基于GIS的城市环保地理信息系统的设计与建设

沈丽霞

(福州市勘测院，福建 福州 350003)

1 引言

随着“《国务院关于开展第一次全国污染源普查的通知》［国发〔2006〕36号］”文件的发布，全国污染源普查工作正式拉开了帷幕。此次全国污染源普查是全面掌握我国环境状况的重要手段，搞好污染源普查，有利于正确地判断环境形势，科学制定环境保护政策和规划，切实改善环境质量，保障国家环境安全，促进经济结构调整，推进资源节约型、环境友好型社会建设。2011年福州市的污染源普查工作已进入后期阶段，主要的工作重心在于整理各种普查表格和地图，进行数据的编码、录入、入库，分析评估普查数据、普查成果的进一步开发利用等。

福州市环境保护监测站作为市环保局的直属单位，主要承担着环境要素的常规普查与监测、污染源监视监测、污染事故监测及污染纠纷仲裁监测等工作，市环保局及监测站相关领导非常重视普查成果的开发利用。随着普查污染源数据库的逐步完善，为更好地利用普查成果资料，充分发挥普查成果的经济效益和社会效益。部门领导在综合考察了GIS技术在环保行业信息化建设方面的成功经验后，决定在这次污染源源普查成果的基础上开发建设《福州市污染源管理及应急监测地理信息系统》。

本项目采用地理信息系统与相关环境数学分析模型相结合的方式，充分利用地理信息系统对空间数据的查询、管理和分析功能，保障各类历史及现状环保信息数据的综合管理，并形成自己特有的环保知识库来为社会提供技术支撑和信息服务。

2 系统建设目标和内容

人口、资源和环境是当今人类社会所共同面临的最严峻的问题。随着全球环境的日益恶化，人们已越来越认识到环境保护的重要性。同时，也越来越认识到科学技术，特别是信息技术对环境保护所起的重大作用。环境保护离不开环境信息的采集和处理，而环境信息85%以上与空间位置有关，所以，地理信息系统就自然成为环境保护信息化工作中的有力工具。

该项目的总体目标就是:利用GIS技术，在福州市电子地图数据的基础上，加载各类环保专用空间图层，建立起福州市污染源管理及应急监测地理信息系统软硬件平台，提高环境监察、污染源分析、应急事故等工作的处置能力。

具体而言，该系统的建设内容包括两个方面:

(1)福州市污染源管理及应急监测地理信息系统数据库建设。其中又包括:福州市基础地理空间数据库和福州市环保专题信息数据库。

(2)福州市污染源管理及应急监测地理信息系统。其中又包括两个子系统:环境监测与污染源管理子系统、应急监测现场处理便携子系统。

3 系统的总体框架设计

系统按照“分层设计、模块构建”的思想进行设计，由4层结构，两大保障构成。具体如图1所示:

从下而上，第一层是基础层:该层提供系统的基本网络操作、桌面操作系统及企业级数据库系统等基础软件环境，提供信息化系统运行所依赖的存储设备、计算设施、网络设施、安全设施等，是信息化系统的软硬件设施基础。

第二层是数据层，是整个系统的信息资源核心。污染源专题数据库由污染源专题空间数据库和染源属性数据组成，污染源属性数据库直接从外部的污染源普查原始库提取建库;应急监测管理数据库包括应急流程库、预案库、大气模型库、模拟预演库、化学品和专家仪器库等;环保专题数据由基础地理空间数据库提供所需地图背景。

图1 系统总体框架图

第三层是服务层，在统一的GIS核心平台运行框架上，提供工作流程的运转服务，面向各应用子系统提供标准的服务接口，例如:基本GIS功能、数据更新恢复、空间信息的查询、统计分析服务、专题图的应用等各种系统管理服务。

第四层是应用层，在服务层的基础上，面向污染源和应急监测管理的需求，为支持平台提供应用:如普查污染源信息管理、普查污染源专题分析、大气扩散模拟分析及应急监测现场处理等功能模块。

