（环境工程专业论文）上海市水环境管理信息系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 环境保护和治理的关键环节之一是环境保护管理和决策，计算机技术尤其是 近年来地理信息系统的蓬勃发展使得基于计算机技术的环境管理信息系统成为 环境信息管理的一个有效手段。 本文首先总结了地理信息系统在国内外的发展以及在各个领域的应用，在此 基础上，以上海市水环境为出发点，对地理信息系统在环境保护领域的应用进行 了研究。基于实际工作的需要，结合地理信息系统技术和传统数据库，建立新型 的数据库；以v i s u a lb a s i c6 0 软件作为开发平台，以l a p l n f o 公司的m a p x 作 为地理信息系统控件开发了上海市水环境管理信息系统。实现了地图操作、属性 数据的多态查询等功能，并在系统中开发集成了水质评价模块，使系统分析数据 的功能得以加强：实现了数据库的动态更新；针对研究中遇到的问题和我国的现 状提出了一些建议，以促进这方面的深入研究。 将地理信息系统技术应用于环境保护领域将改变传统的环境信息管理模式， 较大的提高信息管理效率。本研究开发的系统具有界面友好、操作简便、实用等 特点，将为上海水环境的综合治理提供高效、科学的信息支持，提高上海的环境 信息管理水平。 关键词：水环境地理信息系统管理信息系统数据库上海 a b s t r a c t a b s t r a c t e n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n ga r ec r i t i c a ll i n k si nt h ep r o c e s s o fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y g i s ( 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 ) h a v em a d ec o m p u t e r - b a s e de n v i r o n m e n t m a n a g e m e n ts y s t e ma ne f f e c t i v et o o lf o re n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , r e c e n ta d v a n c e sa n da p p l i c a t i o n so fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) a r o u n dt h ew o r l da r er e v i e w e da n ds u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gi t sa p p l i c a t i o ni n e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b a s e do nt h i sw o r k ，t h ea p p l i c a t i o no fg i s i ns h a n g h a iw a t e r e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti ss t u d i e d n e w - s t y l ed a t a b a s ei se s t a b l i s h e db y c o m b i n i n gg i s ，t r a d i t i o n a l d a t a b a s ea n dt h ep r a c t i c a ln e e d s s h a n g h a iw a t e r e n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fv i s u a l b a s i c6 0a n dm a p x f u n c t i o n sl i k em a p - o p e r a t i n ga n dd a t a - q u e r ya r er e a l i z e d w a t e r q u a l i t ya s s e s s m e n tm o d u l ei si n t e g r a t e di nt h i ss y s t e m t oe n h a n c et h ed a t aa n a l y z i n g a b i l i t yo ft h i ss y s t e m d y n a m i cd a t a b a s eu p d a t i n gw a sa l s or e a l i z e d f i n a l l y , s o m e a d v i c e sw e r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sm e ti nm yr e s e a r c hp r o c e s sa n d c u r r e n ts i t u a t i o ni nc h i n a , h o p i n gt op r o m o t ef u r t h e rr e s e a r c hi nt h i sf i e l d a p p l i c a t i o no fg i si nt h ef i e l d o fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nw i l lc h a n g et h e t r a d i t i o n a lm o d eo fe n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dg r e a t l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h i ss y s t e mp r o v i d e sap r a c t i c a l ，e a s y - t o u s e a n df r i e n d l yi n t e r f a c e ，w h i c hw i l lo f f e ra ne f f e c t i v ea n ds c i e n t i f i ci n f o r m a t i o ns u p p o r t f o rt h ec o m p r e h e n s i v ei m p r o v e m e n to fs h a n g h a iw a t e re