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基于組件GIS的環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的研制

更新時間：2008-04-17 13:48 來源：作者: 閱讀：2017

摘要: 介紹了研制基于組件技術(shù)的城市空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案。首先討論了組件技術(shù)的特點及GIS組件的優(yōu)勢，分析了環(huán)境質(zhì)量基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；按照組件集成技術(shù)的要求，設(shè)計了其體系結(jié)構(gòu)及功能模塊；分析了現(xiàn)有的各種空氣質(zhì)量評價方法，提出了性能價格比高、可操作性強的基于GIS的空氣質(zhì)量評價新方法。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng) 空氣質(zhì)量環(huán)境監(jiān)測自動監(jiān)測

1 引言

利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，可以把信息點的空間性質(zhì)和超媒體屬性性質(zhì)有機地結(jié)合起來，為信息的現(xiàn)代化管理提供保障，這是環(huán)境信息管理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。環(huán)保領(lǐng)域正在實施的衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)工程，將構(gòu)筑環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)平臺，要求GIS信息的公眾化；同時，傳統(tǒng)的Client/Server 結(jié)構(gòu)、群件、中間件等大型軟件系統(tǒng)的構(gòu)成形式，都將在組件的基礎(chǔ)上重新構(gòu)造。基于組件技術(shù)的GIS軟件的出現(xiàn)帶來了GIS領(lǐng)域的革命，也使得GIS面向公眾成為可能，在環(huán)保領(lǐng)域采用組件GIS技術(shù)來構(gòu)建不同規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)非常值得我們研究。

2 組件GIS技術(shù)

組件對象模型是為了促進軟件交互使用而設(shè)計的，它容許2個或多個應(yīng)用程序(或組件)方便地合作。采用這種技術(shù)，程序開發(fā)者將要實現(xiàn)的任務(wù)分成若干個組件對象模型，分別進行設(shè)計，從而大大地簡化了軟件開發(fā)，并增強了應(yīng)用程序的功能。

組件化結(jié)構(gòu)是軟件發(fā)展的趨勢，體現(xiàn)了完全面向?qū)ο蟮乃枷牒驮瓌t，它具有以下特征：（1）封裝性：實現(xiàn)信息隱藏、模塊化、組件化和抽象化；（2）多時態(tài)：同一信息傳送到不同的對象，各個對象接受消息后，獨立地響應(yīng)；（3）繼承性：在原有的類上可以定義新的類和操作，做到代碼重用和代碼有組織；（4）動態(tài)鏈接：對象可以來自任何地方，包含網(wǎng)絡(luò)，編程人員在編寫代碼時，可以不需要知道對象的類別，而將消息傳遞給對象。

組件在對象通過方法驅(qū)動和消息響應(yīng)來互相通訊的過程中得以體現(xiàn)，組件之間也可通過消息傳遞來互相通訊。組件接受到消息后，便選擇一個方法執(zhí)行。方法定義組件初始化的操作。對初始化變量的管理則應(yīng)用對象的方法，在組件化結(jié)構(gòu)中，類與類之間可能有一些方法是同名的，1個組件對消息的響應(yīng)取決于組件本身，即多時態(tài)性。

經(jīng)歷30多年的發(fā)展，GIS正在形成完整的技術(shù)系統(tǒng)并逐漸建立其理論體系。GIS應(yīng)用也已形成一個多層次和不同尺度的應(yīng)用格局，成為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。而計算機技術(shù)和全球信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，更是對GIS產(chǎn)生直接影響。WEB GIS把現(xiàn)在仍龐大的兩段式客戶服務(wù)器GIS分解為可自我管理的組件（或稱對象），它們建立在分布式的對象結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。應(yīng)用最新的分布式技術(shù)如OMG的CORBA和Microsoft 的OLE/COM，以及SUN的Java技術(shù)，這些組件之間可以跨網(wǎng)絡(luò)和跨操作系統(tǒng)進行互操作，應(yīng)用開發(fā)人員可以很容易地通過對這些組件的組裝去發(fā)展新的應(yīng)用軟件。

組件式GIS系統(tǒng)把GIS的功能適當抽象，以組件形式供開發(fā)者使用，帶來許多傳統(tǒng)GIS工具無法比擬的優(yōu)勢：

(1) 可以大規(guī)模降低系統(tǒng)成本。普通GIS在每個客戶端都要配備昂貴的專業(yè)GIS軟件，造成了極大的浪費。采用組件GIS其軟件成本與全套專業(yè)GIS相比明顯要節(jié)省得多。

