（环境科学专业论文）辽宁省大气环境监测数据分析系统研究.pdf

产 at h e s i si ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e r e s e a r c ho nd a t e a n a l y s i ss y s t e mf o r a t m o s p h e r i c e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n go f 1 p r o v i n c e l l a o n l n g r o v l n c e b yw a n g d a n s u p e r v i s o r ：z h o n gs h e n g j u n ，a s s o c i a t ep r o f e s s o r n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 、 、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：上升 日期： z 阳疋7 、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：王舟 签字日期：矽z7 导师签名： 签字日期： ，、 、 j 、 t ，i 东北大学硕士学位论文 摘要 辽宁省大气环境监测数据分析系统研究 摘要 随着现代工业的不断发展，城市环境问题日趋严重，城市大气环境污染己经 成为人们倍受关注的环境污染问题之一。建立大气环境监测数据分析系统，可以 提高对大气污染监测数据的处理和管理能力，为城市规划和环境评价提供决策依 据。 本研究以辽宁省环境监测站的实际业务需求为背景，以a s p n e t 为开发平台建 立基于b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 三层结构( 表示层、业务逻辑层和数据 访问层) 的辽宁省大气环境监测数据分析系统，实现了大气环境监测数据的数据 维护、数据共享、综合查询、统计分析、历史对比、数据表现等功能。其中系统 包含x m l 因素，可以很好的支持页面的显示；采用j a v a s c r i p t 脚本增强页面的动 态效果，以及页面问数据的灵活传递。此外，采用h j2 2 9 3 大气环境影响评价 技术导则中推荐的扩散模型，开发了基于桌面应用的大气环境模拟和预测软件。 本论文的工作包括： ( 1 ) 以o r a c l e 为平台，建立了大气污染监测数据库，用于存储和管理大气监测 数据。 ( 2 ) 以a s r n e t 为开发平台，用c 撑语言开发了基于b s 模式的辽宁省大气环 境监测数据分析系统。 ( 3 ) 用c j | i 开发了基于桌面应用的大气扩散模拟程序，对有风扩散模式和小风 静风模式下点源大气污染物的扩散进行了模拟。用m a p x t r e m e 地图控件和 c o n t o u r o c x 等值线控件实现了支持地图的模拟结果可视化输出。 关键词：环境信息系统；大气环境监测；o r a c l e ；扩散模型；m a p x t r e m e j 匕 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nd a t e a n a l y s i ss y s t e mf o r a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tm o n i t o r i n go f l i a o n i n gp r o v i n c e a bs t r a c t w i t hc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y , u r b a ne n v i r o n m e n tp r o b l e mh a sb e e n b a c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a n du r b a na t m o s p h e r i cp o l l u t i o n i so n eo ft h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r o b l e m s w h i c hr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n e s t a b l i s h m e n to f a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n td a t aa n a l y s i ss y s t e mc o u l di m p r o v ea b i l i t y o fp r o c e s sa n d m a n a g e m e n to fa i rp o l l u t i o nm o n i t o r i n gd a t aa n dp r o v i d es u p p o r tf o rd e c i s i o nm a k i n gf o r u r b a np l a n n i n ga n de n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t t om e e tt h ed e m a n do