在上述四层结构之外，还必须建立环保数据标准、数据规范体系及信息管理制度、安全保障体系，从而保证信息有序，防止信息管理混乱，使信息化建设和运作有章可循，规范发展。

4 系统功能实现

4.1 环保综合空间数据库建设

环保综合空间数据库软件平台采用Oracle 10g+ArcSDE，用于保存基础地理空间数据、环保专题空间数据及相关的业务属性数据。地理图层的坐标系以1954年北京大地坐标系为基准，采用“高斯—克吕格投影”。

数据内容包括:

(1)1∶25000电子地图:主要包括市级行政区划、县级行政区划、各级政府所在地、居民地、铁路、主要水系面、各级道路、火车站、码头、机场等地物要素。数据范围覆盖福州市5区8县。

(2)1∶5000电子地图:主要包括行政区划、县市政府所在地、乡镇所在地、行政村、铁路、水系、道路面、公园绿地、居民地等地物要素。数据范围覆盖福州市主城区及各区县的县城区。

(3)数码航拍影像:数据范围覆盖福州市主城区及重点监测污染源周边 4 km2。

(4)高程DEM数据:基于1∶10000比例尺，精度为 1 m×1 m的DEM高程数据。数据范围覆盖福州地区5区8县。

(5)热点定位数据:主要包括企事业单位、医院、学校、酒店、商业等重要地物信息点数据。数据范围覆盖福州市主城区及各区县的县城区。

(6)道路中心线数据:数据范围覆盖福州市中心城区及8县城区。

(7)河道中心线数据:主要包括福州市区内主要内河、闽江及主要支流、龙江、敖江等。

(8)污染源普查数据:数据范围覆盖福州地区5区8县。

(9)应急重点污染源数据:主要描述污染源的空间分布，并表示污染源与地物之间的空间关系。数据范围覆盖福州地区5区8县。

(10)环境监测点数据:主要描述环境监测信息源的空间分布，包括水质监测断面、大气监测站点、水质监测点、噪声监测点。数据范围覆盖福州地区5区8县。

(11)危险化学品危害及处置技术资料库:主要包括环保监测单位日常工作中涉及的各种危险化学品的基本化学性质及对环境的影响情况。同时还提供在现场应急监测的方法、实验室检测方法、环境标准以及应急处理处置方法等信息。

(12)监测仪器及专家信息:在应急监测过程现场需要各类专业的监测仪器设备及专业人员来保障，主要包括车载应急监测流动实验室，各类仪器设备;专业人员信息库要求有人员的姓名、性别、所属部门、专业、技术能力等信息。

4.2 地图操作子系统建设

(1)地图浏览:实现平移、缩放、全图、前后视图等操作，从而达到方便快速浏览地图信息的目的。

(2)地图鹰眼:通过地图鹰眼，对地图全貌进行“鸟瞰”，实现对电子地图的快速定位。

(3)地图图层控制:系统提供可视化的操作方式，控制视图的显示、选择状态及文本显示状态。

(4)地图量测:实现点位坐标量测、距离量测、任意多边形区域面积量测。

(5)影像数据加载:显示影像图数据，并可和矢量图数据进行切换浏览。

(6)污染源空间专题图:将污染源在地图中的分布情况以专题图方式体现出来，使数据形象地显示在专题地图上。

4.3 查询定位

提供对公共专题数据、环保专题数据、应急监测相关数据的属性查询和空间查询功能，以列表展示查询结果，并可以在地图上定位显示，具体功能包括:

(1)常用地名查询:用户输入地名、道路名，进行地名模糊查询定位。

(2)常用单位查询:用户输入单位名称，进行地名模糊查询定位。

(3)污染源分级树图显示及查询定位:系统根据污染源所属类别进行三级分类，并点击某污染源时进行查询定位。

(4)污染源查询定位:用户输入污染源名称，对污染源进行模糊查询定位。如图2所示:

图2 污染源查询定位

(5)污染源属性查询:用户点选污染源后，可显示污染源的详细属性信息。

(6)地图选择查询:通过选择工具来获取框选范围内的污染源分布情况，并能查看其属性。选择方式可以为点选、圈选、框选、多边形选择等。

(7)化学品信息查询:用户输入化学品名称、性质、类型等关键字进行模型查询，显示该危险化学品的全部相关信息及处理建议程序。

(8)仪器设备及应急专家查询:用户输入类型、名称等条件能查询各类仪器设备，输入姓名、专业、技能可查询全部专业人士档案信息。

4.4 环境质量监测

(1)水环境监测:对地下水、湖库、内河、饮用水、河流等重点水域的水质监测情况进行查看，筛选过滤。

(2)空气监测:对重点监测点的城市空气、降尘、降水、硫酸盐化速率监测情况等进行查看、过滤、分析和统计。

(3)声源监测:对主要功能区和道路的道路交通噪声、功能区噪声、区域环境噪声等监测情况进行查询、过滤、分析和统计。

(4)专题报表统计:对水环境、空气、声源三类监测数据进行专题报表统计、分析、导出等。如图3所示:

