基于移動GIS的天然輻射環境數據采集平臺研發

闕澤勝，孫美琴，于國華*

（1.廣東省核工業地質局輻射環境監測中心，廣東 廣州 510800；2.廣東核力工程勘察院，廣東 廣州 510800；3.武漢智博創享科技股份有限公司，湖北 武漢 430000）

天然輻射環境外業調查內容不僅包括文字信息，還有照片、點位、觀測儀器原始文件等，涉及樣本數量大、數據格式多樣、存儲技術要求高。采用常規的紙質手簿方式進行野外調查的作業模式具有工作量較大、耗費時間長、誤差較大、實時性較差等缺陷[1-2]，且有填報不規范、容易出錯等問題，影響結果的準確性和完備性，不利于數據集成與后續分析。因此，有必要探索一種簡便易用、穩定可靠的野外調查數據采集解決方案，實現天然輻射環境野外調查工作的數字化、智能化。

1 系統設計

1.1 需求分析

人類所受輻射照射主要來源于天然輻射，國際癌癥研究機構（IARC）已將氡及其子體劃歸為I類致癌因子[3]。上世紀八十年代，國家環保局組織開展了全國環境天然放射性水平調查，并建立了數據庫，包括環境天然貫穿輻射水平、土壤中天然放射性核素含量和水體中天然放射性核素濃度3個分數據庫[4]。廣東省參照上世紀八十年代國家環保局的天然放射性水平調查方法，從2013年開始進行了新一輪全省放射性地質環境調查工作，并采用最新輻射環境監測方法和技術重新進行測量，于2016年完成了調查入庫工作，建立了廣東省放射性地質環境監測數據管理信息系統[5]。根據廣東省放射性地質環境調查與評價項目[6]，環境監測相關數據包括：①監測方法及儀器設備數據；②儀器宇宙射線響應數據；③陸地γ輻射劑量率數據（包括原野、道路和室內3種類型）；④就地γ能譜測量數據；⑤土壤、巖石、水體和底泥中放射性核素含量數據。

根據前人的研究，天然輻射環境采集信息主要包括γ輻射劑量率、就地γ能譜、氡濃度，以及土壤、巖石、水體等介質中放射性核素的調查。因此，為解決天然輻射環境信息采集問題，系統建設的具體需求定義為實現對原野γ輻射劑量率、道路γ射劑量率、室內γ輻射劑量率、土壤氡濃度、空氣氡濃度和就地γ能譜等6類監測對象信息的現場采集錄入，以及對土壤、巖石、水體、底泥、動物和植物等6類樣品信息的現場采集錄入。具備錯誤自查功能，即用戶可以在移動端輸入數據時，系統能及時判斷輸入信息是否規范，實現對現場采集信息的審查、管理功能。實現對原野、道路和室內γ輻射劑量率儀器讀數的Grubbs法則檢驗功能。具備一鍵歸檔原始記錄表功能，即按野外原始記錄表格模板，一鍵生成各調查要素原始記錄表信息，實現基本地圖服務等功能。

1.2 系統作業流程

系統的桌面端部分負責任務管理、數據管理、統計分析、數據審查等。通過通信服務功能將桌面端的任務分配給相應的調查人員。調查人員登入手持端，可查看本調查小組的調查任務，通過手持端在野外進行實地數據的采集，采集完的數據可以實時回傳到桌面端進行數據的管理及數據的統計分析應用。手持端樣品采集信息通過二維碼技術，將樣品流轉到輻射實驗室的LIMIS系統，LIMIS系統再將樣品檢測結果發送到桌面端。

1.3 總體架構設計

本系統平臺以Java為主要開發語言，基于JDK1.8、NodeJS、Java、JavaScript、HTML5、CSS等開發環境，以Oracle 11g為數據庫[7]，采用B/S體系架構，如圖1所示。運行支撐層包括終端、數據監測設備、移動終端、路由器、單位專網、防火墻、移動互聯網、操作系統、數據庫管理軟件等，數據資源層包括基礎地理信息數據、天然輻射監管數據、野外采集數據、業務流數據；GIS平臺包括GIS數據服務、GIS功能服務、GIS目錄服務、工作流管理、接口服務、二三維一體化、服務質量控制；云架構數據中心框架包括數據查詢、數據顯示、統計分析、數據共享、數據定義、數據交換、數據質量控制、專題輸出；業務應用層包括手持端和桌面端，其中手持端實現野外移動數據采集，桌面端實現數據輸入、數據存儲、數據分析評價、數據成果展示、數據應用、數據質量控制、數據安全保障；用戶層包括領導、項目管理人員、野外數據采集人員。