fp r a c t i c a lb u s i n e s sa p p l i c a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g s t a t i o no fl i a o n i n gp r o v i n c e ，aw e ba p p l i c a t i o nb a s e do nb r o w s e r s e r v e r ( b s ) s c h e m ew a s d e v e l o p e do na s p n e tp l a t f o r m t h es t r u c t u r eo ft h ea p p l i c a t i o nh a s3l a y e r s ，w h i c ha r e p r e s e n t a t i o nl a y e r ，b u s i n e s sl o g i cl a y e ra n dd a t aa c c e s sl a y e r t h ed e v e l o p e da p p l i c a t i o n r e a l i z e dt h ef u n c t i o no fd a t am a i n t e n a n c e ，d a t as h a r i n g ，i n t e g r a t e dq u e r y ，s t a t i s t i c a la n a l y s i s ， h i s t o r i c a lc o m p a r i s o na n dd a t ap r e s e n t a t i o n t h ed e v e l o p e ds y s t e mi n c l u d ex m lf a c t o rf o r b e t t e rp r e s e n t a t i o no fw e bp a g e s j a v a s c r i p tw a su s e dt oe n h a n c et h ed y n a m i ce f f e c to ft h e pagead e s k t o pa p p l i c a t i o n f o ra t o m o s p h e r i cd i f f u s i o ns i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o nw a s 一 d e v e l o p e d ， t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) e s t a b i l i s h m e n to fd a t a b a s ef o rs t o r a g ea n dm a n a g e m e n ta t m o s p h e r i cp o l l u t i o n m o n i t o r i n gd a t a0 1 1o r a c l ep l a t f o r m ； ( 2 ) a na t m o s p h e r i cp o l l u t i o nm o n i t o r i n gd a t aa n a l y s i sa n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nb ss c h e m eu s i n gc # i n a s p n e t ： ( 3 ) ad e s k t o pp r o g r a mf o ra t m o s p h e r i cp o l l u t a n t sd i f f u s i o ns i m u l m i o na n dp r e d i c t i o n w a sd e v e l o p e d s i m u l m i o nw a sc a r r i e do u tf o rt h ed i f f u s i o nm o d e l so fw i t hw i n da n dc a l m w i n d m a p x t r e m em a pc o n t r o l a n dc o n t o u r o c xc o n t o u rc o n t r o lw e r eu s e dt or e a l i z e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o nv i s u a l i z a t i o nw i t hm a ps u p p o r t k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ；a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ；o r a c l e ； d i f f u s i o nm o d e l ；m a p x t r e m e 一 u 一 b 一 产 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性! 声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的及意义。