南京城市环境地理信息系统.docx

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1、南京市环境地理信息系统(NEGIS)的设计与实现组员名单：曹奇、曹陈霞、高永攀、高瑞超、黄赟、刘云龙、牛洪涛、叶海滨、王俊杰、朱成林、张志生、海美（排序不分前后）以南京城市环境地理信息系统为例，利用GIS技术论述了地理信息系统在环境管理中的应用，对系统软件的设计与实现作了介绍和分析，着重论述了系统的技术关键和解决方案。说明了利用GIS技术给环境管理工作带来的便利，及对环境地理信息系统的发展前景作了展望。随着我国环境保护工作的深入开展，环境信息化管理已成为衡量环境管理能力的重要内容之一。环境信息管理所涉及的数据除具有时间性和动态性特点外，还具有空间分布的特点，因此将地理空间数据与环境监测数据有机

2、结合在一起极为重要。但过去在环境信息管理方面的研究主要集中于管理信息系统(MlS)，空间数据与监测数据无法统一考虑，为此开发空间数据与环境监测数据高度结合的城市环境地理信息系统显得极为必要。地理信息系统(GIS)最大的特点在于把社会生活中的各种信息与反映地理位置的空间信息有机地结合在一起，并可根据用户需要对这些信息进行分析基于Internet技术的地理信息系统 WebGIS，通过互联网发布和出版空间数据，可以实现各部门之间的数据共享，同时可以由各部门共同合作完成融合多种数据源的1项大型任务。利用GIS技术，结合Internet技术，实施环境信息综合管理是与现代化环境管理发展趋势相适应的。作为环

3、境信息化管理工作的重要组成部分 环境地理信息系统，以其独有的技术手段，结合互联网的优势，解决了从前环境管理工作中的难点，越来越受到研究者的重视。1 南京城市环境地理信息系统的设计针对现有的管理模式以及具体的工作内容，南京市环保局在目前积累的众多环境历史数据的基础上，力求开发以GIS技术为应用平台的环境信息综合管理系统，旨在实现对各类环境数据的统一和规范化管理。1.1系统建设背景1.公共绿地不足。2O世纪9O年代以来随着南京市人口膨胀以及交通与住宅的不断发展生态绿地面积大量减少。目前主城区人口集中的lf9城和河西新区人均公共绿地分别为187m 人和31 8m 人1f9城的指标仅为国家城市建设用地

4、标准的四分之一左右。2.城市热岛效应明显。根据遥感影像分析：2002年，南京主城区最高量温值为41.97，最低亮温值为24.87，二者相差17.10。如不采取有效的防止生态环境退化的措施，南京市的热岛效应还有进一步增强的可能。南京环境污染主要包括：3.城市水环境污染严重。目前，南京市如秦淮河、金川河等河段水质已经连续10多年未能达到地表水V类标准。南京市水环境质量不容乐观的另外一个表现就是湖泊的富营养化状态加剧和河流的生态环境恶化。4.空气环境状况不佳。1990年代中后期，氮氧化物（NOx）和悬浮颗粒物以及降尘成为南京市空气环境中的主要污染物，并且其含量连续4年超过国家标准。目前，南京、上海和

5、杭州等城市已成为我国东部主要的酸雨地区，自2001年以来，南京市的酸雨出现频率均超过25 ,雨水PH年均值低于5.6 而且雨水的酸性呈逐渐增强趋势。12系统的目标 以南京市电子地图的基础地理信息和污染事故风险源、污染物理化特性 、应急监测方法以及污染事故应急监测预案等数据库为基础 ,在突发性环 境污染事故发生时 ,为现场快速监测 ,应急处理提供决策支持和辅助信息保证 ，如图1所示。(1)以便捷、完善、直观的属性数据和空间数据为环境管理和保护提供更好的服务和支持；(2)整合图形库、数据库、模型库和方法库，以良好的环境分析、环境评价和环境管理方法，为各级决策的研究和制定提供更科学的依据；(3)对数