(2) 更簡單的操作。要廣泛推廣GIS，使GIS系統(tǒng)為廣大的普通用戶所接受，而不僅僅局限于少數(shù)受過專業(yè)培訓(xùn)的專業(yè)用戶，就要降低對系統(tǒng)操作的要求，通用的最貼近用戶習(xí)慣的界面無疑是降低操作復(fù)雜度的最好選擇。

(3) 新的GIS 組件都是基于32 位系統(tǒng)平臺的，無論是管理大數(shù)據(jù)的能力還是處理速度方面均不比傳統(tǒng)GIS 軟件遜色。小小的GIS 組件完全能提供拼接、裁剪、疊合、緩沖區(qū)等空間處理能力和豐富的空間查詢與分析能力。

(4) 傳統(tǒng)GIS 開發(fā)平臺均采用專門設(shè)計的開發(fā)語言，延長了應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)周期；傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通常均直接由GIS 廠商提供，大大提高了應(yīng)用開發(fā)與系統(tǒng)建設(shè)的成本。

3 基于組件GIS的空氣質(zhì)量監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

3.1空氣自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

將地理信息系統(tǒng)技術(shù)引入環(huán)境監(jiān)測信息管理是信息技術(shù)發(fā)展的趨勢。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測信息的特點及空氣自動監(jiān)測的實際情況，我們采用組件GIS技術(shù)來開發(fā)空氣自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。

南京市空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較高程度的自動化，目前已建立了包括6個空氣質(zhì)量監(jiān)測子站在內(nèi)的空氣質(zhì)量信息采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隨著監(jiān)測站內(nèi)部局域網(wǎng)的建設(shè)及與相關(guān)單位的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，建立了信息的網(wǎng)絡(luò)化處理及深層次處理所需的支撐環(huán)境。該系統(tǒng)集GIS與MIS于一體，采用C/S、B/S體系的空氣質(zhì)量監(jiān)測信息管理系統(tǒng)軟件(見圖1)。

空氣自動監(jiān)測子站n

空氣自動監(jiān)測子站1

Internet瀏覽器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

GIS數(shù)據(jù)庫

高

速

局域網(wǎng)

數(shù)據(jù)采集、圖形維護工作站

電話網(wǎng)

業(yè)務(wù)處室客戶端

WEG GIS服務(wù)器

內(nèi)部網(wǎng)瀏覽器

圖1 基于組件GIS的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)目前環(huán)保部門工作現(xiàn)狀，研制的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兼容于目前的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，支持城市級環(huán)境地理信息系統(tǒng)標準。本系統(tǒng)所建立的空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)遵循世行貸款B-1擴展項目中有關(guān)的標準和已建成的南京市超媒體環(huán)境保護地理信息系統(tǒng)的有關(guān)標準，符合軟件開發(fā)潮流。本系統(tǒng)研制的GIS軟件系統(tǒng)利用組件GIS技術(shù)，應(yīng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)，為非GIS專業(yè)技術(shù)人員提供有關(guān)的應(yīng)急解決方案。

在本系統(tǒng)中我們采用B/S和C/S共存的結(jié)構(gòu)，以C/S結(jié)構(gòu)為主，輔之B/S結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)可以很好滿足管理的需求。系統(tǒng)維護及需要快速響應(yīng)的功能，采用C/S結(jié)構(gòu)以局域網(wǎng)為依托基于組件GIS技術(shù)開發(fā)；一般信息的瀏覽、查詢采用B/S結(jié)構(gòu)，在服務(wù)端基于GIS組件開發(fā)來自客戶端不同請求的響應(yīng)系統(tǒng)。

B/S結(jié)構(gòu)是目前流行的結(jié)構(gòu)，具有良好的擴充性，客戶端沒有任何特殊的要求，只需支持網(wǎng)絡(luò)有瀏覽器即可。維護主要在服務(wù)端，系統(tǒng)所需GIS軟件在服務(wù)端運行，所有應(yīng)用功能開發(fā)都基于WEB GIS，通過組件GIS的開發(fā)來響應(yīng)客戶端的請求。 C/S結(jié)構(gòu)具有較強的互動性，特別有利于系統(tǒng)的維護和復(fù)雜功能的實現(xiàn)，可以對信息進行各種操作，在高速局域網(wǎng)環(huán)境下可以滿足用戶的需求。

3.2 空氣質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的組織

支持應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，如何更好地組織好這些數(shù)據(jù)，對實際應(yīng)用與應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造都有重要的意義。

3.2.1 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)地圖的應(yīng)用特性，我們將其分為底圖與專題圖2類。在底圖中錄入盡量多的數(shù)據(jù)，并分層存放；在應(yīng)用系統(tǒng)中提供有關(guān)功能，根據(jù)分層情況，提高檢索速度并解決視覺干擾的問題。