l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 目前大气环境信息系统存在的问题5 1 4 主要研究内容6 第二章系统关键技术分析7 2 1 地理信息系统相关技术简介7 2 1 1 地理信息系统的定义7 2 1 2 地理信息系统的应用特点7 2 2 组件式开发技术在系统中的应用9 2 2 1 系统三种开发方式9 2 2 2 组件式g i s 1 0 2 2 3m a p x t r e m e 介绍1 2 2 2 4 组件技术在系统中的实现1 3 2 3 数据库相关技术简介1 4 2 3 1 数据库概述1 4 2 3 2o r a c l e 数据库1 6 2 3 3p o w e r d e s i g n e r 数据库建模技术17 2 4 绘图控件介绍18 2 4 1t e e c h a r t 简介l8 。v 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 2c o n t o u r o c x 简介1 9 第三章系统设计2 0 3 1 系统目标2 0 3 1 1 总体目标2 0 3 1 2 具体目标2 0 3 2 系统开发原则2 0 3 3 系统总体设计2 1 3 3 1 系统功能设计2 l 3 3 2 系统架构设计2 2 3 3 3 系统数据库设计2 3 3 4 系统开发环境3 1 3 4 1 硬件配置31 3 4 2 软件配置3 1 第四章系统功能介绍3 2 4 1 空气污染监测3 2 4 1 1 评价标准3 2 4 1 2 主要功能3 3 4 1 3 相关计算3 9 4 2 降尘监测4 0 4 2 1 评价标准4 0 4 2 2 主要功能4 0 4 3 酸雨监测。4 3 4 3 1 主要功能4 3 4 3 2 相关计算4 5 第五章大气污染扩散模拟4 7 5 1 大气污染扩散模型。4 7 5 1 1 排气筒点源有风扩散模式4 7 5 1 2 小风和静风的点源扩散模式5 3 5 2 软件的流程5 4 v i 一 ，i 东北大学硕士学位论文 目录 5 3 软件功能的实现5 5 5 3 1 等值线实现方法5 5 5 3 2 软件功能演示5 6 第六章总结与展望5 9 参考文献6 0 致谢一6 3 一 广 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 当前，大气环境污染问题已经成为我国政府和社会所面临的严峻问题。随着我国经 济的快速增长以及人民生活水平的提高，能源需求量不断上升。自1 9 8 0 年以来，中国 原煤消耗量已增加了两倍以上，2 0 0 2 年原煤消耗量已达1 4 8 亿吨【j 】。以煤炭、生物能、 石油产品为主的能源消耗是大气中颗粒物的主要来源。大气中细颗粒物( p m i o ) 和超 细颗粒物( p m 2 5 ) 对人体健康最为有割2 ，3 】。它们主要来自燃料的燃烧以及工业生产和 交通运输过程中排放的烟尘。大气中的二氧化硫和氮氧化物也大多来自这些排放源。 近几年来，我国主要大城市机动车的数量大幅度增长，机动车尾气已成为城市大气 污染的一个重要来源，这与机动车数量的急剧增长密切相关。有关研究结果表b y jr 4 8 】， 北京、上海等大城市机动车排放的污染物已占大气污染负荷的6 0 以上，其中，排放的 一氧化碳对大气污染的分担率达到8 0 ，氮氧化物达到4 0 ，这表明我国特大城市的大 气污染正由第一代煤烟型污染向第二代汽车型污染转变。 因此，迅速开展大气污染状况及其影响的分析和优化控制研究，已经是摆在科学工 作者面前的紧迫任务。为了保护大气环境，我国许多城市开展了大气污染的综合整治和 总量控制规划等方面的研究工作。如2 0 世纪8 0 年代以来，上海市分别开展了有关二氧 化硫和大气颗粒物污染及其排放总量控制的多个大型课题的研究。针对大气污染现状和 污染源发展趋势，根据城市各部分对大气环境质量的要求，分析各种形式的防治措施和 设施的可行性和现实性，进行技术经济分析和模式计算，提出优化的污染源控制方案， 对城市规划的决策、环保部门的管理和企事业单位落实环保措施等工作都起了很好的作 用。但是以往这些环境规划，存在着共同的缺陷是研究的主要成果都是以静态的研究报 告，查阅方案、表格等形式出现，使用的时候很不方便。再者，我国现在处于经济高速 发展的阶段，城市规划经常会出现更新的情况，污染源也处于不断的变化中，因此，这 些报告便很快失去时效性。虽然监测数据、污染源数据和优化削减方案数据是应用数据 库软件存储的，可以更新，但是，这些数据库往往都是相互独立的，污染源数据库的更 新并不能说明对大气环境发生的可能影响。而且，环境污染问题和地理位置也密切相关， 单纯的数据库已不能适应环保管理工作的需要，传统的分析手段也已经无法胜任环境管 - 1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 理的新需求，因此引入新的技术和方法，显得非常迫切而必要。 环境信息系统( e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，e i s ) 就自然成为环境保护工作 的有力工具。在环境信息系统的协助下，我们不仅可以方便的获取、存储、管理和显示 各种环境信息，而且可以对环境进行有效的监测、模拟、分析和评价，从而为环境保护 提供全面、及时、准确和客观的信息服务和技术支持。我国城市化及其带来的城市环境 问题会越来越突出，建设和发展城市环境信息系统有着十分明显的必要性和迫切性。环 境信息系统已发展成为一个新的研究方向，正日益显示出其在环境保护中十分重要的作 用。 