6、据进行集中的网络化管理，实现环保系统内部充分共享信息资源，提高环保管理的透明度；(4)为环保系统各单位提供实时、高效的信息发布 访问系统，使之联系和交流更为密切，提高环境管理的相应能力；(5)使之成为国家环保信息工作和城市政府信息工作中的一个高质量、高效能的节点。 图1 环境数据调查统计流程图13系统的功能 (1)实现各类环保数据的综合查询，具有对地理空间分析和数据综合分析的能力，并能提供分析报告和报表，具备为决策提供支持的能力；(2)具有对信息分析后提供专项预测的功能；(3)支持通用网络技术，实现更广范围的信息共享，不仅为环境管理部门提供支持，同时还对社会提供展示和宣传，以促进全社会监督体制

7、的完善和公众环境意识的提高。14系统的体系结构 本应用系统开发所采用的地理信息系统平台是MapGuide 40版，它是由美国Autodesk公司开发并通过InternetIntranet发布实时地理信息的交互式解决方案，是一种成熟的WebGIS产品。网络数据库软件采用Macromedia公司的ColdFusion软件实现，数据库系统用ODBC 驱动。客户端使用IE60以上IE 浏览器，内嵌MapGuide ViewerActiveX地图浏览控件。系统体系结构如图1。图2 系统体系结构图15系统的功能模块 151环境质量模块 分别从大气、水、噪声3个方面以分布图、专题图、动画等形式，生动直观地反

8、映环境状况。152环境统计模块 可以查询需要的企业信息，并对该企业的历年数据进行汇总比较。153总量控制模块 根据用户指定的企业名称，可以在地图上快速显示其位 图2 系统结构模块图 置；或者通过条件查询指定诸如年份、区域、类别等条件，系 统自动选择出相应企业污染源信息；还可以根据污染源分类的指标，对相应的数据进行排序。通过汇总统计可以动态生成污染物排放总量、计划排放量和尚需削减量的信息，以及具体污染物在各地区内的分布情况。154污染源监测模块 将环保监测部门对污染源数据的监测值进行分类管理，用于环保各部门对污染源监测数据的查询、统计，为环保部门综合管理污染源起到信息支持、辅助决策的功能。155

9、排污申报登记模块 使用现有排污申报软件的数据库，并按其各类报表格式显示相应信息，实现灵活快捷的网络查询。156项目建设管理模块 与“国家建设项目管理”软件全面兼容，有关数据、报表在网络上传递、发布和查询，可以以多种方式进行相关数据的查询和汇总。管理部门可以进行在线点位标识、修改、删除并进行环境评价和项目验收工作。I57环境保护专题图集模块 环境保护专题图是1种明确、直观地反映环境保护工作特定内容的有效手段，是环境保护工作的1种直接需求。在“南京环境地理信息系统”中，专题图制作的方法简单，操作容易，有良好的扩充性，能满足用户的各类需要。2 系统实现的技术关键21数据兼容问题 数据库建设目标是建立

10、数据库以及数据管理的模式方法，集中各业务部门的数据，形成可以在网络上共享的数据仓库，有效地进行综合管理，利于协调环保各职能部门之间的工作。南京城市环境地理信息系统中数据库的管理是很重要的部分，由于该系统是1套综合性的系统，需要实现对现有仍在使用软件数据库的访问，因此兼容问题是首要考虑的问题。该系统采取在服务器端使用ODBC方式实现数据库的连接，这样可以很好地保证系统实现对各种数据库的访问，提高系统适应各种数据库的能力。目前该系统能够完全兼容现有的各类业务数据库，如：现行的国家环境统计软件数据库、环境监测软件数据库、排污申报登记软件数据库等。系统使用数据库时不需要对数据库进行任何转换，只需要改O

