農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查評價(jià)信息系統的設計與實(shí)現

珠江三角洲地區是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區之一，近年來(lái)隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮化的快速推進(jìn)，環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題日益突出。為此，珠江三角洲地區開(kāi)展了系統的農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查，積累了大量的調查數據。如何利用這些數據進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評價(jià)和研究，是當前面臨的主要問(wèn)題之一[1，2]。
為滿(mǎn)足珠江三角洲農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查、評價(jià)的需要，本文綜合利用GIS技術(shù)及各種數學(xué)方法開(kāi)展生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)研究，在此基礎上設計并實(shí)現了珠江三角洲農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查評價(jià)信息系統(PAESEIS)，該系統是一個(gè)集數據存儲、分析評價(jià)、預警預測、信息發(fā)布于一體的綜合信息平臺，可以為區域生態(tài)環(huán)境建設和社會(huì )可持續發(fā)展等提供基礎資料和科學(xué)依據。
1 建設目標
根據珠江三角洲地區農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查、評價(jià)和研究的實(shí)際需求，系統需要實(shí)現珠江三角洲地區農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)數據的數字化和動(dòng)態(tài)管理監控，科學(xué)評價(jià)珠江三角洲地區生態(tài)地球化學(xué)環(huán)境狀況，預測珠江三角洲地區生態(tài)地球化學(xué)環(huán)境的發(fā)展演化趨勢，預測預警重大生態(tài)地球化學(xué)災害，實(shí)現生態(tài)地球化學(xué)數據的社會(huì )化服務(wù)。具體目標如下：
(1)建立完善的數據管理系統，對農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)各類(lèi)數據進(jìn)行有效的存儲和管理；
(2)建立合理的生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)體系，實(shí)現區域生態(tài)環(huán)境的科學(xué)評價(jià)；
(3)建立生態(tài)地球化學(xué)預警系統，實(shí)現對可預見(jiàn)時(shí)間范圍內生態(tài)地球化學(xué)的預警、預測；
(4)建立信息發(fā)布模塊，實(shí)現生態(tài)地球化學(xué)數據的社會(huì )化服務(wù)。
2 系統設計
2.1 軟件體系結構
根據系統的設計目標，結合系統開(kāi)發(fā)實(shí)際，系統以MAPGIS 7.0和Microsoft .NET為基礎開(kāi)發(fā)平臺，采用多層體系結構，以便使系統具有良好的可擴展性、可維護性。如圖1所示，整個(gè)系統共分為四層：數據服務(wù)層、基礎組件層、功能服務(wù)層和用戶(hù)層。

數據服務(wù)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(lèi)數據，建立并維護空間、非空間索引，為系統提供數據管理和訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)。數據庫存儲和管理以下類(lèi)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。
基礎組件層由系統的公共應用組件構成，為系統運行提供支撐服務(wù)?；A組件包括由基礎開(kāi)發(fā)平臺MAPGIS 7.0和Microsoft .NET本身提供的組件和基于基礎開(kāi)發(fā)平臺二次開(kāi)發(fā)出來(lái)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(jià)組件、預警預測組件等。
功能服務(wù)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(xué)評價(jià)、生態(tài)地球化學(xué)預警預測、信息發(fā)布和系統管理六大功能模塊。
用戶(hù)層直接面向用戶(hù)，是系統使用者與應用軟件之間的人機接口，系統的用戶(hù)群主要包括相關(guān)政府部門(mén)、企事業(yè)單位、科研單位、社會(huì )公眾。
2.2 系統功能設計
為滿(mǎn)足珠江三角洲農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查、評價(jià)的實(shí)際需要，PAESEIS系統共包括數據管理、基礎分析、生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)、生態(tài)地球化學(xué)預警預測、信息發(fā)布和系統管理六大功能模塊[3-5]，如圖1所示。
（1）數據管理：是整個(gè)系統的數據管理平臺，實(shí)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(xué)調查數據、測試分析數據、成果數據和質(zhì)量監控數據等。
（2）基礎分析：系統的核心子功能之一，是生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)和生態(tài)地球化學(xué)預警預測的基礎，主要包括數據編輯、查詢(xún)檢索、空間統計與分析、專(zhuān)題制圖、數據交換、數據預處理、多元統計分析、異常提取與分析等。
（3）生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)：是系統的核心功能之一，主要實(shí)現評價(jià)目標明確、方法模型成熟的生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)，主要包括：珠江水系生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)、農田生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)、城市生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)、淺海生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)和典型地區持久性有機污染物（POPs）探測與風(fēng)險性評估。
（4）生態(tài)地球化學(xué)預警預測：主要實(shí)現珠三角生態(tài)地球化學(xué)的預警、預測功能。主要功能包括：根據已有數據實(shí)現土壤中金屬污染在5～10年的土壤元素含量變化預測；實(shí)現非點(diǎn)源污染的預警評價(jià)；實(shí)現農產(chǎn)品安全預警。
