矿区生态安全监测与预警系统设计及实例研究

张 可 慧，刘 剑 锋，2＊ ，孙 雷 刚，2

（1.河北省科学院地理科学研究所，河北 石家庄 050021；2.河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北 石家庄 050021）

日益增长的矿山开发造成的生态安全问题愈发严重，矿区生态安全已成为生态安全研究领域中的一项重要研究内容。3S及空间数据库等技术为矿山生态环境的相关研究提供了可靠数据源和技术手段［1］。目前，国内研究多以单目标或某类目标遥感调查为主［2－4］，多因素综合的小尺度区域矿区生态安全评价与预警研究尚处于起步阶段，更缺乏面向部门应用的矿区生态安全监测与预警系统。近年来随着国产遥感技术的发展，尤其是高分系列卫星的发射，为矿区生态安全监测与预警提供了低成本、高时空分辨率的数据源，加之社会经济及环境监测共享数据获取渠道更加丰富和便捷、成熟的本底数据库，可实现对小尺度区域矿区生态安全状况的短时间跨度动态监测、评价及预警。因此，本文基于ArcGIS、ArcSDE、Microsoft Visual C＃.NET平台技术、统一建模语言等，研建了矿区生态安全监测与预警系统，在实现矿区生态安全监测与预警的业务化方面做了有益尝试。

1 系统总体设计

1.1 系统总体结构

根据矿区生态安全监测与预警的要求，系统的建设目标主要是综合管理矿区生态安全涉及的各评价指标数据信息及基础本底数据，通过GIS空间分析等功能和核心模块实现对矿区生态安全的监测、评价与预警。核心模块包括数据库设计与建设、管理专业数据、图层的多源数据集成管理模块；利用GIS空间分析功能对矿区生态安全进行专题评估分析的GIS功能模块；专题评价核心模块；生态安全预警模块。

多源数据集成管理模块主要包括以下功能：实现矢栅数据的统一管理，可以方便地管理、维护海量数据，并采用统一的空间数据引擎对数据进行提取；支持数据导入导出功能，专业数据通过人机交互界面导入到数据库中，数据库中的数据也可以依据条件选择导出；支持数据更新、维护功能，可以对数据库中的数据进行交互式编辑更新，实现对矿区生态安全的动态监测。

GIS功能模块由地图浏览、地图定位、地图量测和查询统计功能四部分组成。专题评价模块对各种专业数据进行分析，主要包括地质灾害数量及潜在危险源评估、粉尘及大气污染评估、矿业活动影响评估、坡耕地面积评估、矿区环境治理度评估、农药及重金属等土壤污染评估、地质环境评估、地形要素评估、植被状况评估、生态环境治理度评估［1］等。预警模块采用基于“P-S-R”框架理论的评价模型对矿区生态安全各个量化指标进行计算并得出评价结果，将综合评价结果划分为安全、较安全、一般、较不安全和不安全5个生态安全等级，并分别给出不同的预警状态。

由于系统要求对多源数据进行集中管理，系统框架需具备良好的可扩展性和灵活性，同时对数据库安全性要求较高，数据更新维护等需要专业人员操作，用户群主要为专业人群，因此比较适合采用C／S结构的整体系统架构。

1.2 系统架构设计

本文系统的建立以评价指标文件管理系统为核心，以人机交互界面为载体，形成多源数据管理、地图视图和布局视图基本功能模块、指标图层数据统计模块、评价指标权重系统配置模块及评价模型计算与预警分析模块。系统自上而下分为用户层、功能层和数据层。用户层指使用该系统的各类用户，通过人机交互界面与系统发生联系；功能层为系统价值的核心实现层，以系统平台为载体解析用户提出的所有请求，并从数据层获取数据支持，运算后将结果通过系统界面反馈给用户；数据层是整个系统的底层支持，通过操作系统的文件管理系统，为功能层的所有模块提供基础运算数据。系统总体架构逻辑结构如图1所示。

2 系统设计的关键技术

2.1 面向对象的软件工程技术

软件工程技术分阶段的程序独立任务设计适合于矿区生态安全分层次信息分析及庞大数据量处理与调用的要求，但传统的软件工程技术采用的是结构化分析与设计技术，在某种程度上忽略了系统的扩展性和稳定性，面向对象技术（OOA＆OOD）将自然领域问题与软件技术相融合，以研究对象为实体，封装各种属性与操作，实现系统的稳定性、可扩充性、继承性与灵活性，为软件工程技术提供了新的契机。本文系统采用OOA＆OOD方法，应用Rational统一开发过程（Rational Unified Process，RUP）进行辅助系统设计。系统分数据管理、任务管理、问题论域、用户界面四部分，采用UML建模语言进行开发，完成系统动静形态的建模和可视化。