11、DBC设置即可。22地图数字化 对南京市行政区图进行矢量化，标注企业点位、大气监测点位、河流断面监测点位以及道路、水系、水库等信息，为系统提供地理信息资源。2.2.1地图数据来源 南京市区地图 ，南京城区地图，南京旅游交通图。2.2.2地图数字化 采用扫描矢量化方法。将地图扫描后用AutoCAD Map2000软件进行数字化地图的制作，然后用AutoCAD OverLayl4进行矢量化地图。 图4 南京交通图223地图数据的使用 系统的空间数据包括：基础底图(城区底图、市区底图)、专业图层，由系统自动调用。23网络技术 建立基于InternetIntranet(因特网局域网)的信息传输模式，实

12、现属性数据与地理空间数据的共享、显示和查询。采用通用的BS程序设计，兼容国际因特网的超文本传输协议，客户端安装方便，应用过程简单，效率高。整个系统不仅在局域网中可以运行，同时也可以在国际互联网上发布，更有利于对外的环境宣传工作。24图形数据与属性数据动态连接的实现241图形数据与属性数据之间唯一标识码设计 要做到属性数据与图形数据之间的连接，需要有一标识码来识别2者之间的联系，即属性数据与图形数据要有一字段存储标识码，达到两者之间相互检索。在MapGuide软件应用的原始SDF文件中，参数KEY 中可存储此标识码，在外部数据库中同样可以有一字段来表示标识码。242空间数据与属性数据动态连接的实

13、现 ColdFusion是1种专门的软件，用来解决图形数据与属性数据之间的动态连接，它是1个快速建立Web应用系统的高效工具，其提供了实现图形数据与外部数据库高度集成技术最为快捷的方法。利用ColdFusion开发应用系统并_不需要象传统的程序语言的源代码，它符合标准的HTML规则，ColdFusion的语言称之为The ColdFusion Markup Language(CFML)。通过ColdFuison用SQL语句通过ODBC可实现对外部数据库的操作。利用图形数据与属性数据之间的唯一标识码，即可实现2者的连接，实现两者的双向检索。当客户端发出1个请求时，通过Internet网络，到达服

14、务器端，IIS(Internet Information Server)将请求传递给MapGuide Server和ColdFusion Server，MapGuide Server处理空间数据的请求，ColdFusion则通过图形数据与属性数据之间的唯一标识码，利用SQL语句通过ODBC 在数据库中检索到与图形相关联的记录，然后通过IIS、Internet传送到客户端，达到了实时查询的目的。3 南京城市环境地理信息系统总体设计31系统的软硬件环境 “南京城市环境地理信息系统”是运行于NT网络操作系统环境中的客户端服务器系统，属于WebGIS系统。其主要软硬件环境需求为：311服务器端 (1)

15、Pentium PC机；(2)至少512MB的内存；(3)至少40G的硬盘空间；(4) VGA 或更高级的独立视频卡；(5) 安装Microsoft Internet Information Sever 的Windows2000或WindowsNT40以上版本操作系统；(6)网络图形功能由Autodesk MapGuide 40软件实现；(7)数据库访问功能由ColdFusion Server软件实现312客户端 (1)486或Pentium PC机；(2)至少256MB的内存；(3)至少10G的硬盘空间；(4)VGA 或更高级的视频卡；(5)Microsoft鼠标或其他可兼容的鼠标；(6)W

16、indowsNT或WindowsXP操作系统；(7)Microsoft Internet Explorer 60或更高版本的浏览器；(8)Autodesk MapGuide Viewer ActiveX控件。32开发工具该系统主要面向网络发布、网络查询、统计分析等的应用。客户端使用浏览器，因此主要采用Java语言和ASP语言开发，另外设计中还应用了ColdFusion语言、VB语言等。其中Java、ASP语言主要应用于网页的设计；ColdFusion的作用是用来进行网络数据库的查询；VB语言则是用来对GIS地图控件对象进行设计的。在系统开发过程中，应用VB开发工具成功进行了MapGuide软件