（5）信息發(fā)布：利用政務(wù)內網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò )實(shí)現部分成果的網(wǎng)上發(fā)布，系統通過(guò)用戶(hù)授權方式實(shí)現不同用戶(hù)服務(wù)的差異性，普通用戶(hù)可瀏覽系統提供的公開(kāi)性資料，授權用戶(hù)根據權限的不同可以瀏覽綜合成果、信息處理服務(wù)和數據下載服務(wù)。
（6）系統管理：主要是功能和數據的安全，主要功能包括日志管理、用戶(hù)管理、角色管理和權限管理等。
3 系統開(kāi)發(fā)與實(shí)現
系統采用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(lèi)用戶(hù)在線(xiàn)查詢(xún)和下載；其他功能模塊采用C/S模式系統，在高速局域網(wǎng)環(huán)境下表現為桌面應用程序。系統采用大型的關(guān)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軟件開(kāi)發(fā)平臺MAPGIS 7.0和Microsoft.NET開(kāi)發(fā)平臺C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
4 關(guān)鍵問(wèn)題研究
4.1 數據組織與存儲
系統數據來(lái)源廣泛、類(lèi)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(shí)段的數據成為系統的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
為此，系統選用Oracle作為數據庫管理系統，MAPGIS 7.0作為空間數據引擎，統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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，同時(shí)提供了空間數據多用戶(hù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)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(guān)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(shí)，在橫向（平面）上對空間數據采用無(wú)縫拼接地圖庫（“分幅”）的模式進(jìn)行管理，即可以按圖幅、行政區劃分及任意多邊形為單位來(lái)管理數據。
4.2 GIS數據加載與顯示
由于數據種類(lèi)繁多、圖形數據多樣，多種圖形數據在集成顯示時(shí)，對于不同的顯示順序、比例尺等，會(huì )產(chǎn)生局部或全部遮蓋等問(wèn)題。為便于用戶(hù)理解、突出專(zhuān)題、體現層次，必須對每類(lèi)數據的顯示順序、比例尺等進(jìn)行控制，鄧吉秋等在研究長(cháng)株潭區域生態(tài)地球化學(xué)評價(jià)系統時(shí)，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(diǎn)、線(xiàn)、面三類(lèi)數據的顯示原則有：(1)整體上從上層至底層依次為點(diǎn)、線(xiàn)、面、柵格；(2)同類(lèi)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(如縣級行政區處于市州行政區的上層)；(4)特殊數據的順序特殊處理，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(jià)模型實(shí)現
由于專(zhuān)業(yè)評價(jià)應用種類(lèi)繁多、評價(jià)方法多樣，如何實(shí)現和管理評價(jià)模型成為系統的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
　　評價(jià)模型的核心是數學(xué)計算公式，在系統中表現為具體的算法，按照一定規則的算法組合就可以實(shí)現特定的評價(jià)模型。本系統的評價(jià)模型采用如下4種不同的方法建立：
(1)直接實(shí)現計算過(guò)程：對于簡(jiǎn)單的評價(jià)模型(如土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的單項污染指數法)，在實(shí)現時(shí)只需調用 GIS組件的功能訪(fǎng)問(wèn)圖形與屬性數據，利用有關(guān)計算公式對數據進(jìn)行計算就可以得到評價(jià)結果。
(2)導入第三方組件：主要針對評價(jià)過(guò)程復雜的數學(xué)模型，如涉及到矩陣或者微積分運算的數學(xué)模型，用 C#實(shí)現起來(lái)很復雜，則考慮采用第三組件組建實(shí)現。具體實(shí)現方法如下：將已經(jīng)實(shí)現該模型的第三方組件編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，然后通過(guò) C#加載到其開(kāi)發(fā)平臺下進(jìn)行調用， 從而實(shí)現其評價(jià)功能。
(3)用戶(hù)基于接口開(kāi)發(fā)：對于部分用戶(hù)需要但系統沒(méi)有實(shí)現的部分評價(jià)模型，用戶(hù)可以自主開(kāi)發(fā)。系統對用戶(hù)開(kāi)放相關(guān)的開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)只需要實(shí)現相關(guān)接口，并將其編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，系統加載后就可以實(shí)現相關(guān)評價(jià)功能。
(4)用戶(hù)自定義組合算法流程實(shí)現：系統提供一些輔助性的工具，供用戶(hù)根據需要進(jìn)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(zhuān)題制圖等，也包括評價(jià)過(guò)程中常用的統計分析方法和數學(xué)計算公式。
目前，該系統已經(jīng)成功運行，并在珠江三角洲農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)的調查評價(jià)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(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)數據的高效存儲和科學(xué)管理提供先進(jìn)、實(shí)用的綜合數據管理平臺，還可以為相關(guān)專(zhuān)家和領(lǐng)導提供農業(yè)地質(zhì)方面的數據處理、統計分析、綜合評價(jià)、預測預警和輔助決策的功能強大、穩定易用的信息系統支撐平臺。該系統的應用大大提升了農業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學(xué)調查的數據處理效率和成果應用水平。
參考文獻
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