兰州新区环保地理信息系统设计与实现

2020-09-03张俊平吴文魁

矿山测量 2020年4期

张俊平,吴文魁

(1. 甘肃省地质矿产勘查开发局第二地质矿产勘查院，甘肃兰州 730020; 2.兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州 730020)

随着计算机技术，遥感技术和网络技术的发展，我国信息化水平在不断提高。而环境信息化是国家信息化的重要组成部分，环境信息化与企业信息化、社会信息化彼此融合、相互作用，不仅仅是单纯的环保管理信息化，而是通过信息化把环保系统的工作和社会上相关工作联系在一起，共同推进。环境信息化带来的不仅是技术上的更新，更是政府管理流程和行政管理体制上的变革，提升的是整个环保系统的行政效率和业务能力[1]。于是2016年9月14日，兰州新区环境保护地理信息化建设系统正式启动，基于新区环境地理空间“一张图”，构建新区环境保护地理信息化系统软硬件支撑环境，收集整理各类环境保护管理相关数据并实现信息化、目录化管理和空间化集成；基于数据库和GIS空间统计分析功能，实现环境数据的可视化、地图化统计与分析，及时掌握新区环境状况，为新区环境规划、环境管理、环境应急保障等工作提供技术支持。本文就兰州新区环境保护地理信息系统的设计与实现的方法进行相关论述。

1 平台的总体设计

1.1 设计目标

兰州新区位于兰州北部秦王川盆地，是甘肃省在建的新型城市，城市发展迅速，面貌日新月异，正在经历一个全面而快速的城市化过程。在这个快速的发展变化过程中，环境问题和环境保护显得尤为重要。环境优美、景色宜人，已成为评价新区发展的重要指标。从兰州新区总体规划提出要发展“产业强城、生态绿城、多湖水城、现代新城”的战略目标来看，利用现代化的手段建立基于自动化技术、地理信息技术、数据库技术、多媒体与可视化技术的城乡环境一体化的环境规划、环境管理、环境监测、环境评价体系和专业化的管理保障体系对兰州新区长远发展具有重要的作用。环境保护、环境监察、环境安全管理、环境突发事件管理、环境宣传等也是兰州新区环境部门的重要职责，建立信息化的管理手段和工具，提高环境保护的能力亦是新区城市发展的必然要求。通过环境信息化，建立环境监测、污染源监控、生态保护等信息系统，有利于实时收集大量准确数据，进行定量和定性的分析，为环境管理工作提供科学决策支持。通过环境信息化，突破环境管理时间和地域限制，最大程度保障环境信息的客观性、真实性，增强环保执法能力。通过环境信息化，建立环境实时监测和环境突发事件应急指挥系统，有利于对环境突发事件做出快速反应，对事件的影响程度和危害性做出正确估计，有效地进行指挥处置，保障环境安全。通过环境信息化，利用现代信息网络更好地收集和公开环保信息，有利于开展政府与公众互动，保障公众在环境保护方面的知情权、监督权和参与权，更好地保障公众权益，调动和发挥公众参与环境保护公共事业的积极性。

1.2 总体设计原则

(1)先进性和实用性

在确保实用、可靠的前提下，坚持一切从实际出发，一切为用户着想的原则，尽量采用先进技术和体系架构，系统的建立以用户的需要作为设计的出发点和归宿，求得先进性和实用性相统一。

(2)可靠性和稳定性

系统的可靠性和稳定性从某种程度代表了系统的成熟度，也是衡量一个系统是否成功的标准，所以无论是硬件还是软件配置都要充分考虑可靠性，保证系统的不间断运行、在线故障修复和在线升级，坚持采用成熟的产品，并严格进行测试和管理，确保系统的稳定运行。系统在开发完成之后必须经过严格的测试，以保证稳定运行。系统的稳定性将通过试运行期间的故障率进行考核。

(3)安全性

一方面是对涉密数据严格按照保密制度和规范进行管理，另一方面采用容灾备份，以防止，并及时恢复由内在因素和危机环境造成的错误和灾难性故障，确保系统数据获取可靠性，通过完整的安全体系保障数据安全和系统安全。

(4)易用性

易用性主要体现在系统的人机界面上，考虑到组织内部和组织外部用户知识结构、操作水平不同。所以，在应用的界面设计方面尽量考虑多种用户的使用习惯，简化操作的步骤，提高系统的易用性。

(5)可扩展性

系统的升级必须在设计时充分考虑。主要体现在系统的数据结构和数据库结构设计上的可扩展性。具体体现在数据结构的设计精炼了原有的数据并且采用了可以动态扩充结构类型，功能设计采用组件化的设计，部署上采用可复用的服务方式进行部署。

1.3 技术路线

平台的技术路线以平台开发的目标为出发点，通过对兰州新区各种地理空间资源和专题信息的整合，建立地理空间信息框架数据库，在框架数据库基础上，形成切片地图服务库，平台的开发是在面向服务的框架结构基础上，采用动态效果较好的FLEX开发平台二次开发而成。

