農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查評價信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

珠江三角洲地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，近年來隨著經(jīng)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(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(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(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查、評價的需要，本文綜合利用GIS技術(shù)及各種數(shù)學方法開展生態(tài)地球化學評價研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查評價信息系統(tǒng)(PAESEIS)，該系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)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(shè)和社會可持續(xù)發(fā)展等提供基礎(chǔ)資料和科學依據(jù)。
1 建設(shè)目標
根據(jù)珠江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查、評價和研究的實際需求，系統(tǒng)需要實現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學數(shù)據(jù)的數(shù)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(xiàn)生態(tài)地球化學數(shù)據(jù)的社會化服務。具體目標如下：
(1)建立完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學各類數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)對可預見時間范圍內(nèi)生態(tài)地球化學的預警、預測；
(4)建立信息發(fā)布模塊，實現(xiàn)生態(tài)地球化學數(shù)據(jù)的社會化服務。
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標，結(jié)合系統(tǒng)開發(fā)實際，系統(tǒng)以MAPGIS 7.0和Microsoft .NET為基礎(chǔ)開發(fā)平臺，采用多層體系結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)服務層、基礎(chǔ)組件層、功能服務層和用戶層。

數(shù)據(jù)服務層由空間數(shù)據(jù)庫引擎和大型商用數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，存儲、管理和維護各類數(shù)據(jù)，建立并維護空間、非空間索引，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理和訪問服務。數(shù)據(jù)庫存儲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)的公共應用組件構(gòu)成，為系統(tǒng)運行提供支撐服務?；A(chǔ)組件包括由基礎(chǔ)開發(fā)平臺MAPGIS 7.0和Microsoft .NET本身提供的組件和基于基礎(chǔ)開發(fā)平臺二次開發(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(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(guān)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(shè)計
為滿足珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查、評價的實際需要，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(shù)據(jù)管理：是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的日常管理維護、數(shù)據(jù)的錄入編輯和導入導出等操作以及元數(shù)據(jù)的管理維護，其主要管理對象是生態(tài)地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)、測試分析數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)和質(zhì)量監(jiān)控數(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)地球化學評價和生態(tài)地球化學預警預測的基礎(chǔ)，主要包括數(shù)據(jù)編輯、查詢檢索、空間統(tǒng)計與分析、專題制圖、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)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(xiàn)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(nóng)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(xiàn)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(jù)已有數(shù)據(jù)實現(xiàn)土壤中金屬污染在5～10年的土壤元素含量變化預測；實現(xiàn)非點源污染的預警評價；實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全預警。
（5）信息發(fā)布：利用政務內(nèi)網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)部分成果的網(wǎng)上發(fā)布，系統(tǒng)通過用戶授權(quán)方式實現(xiàn)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(quán)用戶根據(jù)權(quán)限的不同可以瀏覽綜合成果、信息處理服務和數(shù)據(jù)下載服務。
（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MAPGIS 7.0和Microsoft.NET開發(fā)平臺C#語言進行開發(fā)。
4 關(guān)鍵問題研究
4.1 數(shù)據(jù)組織與存儲
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)。這種存儲管理方式有利于屬性數(shù)據(jù)在空間地圖顯示上的實時動態(tài)更新，同時提供了空間數(shù)據(jù)多用戶并發(fā)訪問和共享機制，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，在橫向（平面）上對空間數(shù)據(jù)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(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，對于不同的顯示順序、比例尺等，會產(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，必須對每類數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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)大級別數(shù)據(jù)比小級別數(shù)據(jù)具有更廣的比例尺范圍。
4.3 評價模型實現(xiàn)
由于專業(yè)評價應用種類繁多、評價方法多樣，如何實現(xiàn)和管理評價模型成為系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。
　　評價模型的核心是數(shù)學計算公式，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現(xiàn)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(xiàn)計算過程：對于簡單的評價模型(如土壤環(huán)境質(zhì)量評價的單項污染指數(shù)法)，在實現(xiàn)時只需調(diào)用 GIS組件的功能訪問圖形與屬性數(shù)據(jù)，利用有關(guān)計算公式對數(shù)據(jù)進行計算就可以得到評價結(jié)果。
(2)導入第三方組件：主要針對評價過程復雜的數(shù)學模型，如涉及到矩陣或者微積分運算的數(shù)學模型，用 C#實現(xiàn)起來很復雜，則考慮采用第三組件組建實現(xiàn)。具體實現(xiàn)方法如下：將已經(jīng)實現(xiàn)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(diào)用， 從而實現(xiàn)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(xiàn)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(guān)的開發(fā)接口，用戶只需要實現(xiàn)相關(guān)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(xiàn)相關(guān)評價功能。
(4)用戶自定義組合算法流程實現(xiàn)：系統(tǒng)提供一些輔助性的工具，供用戶根據(jù)需要進行組合應用。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，也包括評價過程中常用的統(tǒng)計分析方法和數(shù)學計算公式。
目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功運行，并在珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學的調(diào)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(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學數(shù)據(jù)的高效存儲和科學管理提供先進、實用的綜合數(shù)據(jù)管理平臺，還可以為相關(guān)專家和領(lǐng)導提供農(nóng)業(yè)地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)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(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查的數(shù)據(jù)處理效率和成果應用水平。
參考文獻
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