3.2.2 屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于各類人員對系統(tǒng)的要求不同，故屬性數(shù)據(jù)庫必然極其龐大。為此我們采用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)按主題進行組織，分別滿足不同管理層的需要。這些數(shù)據(jù)存放在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的原始數(shù)據(jù)庫中，通過ADO接口對其進行查詢分析。

3.3 功能設(shè)計

3.3.1 基本功能

3.3.1.1圖形顯示　圖形顯示功能主要包括基本顯示控制功能及要素動態(tài)顯示功能。

3.3.1.2圖文雙向查詢這是本系統(tǒng)的重要功能之一，主要包括從空間到屬性的查詢以及根據(jù)屬性數(shù)據(jù)進行空間定位的邏輯查詢，并對查詢結(jié)果進行統(tǒng)計。

(1) 點位查詢　可在地圖上指定所關(guān)心的監(jiān)測點，系統(tǒng)即給出該點的有關(guān)信息，如SO₂、TSP、NOx的實時監(jiān)測值及其年均值、最大值及最小值。

(2) 數(shù)據(jù)查詢　系統(tǒng)將列出某類監(jiān)測點所有點位的名稱供用戶選擇，通過監(jiān)測點位驅(qū)動數(shù)據(jù)，完成選擇后系統(tǒng)將顯示該點的有關(guān)信息。

(3) 空間分布查詢　固定時間變量，對某類點空間分布的總體情況進行查詢。如，可以查2000年南京市SO₂平均值最高及最低的監(jiān)測點，亦可查詢其空間分布情況。另外還可繪制出全市SO₂分布情況的等值線圖并建立該監(jiān)測項目值的數(shù)值分布模型，將結(jié)果與底圖進行疊加分析可以看出哪些區(qū)域濃度較大。

3.3.1.3 多媒體功能利用多媒體手段，將抽象的點、線、面等圖符配以聲音、動畫、照片、圖表和文字等，多角度、多層次地再現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測信息。

3.3.1.4 等值線自動生成根據(jù)空氣質(zhì)量監(jiān)測信息，可以產(chǎn)生空氣質(zhì)量指數(shù)等值線圖，形象直觀地反映該地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況。

3.3.2 趨勢分析

對空氣質(zhì)量監(jiān)測信息進行分析與對比，分析的結(jié)果可以按表格、統(tǒng)計直方圖、專題圖形式直觀地輸出顯示并可直接輸出成圖。對比分析使管理者對專業(yè)信息有直觀的了解，便于決策使用。

3.3.2.1時間序列分析　固定空間監(jiān)測點，對該點的各種監(jiān)測結(jié)果進行時間序列查詢，并繪制出相應(yīng)的變化趨勢圖。如查詢某點SO₂監(jiān)測值的變化趨勢以及在什么季節(jié)濃度最大、最小、隨季節(jié)變化的情況等。

3.3.2.2 時空變化分析　用于對時空兩方面都變化的情況進行查詢，如查某項目的季平均最大值，需要得到該最大值發(fā)生在具體的哪個監(jiān)測點位及具體的季度情況。另外，以統(tǒng)計圖表的方式演示監(jiān)測點的某項監(jiān)測值隨空間分布、隨時間(如季節(jié)、年份)變化的情況(見圖3)。

圖3 空氣自動監(jiān)測信息實時顯示及時間序列分析

3.3.3 決策支持功能

3.3.3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計評價　主要完成一些常規(guī)的屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計評價，以時間、空間為分析變量，確定監(jiān)測值、超標情況，統(tǒng)計超標率等。確定不同時間尺度下，監(jiān)測值的最大、最小，超標率的地域分布規(guī)律以及指數(shù)、綜合指數(shù)、統(tǒng)計中的趨勢分析等。

3.3.3.2 基于地理信息的統(tǒng)計評價及分析　由于測點的非均勻分布導(dǎo)致該方法并不能很好地反映超標情況，通過地理信息系統(tǒng)的疊置分析功能及數(shù)據(jù)離散化建模技術(shù)，可以得到某監(jiān)測指標在全市分布的數(shù)值模型，從而模擬監(jiān)測指標值的地域分布規(guī)律，計算出超標面積與全市面積之比，這樣得到的超標情況更真實。同時，將超標區(qū)域與各種功能區(qū)進行空間運算，還可得到如居民區(qū)的超標情況、旅游區(qū)的超標情況、工業(yè)區(qū)的超標情況等；對超標等級進行劃分，得到各等級的面積情況，對超標情況有了更深層次的了解；對多個污染因素進行疊加，得到綜合指標，以此來評價南京市環(huán)境狀況，確定南京市環(huán)境狀況的地域分布規(guī)律，從而可知道空間某點所屬區(qū)域，即該點是在清潔區(qū)中還是在重污染區(qū)中。