1.4 平台的框架设计

从环境保护地理信息系统建设的整体考虑，按照“分层设计、模块构建”的思想，规划并设计环境信息系统总体框架。兰州新区环境保护地理信息系统主要由以下几个方面构成：运行支撑层、数据层、服务层、应用层。系统总体框架如图1所示。

系统总体框架给出了环保地理信息系统的组成及相互之间的关系，用于环保地理信息系统建设规划和任务的分解。在环保地理信息系统建设中按照总体框架进行系统的规划与建设，有利于规范系统建设，避免和减少新的“信息孤岛”出现，从而减少集成的难度和投入，提升环境信息化整体效益。

(1)运行支撑层

运行支撑环境是新区环境保护地理信息系统的运行基础，构成主要包括服务器、网络等物理环境，操作系统、GIS平台、数据库等软件环境。

(2)数据层

数据层部分主要包括支持系统运行的地理信息数据、环境保护专题数据，电子地图服务作为基础底图。

(3)服务层

图1 系统总体架构

服务层是数据层与应用层连接的通道，为系统功能开发提供服务。服务层接收从应用层传来的各种请求，如地图浏览、空间查询定位、空间分析等，将请求翻译成GIS处理数据的“语言”，通过HTTP传输到后台的GIS服务器端，GIS服务器再根据请求执行地图的相应操作，然后以HTTP、SOAP等协议的传输方式传到客户端。同时服务层也可以根据请求与数据层进行通话，可以从数据库中读取数据、管理数据库。

(4)应用层

应用层指的是围绕环境保护相关业务需求提供的功能应用。直接面向用户，提供数据展示和空间信息可视化功能。在客户端提供人机交互界面，主要通过浏览器将用户请求通过局域网转发到服务层，形象的展示用户的请求及反馈的应答。

环境保护地理信息系统包括以下模块：电子地图浏览、市政环保信息展示和查询、企业环保信息展示和查询、气象和大气监测信息展示和查询、水源地保护信息展示和查询、兰州新区空间格局变化监测信息展示和查询。

1.5 数据库设计

数据库设计是指在给定的系统环境下，确定一个最优数据模型和处理方式，构造一个既能满足多用户的数据需求和处理要求，又能被某个数据库管理系统所接收，还能安全、有效、可靠地存储数据的数据库。

本系统采用天地图前置架构提供基础地理信息数据服务。天地图前置服务是面向政府各级部门、企业的集数据、服务、硬件于一体的地理信息服务平台。该平台为用户提供“数据+软件+硬件+服务”的整体解决方案，其中包括了基础地理信息数据库。因此，本系统对基础地理信息数据库不再进行单独的设计，只对环保专题数据库进行逻辑设计，如图2所示。

图2 专题数据库逻辑结构

2 平台实现的关键技术

2.1 面向服务架构(SOA)技术

面向服务的架构(Service-Oriented Architecture)，即以Web服务来构建WebGIS，这种方式为WebGIS的开发带来了很多优点。ArcGIS Server是基于服务器的GIS产品，支持SOA架构，它的功能强大, 能够用于构建集中管理的支持多用户的具备高级GIS功能的企业级 GIS应用与服务，是用户创建工作组、部门和企业级GIS应用的企业级平台,可以提供广泛的基于 Web的 GIS服务, 实现在分布式环境下地理数据管理、地图制图、地理处理、空间分析、数据编辑等GIS功能[2]。

2.2 富互联网应用(RIA)

RIA(Rich International Application，富互联网应用)是新一代网络应用程序,其概念最早由Macromedia公司在2002年提出来。RIA技术是在对当前B/S架构的反思以及C/S架构回归要求的背景下,产生的旨在满足用户体验要求的改进技术,它对客户端和服务器端进行了更好地平衡,最大限度地提高了应用系统的丰富性和共享性[3]。它综合了传统网络应用程序和桌面应用程序的优点,不仅提供了丰富的客户端体验,而且可以通过网络轻松部署,也就是传统B/S应用的部署灵活性与C/S模式下优秀的用户体验和交互性等优势合而为一。其中,WEB应用程序主要优点包括：可以充分利用被广泛采纳的互联网标准，采用逐步下载来进行内容和数据检索，具有跨平台、“零部署”的好处[4]。桌面应用程序的主要优点包括在格式编排和消息确认方面提供高交互的UI(User Interface用户界面)特性：页面无需刷新且界面响应速度快，具有在线或离线操作的能力等。

3 系统功能的实现与应用示范

3.1 ArcGIS Server API for Flex介绍

ArcGIS Server API for Flex是 ESRI公司在 2009 年4月新推出来的进行 RIA开发的 Flex库，是 ArcGIS Server 的一部分，使用它可以基于 ArcGIS Server建立漂亮的富互联网应用程序 (RIA), 优点是运行速度快、用户体验效果好。它可以达到下面的效果:显示地图数据并可以和数据交互；在服务器上执行空间处理模型并显示结果；基于ArcGIS Online上的底图显示相关信息；根据属性或者位置查找信息并显示结果；查找地址并显示结果；用创新的方式可视化结果等。

