摘  要： 分析了珠江三角洲農(nóng)業(yè)地質(zhì)與生態(tài)地球化學調(diào)查評價信息系統(tǒng)的建設目標,，遵循軟件工程理論和面向?qū)ο蠓椒?，設計了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能，并基于MAPGIS 7.0和Microsoft .NET平臺實現(xiàn)了該系統(tǒng),，最后研究了系統(tǒng)建設中的數(shù)據(jù)組織與存儲,、GIS數(shù)據(jù)加載與顯示以及評價模型的實現(xiàn)三個關(guān)鍵問題。為其他類似GIS系統(tǒng)的建設提供參考或借鑒,。
關(guān)鍵詞： 地理信息系統(tǒng),；生態(tài)地球化學,；系統(tǒng)設計；珠江三角洲

　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，在此基礎上設計并實現(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)境建設和社會可持續(xù)發(fā)展等提供基礎資料和科學依據(jù)。
1 建設目標
    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)設計
2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)
    根據(jù)系統(tǒng)的設計目標，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,。基礎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(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(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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