城市环境信息系统( c i t ye n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，c e i s ) 的建立，可以为 城市环境保护部门获取直观形象的可视化信息提供一个十分有效的手段，使领导和有关 业务管理部门能够在e i s 的帮助下，一方面，能方便、迅速了解城市的环境信息，如环 境背景、污染物排放、污染源、环境监测、预测与评价结果、污染效应等情况，另一方 面，还可以从现有环境数据的基本要素和空间关系中挖掘和产生新的信息，引导环境管 理者产生形象思维，拓宽思路和视野，发现和解决新问题。 城市环境信息系统是国家环境信息系统重要的组成部分，处于国家四级网络中的关 键部位，对环境信息起着承上启下的作用，将有助于实现全国范围内环境数据的更新和 共享，有助于大范围的利用和管理日趋庞大的环境空间信息。这将对整个环境保护部门 利用现代信息技术，迅速、准确的获取环境污染信息，及时、全面的掌握城市环境污染 和生态破坏的发生、发展与演变过程，并科学的做出分析和评价起到重要的作用，也将 为“数字环保和“数字城市 战略的实施打下坚实的基础。 1 2 国内外研究现状 环境信息系统是在地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 基础 上发展起来的。1 9 6 3 年由加拿大测量学家r t o m l i n s o n 提出了g i s 9 1 ，其理论和技术不 断发展完善。上个世纪，随着工业发达国家对于日益严重环境问题的关注，e i s 逐渐发 展，出现了一些相对完善、综合性较强的e i s ，并应用在环境监测、环境预测与评价、 环境预警与管理、环境规划与决策、环境科学研究、环境与自然生态管理、环境审计与 评估等领域。 - 2 - 一 ， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 1 国外研究现状 在国外，美国环保署( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ，e r a ) 较早开展了这方面的 工作，由其主持开发的系统有：e a d s 用于环境评价、污染源表征及控制技术的发展； h e e d a 通过对结构与毒性关系的研究，从化学结构角度预测毒性；s a r o a d 和s t o r e t 为国家和政府提供环境决策支持；d d r p ( t h e d i r e c t d e l a y e dr e s p o n s ep r o j e c t ) 用于预 测、调查地表水化学物质对持续酸沉降的长期响应关系；m a n a g e 用于区域土地利用的 污染风险评价：c s g w p p ( d e l a w a r e sc o m p r e h e n s i v es t a t eg r o u n d w a t e rp r o t e c t i o n p r o g r a m ) 为各流域地表水的合理开发、利用及保护提供建设性的支持。另外，美国t e x a s 州利用g r a s s 4 1 地理信息系统与d r a s t i c 模型结合对地表水污染现状进行评价，预 测该地区4 7 水体轻微污染、2 6 中度污染、2 2 严重污染以及5 极度严重污染【l 叭。 此外，欧共体完成的e c d i n 能够对环境信息进行全面综合的管理；英国国家环保局主 持开发的w q i s 系统可以辅助水质管理；由英国人类可靠性联合公司和伦敦经济政治大 学共同研制的影响与评价决策支持系统i m a s ，具有专家知识管理模型与实时相应功能 【1 1 1 。德国建立土地信息系统作为城市环境信息系统的一部分对城市土地利用情况进行规 划与评价1 1 2 1 。法国e l a s s e r r e 等人利用a g r i f f l u x 和m t 3 d m o d f l o w 模型与g i s 结合 对水体氮浓度进行预测与评价【1 3 】。日本国立公害研究所研制开发的环境综合分析信息系 统s a p i e n s 1 4 】。挪威在近来开发的区域环境应急系统m e m b r a i n ，该系统覆盖面广、功 能完善。瑞士日内瓦大学研制的日内瓦环境信息与决策支持系统( g e n i e ) 利用 c l i e n t s e r v e r 结构实现信息共享【l 习。同时世界银行在一些发展中国家援助开发了工业污 染预测系统i p p s ，该系统在利用工业调查信息的基础上，估计污染强度，从而预测国家、 地区、城市或者项目的工业污染。最近，美国环保署为国家以及州的环保机构和污染控 制部门开发了b a s i n s 系统，它集成了整个美国的流域数据、流域分析和水质分析软件， 为用户提供一个简明、将点源和非点源污染源统一起来的流域管理工具。英国泰晤士河 流域规划决策支持系统w a t e r w a r e ，具有水文过程模拟、水污染控制、水资源规划 管理等功能。 这些系统集成多种环境信息，可以运用多种数学模型对系统收集和整理过的环境信 息进行分析与长期预测，从而为环境决策与规划提供支持，并在行政管理、环境法规、 环境投资、环境预测等多个领域发挥重要作用。近年来，发达国家在系统应用过程中注 意到了数据规范的重要性，着手研究e i s 的标准与规范、中介数据、信息共享、信息可 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 视化等方面的内容，这为我国的e i s 提供了新思路、新内容。 1 2 2 国内研究现状 我国e i s 建设起步比较晚，“七五”期间，我国开始环境信息标准化和环境数据库 的开发研究。