基于3S 技术的土壤环境监测信息系统设计分析

朱可嘉，张蓓李，方小兵

（浙江华普环境科技有限公司金华分公司，浙江金华 321000）

0 引言

近年来，习近平总书记提出新发展理念和建设美丽中国的目标，其中都蕴含了明确的生态环境保护理念，而土壤环境是生态环境系统中的重要组成部分，土壤环境保护的重要性毋庸置疑。但是相关部门在监测土壤环境污染时溯源工作比较困难，因此为了提高生态环境保护效果有必要基于3S 技术构建土壤环境监测信息系统，利用3S 技术的优点对土壤环境污染源头进行准确定位。

1 基于3S 技术的土壤环境监测信息系统

1.1 3S 技术

3S 技术是遥感技术（Remote sensing，RS）、地理信息系统（Geography information systems，GIS）和全球定位系统（Global positioning systems，GPS）的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通信技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。土壤环境监测信息系统可以根据3S 技术对土壤环境污染变化情况进行仔细分析，从而直观地观察土壤环境相比之前的变化态势，这样有利于从时间和空间两个角度增强土壤环境监测效果[1]。

1.2 土壤环境

土壤环境实际上指连续覆被于地球陆地地表的土壤圈层。土壤环境要素组成农田、草地和林地等；它是人类的生存环境——四大圈层（大气圈、水圈、土壤—岩石圈和生物圈）的一个重要圈层，连接并影响着其他圈层。因此，土壤环境监测可以为相关部门保护土壤环境提供数据基础，而保护土壤环境就相当于保护大气圈、水圈、生物圈不受污染和破坏[2]。

1.3 土壤环境监测信息系统

土壤环境监测信息系统通过布点、采样、分析、评价等流程对区域范围内的土壤环境质量进行调查，然后将调查结果传输到土壤环境监测信息系统，最后相关人员在系统中调取某个时间段土壤环境监测信息数据，即可直观地了解该区域土壤环境在特定时间内的质量变化情况，从而判断该区域是否存在土壤环境污染源。在3S 技术的帮助下，土壤环境监测系统可以在地图之上模拟该时间段内区域土壤污染变化区域，这样可以将土壤环境监测信息数据可视化，从而提高土壤环境监测信息系统的工作效率和质量[3]。

2 基于3S 技术的土壤环境监测信息平台

2.1 基础信息平台

基于3S 技术的土壤环境监测基础信息平台可以通过收集并存储数据建立对应的土壤环境监测数据库。数据收集主要包括地理位置信息和社会经济信息，地理位置信息可以向基础信息平台反馈土壤环境监测结果对应的地理位置信息，而社会经济信息可以让土壤环境监测信息系统对土壤环境监测结果的变化原因进行判断。为了更好地收集并存储各方面的数据，土壤环境监测基础信息平台应该与农业、气象等部门进行沟通，统一各方面的数据接口，这样土壤环境监测信息的收集、传输、存储才会更加方便。

2.2 信息服务平台

基于3S 技术的土壤环境监测信息服务平台主要的功能是为各个部门进行数据沟通和传输提供便利和保障，因此信息服务平台需要具备中间件、模型库、知识库和服务器等软硬件。其中，中间件是连接各个部门信息数据的核心，为了更好地将土壤环境监测信息与地理位置信息相结合，中间件必须合理使用到时空GIS、WebGIS、三维虚拟模型中；模型库是土壤环境监测信息服务平台按照相关标准和协议处理信息的业务应用核心；知识库可以通过土壤环境监测信息的获取对区域范围内土壤环境污染情况进行判断；服务器可以为土壤环境监测信息系统用户提供检索和查询等数据功能保障，没有服务器保障则土壤环境监测信息系统无法正常使用。

2.3 决策应用平台

基于3S 技术的土壤环境监测决策应用平台的功能是为相关部门提供信息服务，工作人员可以直接通过土壤环境监测系统调用相关数据对某个区域和某个时间段内的土壤污染情况进行分析和查看，根据土壤环境污染结果对环境保护和治理措施提供有效建议，决策应用平台可以为相关部门提供决策方面的信息依据。