图3 报表统计分析

(5)大气扩散模型分析:根据扩散模型的模拟分析数据，结合GIS的空间分析功能，显示污染物种类及数量，涉及或影响的范围，自动生成应急布控范围，预演扩散点分布等，如图4所示。

图4 大气扩散模型分析

(6)环境监测站360°全景展示:以360°全景技术，全方位展示环境监测站整体外观、实验室内部布局、重要区域情况等，提供以步进方式循序渐进展示。

4.5 应急监测管理

系统可提供对应急监测工作的流程制定及向导式工作管理，并可形成应急监测工作的统计分析报表并导出。

(1)应急监测工作向导:按照应急监测工作的设计流程，提供向导方式的应急监测工作管理模式，使操作用户可以简单清晰地完成应急监测各项工作。如图5所示:

图5 应急监测工作向导

(2)应急监测流程制定:提供对应急监测工作的流程制定，为向导式工作管理提供基础。

(3)应急监测方案管理:提供应急监测方案的管理功能，包括方案增加、修改删除等。方案在应急监测工作向导中可自动调用。

(4)应急监测案例查询:系统提供可查询已经存在的污染事故案例信息，对已有的环境污染事故的应急监测案例进行存档和管理，通过数据挖掘为环境污染事故区域应急和预警工作提供有价值的信息。

(5)应急监测统计报表:对应急监测工作中的过程数据及结果进行统计查询分析，并可输出到Word或Excel文件。

4.6 信息动态维护管理

(1)重点污染源数据维护:实现对重点污染源数据的录入、编辑修改、导入、导出等数据维护。

(2)环保信息专题更新:实现对空气、水源及噪声等各类自动监测站环保相关信息的维护管理。

(3)化学品信息更新维护:可进行危害化学品相关信息及处置流程的录入、编辑和修改。

(4)仪器专家信息更新维护:对监测仪器设备及应急专家信息的录入、修改和更新。

(5)应急监测资料库管理:系统内置相关应急处理规范、国际条例等相关文档资料。用户可根据事故情况参照查找，为应急处理提供理论帮助。

4.7 环保专题地图分析

系统对污染源进行基于专题图的统计分析，并提供报表的统计浏览及导出功能。

(1)工业源专题统计分析:在地图上直接对不同专题显示其分析结果。如按普查企业数量、行业分布情况、工业源用水情况、废水废气产生处理及排放情况、工业源能源消费情况等来分析。能用颜色的差异、不同大小的图例直观地在电子地图上表达出来。

(2)生活源专题统计分析:在地图上直接对不同专题显示其分析结果。如按普查对象数量、生活源污水产生、处理、排放情况、各项普查污染物的区域、行业分布、生活源废气产生量、处理量等来分析。能用颜色的差异、不同大小的图例直观地在电子地图上表达出来。如图6所示:

图6 环保专题图分析

(3)集中式污染治理设施专题统计分析:在地图上直接对不同专题显示其分析结果。如按污水处理厂数量、建设情况，按照城镇污水处理厂、工业废水集中处理设施、其他污水集中处理设施以及其中二级以上污水处理设施等分类分析。能用颜色的差异、不同大小的图例直观地在电子地图上表达出来。