17、的二次开发，制作了自己的用户控件。33系统的数据库建设地理信息系统的数据库包括2部分：空间数据库和属性数据库。空间数据主要用来描述目标的空间位置、几何形态以及与其他目标的空间关系，如：地形、道路、水系、地物、边界等。空间数据刻画对象的空间位置以及对象之间的相互关系，很难严格的加以结构化，难以用数据库管理系统(DBMS)来管理。属性数据主要是存储环境管理方面需要的数据，如：企业信息、SO2 含量、pH 值等。属性数据一般是可以结构化的，因此，可以用传统的DBMS来管理，并实现快速、可靠的检索。331系统的空间数据 空间数据主要包括基础底图(城区底图、市区底图)、业务图层、专题图。图层分类如表1、

18、表2。专题图层根据具体情况由用户自己设计制定。332系统的属性数据 “南京城市环境地理信息系统”完全使用现行的国家环境统计软件、环境监测软件、排污申报登记等统一软件的数据库文件，仅需将其数据库文件拷贝至系统的相应目录。另外根据国家发布的标准，结合地理信息系统的实际需要，建立了部分诸如各种污染源、噪声源、排污口、监测点等的环保GIS符号库推荐给用户，用户也可以根据自己的需求定制自己的符号库。4 系统详细设计根据总体设计阶段的成果，信息系统分为9个功能模块，分别为环境监测模块、水环境质量信息管理模块、噪声环境信息管理模块、环境统计模块、排污申报登记模块、建设项目管理模块、流域环境管理模块、城市环境

19、综合整治定量考核模块、 环境污染事故应急模块。详细设计阶段的任务主要是给出这些功能模块的具体流程及实现算法，包括模块具体实现方案的制定以及模块的界面形式。以下主要介绍各模块的具体流程。4.1环境监测模块环境监测（Environmental Monitoring）是用科学的方法监视和检测反映环境质量及其变化趋势的各种数据的过程。监测的对象有自然因素、人为因素和污染组分。环境监测是掌握环境质量状况和发展趋势的重要手段，是科学管理环境的基础，是正确处理环境污染事故和污染纠纷的技术依据，其监视程序具体如图5。 图5 环境监测模块实现流程 图6 水体质量监测功能分析流程4.2 水环境质量信息管理模块水体

20、质量监测与管理主要分为业务流程分析和功能分析。其中，业务流程分析分为业务计划、数据录入、业务初审、业务复审、业务终审和业务数据提交；该模块的功能包括数据管理功能、分析计算功能、专题制图功能和报表功能，实现的流程如图6。4.3 噪声环境信息管理模块环境噪声自20世纪70年代以来被称为城市环境问题的四大公害之一。如何提高人居环境质量成为一个迫切需要解决的问题。噪声监测模块功能的实现如图3。4.4 环境统计模块环境统计的任务是对环境状况和环境保护工作情况进行统计调查、统计分析，提供统计信息和咨询，实行统计监督。4.5 排污申报登记模块模块结构设计。数据管理（数据录入、数据修改 、数据转换）。数据查询

21、（单位查询、单表查询、组合查询、组合查询）。数据汇总（基础数据汇总、上报数据汇总、汇总数据图形表示 ）。重点源分析（重点源生成筛查、申报重点源查询、行业重点源查询、单项重点源查询）。系统维护（批量删除、用户管理、系统设置、代码表维护、地区设置、用户信息管理）4.6 建设项目管理模块建设项目管理：建设项目管理包括建设项目环境保护申报情况、建设项目环境保护审批登记情况、建设项目环境保护“三同时”竣工验收登记情况等。模块结构设计：数据输入；数据输出；数据汇总；数据查询；GIS功能（空间位置查询、空间量算、空间数据的汇总、专题图的制作）；系统维护与代码维护。4.7 流域环境管理模块模块结构设计：数据管