国家环保局“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标将环境信息化作为环境管 理能力建设的重要内容之一，并提出了“九五”国家环境信息化的目标，规定实现环境 信息化、提高环境管理和决策水平是一项战略任务。在“九五 计划和2 0 1 0 年远景目 标中特别强调了环境地理信息系统的应用。经过十几年的努力，国家环境信息化进展较 快，取得了一定成效，不仅建立了国家级e i s ，同时也建立了一批省市级、区县级e i s 和流域专题e i s ，这些系统为提高我国环境管理的现代化水平起了很大的推动作用。 国家级e i s 主要有：“七五”期间国家投资建立的国家环境信息系统、国家污染控制 管理信息系统【16 1 、危险废弃物管理信息系统【1 7 】、国家环境监测信息系统【18 1 、国家环境 监理信息系统【1 9 2 0 1 等。省市级e i s 有：世界银行贷款项目资助的覆盖2 7 个省( 自治区、 直辖市) 的中国省级环境信息系统( p e i s ) t 2 1 1 ，江苏省e i s 2 2 1 ，广州、汕头、大连、珠海、 本溪、扬州、大庆、兰州、杭州、三明等城市也陆续建立起适合自身特点的专题e i s 【2 强引。 区县级e i s 有：山西朔州平鲁区区域综合管理信息系统【2 6 1 、深圳南山区环境管理信息系 统【2 7 1 、深圳龙岗多媒体环境信息管理系纠2 8 1 ，同时杨海腾等人对区县环境信息化建设作 了探讨。另外，还建立了一批相关环保专题或流域的e i s ：以g i s 平台分析吉林西部土 地盐碱化问题、浦东居民生活垃圾收运管理决策支持系统1 2 9 1 、基于m a p g i s 的东辽河流 域水环境管理信息系统【3 0 1 、以g i s 为平台、融合大型数据库与模型计算技术，实现了 g i s 与生态环境管理系统一体化的松花江流域环境规划决策支持系统、黄河流域环境规 划决策支持系统、长江流域环境规划决策支持系统。上海市环境管理部门建立的黄浦江 流域水环境地理信息系统【3 1 1 ；成都市大气环境地理信息系统；华南环境科学研究所研制 开发的潮汐河网地区水环境管理和决策支持系统口2 1 ；城市污染源空间信息系统；城市空 气质量日报自动发布系统等等。 纵观国内外e i s 的发展和现状，我们不难发现，经过几十年的发展，特别是g i s 进 入e i s 领域之后，e i s 在数据的获取、管理、显示等方面都得到了极大的进步。伴随着 各种环境专业模型的开发与应用【3 3 。引，e i s 的形式也由低层次的数据管理系统逐步发展 到辅助决策支持系统、甚至是环境专家系统。而在开发技术上也有了较大的变革，从传 统的纯粹数据采集及其管理技术开发、到g i s 模块的介入、到现在g i s 软件提供的二次 4 _ 一 r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 开发、并逐步向高级开发语言融合，特别是随着c o m g i s 技术的发展与完善，组件化开 发模式将成为主流。然而，基于g i s 技术的e i s 仍然面临着一些问题：首先，环境要素 及其变化过程具有明显的时空动态特征而g i s 在表示复杂的地理要素、时空动态变化等 方面还存在着难以克服的问题；其次，环境要素运动过程模拟需要复杂的数学模型，而 g i s 在模型模拟方面的功能尚有欠缺，这些都大大限制了e i s 技术的进一步发展，因此 也是今后g i s 技术与e i s 更深层次结合所急需解决的问题。 1 3 目前大气环境信息系统存在的问题 我国大气环境管理工作取得了一定的进展，但与大气环境管理工作的实际需求还有 一定的差距，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 大气环境管理的单方面 现有的大气环境管理系统是针对环保部门的管理人员而设计的，没有为管理者和公 众之间搭建一个动态的网络互动平台，公众不能及时全面的了解自己生活空间的大气环 境质量的真实情况，不利于公众对环境保护工作的参与和对政府环保工作的监督，不利 于提高公众的环保意识。 ( 2 ) 大气环境信息未充分利用 经过3 0 多年的发展，环境管理积累了大量的数据并建立了各种数据库，现有的大 气环境管理系统未能将它们统一在系统数据库中，未充分考虑气象数据、污染源数据和 地理位置等因素之间的相互影响，致使对这些数据库的应用比较分散。随着数据和数据 库的急剧增长，迫切要求所存储的数据转化为能够为环保分析人员、管理人员和公众所 理解的有用信息。 ( 3 ) 大气环境信息并未实现共享 面向单机的大气环境管理系统只能解决单个部门内部的应用，用途较为单一，横向 之间没有联系，这不仅增加了环境保护部门各个业务部门之间数据流通的困难、提高了 系统操作的复杂和冗余程度，而且不利于大气环境信息的统一管理和共享流通，造成了 环境信息资源的极大浪费。 ( 4 ) 大气环境模拟系统未实现动态模拟 相同的模拟位置由于气象条件的影响和地方政府对污染源的控制的重视程度不同， 模拟也会不相同。因此模拟参数不应该是固定不变的，应该能根据该地区的实际监测数 据动态的改变。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 主要研究内容 本论文研究工作集中于开发大气环境监测数据分析系统，可以提高人们对大气污染 现状和污染源发展趋势的管理能力，对城市规划的决策、环保部门的管理等工作都起到 了很好的作用。 本论文研究工作的主要内容包括： ( 1 ) 建立了o r a c l e 数据库，用于存储和管理监测信息。资料来源于对辽宁省环境监 测站进行的调研。 ( 2 ) 开发了辽宁省大气环境监测数据分析系统。