圖1 總體架構圖

1.4 數據庫設計

根據需求分析和系統總體架構，數據庫設計遵循易用性、先進性、可維護性、實用性、標準化、美觀性、可擴展性等原則。根據業務邏輯，對數據庫進行總體設計，見圖2。底層數據可分為監測信息原始庫、樣品信息原始庫、監測信息成果庫、樣品信息成果庫、基礎空間信息數據庫和業務信息數據庫，并通過GIS和數據中心技術進行集成。數據庫提供數據服務、流程管理、數據交換、接口管理和空間分析等應用。

圖2 系統數據庫設計圖

1.5 主要功能模塊設計

天然輻射環境移動數據采集平臺包括手持端和桌面端，總體功能模塊設計見圖3。手持端功能包括主界面、數據管理、現場監測、樣品采集、樣品流轉、更多功能等模塊，主要完成野外數據現場采集錄入，支撐離線和在線數據錄入和查詢、檢索、支撐基于GIS的數據展示和野外GPS定位，為野外數據采集提供信息化協助。桌面端功能包括數據處理、數據建庫、數據交換、數據輸入、數據查詢、成果展示、設備管理、消息管理、用戶管理等模塊。

圖3 總體功能模塊設計圖

2 系統實現案例

基于上述系統設計原理，開發了廣東省天然輻射環境移動數據采集平臺，包括手持端和桌面端。手持端主要實現監測數據、樣品數據的采集及回傳，桌面端主要實現數據的管理及成果的分析展示。

2.1 桌面端開發

天然輻射環境移動數據采集平臺桌面端的開發遵循大數據平臺設計總體框架，采用“統一領導、統一規范、統一服務、統一建設、統一管理”的指導思想，在充分利用云架構、大數據等新一代信息技術的基礎上，立足天然輻射環境工作實際進行研發。

1）主界面。如圖4所示，廣東省天然輻射環境數據采集平臺桌面端主界面包括地圖顯示區、功能模塊區。地圖顯示區主要用于顯示調查點空間信息和屬性信息。功能模塊區包括了任務管理、進度管理、數據管理、數據審查、通信服務等一級和二級菜單功能。

2）任務管理。任務管理模塊包括項目管理、任務管理、調查點管理和調查小組管理等功能。針對計劃任務，管理人員可以組建針對本任務的調查小組，向調查小組成員推送該任務，調查小組人員用自己的賬號登錄桌面端或者移動端，即可看到具體的任務情況，接收任務推送的相關信息和提醒。

3）進度管理。進度管理模塊包括工作進度查詢和工作質量報表等功能。工作進度查詢實現監測進度和采樣進度查詢、篩選、統計功能。工作質量報表以任務完成耗時為指標，進行工作質量統計分析。

4）數據管理。數據管理模塊包括采集數據管理和資料歸檔功能。采集數據管理實現編輯、導出、查看儀器讀數、查看照片信息、刪除和新建等功能。資料歸檔功能可以按調查表格模板實現一鍵歸檔。

5）數據審查。數據審查模塊包括我的待辦箱、我的候選箱、我發起的流程、我參與的流程、部署管理、分組管理功能。

6）應急響應。應急響應模塊包括調查小組位置監控和調查小組檢查分級結果功能。用戶通過手持端及時回傳的調查小組人員位置信息，可以對調查人員位置信息進行基于時間軸的回放。對于調查小組上傳的野外監測分級結果，桌面端可同步顯示，1級為綠色點、2級為黃色點、3級為橙色點、4級為紅色點。

7）通信服務。通信服務模塊包括我的消息和消息發布功能。用戶可發送和接收移動終端消息。

8）輔助工具。輔助工具模塊包括坐標系轉換和格拉斯法則檢驗工具。坐標系轉換包括WGS84坐標系統和2000國家大地坐標系之間的轉換，大地坐標系與平面坐標系間的轉換。格拉斯法則檢驗工具，即對原野伽瑪輻射劑量率、道路伽瑪輻射劑量率和室內伽瑪輻射劑量率提供Grubbs法則的科學性檢驗。