n v i r o n m e n ta n de n h a n c et h e l e v e lo fs h a n g h a ie n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t ；g i s ；m i s ；d a t a b a s e ；s h a n g h a i h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 壹怫 2 0 0 y 年；月g 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，+ 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 2 圆歹年弓月g 日 学位论文作者签名：查弗漓 2 蜱芗月亨e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：亳激猖签名：僵蝴 z 谚年多月g e t 第1 章前言 1 1 课题的背景 第1 章前言 人类已经进入2 l 世纪，随着经济的高速发展，环境问题越来越受到人们的 关注与重视，其中水环境的污染是所有污染当中最严重、最复杂的污染问题之一。 其涉及到人类活动的两个矛盾：一方面，人类在追求经济高速发展的过程中，不 可避免的产生大量的污水，这些污水一部分经处理后排放，另一部分直接排入水 体，对水环境造成严重的污染；另一方面，随着生活水平的提高，人类强烈地要 求周围水体能够提供舒适的环境，为现在和将来创造文明。在发展经济和保持环 境整洁的可持续发展道路上，如何进行有效的环境保护和环境改善是摆在我们面 前的一个重要课题。 上海市河网密集，水是上海城市发展的基本条件，众多的河流为上海市的饮 水、工业消耗、航运以及农业生产提供了不可替代的资源。但是由于历史的原因， 上海市河道水质污染严重，已经发展成为典型的水质型缺水城市，对人民的生产、 生活产生极大的影响，并直接或间接地制约了上海经济地可持续发展。由于上海 市区地势平缓，河道比降小，又易受到外潮顶托的影响，使得部分污水在河段中 徘徊游荡，不能及时地泻污自净，水环境污染问题比较突出，对人民地生活造成 较大的影响，群众对污染河道的治理有着很迫切的心情。上海市这座“依水而存， 因水而兴 的经济发达的东方水都城市，已经受到了水污染的威胁和困扰l l j 。因 此，上海市人民政府加大了对水环境的综合整治力度，经过多年的整治，已经取 得了很大的成效。但是水环境的综合整治是一项长期而系统的工程，上海市水环 境的治理是目前以及今后相当长的一段时间上海市最为关注的环境问题之一，水 环境治理关键的环节之一就是环境保护管理和决策，而环境保护管理的水平与效 率在很大程度上依赖于环境信息的管理效率与应用情况。 环境信息的利用效率将直接影响到环境决策，而环境信息的获取与处理一般 具有以下特点1 2 j ： ( 1 ) 空间性。8 5 以上的环境信息都与空间位置有关； ( 2 ) 复杂性。环境信息处理背景复杂，任务繁多，涉及面极为广泛； ( 3 ) 分析性。环境信息处理需要进行大量的分析性工作，不仅需要定性和静 态的分析，而且需要定量、定位和动态的综合分析和评价； ( 4 ) 时效性。环境信息量通常是海量的，需要高效、迅速和准确的处理，特 别是需要进行实时处理； 第1 章前言 ( 5 ) 多源性。环境信息来源多，包括监测数据、统计数据、图形数据等不同 源数据的复合； ( 6 ) 直观性。环境信息处理结果应具有较高的可视化程度和良好的显示度。 河道水质监测数据、污染源数据是环境保护管理和决策的重要依据。这些信 息资料具有数据量大、关系复杂和更新快的特点，利用传统信息数据库处理这样 的“海量数据 工作量很大且对操作者的要求比较高，很难做到使隐藏在错综复 杂关系下的众多因素在用户面前变得清晰，也就更谈不上让它们随着条件的改变 而动态变化而得到结果了，而这些传统信息数据库功能上的障碍正是地理信息系 统( g i s ) 所能实现的突破和优势所在。 因此，基于g i s 技术，建立上海市水环境管理信息系统对于大量数据的储存、 管理、进行各种查询、空间分析、水质评价乃至进一步开展上海市水环境的全面 综合整治工作都具有非常重要的意义。 1 2 课题的研究内容 本课题研究的对象是上海市的水环境，主要包括水环境的水质监测数据和水 环境污染源。本课题将研究以下几个方面的内容： ( 1 ) 根据水环境污染问题的特点和环境管理工作的实际需要，将g i s 与传统 数据库相结合，构建新的系统数据库。 ( 2 ) 提出基于g i s 技术的上海市水环境管理信息系统的通体构想，阐述设计 原理。 ( 3 ) 讨论和分析基于g i s 技术的上海市水环境管理信息系统的组成模式和关 键技术的实现。 ( 4 ) 开发适用于上海市的以组件式g i s 为核心的水环境管理信息系统，使得 该系统的成功开发能够为上海市环境保护工作的管理与决策提供高效的信息支 持与帮助。 1 3 论文的组织 本文共分为五个章节，总体上按照逻辑相关、循序渐进安排： 第一章概括的介绍了课题的背景和研究内容。 第二章介绍了地理信息系统的定义、发展现状等内容，并对地理信息系统在 环境保护领域的应用进行了阐述。 第三章是系统的总体设计构想，内容包括开发软件的选择、开发方式的选择、 2 第1 章前言 系统的软硬件环境介绍和系统设计的实施方案等。 第四章是系统的功能设计与实现，内容包括系统的设计思想与原则，系统数 据库的构建，各个功能模块的实现与系统集成。 第五章是结论和建议部分，分析了本文所开发的系统的特点、创新点、不足 之处以及今后研究的努力方向。 第2 章环境地理信息系统 第2 章环境地理信息系统 2 1 地理信息系统( g i s ) 2 - 1 1 定义 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 ) 是“以空间数据库 为基础，在计算机软硬件的支持下，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间 和动态的地理信息所建立起来的，为多种决策服务的计算机技术系统”f 3 1 。它处 理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数 据、遥感图形数据、属性数据等，通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取 满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。g i s 可 用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，帮助解决复杂的规 划、管理和决策等问题。 