22、理、数据查询、分析报告、数据统计、报表输出、系统维护。流域环境管理是指国家以重要江河、湖泊的流域为单位、对水资源的开发、利用、治理、配置等活动所涉及的水环境问题进行同意的管理。包括主要河段沿程水质管理、监测断面污染物分析、水质评价、企业排污管理、治理设施、排污单位信息管理、污染源排污状况分析、饮用水源管理等。流域水质管理：河流沿程分布状况信息管理、监测断面污染物分布率、监测断面水质类别、监测断面主要污染物信息查询显示、水质状况报告、评价指标设置。流域污染源管理：治理设施运行情况、排污区域分布、排污行业分布、废水排放方向等信息显示、排污状况对比、污染源缓冲区分析、污染源排污状况报告以及评价指标设

23、置。4.8 城市环境综合整治定量考核模块此模块的必要性：随着可持续发展战略的逐步实施，城市环境综合整治定量考核已经成为城市环境管理的重要手段和促进城市经济、社会和环境保护协调发展的战略性措施。 4.9 环境污染事故应急模块模块的必要性：发生污染事故时，需要环境污染事故 应急GIS确定事故中的危险品情况，确定相关预案管理和监测管理情况，进行应急监测和数据分析，并制定和实施环境污染事故应急处理执行方案。 环境污染事故 应急GIS应具备风险源管理、危险品管理、仪器设备管理、应急监测专家管理、应急监测案例管理和污染事故应急分析。突发性事件的应急行为要素包括:时间、地点、人员和应急对策。 在实际的操作中

24、，将应急分为： 事前控制（对污染源的实时监测、风险源管理、监测预案管理 ） 事中的应急监测(事故发生时或可能发生事故征兆时采取的反应措施) 事后的控制 (通过重大事故案例管理，总结经验备案)5 系统的分析5.1系统设计的评价在系统设计结束之后，系统实施开始之前，首先对系统的设计成果进行全面评价。此时，系统功能、数据块规模，所需要的软硬件都已明确。进行系统设计评价可以避免在系统实施阶段造成重大损失。在南京市环境信息系统中有以下评价指标：序号评价指标具体内容及评价结果1数据结构简明性系统在完成所需功能的前提下，处理过程已经很短。减少了不必要的处理经费，提高了系统效益，便于系统管理。2设计灵活性系统

25、的结构简单，方便维护和以后的升级，对南京市的环境变化具有较强的适应能力。即使条件变化以后，该系统仍然能够提供有价值的信息。3设计完整性系统的完整性强，具有统一的数据采集流程，设计规范标准，传递语言一致。数据的输入量少。4设计可靠性系统具有实时保护的功能，在系统非正常工作的情况下可以自动保存数据。5设计经济型系统不能产生直接的经济效益，但是通过该系统可以促进南京市的环境改善，同时系统运行以后可以减少南京市在城市环境上的支出，间接的取得良好的经济效益。 表3 南京市环境信息系统设计评价指标5.2代码编写工作的组织和管理1.通过了以上的系统设计评价，开发小组制定了系统实施计划，并制定如下编码规范。2

26、.在适当的位置家兔必要的注解，即程序内部的文档。3.数据说明应以方便阅读、理解、查找和维护为目的；注意声明次序的标准化；不同变量在同一语句中声明时，应按字母先后顺序排列。4.语句书写应有层次感，便于理解。例如采用缩进排列、避免使用大量的嵌套结构、不将多个语句放在同一行中书写、避免复杂的条件测试等。5.程序组织应具有固定的层次。如先进行数据输入或数据初始化，然后进行数据处理，最后是结果输出。6.数据输入应进行完整性检查，格式力求统一、简单，应有必要的提示信息及友好的用户界面。7.对输出的结果应采用良好的格式，并加以必要的说明。8.为了对代码进行合理的管理，建立了代码文档机制。代码文档包括程序的源

27、代码及程序目录，其中程序目录应包含每个程序所存放的位置、名称、功能及编写和修改的最后日期。9.制定开发小组人员的培训。南京市环境信息系统采用c#进行开发。 5.3功能实现5.3.1系统的结构与特点系统的硬件结构通过代理服务器(Proxy Server) 将IN2TERNET 和INTRANET 进行连接,并在代理服务器上运行软件防火墙,保证内部网络的安全性. 对于INTERNET 网络用户,可以通过WEB 服务器上的CGI 程序动态访问到数据库,及时了解环保工作的进展状况和其他信息. 系统采用目前流行的客户端/ 服务器(C/ S) 结构,有效地减少了网络通讯量,减轻了对带宽的压力. 同时,根据