3 基于3S 技术的土壤环境监测信息系统设计

3.1 总体设计

基于3S 技术的土壤环境监测信息系统总体设计的目的是将土壤环境监测信息与时间和空间数据结合起来，通过数据库将这些土壤环境监测信息储存起来，当相关部门工作人员调取相关数据时即根据时间和空间信息快速完成检索，从而准确根据可视化数据完成对目标区域土壤环境污染情况的准确判断。因此，土壤环境监测信息系统首先需要保证系统架构设计科学合理、功能满足使用要求，然后通过统一数据接口和协议标准确保信息交互共享便利，最后通过对VR、AR、MR 技术的应用让土壤环境监测信息数据在虚拟现实空间中可视化。

3.2 运行环境设计

基于3S 技术的土壤环境监测信息系统设计可以采用多种架构模式，但是3S 技术下系统的网络设备构成较多，因此土壤环境监测系统并不能采用单一架构，而应该将多种架构结合起来共同使用，这样才能保证保障土壤环境监测系统的硬件环境符合要求。本文设计的土壤环境监测信息系统在硬件环境方面采用的B/S 架构和CIS 架构，软件数据库环境设计方面采用的是SQLServer 数据库。

3.3 逻辑结构设计

基于3S 技术的土壤环境监测信息系统逻辑结构设计分为信息表示层、应用服务层、数据存储层、支撑技术层。信息表示层具体表现为基础信息平台，应用服务层具体表现为信息服务平台，数据存储层需要根据规范的标准和协议对各个来源的数据进行存储，支撑技术层即土壤环境监测信息系统使用的核心技术。本文设计的土壤环境监测信息系统以3S 技术为基础支撑，因此支撑技术层的核心技术为3S 技术。

3.4 数据库设计

基于3S 技术的土壤环境监测信息系统需要同时记录大量的数据，这些数据需要得到妥善保存和备份，这样才能在工作人员调取数据时发挥出应有的作用。为了保证该系统的数据库的性能稳定，土壤环境监测信息系统必须使用大型数据库系统，分别从逻辑结构、物理结构、遥感影像、安全防护等方面提高数据库的设计质量。

3.4.1 逻辑结构设计

土壤环境监测信息系统数据库逻辑结构设计需要先通过明确环境监测点基本属性表、土壤环境监测点代表实际面积图、土壤环境监测点代表推算面积图、土壤环境监测父表、土壤环境监测信息子表、评价标准监测项代码表、评价标准代码表、土壤环境监测结果父表、土壤环境监测结果子表等逻辑结构明确总系统设计模块中各个表之间的关系。

3.4.2 物理结构设计

土壤环境监测信息系统数据库物理结构设计需要在SQLServer 数据库模式下采用分布式存储，利用分布式存储的优势实现空间数据的收集和共享，这样可以减少系统对数据库的过度占用。土壤环境监测信息数据量非常庞大，如果不采用分布式存储方式直接将各类数据整合起来构建一个总数据库，对数据库设计开发人员的要求比较高，容易出现系统数据库故障，因此采用分布式存储才是土壤环境监测信息系统物理结构设计的最佳方案。

3.4.3 遥感影像设计

土壤环境监测信息系统数据库遥感影像设计需要将影像元数据库和影像数据库的各个图像关联起来，这样才能方便对遥感影像数据进行管理和存储。遥感影像数据库在导入影像时可以通过名称和ID 的当时对影响图片进行标记，然后通过名称和ID 进行检索识别，最后即可将各个层次的遥感影像数据关联起来。遥感影像金字塔如图1 所示。

图1 遥感影像金字塔

3.4.4 安全防护设计

土壤环境监测信息系统安全防护设计的目的是防止数据泄露或损坏，数据泄露会导致不法人员利用相关数据牟取不正当利益，而数据破坏会导致相关部门依法惩戒土壤环境污染企业的有利信息依据，因此数据信息安全防护设计在整个系统设计中至关重要。设计人员可以通过口令组合+用户名的方式对登录用户进行限制，同时对每个用户赋予不同级别的权限，这样即可对土壤环境监测数据进行有效加密和保护。

4 结论

综上所述，基于3S 技术的土壤环境监测信息系统可以通过数据的方式直观地反映土壤环境质量状况，有利于环境保护部门及时发现土壤污染事故，相比传统土壤环境监测信息系统定位更加准确。因此，相关部门必须重视对3S 技术的应用，并且及时利用3S 技术的优势对原有土壤环境监测信息系统进行迭代和更新，这样才能更好地利用土壤环境监测信息系统保护土壤环境不受污染。