(4)统计报表浏览:包含报表查询、报表查询结果详细分类显示、污染源的详细信息显示等。

(5)统计结果导出:将统计结果输出到报表，并可打印，或输出Word，Excel文档，以便保存。

4.8 系统维护管理

提供支撑系统正常运行的基本管理功能，包括用户管理、角色管理、权限管理、配置管理及日志管理。

(1)用户管理:系统范围内的用户的新增、修改、删除等基本功能。

(2)角色管理:提供角色的定义，可将不同的功能模块及功能进行组合，设定为不同的角色。

(3)权限管理:对系统使用人员按不同的职位设置不同的角色，使得每人拥有相应的权限，只能在自己的权限范围内办理自己的工作业务。

(4)配置管理:提供系统所需代码、数据字典的管理工具。

(5)日志管理:系统自动记录每个用户的登录、使用情况，可对记录的日志进行浏览、备份、删除等操作。

(6)备份管理:将系统重要的业务数据定期备份。

5 项目的特色

5.1 整体设计

该项目建设在污染源普查成果的基础上充分利用GIS、数据库、三维虚拟现实等技术搭建一套的环保综合空间数据库管理平台，并保证后期利用该平台可进行更多专业应用系统的开发，譬如环境监测分析系统、环境污染事故应急监测管理系统、环境质量考核与总量控制系统、环境污染模拟与预测信息系统及环境资源信息发布与服务系统等。

5.2 应急监测工作流程化

应急监测工作具有时间紧迫、责任重大等特点，通过分析应急监测工作内容，将应急监测工作分为7个步骤，分别是建立警情、应急调度、路径分析、现场记录、应急方案、记录报告、终止监测。通过实际应急工作处置时间段，具体细化各流程的工作内容，通过警情辅助定位、应急资源查询调度、最短路径分析、集成大气扩散模型、部署应急监测点、上传应急现场和监测图片视频资料等手段，辅助部署、分析、决策，辅助应急监测工作。

5.3 整合环保业务数据、统一平台处理

环境监测站多年来积累了许多环保数据，如普查监测数据、重点污染源数据、水、气、声等常规监测数据，这些数据以分散形式存储在市环保站内，并且使用不同的系统进行日常管理使用，造成了数据维护和日常工作的不便。该项目将普查污染源数据和各类污染源数据进行整合，在系统上集成现有业务系统的部分功能，初步解决了“信息孤岛”问题，并且以本次项目成果为基础，将来可以将更多的环保数据和业务应用都集成到一个平台上，实现环保业务的统一平台处理。

5.4 采用最新配图切图技术

本项目的矢量和影像切图样式吸收了长久以来的信息系统地图以及网络电子地图的特点，对项目底图数据重新配图，矢量切图数据最后两级还采用了2.5维建筑配图方案，增加了地图的美观性;在切图方面，采用ArcGIS 10的最新切图技术，用切片数据压缩技术，减少了切片数据量，减少了系统数据部署迁移的时间。

5.5 插件式开发和Silverlight开发技术

应急监测子系统采用Microsoft Silverlight插件式开发技术，可以在系统基本框架不变的情况下，以插件开发方式扩展基础功能和业务功能。不仅系统框架清晰，并且不同模块间的开发不会相互影响，降低了系统集成难度以及系统模块间的耦合度。

6 结论与展望

在项目建设过程中，福州市环境监测站各级领导和相关部门骨干给予了大力支持;他们凭借多年在环保行业积累的经验，给我们提出了宝贵的意见和建议，为项目建设的顺利完成起到了重要的作用。

随着系统应用的深入和条件的成熟，还可从以下几个方面对现有系统进行拓展:

(1)建立应急监测指挥平台，真正实现应急警情接入、现场指挥的功能;

(2)集成常规监测数据库，实现常规监测数据录入、管理;

(3)在重点污染源企业的环保关注位置安装监控探头，将实时视频数据回传到监测站，实现实时动态监控。

［1］吴信才，吴亮.面向GIS数据的城市环境保护系统的设计研究［J］.计算机工程与应用，2001.

［2］梁寒冬.基于GIS的城市环保信息系统研制与应用［D］.北京:中国科学院遥感应用研究所，2005.

［3］王颖.环境地理信息系统的开发模式研究［D］.武汉:武汉大学，2005.

［4］蒋波涛.插件式GIS应用框架的设计与实现——基于C#和ArcGIS Engine 9.2［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［5］李弘薪.县域环保地理信息系统设计及实现［D］.哈尔滨:哈尔滨师范大学，2012.

［6］曾梦熊.基于WebGIS的河南省三维环保信息公共服务平台设计与实现［D］.焦作:河南理工大学，2012.