農業(yè)地質與生態(tài)地球化學調查評價信息系統(tǒng)的設計與實現

珠江三角洲地區(qū)是我國經濟最發(fā)達的地區(qū)之一，近年來隨著經濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進，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)的農業(yè)地質與生態(tài)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(tài)環(huán)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(yè)地質與生態(tài)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(tài)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(yè)地質與生態(tài)地球化學調查評價信息系統(tǒng)(PAESEIS)，該系統(tǒng)是一個集數據存儲、分析評價、預警預測、信息發(fā)布于一體的綜合信息平臺，可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設和社會可持續(xù)發(fā)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(qū)農業(yè)地質與生態(tài)地球化學調查、評價和研究的實際需求，系統(tǒng)需要實現珠江三角洲地區(qū)農業(yè)地質與生態(tài)地球化學數據的數字化和動態(tài)管理監(jiān)控，科學評價珠江三角洲地區(qū)生態(tài)地球化學環(huán)境狀況，預測珠江三角洲地區(qū)生態(tài)地球化學環(huán)境的發(fā)展演化趨勢，預測預警重大生態(tài)地球化學災害，實現生態(tài)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(tǒng)，對農業(yè)地質與生態(tài)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(tài)地球化學評價體系，實現區(qū)域生態(tài)環(huán)境的科學評價；
(3)建立生態(tài)地球化學預警系統(tǒng)，實現對可預見時間范圍內生態(tài)地球化學的預警、預測；
(4)建立信息發(fā)布模塊，實現生態(tài)地球化學數據的社會化服務。
2 系統(tǒng)設計
2.1 軟件體系結構
根據系統(tǒng)的設計目標，結合系統(tǒng)開發(fā)實際，系統(tǒng)以MAPGIS 7.0和Microsoft .NET為基礎開發(fā)平臺，采用多層體系結構，以便使系統(tǒng)具有良好的可擴展性、可維護性。如圖1所示，整個系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的公共應用組件構成，為系統(tǒng)運行提供支撐服務?；A組件包括由基礎開發(fā)平臺MAPGIS 7.0和Microsoft .NET本身提供的組件和基于基礎開發(fā)平臺二次開發(fā)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(tài)地球化學評價、生態(tài)地球化學預警預測、信息發(fā)布和系統(tǒng)管理六大功能模塊。
用戶層直接面向用戶，是系統(tǒng)使用者與應用軟件之間的人機接口，系統(tǒng)的用戶群主要包括相關政府部門、企事業(yè)單位、科研單位、社會公眾。
2.2 系統(tǒng)功能設計
為滿足珠江三角洲農業(yè)地質與生態(tài)地球化學調查、評價的實際需要，PAESEIS系統(tǒng)共包括數據管理、基礎分析、生態(tài)地球化學評價、生態(tài)地球化學預警預測、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）數據管理：是整個系統(tǒng)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(tài)地球化學調查數據、測試分析數據、成果數據和質量監(jiān)控數據等。
（2）基礎分析：系統(tǒng)的核心子功能之一，是生態(tài)地球化學評價和生態(tài)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(tǒng)計與分析、專題制圖、數據交換、數據預處理、多元統(tǒng)計分析、異常提取與分析等。
（3）生態(tài)地球化學評價：是系統(tǒng)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(tài)地球化學評價，主要包括：珠江水系生態(tài)地球化學評價、農田生態(tài)地球化學評價、城市生態(tài)地球化學評價、淺海生態(tài)地球化學評價和典型地區(qū)持久性有機污染物（POPs）探測與風險性評估。
（4）生態(tài)地球化學預警預測：主要實現珠三角生態(tài)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。
（5）信息發(fā)布：利用政務內網或Internet網絡實現部分成果的網上發(fā)布，系統(tǒng)通過用戶授權方式實現不同用戶服務的差異性，普通用戶可瀏覽系統(tǒng)提供的公開性資料，授權用戶根據權限的不同可以瀏覽綜合成果、信息處理服務和數據下載服務。
（6）系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)與實現
系統(tǒng)采用C/S與B/S混合模式的體系結構。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)，在高速局域網環(huán)境下表現為桌面應用程序。系統(tǒng)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(tǒng)軟件開發(fā)平臺MAPGIS 7.0和Microsoft.NET開發(fā)平臺C#語言進行開發(fā)。
4 關鍵問題研究
4.1 數據組織與存儲
系統(tǒng)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(tǒng)的關鍵問題之一。
為此，系統(tǒng)選用Oracle作為數據庫管理系統(tǒng)，MAPGIS 7.0作為空間數據引擎，統(tǒng)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(tài)更新，同時提供了空間數據多用戶并發(fā)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(qū)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(qū)域生態(tài)地球化學評價系統(tǒng)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(qū)處于市州行政區(qū)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(yè)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(tǒng)的關鍵問題之一。
　　評價模型的核心是數學計算公式，在系統(tǒng)中表現為具體的算法，按照一定規(guī)則的算法組合就可以實現特定的評價模型。本系統(tǒng)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(huán)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(tài)鏈接庫（DLL）文件，然后通過 C#加載到其開發(fā)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(fā)：對于部分用戶需要但系統(tǒng)沒有實現的部分評價模型，用戶可以自主開發(fā)。系統(tǒng)對用戶開放相關的開發(fā)接口，用戶只需要實現相關接口，并將其編譯成動態(tài)鏈接庫（DLL）文件，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計分析方法和數學計算公式。
目前，該系統(tǒng)已經成功運行，并在珠江三角洲農業(yè)地質與生態(tài)地球化學的調查評價工作中發(fā)揮了重要作用。它不僅可以為珠江三角洲農業(yè)地質與生態(tài)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(yè)地質方面的數據處理、統(tǒng)計分析、綜合評價、預測預警和輔助決策的功能強大、穩(wěn)定易用的信息系統(tǒng)支撐平臺。該系統(tǒng)的應用大大提升了農業(yè)地質與生態(tài)地球化學調查的數據處理效率和成果應用水平。
參考文獻
[1] 于磊，張柏，張樹清.基于GIS的三江平原生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境地球化學質量評價方法探索[J].貴州工業(yè)大學學報（自然科學版），2006，35（6）：28-31.
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[6] 鄧吉秋，吳塹虹，劉合桃.長株潭區(qū)域生態(tài)地球化學評價系統(tǒng)設計與開發(fā)[J].計算機工程，2007，33(22)：269-271.