开发选用通用高级编程语言c 撑；用 a s p n e t 开发大气环境监测信息服务网站，作为数据访问和管理的用户界面，实现对大 气环境监测数据录入、浏览、审批、统计分析和输出等功能。 ( 3 ) 利用地图开发组件m a p x t r e m e 和等值线控件c o n t o u r o c x 绘制了大气污染物浓 度等值线图，对大气污染的扩散进行了模拟，实现了预测结果直观、快速的可视化表达。 6 - 、 东北大学硕士学位论文第2 章系统关键技术分析 第二章系统关键技术分析 2 1 地理信息系统相关技术简介 2 1 1 地理信息系统的定义 ， 广 自2 0 世纪6 0 年代初“地理信息系统( g i s ) ”一词出现至今，这门学科己发展了 4 0 多年，发展迅速，应用领域宽广，但关于g i s 的定义，由于不同的应用领域，不同 的专业，对它的理解不同，目前还没有一个完全统一的、被普遍接受的定义。通常可以 从4 种不同的途径来定义g i s t 3 9 1 。 ( 1 ) 面向功能的定义：g i s 是采集、输入、存储、查询、分析与显示输出地理数据 的系统。 ( 2 ) 面向应用的定义：根据不同的应用领域，将g i s 分为各类应用系统，如：土地 利用信息系统、矿产资源管理信息系统、城市规划信息系统、城市交通管理信息系统等。 ( 3 ) 工具箱定义：g i s 包括各种复杂的处理空间数据的计算机程序和算法，是一组 用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。 ( 4 ) 基于数据库的定义：g i s 是这样一类数据库，它的数据有空间次序，并且提供 一个对数据进行操作的操作集合，用来回答用户对数据库中空间实体的查询。按通常理 解地理信息系统是一种采集、储存、管理、查询检索、分析、显示和描述空间数据的计 算机系统，是分析、处理、挖掘海量地理数据的通用技术【4 0 】。它是以地理空间数据库为 基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对整个或部分地球表层( 包括大气层) 空间相 关数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。 2 1 2 地理信息系统的应用特点 ( 1 ) 地理信息系统应用领域不断扩大 地理信息系统的应用领域目前已发展到6 0 多个。主要应用领域有地质、地理、测 绘、石油、煤炭、冶金、土地、城建、旅游、交通、铁路、水利、农业、林业，环保、 教育、文化、军事等。 ( 2 ) 地理信息系统应用研究不断深入 - 7 东北大学硕士学位论文 第2 章系统关键赦术分析 地理信息系统的早期应用强调制图和空间数据库管理。如今的应用集中体现在空间 模拟上，即利用空间统计和先进的分析算法进行应用模型的分析和模拟。 ( 3 ) 地理信息系统应用社会化 地理信息系统用户数量每年以2 - 6 倍速度递增，呈现社会化应用趋向，地理信息系 统已经成为人们科研、生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和手段。 ( 4 ) 地理信息系统应用全球化 地理信息系统技术的应用正席卷全球，在美国、西欧和日本等发达国家，已建立了 国家级、洲际之间以及各种专题性的地理信息系统，地理信息系统应用国际化、全球化 已成为一种趋势。 ( 5 ) 地理信息系统应用环境网络化、集成化 在地理信息系统中，有很多基础数据是社会共享资源，如基础地形库，人口、资源 库，经济数据库等。因此，必须建立国家及省、市、地区级基础数据库。在中国已经建 立了1 ：1 0 0 0 0 0 0 国家基础空间数据库，1 ：2 5 0 0 0 0 地形数据库，网络化能提高这些数据的 利用率，这是发展的必然趋势。 此外，由于各行各业中信息种类及信息表达的多样化，各种集成环境对地理信息系 统的推广应用十分重要，如3 s 集成系统等。 ( 6 ) 地理信息系统应用模型多样化 地理信息系统在专业领域的应用，需要开发本专业模型，地理信息系统在专业中的 应用能否成功与模型开发的成败息息相关。 地理信息系统在专业领域的应用，大致遵循如下模式，如图2 1 ： 图2 1 专业模型在地理信息系统中的应用模式 f i g 。2 1a p p l i c a t i o nm o d e lo fp r o f e s s i o n a lm o d e li ng i s 即专业模型利用g i s 数据库中的数据，进行专业分析，分析结果保存在g i s 数据库 中，并由g i s 对分析结果进行专题表达。专题表达结果也可保存在数据库中。 8 产 东北大学硕士学位论丈第2 章系统关键技术分析 2 2 组件式开发技术在系统中的应用 2 2 1 系统三种开发方式 g i s 根据其内容可分为两大基本类型：( 1 ) 应用型g i s ，以某一专业、领域或工作 为主要内容，包括专题地理信息系统和综合地理信息系统；( 2 ) 工具型g i s ，也就是g i s 工具软件包，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基本功能。 随着g i s 应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作日显重要。如何针对不同的应用 目标，高效地开发出既合乎需要又具有实用、方便、美观、界面形式丰富的g i s ，是开 发者关心的问题。常见的三种开发方式如下【4 1 】： ( 1 ) 独立开发 开发者不依赖任何g i s 工具，利用程序设计语言完全重建g i s 的所有必需功能。