28、用户需求和软硬件配置的特点,将系统分为10 个业务管理模块和一个公共分析的地理信息系统模块(见图7) .图7 10个业务管理的模块5.3.2系统数据流系统数据分为环保业务数据和空间属性数据2大部分,它们之间通过特征代码进行连接. 每个环保业务模块的数据库可拆解为字典库、代码库、标准库、基础数据库等4个部分. 空间数据库包括县区界、绿地、公路、小区、陆地卫星影像图等 。5.3.3系统功能结构根据环境管理业务需求的实际需要,设计了系统基本功能,包括所有类型数据的录入、查询、统计分析,同时提供了系统代码维护功能,使系统更加灵活. 在空间分析功能上,系统设计了GIS 空间分析、环境质量评价、环境影响评

29、价、空间趋势分析等5 个模块. 最后,使用者可以根据实际情况选择内容输出形式,包括报表输出、空间分析制图、数据库内容的多格式输出,并对环境质量作出分析评价。图8 功能结构图5.4系统的安装与调试在系统开发结束之后，需要将不同开发人员开发的功能模块组装配置起来，进行整个系统正确性和可靠性的检验，系统检验的手段有多种，测试就是其中一种，这种方式是使系统有控制地运行，并从多种角度观测系统运行的行为，以发现系统开发中存在的问题并加以改正。这个过程有可能重复多次直到系统运行状态令人满意为止。系统的安装与调试：即对系统硬软件的安装及调试。5.4.1系统硬件的安装硬件安装指的是前面硬件配置中所提到的诸多硬件

30、设备，如打印机、绘图机、扫描仪、数字化仪等的安装。即把它们按照正确的顺序和方式联结、组织起来，并把相应的硬件驱动程序安装到硬盘上。5.4.2系统硬件的调试硬件设备联结好以后，并不是说它们马上就可以顺利地工作了，正确的做法应该是对硬件设备进行调试，诊断其是否会发生硬件上的错误，如打印机、绘图机所使用的并行或串行通讯接口是否会发生冲突，系统能否检测到各个硬件设备，各驱动程序参数设置是否正确等等。5.4.3系统软件的安装这里所说的软件不仅包括前面设计的成果GIS软件包，同时还包括其它相关的支持软件，如操作系统软件Dos、Windows、Unix等；图形处理软件AutoCAD、3DS、Photosho

31、p等；各种工具软件象汉字平台中文之星等软件。5.4.4系统软件的测试这种测试不同于上一节讲的程序的测试，而指的是整个系统软件的测试，包括GIS软件和其它支持软件是否能相互兼容，软件间的接口、程序的运行是否正常等。5.4.5系统的综合调试综合调试指的是系统软件与硬件经过各自安装以后，为使两者能协调地工作而进行的一种测试，目的是使硬软件能相互衔接起来，使系统正常有效地运转。6 环境地理信息管理系统的发展前景南京城市环境地理信息系统的建立，可以使管理者彻底摆脱繁重的手工操作，利用地理信息系统技术辅助管理和进行决策分析，提高工作的科学化、规范化水平，高效利用各种信息，保证资料的完备性、实时性，提高查询的速度，促进信息共享。作为环境信息系统工作的重要组成部分 环境地理信息系统，以其独有的技术手段，结合互联网的优势，解决了从前环境管理工作中的难点，因此越来越被人们重视。另外城市环境地理信息系统的管理方法和思路不仅仅可以应用在环保领域当中，同样也是用于城市市政管网建设、城市规划、城市交通、电信等领域，进而为开发城市综合管理系统提供实践基础和理论指导，提供以GIS为基础的解决方案。