3.2 系统的实现与功能模块

系统集成采用二次开发模式，以Flex builder为开发平台，调用ESRI的ArcGIS Server API for Flex开发库进行二次开发集成，系统登录主界面如图3所示。

图3 系统登录主界面

系统登录主界面包括登录界面和九个子模块。其中登录界面可以实现不同权限用户登录以及新用户的注册功能，编辑用户登录可以使用子模块中的编辑功能，管理员可以对普通用户进行权限分配。九个子模块分别为环保网格化管理系统、环保基础设施管理系统、中川园区企业环保管理系统、水源地保护管理系统、空间格局变化监测系统、环保动态监测信息系统、商砼站信息管理系统、噪声功能区管理系统、环保法律法规管理系统。用户可以从系统主界面进入各个子系统以使用相关功能与通用功能。其中通用功能包括地名搜索、驾车出行、地图打印、地图收藏、数据采集、全图定位、量算、矢量地图、影像地图以及地形图之间的切换等基本地图操作功能。

(1)环保网格化管理系统

系统可以结合环保业务管理数据和业务需要，梳理网格化管理业务信息。在电子地图上动态叠加显示环境保护网格数据，实现环保网格的点击查询，查询结果信息包括网格编号、类型、城市功能区、网格管理责任人等相关信息。其次还可以对网格范围内的重点环保对象，如企业数量、类型等基本信息进行空间分析的统计查询并在此基础上进行编辑。系统主界面如图4所示。

图4 环保网格化管理系统主界面

(2)环保基础设施管理系统

环保基础设施专题内容主要包括通讯工程、卫生工程、城市管网。其中，通讯工程包括通讯基站与通讯机房，卫生工程包括公厕、垃圾转运站、环卫站(休息点工具房)、卫生管理基地、环卫停车场、环卫车辆清洗站、环境卫生工程，城市管网包括供水、污水、雨水管网。系统对每一类基站采用不同图标显示，自动统计个数。用户可以选择显示和关闭专题图层，点击查询目标对象(点击选中，再次点击取消选中)。同时可以进行基础设施的相关查询并在此基础上进行编辑。系统主界面如图5所示。

图5 环保基础设施管理系统主界面

(3)中川园区企业环保管理系统

系统建设涉及重点企业23家，包括兰石集团、科天集团、四联光电、知豆汽车、三毛集团、黄河精炼、甘肃盛世、普安康药业、申联医药、青岛啤酒、甘兰药业、和盛堂制药、双良热力、垃圾处理厂、自来水厂、污水处理厂等重点企业。企业专题数据主要包括污水、雨水、供水管线，污水排口、雨水排口、供水口，以及企业主要设施位置和360°全景照片。系统实现了对企业环保信息查询、企业内部三水管线查询、中川园区市政三水管线查询、企业内部管线与市政管线相关性查询、管线分析等功能，并可以在此基础上进行相关编辑。系统主界面如图6所示。

图6 中川园区企业环保管理系统主界面

(4)水源地保护管理系统

系统是以石门沟水库及东二干渠为主要对象，针对水源地保护管理建立的地理信息系统。该系统实现了在电子地图上动态叠加显示石门沟水库保护区范围、东二干渠线路及保护区范围、石门沟水库及东二干渠线路周边植被、居民点等数据。同时可以实现水源地周边保护相关的专题数据的查询和分析，在此基础上可以进行编辑，对重点关注的空间对象或地理对象，进行360°全景照片的采集，并实现在系统中的在线浏览。系统主界面如图7所示。

图7 水源地保护管理系统主界面

(5)空间格局变化监测系统

兰州新区监测主要以新区频繁变化的地表信息为目标，采用高分辨率遥感影像，围绕新区地表覆盖变化、建成区城市建设用地变化、城市基础设施建设、生态环境建设等方面内容，开展变化监测和综合统计与分析。空间格局变化监测系统实现了对每一类监测结果采用不同图标显示，用户可以选择显示和关闭专题图层，点击查询目标图斑(点击选中，再次点击取消选中)。系统主界面如图8所示。

图8 空间格局变化监测系统主界面

(6)环保动态监测信息系统

针对兰州新区范围内的气象站、水质监测站、重点企业污染源监测、空气质量监测站建设动态监测信息查询系统。系统数据包括气象站、水质监测站、企业污染源监测、空气质量监测站的历史监测数据和实时监测数据。对于具备在线数据传输的，系统实现在线数据的获取、解析并存储在专题数据库中。该系统可以基于电子地图，完成各类监测站点的位置信息采集，系统支持地图定位功能。同时能够分站点、分时间(时间点、时间段)、分指标的查询监测数据，提供监测数据指标项在时间周期内的统计功能，并在此基础上采用统一格式显示查询、统计结果，支持结果信息按统一格式的打印输出。系统主界面如图9所示。