2.2 组件与 Microsoft Visual C＃.NET平台

组件（component）技术以其重用性、自包容性、可定制性和互操作性成为矿区生态安全监测与预警系统的重要支撑技术。通过对系统的单因子分析、生态安全综合评价、预警分析模块的设定，在编制基础组件程序的基础上，让用户通过可重用的组件定制特定的应用程序，保证调用和应用方便，避免了面向对象技术系统编程过程中较低层次的重复性劳动。组件采用.NET／CLR，组件间接口通过IDL定义，其与平台无关，二进制兼容，使用者可直接调用执行模块。

Microsoft Visual C＃.NET平台可实现跨技术边界的无缝通信，保证程序代码的安全性，控制代码间的冲突，可提供面向用户应用程序设计的友好平台。在矿区生态安全监测与预警系统开发中采用C＃语言编译器，为高级用户复杂分析的组件选择提供技术支撑。

2.3 空间和非空间数据的关系数据库一体化存储

矿区生态安全监测与预警系统中涉及点、线、面等矢量空间数据、由遥感数据源获得的栅格空间数据以及各种属性数据和描述性数据等非空间数据。有效地整合和管理空间和非空间数据，将提升系统的应用效率。采用关系数据一体化存储空间与非空间数据，是GIS技术发展的最新趋势。本文利用ESRI的ArcSDE，把空间数据空间拓扑关系、几何地理坐标及属性数据存储在关系表中，拓展了传统空间数据库的存储和管理模式，可实现海量数据开放性管理，具有很强的并发控制能力和可扩充能力，利用SQL语言实现数据库各项操作功能，实现真正的C／S结构。

2.4 WinForm窗体界面设计技术

WinForm是.NET开发平台中的一种窗体设计方案，可用于设计窗体和可视控件，以创建丰富的Windows应用程序和软件。基于WinForm开发软件系统，可充分利用公共语言运行库，简化开发流程和周期。同时，基于WinForm和.NET框架平台，有大量第三方公司推出的组件式自定义控件，提供便捷、美观的人工交互接口（User Interface）和功能，辅助研发人员快速搭建应用系统。

2.5 GIS空间数据库设计

GIS空间数据库系统通过对图层类型及名称、数据字典等的配置实现对空间数据的使用和管理。设计原则为：遵循空间数据的连续无缝组织架构；按分类、分层、低冗余度、高共享性、独立性等原则聚集数据；系统及数据易更新维护等。空间数据管理以ArcSDE为核心，构建C／S架构下的面向对象的空间数据库管理系统。利用元数据管理，对遥感影像等进行切片、压缩以提高数据使用效率，数据采用分布式配置。

GIS空间数据库中栅格数据主要是矿区遥感影像、DEM、NDVI等，在ArcSDE中统一按照Raster Dataset形式存储，建立影像金字塔索引，提高存取效率。矢量数据包括水系、交通等矿区基础本底数据及土地利用覆被、采样数据等专题数据。在ArcSDE中统一进行数据入库化预处理，按照FeatureDataset数据集方式存储，单个矢量数据转成Feature-Class类型，分别建立空间索引，提高存储查询效率。

3 系统实现实例

根据上文系统设计，以井陉矿区为实例进行系统原型实现。针对项目业务需要，系统建设目标主要是通过综合管理多源数据，建立矿区生态安全综合评价与预警模型，为决策机构提供决策依据。系统的分层结构使得各个层级上的组件在不影响系统其他部分的情况下进行更新、增加、删除或替换等操作。因此，系统更新维护更便捷、安全可靠，成本可控。系统实现的文件菜单及基本操作界面如图2所示。专题评价预警模块为系统核心模块（图2），主要包括评价指标图层显示、权重参数配置及评估模型计算等功能。该模块支持对评价指标权重的自主输入和修改配置，或者通过参数文件（.xml格式）导入配置，供评价预警模型计算使用。

4 结语

本文基于Microsoft Visual C＃.NET平台及ArcSDE等技术开发了矿区生态安全监测及预警系统，该系统配置灵活、运行良好，为实现基于多源遥感数据及数据库的矿区生态安全监测及预警的业务化运行做了有益尝试，也为进一步研发自动化程度更高的业务化系统奠定了理论及技术基础。

［1］ 刘剑锋，张可慧，马文才.基于高分一号卫星遥感影像的矿区生态安全评价研究——以井陉矿区为例［J］.地理与地理信息科学，2015，31（5）：121－126.

［2］ 刘智，黄洁，邵怀勇，等.RapidEye卫星影像在1：50 000矿山开发遥感调查中的应用研究［J］.国土资源遥感，2010，83：127－129.

［3］ 陈伟涛，张志，王焰新，等.矿山地质环境遥感监测方法初探［J］.地质通报，2010（2－3）：457－462.

［4］ 甘甫平，刘圣伟，周强.德兴铜矿矿山污染高光谱遥感直接识别［J］.地球科学，2004，29（1）：119－126.