基于GIS的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理評價系統(tǒng)的設計與實論文
在系統(tǒng)分析環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)模型、環(huán)境質量評價業(yè)務流程的基礎上，設計了基于地理信息技術的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)不同主管部門的評價要求，對不同時間、空間尺度的環(huán)境質量進行實時的評價分析和形象表達。該系統(tǒng)在寧波市的應用實踐表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境保護部、浙江省、寧波市的要求，靈活、高效地進行大氣、水、噪聲環(huán)境質量的評價分析。
實時準確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是開展環(huán)境管理和科學研究活動的基礎，全國環(huán)境監(jiān)測總站以及各地環(huán)境監(jiān)測中心已積累了大量的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，包括國控、省控、市控等地表水、飲用水監(jiān)測數(shù)據(jù)，大氣質量和酸雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，功能區(qū)和道路噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。這些數(shù)據(jù)資源是環(huán)境管理、應急決策和生態(tài)文明建設的重要支撐數(shù)據(jù)，如何利用現(xiàn)代化信息技術，對這些數(shù)據(jù)資源進行科學的管理、挖掘分析和可視化表達，充分發(fā)揮它們在環(huán)境管理、環(huán)境應急決策中的作用，促進環(huán)境友好型社會，是各地環(huán)境保護的必然要求。與此同時，基于這些數(shù)據(jù)資源，結合GIS技術，通過一種靈活可定制的手段自動適應國家環(huán)保部、省、市對生態(tài)文明城市、生態(tài)省、生態(tài)城市環(huán)境質量評價分析的需求，提供環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學管理、高效查詢、自適應與多維評價、監(jiān)測數(shù)據(jù)空間化等功能，實現(xiàn)“一套數(shù)據(jù)、多種應用”，減輕各地環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析人員的負擔，實現(xiàn)科學、高效和直觀形象的環(huán)境質量評價分析，為環(huán)境管理和保護決策提供輔助支撐。
GIS以其強大的數(shù)據(jù)處理、分析計算功能，在環(huán)境領域得到了廣泛的應用[2]。21世紀以來，國家環(huán)保部組織開發(fā)了國家環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)(NESMIS)。隨著GIS技術在環(huán)境領域的廣泛結合使用，在監(jiān)測數(shù)據(jù)審核分析與評價系統(tǒng)開發(fā)上也取得較大的發(fā)展[3]。目前環(huán)境監(jiān)測信息化建設方面仍存在的主要問題有：①環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的審核及分析應用仍過多依賴工作人員的經驗，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開發(fā)與應用仍較缺乏[4];②難以滿足不同時空尺度的環(huán)境質量評價和成果的定制化展示;③難以靈活滿足不同評價標準、評價部門對環(huán)境質量評價的需要;④監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價分析結果無法實時展現(xiàn)在GIS地圖上等[3]。針對這些問題，為實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)科學、高效、直觀形象的環(huán)境質量評價分析，筆者開發(fā)設計了一種靈活的、可適應不同環(huán)境保護主管部門、不同評價標準和評價時空尺度的環(huán)境監(jiān)測信息管理與分析系統(tǒng)。
1環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)模型分析
環(huán)境監(jiān)測的對象通常包括污染源和環(huán)境質量狀況兩方面。環(huán)境監(jiān)測包括水環(huán)境、大氣環(huán)境、噪聲環(huán)境3大類型，水環(huán)境又分地表水、飲用水、近岸海域;大氣環(huán)境又分空氣質量、大氣降水質量;噪聲環(huán)境又分區(qū)域、功能區(qū)、交通道路。地表水數(shù)據(jù)包括：河流地表水、湖庫地表水、近海海域地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及水期代碼、水域功能類別、湖庫類型、中國海區(qū)代碼、重點海域代碼、近岸海域水質標準分類、近岸海域水質標準限值等輔助數(shù)據(jù)。空氣環(huán)境數(shù)據(jù)包括：大氣監(jiān)測點基本信息、大氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣降水監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及行政區(qū)域代碼、監(jiān)測點級別類型、空氣環(huán)境質量標準分類、空氣監(jiān)測項目標準限值、空氣污染指數(shù)計算參數(shù)、空氣污染指數(shù)分類、酸雨強度分級等輔助數(shù)據(jù)。噪聲環(huán)境數(shù)據(jù)包括：噪聲監(jiān)測點基本情況、區(qū)域定期監(jiān)測噪聲、道路交通噪聲、功能區(qū)噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及噪聲測點類型、噪聲功能區(qū)類型、噪聲聲源類型等輔助數(shù)據(jù)等[5]。