9）系統設置。系統設置模塊包括用戶管理、部門管理和角色管理。

2.2 手持端開發

手持端主要完成野外信息的現場采集錄入，支持離線和在線數據錄入和查詢、檢索，支持基于GIS的數據展示和野外GPS定位。

1）主界面。如圖5所示，手持端主界面包括快速定位區、功能模塊區、任務顯示工具區、底圖管理區、工作區等。

2）數據管理。數據管理模塊包括地圖管理和任務管理。任務分為采樣點任務和監測點任務。

3）現場監測?，F場監測實現對原野γ輻射劑量率、道路γ輻射劑量率、室內γ輻射劑量率、土壤氡濃度、空氣氡濃度、就地γ能譜等監測任務的數量、監測進度、預警分級統計分析?，F場監測的監測列表頁面上方分別展示各類監測點的數量；中間展示工作進度，包含已監測的監測點數量和占比，待監測的數量和占比；下方展示預警分級各級別的監測點數量和占比情況。

圖6 手持端現場監測界面

4）樣品采集。樣品采集實現對土壤、巖石、水體、底泥、動物、植物等采樣任務的數量、監測進度統計分析。樣品采集的采樣點列表界面上方分別展示各種采樣點的數量；中間展示工作進度，包含已采樣的采樣點數量和占比，待采樣的數量和占比。列表右側的導航和定位按鈕可進行空間位置交互。

5）樣品流轉。在手持APP中快速生成二維碼及掃描功能，可以識別采樣品實物二維碼標簽，掃描成功后將得到物品編碼，通過物品編碼在數據庫中查詢對應的原始資料并入庫對應的成果資料，保證樣品在流轉過程中信息的無縫銜接。

6）更多功能。更多功能包括設置，小組和消息。其中設置按鈕可查看和維護個人信息、儀器參數管理，頻率設置、查看系統信息等。

7）地圖管理。地圖管理包括地圖縮放、地圖漫游、用戶定位、圖層控制、衛星數量顯示、用戶坐標顯示、地圖量算等。

8）軌跡管理。手動開啟用戶軌跡收集服務，適用于用戶隨時開啟和關閉軌跡收集服務。

2.3 關鍵技術研究

1）基于二維碼的樣品信息傳輸技術。手持端采集的土壤、巖石、水體、底泥、動植物等樣品信息，需傳輸到輻射實驗室LIMIS管理系統?；诙S碼技術，在手持端的樣品流轉模塊，先生成采樣點的二維碼，后將二維碼傳輸至打印機進行打印。輻射實驗室再通過掃碼槍掃描二維碼，最后將樣品信息傳輸到輻射實驗室的LIMIS管理系統中。

2）Grubbs準則剔除可疑值技術。根據HJ 61-2021《輻射環境監測技術規范》等相關要求，現場監測的原野、道路和室內伽瑪輻射劑量率儀器讀數，應先進行Grubbs法則檢驗，以剔除可疑值。為提高工作效率，將Grubbs準則剔除可疑值技術嵌入到手持端中，即在手持端現場監測模塊，對原野、道路和室內伽瑪輻射劑量率現場監測類要素，在輸入完儀器讀數后，進行Grubbs準則檢驗。對儀器讀數不符合Grubbs準則的T值進行標識，剔除儀器讀數異常值后不符合Grubbs準則要求個數（不少于8個）的，該組數據不允許輸入手持終端。

3 結語

利用移動GIS技術，從需求分析、系統作業流程、總體架構設計、數據庫設計、功能模塊設計等方面闡述了天然輻射環境移動數據采集平臺的系統設計方法，為驗證該方法的可行性，開發了廣東省天然輻射環境數據采集平臺。該平臺的開發，解決了天然輻射環境外業調查采用常規紙質手薄方式的缺陷，實現了天然輻射環境野外調查數據的信息采集、智能校驗、實時上傳與有效管理，簡化了填報程序，規范了填報內容，提高了工作效率。實踐證明，移動GIS技術可有效應用于天然輻射環境移動數據采集平臺建設，進而實現天然輻射環境野外調查工作的數字化、智能化。