这 种方式的优点在于开发成本低。缺点是设计和实现都复杂，而功能往往没有专业的g i s 强大。 ( 2 ) 单纯二次开发 g i s 软件大多提供了用户进行二次开发的宏语言，如m a p l n f o 公司研制的m a p l n f o p r o f e s s i o n a l 软件提供了m a p b a s i c 语言，e s r i 公司的a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言等， 用户可以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件为开发平台，开发出针对不同应用对象的 应用程序。但由于宏语言功能比较弱，特别是在界面设计方面，而且不能脱离原有的应 用环境，开发的应用程序针对性较差。 ( 3 ) 集成二次开发 利用专业的g i s 工具软件，实现g i s 的基本功能，通过采用软件开发工具尤其是可 视化开发工具( 如d e l p h i ，v i s u a lc 挣，v i s u a lb a s i c ，p o w e rb u i l d e r 等) 作为开发平台，进行 二次的集成开发。它是前两者的折中方案，既降低了独立开发的难度，又增强了单纯二 次开发的能力。集成二次开发目前主要采用下面两种方式： ( a ) o l e i d d e 采用o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 自动化技术或利用d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 技术。用软件开发工具开发前台可执行应用程 序，以o l e 自动化方式或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台执行，利用回调( c a l l b a c k ) 技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能。 ( b ) g i s 组件 9 东北大学硕士学位论文 第2 章系统关键技术分析 利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在o c x ( o l ec u s t o mc o n t r o l ，o l e 控件) 技术基础上的g i s 功能组件( 如e s r i 的m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 的m a p x t r e m e 等) 的开 发方式属于集成开发，即用高级语言如d e l p h i ，v i s u a lc 撑，v i s u a lb a s i c 等编程工具编制的 应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。 近几年，国内外众多g i s 公司都提供了g i s 开发的功能组件，国内外最典型的代表 e s r i 公司提供的m a p o b j e c t 、a r c o b j e c t 等系列组件，m a p i n f o 公司提供的m a p x t r e m e 组件；国内也涌现出了一批优秀的g i s 组件，如超图公司的s u p e r m a p ，朝夕公司的 m a p e n g i n e 等。表2 1 是对几种典型g i s 组件主要功能的对比。在系统开发的过程中， 开发者本着“没有最好，只有最合适 的原则选择相应的组件产品。 表2 1 几种代表性g i s 组件的对比 t a b l e2 1c o m p a r i s o no f s e v e r a lt y p i c a lg i sc o m p o n e n t s 2 2 2 组件式g i s 2 2 2 1 组件式g i s 的概念 组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种技术潮流，g i s 软件正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的 软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。无疑，组件式g i s 技术将给整个 g i s 技术体系和应用模式带来巨大影响。 有关组件目前还没有严格的定义，但是可以大致描述如下：组件是一种能够提供某 种服务的软件模块，它封装了一定的数据( 属性) 和方法，并提供特定的接口，开发人 员利用这一特定的接口来使用组件，并使其与其它组件交互通讯，以此来构造应用程序 1 4 2 o 组件式地理信息系统( c o m p o n e n to b j e c tm o d e lg i s ，c o mg i s ) 是指基于组件对象 1 0 - ，l 东北大学硕士学位论文 第2 章系统关键技术分析 平台，由一组具有某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件所提供的g i s 。c o r ng i s 采用了面向对象技术和组件式软件的g i s 系统，其技术基础为组件式对象模型 ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，c o r n ) 和a c t i v e x 控件。a c t i v e x ( a c t i v e xc o n t r 0 1 ) 是微 软