建模語言等，研建了礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警的業(yè)務(wù)化方面做了有益嘗試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警的要求，系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)主要是綜合管理礦區(qū)生態(tài)安全涉及的各評價指標(biāo)數(shù)據(jù)信息及基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)，通過GIS空間分析等功能和核心模塊實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)生態(tài)安全的監(jiān)測、評價與預(yù)警。核心模塊包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計與建設(shè)、管理專業(yè)數(shù)據(jù)、圖層的多源數(shù)據(jù)集成管理模塊；利用GIS空間分析功能對礦區(qū)生態(tài)安全進(jìn)行專題評估分析的GIS功能模塊；專題評價核心模塊；生態(tài)安全預(yù)警模塊。

多源數(shù)據(jù)集成管理模塊主要包括以下功能：實(shí)現(xiàn)矢柵數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，可以方便地管理、維護(hù)海量數(shù)據(jù)，并采用統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)引擎對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取；支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能，專業(yè)數(shù)據(jù)通過人機(jī)交互界面導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)也可以依據(jù)條件選擇導(dǎo)出；支持?jǐn)?shù)據(jù)更新、維護(hù)功能，可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式編輯更新，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)生態(tài)安全的動態(tài)監(jiān)測。

GIS功能模塊由地圖瀏覽、地圖定位、地圖量測和查詢統(tǒng)計功能四部分組成。專題評價模塊對各種專業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要包括地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量及潛在危險源評估、粉塵及大氣污染評估、礦業(yè)活動影響評估、坡耕地面積評估、礦區(qū)環(huán)境治理度評估、農(nóng)藥及重金屬等土壤污染評估、地質(zhì)環(huán)境評估、地形要素評估、植被狀況評估、生態(tài)環(huán)境治理度評估［1］等。預(yù)警模塊采用基于“P-S-R”框架理論的評價模型對礦區(qū)生態(tài)安全各個量化指標(biāo)進(jìn)行計算并得出評價結(jié)果，將綜合評價結(jié)果劃分為安全、較安全、一般、較不安全和不安全5個生態(tài)安全等級，并分別給出不同的預(yù)警狀態(tài)。

由于系統(tǒng)要求對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，系統(tǒng)框架需具備良好的可擴(kuò)展性和靈活性，同時對數(shù)據(jù)庫安全性要求較高，數(shù)據(jù)更新維護(hù)等需要專業(yè)人員操作，用戶群主要為專業(yè)人群，因此比較適合采用C／S結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)架構(gòu)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)的建立以評價指標(biāo)文件管理系統(tǒng)為核心，以人機(jī)交互界面為載體，形成多源數(shù)據(jù)管理、地圖視圖和布局視圖基本功能模塊、指標(biāo)圖層數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、評價指標(biāo)權(quán)重系統(tǒng)配置模塊及評價模型計算與預(yù)警分析模塊。系統(tǒng)自上而下分為用戶層、功能層和數(shù)據(jù)層。用戶層指使用該系統(tǒng)的各類用戶，通過人機(jī)交互界面與系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系；功能層為系統(tǒng)價值的核心實(shí)現(xiàn)層，以系統(tǒng)平臺為載體解析用戶提出的所有請求，并從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)支持，運(yùn)算后將結(jié)果通過系統(tǒng)界面反饋給用戶；數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的底層支持，通過操作系統(tǒng)的文件管理系統(tǒng)，為功能層的所有模塊提供基礎(chǔ)運(yùn)算數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 面向?qū)ο蟮能浖こ碳夹g(shù)

軟件工程技術(shù)分階段的程序獨(dú)立任務(wù)設(shè)計適合于礦區(qū)生態(tài)安全分層次信息分析及龐大數(shù)據(jù)量處理與調(diào)用的要求，但傳統(tǒng)的軟件工程技術(shù)采用的是結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計技術(shù)，在某種程度上忽略了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，面向?qū)ο蠹夹g(shù)（OOA＆OOD）將自然領(lǐng)域問題與軟件技術(shù)相融合，以研究對象為實(shí)體，封裝各種屬性與操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)充性、繼承性與靈活性，為軟件工程技術(shù)提供了新的契機(jī)。本文系統(tǒng)采用OOA＆OOD方法，應(yīng)用Rational統(tǒng)一開發(fā)過程（Rational Unified Process，RUP）進(jìn)行輔助系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、問題論域、用戶界面四部分，采用UML建模語言進(jìn)行開發(fā)，完成系統(tǒng)動靜形態(tài)的建模和可視化。

2.2 組件與 Microsoft Visual C＃.NET平臺

組件（component）技術(shù)以其重用性、自包容性、可定制性和互操作性成為礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)。通過對系統(tǒng)的單因子分析、生態(tài)安全綜合評價、預(yù)警分析模塊的設(shè)定，在編制基礎(chǔ)組件程序的基礎(chǔ)上，讓用戶通過可重用的組件定制特定的應(yīng)用程序，保證調(diào)用和應(yīng)用方便，避免了面向?qū)ο蠹夹g(shù)系統(tǒng)編程過程中較低層次的重復(fù)性勞動。組件采用.NET／CLR，組件間接口通過IDL定義，其與平臺無關(guān)，二進(jìn)制兼容，使用者可直接調(diào)用執(zhí)行模塊。

Microsoft Visual C＃.NET平臺可實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)邊界的無縫通信，保證程序代碼的安全性，控制代碼間的沖突，可提供面向用戶應(yīng)用程序設(shè)計的友好平臺。在礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)中采用C＃語言編譯器，為高級用戶復(fù)雜分析的組件選擇提供技術(shù)支撐。