環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫通常包含4個部分：共用的數(shù)據(jù)庫表(系統(tǒng)運行，水環(huán)境、空氣環(huán)境、噪聲環(huán)境質量評價時都需要的數(shù)據(jù)庫表)、水環(huán)境監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表、空氣環(huán)境監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表以及噪聲環(huán)境監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表。共用數(shù)據(jù)庫主要存放系統(tǒng)運行所需要的基礎字典表，以及水、空氣、噪聲環(huán)境質量評價時都需要的公共數(shù)據(jù)庫表。地表水監(jiān)測與質量評價數(shù)據(jù)庫表主要由地表水水質監(jiān)測原始表、地表水水質監(jiān)測字典表及取值說明、地表水水質評價表和近海海域水質監(jiān)測原始表、字典表及取值說明、評價數(shù)據(jù)庫表構成�？諝赓|量監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表主要由空氣質量監(jiān)測原始表、空氣質量評價字典表及取值、空氣質量評價表構成。噪聲質量監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表主要由噪聲環(huán)境監(jiān)測原始數(shù)據(jù)表、噪聲環(huán)境字典表及取值、噪聲環(huán)境質量評價表構成。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫構成見圖1。
2環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價業(yè)務流程
環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與綜合分析系統(tǒng)業(yè)務流程總體上分為以下4個階段(圖2)：
(1)數(shù)據(jù)導入管理階段。該階段系統(tǒng)管理員分配好系統(tǒng)
操作的用戶和權限后，數(shù)據(jù)管理員從已有的國家系統(tǒng)(或環(huán)境自動監(jiān)測數(shù)據(jù)庫)中導入環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。
(2)評價分析模板定制階段。該階段環(huán)境質量統(tǒng)計分析人員利用系統(tǒng)進行水環(huán)境質量、空氣環(huán)境質量、噪聲環(huán)境質量評價分析模板的定制，主要定制參與評價的環(huán)境指標、評價標準等。
(3)環(huán)境質量評價分析階段。該階段環(huán)境質量評價分析人員利用系統(tǒng)進行按月、季、年或任意時間的.站位、區(qū)域等層次的水環(huán)境、空氣環(huán)境、噪聲環(huán)境質量評價和變化趨勢分析。
(4)評價結果可視化輸出階段。評價結束后，通過表格、統(tǒng)計圖表或地理空間圖層，對評價結果進行可視化表達�；诃h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價結果，根據(jù)隱含的監(jiān)測點空間位置信息，利用GIS技術，對環(huán)境監(jiān)測點及其評價分析結果進行空間化處理，動態(tài)生成空間圖層，從而實現(xiàn)環(huán)境質量監(jiān)測和評價分析結果的可視化。
3環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)設計
3.1系統(tǒng)開發(fā)的核心業(yè)務分析
系統(tǒng)開發(fā)的核心業(yè)務是對地表水環(huán)境質量、飲用水環(huán)境質量、空氣環(huán)境質量、噪聲環(huán)境
質量等進行評價分析。
3.1.1地表水分析評價。能夠按月、季度、水期、年或任意期范圍進行監(jiān)測因子質量評價、站位水質評價、市控以上站位水質評價、水系水質評價、湖庫水質評價、近岸海域監(jiān)測因子水質評價、近岸海域站位水質評價、近岸海域功能區(qū)水質評價;可生成全市地表水水質類別分布圖、地表水功能達標狀況分布圖、近岸海域水質狀況圖，能開展污染因子及綜合污染指數(shù)趨勢分析。具體需求評價因素較多，不一一贅述。如站位水質評價因素包括站位水質類別、水質達標率、水質達標否、達III類標準率、達III類標準否、綜合污染指數(shù)、主要污染指標及最大超標倍數(shù)等。
3.1.2飲用水水質評價。能夠按月、季度、水期、年或任意期范圍進行單個飲用水站位水質評價、水源地100%達標站位數(shù)及比例、污染因子及綜合污染指數(shù)趨勢分析等，除計算地表水通用因子外，還要計算飲用水專用指標。具體需求評價因素較多，不一一贅述。如單個飲用水站位水質評價因素包括28項指標達標率、16項指標達標率、超標項目和頻次、項次達標率、均值超標因子、水質類別等。
3.1.3大氣環(huán)境質量評價。能夠按月、季度、年及任意時間進行評價;評價指標主要是二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物、降塵，具體為能進行測點/區(qū)域空氣質量評價、測點/區(qū)域空氣日報、測點/區(qū)域降水質量評價，能生成全市降水酸雨強度分布圖，能進行污染因子及綜合污染指數(shù)趨勢分析。
3.1.4噪聲質量評價。能夠對功能區(qū)、區(qū)域和交通噪聲進行評價;能開展功能區(qū)噪聲質量評價、區(qū)域噪聲質量評價，交通噪聲質量評價;可生成市區(qū)區(qū)域噪聲聲級分布圖、交通噪聲聲級分布圖。
3.2系統(tǒng)邏輯結構
系統(tǒng)以實用性、穩(wěn)定安全性、靈活擴展性、易操作性為設計原則。系統(tǒng)的總體架構縱向上下至上依次為基礎設施層、數(shù)據(jù)資源層、功能層和用戶層。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)邏輯結構見圖3。
3.3系統(tǒng)功能體系
為了實現(xiàn)系統(tǒng)總體目標，系統(tǒng)包括5大功能體系模塊：系統(tǒng)定制模塊、數(shù)據(jù)導入管理模塊、環(huán)境質量評價模塊、環(huán)境質量時空特征分析模塊和統(tǒng)計輸出模塊。系統(tǒng)功能體系見圖4。
4寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)的實現(xiàn)
基于上述的分析設計，以寧波環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析為例，實現(xiàn)了寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于C/S結構，在.NET環(huán)境下，采用C#開發(fā)語言，ArcEngine地理信息組件編程實現(xiàn)，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQL Server。運行環(huán)境：Windows 2003 Server或Windows 2000 professional/XP等操作系統(tǒng)，ArcGIS Engine Developer Kit等GIS軟件，SQL Server 2000或SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及.Net Framwork2.0。
寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境質量評價分析定制、基于表格的評價分析結果定制、多年變化分析以及評價分析結果GIS表達。主要分為以下7種功能。
(1)基礎功能。包括系統(tǒng)登錄、用戶管理、切換年份、修改密碼、評價模板管理(增加、刪除、編輯模板)、地表水站位評價模板、樣式管理功能，如圖5。
(2)數(shù)據(jù)管理功能。包括監(jiān)測數(shù)據(jù)導入、近岸海域數(shù)據(jù)導入、飲用水數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)編輯、監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽功能。
(3)水環(huán)境質量評價分析功能。包括飲用水質量評價分析(圖6)、地表水環(huán)境評價、湖庫水環(huán)境評價、近岸水域水質評價分析功能。飲用水、地表水、湖庫水環(huán)境評價主要實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、水質評價功能，水質評價是指根據(jù)評價模板及其他參數(shù)能完成飲用水、地表水、湖庫水數(shù)據(jù)評價及評價結果查看功能，能實現(xiàn)評價結果的導出、打印功能。如圖7所示，近岸海域水質評價功能主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、近岸海域數(shù)據(jù)的評價及評價結果查看功能;并可根據(jù)提供多年數(shù)據(jù)的比較分析進行地表水、湖庫水水質變化分析功能，系統(tǒng)提供了表格、折線圖、柱狀圖等多種分析方式。其他部分的變化分析功能與此相同。
(4)大氣環(huán)境質量評價分析功能。該模塊實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、空氣質量評價、大氣降水評價、空氣質量變化分析功能，上述功能均能完成數(shù)據(jù)評價及評價結果查看功能，如圖8所示。質量變化分析分析內容豐富，其中空氣質量變化分析包括空氣質量日報、空氣質量日報綜合統(tǒng)計、測站空氣質量日報統(tǒng)計、監(jiān)測因子濃度、監(jiān)測因子百分位濃度值、綜合污染指數(shù)、空氣污染指數(shù)、大氣降水內容。
(5)聲環(huán)境質量評價分析功能。該模塊實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、功能區(qū)噪聲和區(qū)域噪聲及交通噪聲質量評價功能。功能區(qū)噪聲主要分析功能區(qū)噪聲的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析出噪聲數(shù)據(jù)、晝夜等效聲級圖及功能區(qū)噪聲趨勢;區(qū)域噪聲主要分析區(qū)域噪聲數(shù)據(jù)及區(qū)域噪聲趨勢;交通噪聲主要分析交通噪聲數(shù)據(jù)及交通噪聲趨勢。
(6)GIS地圖功能。如圖9所示，地圖操作主界面主要分為3部分：地圖顯示區(qū)域、圖層控制區(qū)域和地圖工具條區(qū)域。也可實現(xiàn)圖層符號設置、注記設置和圖層屬性表查看等圖層控制操作，可實現(xiàn)地圖保存、地圖縮放、移動、視圖、信息查看、增加圖層、圖片輸出打印等地圖基本操作。
(7)環(huán)境質量專題圖功能。環(huán)境質量專題圖主要是利用GIS的地圖展現(xiàn)方式，將環(huán)境的日常監(jiān)測數(shù)據(jù)以及分析匯總數(shù)據(jù)進行專題展示，從而讓用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結果有更加直觀的認識，便于領導進行宏觀決策。環(huán)境質量專題圖主要分為水環(huán)境質量專題圖、空氣環(huán)境質量專題圖和噪聲環(huán)境質量專題圖3大部分。
5結語
充分利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮其最大價值是環(huán)境保護管理、決策和預測預警的緊迫要求。該研究在系統(tǒng)分析環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)模型、環(huán)境質量評價業(yè)務流程的基礎上，研發(fā)了基于地理信息技術的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)在寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析中的應用表明，系統(tǒng)基本實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學管理、高效查詢、自適應與多維評價的功能，實現(xiàn)了對不同時間、空間尺度的環(huán)境質量進行實時地評價分析和形象表達的功能。
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