2.3 空間和非空間數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫一體化存儲

礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中涉及點(diǎn)、線、面等矢量空間數(shù)據(jù)、由遙感數(shù)據(jù)源獲得的柵格空間數(shù)據(jù)以及各種屬性數(shù)據(jù)和描述性數(shù)據(jù)等非空間數(shù)據(jù)。有效地整合和管理空間和非空間數(shù)據(jù)，將提升系統(tǒng)的應(yīng)用效率。采用關(guān)系數(shù)據(jù)一體化存儲空間與非空間數(shù)據(jù)，是GIS技術(shù)發(fā)展的最新趨勢。本文利用ESRI的ArcSDE，把空間數(shù)據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系、幾何地理坐標(biāo)及屬性數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系表中，拓展了傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的存儲和管理模式，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)開放性管理，具有很強(qiáng)的并發(fā)控制能力和可擴(kuò)充能力，利用SQL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫各項(xiàng)操作功能，實(shí)現(xiàn)真正的C／S結(jié)構(gòu)。

2.4 WinForm窗體界面設(shè)計技術(shù)

WinForm是.NET開發(fā)平臺中的一種窗體設(shè)計方案，可用于設(shè)計窗體和可視控件，以創(chuàng)建豐富的Windows應(yīng)用程序和軟件。基于WinForm開發(fā)軟件系統(tǒng)，可充分利用公共語言運(yùn)行庫，簡化開發(fā)流程和周期。同時，基于WinForm和.NET框架平臺，有大量第三方公司推出的組件式自定義控件，提供便捷、美觀的人工交互接口（User Interface）和功能，輔助研發(fā)人員快速搭建應(yīng)用系統(tǒng)。

2.5 GIS空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

GIS空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過對圖層類型及名稱、數(shù)據(jù)字典等的配置實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的使用和管理。設(shè)計原則為：遵循空間數(shù)據(jù)的連續(xù)無縫組織架構(gòu)；按分類、分層、低冗余度、高共享性、獨(dú)立性等原則聚集數(shù)據(jù)；系統(tǒng)及數(shù)據(jù)易更新維護(hù)等。空間數(shù)據(jù)管理以ArcSDE為核心，構(gòu)建C／S架構(gòu)下的面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。利用元數(shù)據(jù)管理，對遙感影像等進(jìn)行切片、壓縮以提高數(shù)據(jù)使用效率，數(shù)據(jù)采用分布式配置。

GIS空間數(shù)據(jù)庫中柵格數(shù)據(jù)主要是礦區(qū)遙感影像、DEM、NDVI等，在ArcSDE中統(tǒng)一按照Raster Dataset形式存儲，建立影像金字塔索引，提高存取效率。矢量數(shù)據(jù)包括水系、交通等礦區(qū)基礎(chǔ)本底數(shù)據(jù)及土地利用覆被、采樣數(shù)據(jù)等專題數(shù)據(jù)。在ArcSDE中統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫化預(yù)處理，按照FeatureDataset數(shù)據(jù)集方式存儲，單個矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成Feature-Class類型，分別建立空間索引，提高存儲查詢效率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)例

根據(jù)上文系統(tǒng)設(shè)計，以井陘礦區(qū)為實(shí)例進(jìn)行系統(tǒng)原型實(shí)現(xiàn)。針對項(xiàng)目業(yè)務(wù)需要，系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)主要是通過綜合管理多源數(shù)據(jù)，建立礦區(qū)生態(tài)安全綜合評價與預(yù)警模型，為決策機(jī)構(gòu)提供決策依據(jù)。系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)使得各個層級上的組件在不影響系統(tǒng)其他部分的情況下進(jìn)行更新、增加、刪除或替換等操作。因此，系統(tǒng)更新維護(hù)更便捷、安全可靠，成本可控。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的文件菜單及基本操作界面如圖2所示。專題評價預(yù)警模塊為系統(tǒng)核心模塊（圖2），主要包括評價指標(biāo)圖層顯示、權(quán)重參數(shù)配置及評估模型計算等功能。該模塊支持對評價指標(biāo)權(quán)重的自主輸入和修改配置，或者通過參數(shù)文件（.xml格式）導(dǎo)入配置，供評價預(yù)警模型計算使用。

4 結(jié)語

本文基于Microsoft Visual C＃.NET平臺及ArcSDE等技術(shù)開發(fā)了礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置靈活、運(yùn)行良好，為實(shí)現(xiàn)基于多源遙感數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫的礦區(qū)生態(tài)安全監(jiān)測及預(yù)警的業(yè)務(wù)化運(yùn)行做了有益嘗試，也為進(jìn)一步研發(fā)自動化程度更高的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)奠定了理論及技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］ 劉劍鋒，張可慧，馬文才.基于高分一號衛(wèi)星遙感影像的礦區(qū)生態(tài)安全評價研究——以井陘礦區(qū)為例［J］.地理與地理信息科學(xué)，2015，31（5）：121－126.

［2］ 劉智，黃潔，邵懷勇，等.RapidEye衛(wèi)星影像在1：50 000礦山開發(fā)遙感調(diào)查中的應(yīng)用研究［J］.國土資源遙感，2010，83：127－129.

［3］ 陳偉濤，張志，王焰新，等.礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測方法初探［J］.地質(zhì)通報，2010（2－3）：457－462.

［4］ 甘甫平，劉圣偉，周強(qiáng).德興銅礦礦山污染高光譜遙感直接識別［J］.地球科學(xué)，2004，29（1）：119－126.