地理信息系统( g i s ) 具有以下几个方面的特征【4 j ： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和 动态性； ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间 分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； ( 3 ) f l j 计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的 或者专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成难以完成的任 务； ( 4 ) g i s 是一门技术，它不能单独产生理论，是支持各类应用强有力的工具。 2 1 2g l s 与其他相关系统的区别 g i s 与数字制图：数字制图是模拟地图在计算机中的表示形式，它主要侧重 考虑地图中的地物要素及其他要素在地图上的叠加关系并以数字形式存储、管理 地图；而g i s 则是将地图数据与属性数据关联在一起，侧重于对地图的查询、分 析等深层次的运用，为规划、管理和决策提供帮助，即g i s 是“从数据中挖掘信 息”。 g i s 与c a d ( 计算机辅助设计) ：c a d 主要是利用计算机的快速、准确的特 点来帮助设计人员完成设计工作，侧重于图形设计，其数据库的处理能力较差， 4 第2 章环境地理信息系统 所以主要用于地图数据的前期处理工作，完成后还要转出到g i s 系统中，充分利 用g i s 的空间数据处理功能。 g i s 与一般数据库：虽然两者都支持s q l 查询，但是g i s 在管理属性数掘 时还包括对空问矢量数据的管理功能，其管理方式要比一般数据库复杂的多。 2 1 3gis 的发展状况 2 。1 3 1g i s 在国外的发展状况【4 】 g i s 是2 0 世纪6 0 年代中期开始发展起来的新技术，它最初为解决地理问题 而起，至今已经成为- - n 涉及测绘科学、环境科学、计算机科学等多学科的交叉 学科。 1 9 6 3 年加拿大测量学家r ft o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这一术语， 并花了三年时间建成世界上第一个g i s l ：5 0 0 0 的加拿大地理信息系统 ( c g i s ) ，并用于加拿大土地与资源的管理和规划。这可以算作g i s 的起步。 进入2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是 大容量存取设备一磁盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强 有力的手段。用户屏幕和图形、图像显示卡的发展增强了人机对话和高质量图形 显示功能，促使g i s 朝着实用方向发展，一些经济发达国家先后建立了许多专用 性的土地信息系统和地理信息系统，在自然资源管理和规划方面发挥了重大的作 用。例如，1 9 7 0 年一1 9 7 6 年，美国国家地质调查局就建成了5 0 多个信息系统， 作为地理、地质和水资源等领域的空间信息分析工具：加拿大、原联邦德国、瑞 典和日本等国也相继发展了自己的g i s 。 2 0 世纪8 0 年代是g i s 普及和推广的阶段。由于计算机的发展，推出了图形 工作站和微型计算机等性价比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统 在许多部门广泛应用。计算机网络技术的应用使地理信息系统的长距离传输时效 得到极大的提高。g i s 系统软件和应用软件的发展，使得g i s 的应用从解决基础 设施的规划转向更为复杂的区域开发和规划，例如土地的农业利用、城市化发展、 人口规划与布局、环境保护等。许多国家把g i s 作为有关部门的必备工具投入日 常运转。 进入2 l 世纪以来，由于信息高速公路的开通，地理信息产业已经建立，数 字化产品信息在全世界迅速普及，g i s 逐步深入到各行各业乃至干家万户，成为 人们生产、生活、学习和工作的助手和工具，g i s 在全球以前所未有的速度发展， 在科学界、技术界商业界以及社会、经济和管理部门得到全面发展和推广应用。 第2 章环境地理信息系统 2 1 3 2g i s 在国内的发展状况【4 1 我国的g i s 虽然发展比较晚，但是发展势头迅猛，大体上经历了4 个阶段， 即起步( 1 9 7 0 一1 9 8 0 年) 、准备( 1 9 8 0 一1 9 8 5 年) 、发展( 1 9 8 5 1 9 9 5 年) 、产 业化( 1 9 9 6 年以后) 阶段。g i s 已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部 门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已经在资源开发、环境保护、城市 规划建设、土地管理、交通、能源、通讯、自然灾害的监测与评估等方面得到了 具体应用。 我国地理信息系统方面的工作自2 0 世纪8 0 年代初开始。以1 9 8 0 年中国科 学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步 研究阶段，我国的地理信息系统在理论探索、硬件配置、软件研制、规范制定、 区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面取得了进步， 积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。 地理信息系统进入发展阶段的标志使从第七个五年计划开始。地理信息系统 研究作为政府行为正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标 的科学研究、应用试验和工程建设工作。通过近5 年的努力，开创了地理信息系 统技术应用的新局面，并在全国性应用、区域管理和决策中取得了实际的效益。 自9 0 年代起，地理信息系统进入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感 联合科技攻关计划，强调地理信息系统的应用化、集成化和工程化，力图使地理 信息系统从初步发展时期的研究实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经 济重大问题提供分析和决策。九五期间是我国g i s 产业化发展阶段，涌现出一大 批拥有自主版权的国产g i s 软件，比如北京超图公司的s u p e r m a p 、武汉吉奥公 司的g e o s t a r 、武汉奥发公司的m a p g i s 、北大方正的方正智绘等。g i s 正逐步形 成行业，具备了走向产业化的条件。 朱镕基总理在中共十五届二中全会报告中明确指出地理信息将作为一个产 业来加以发展，我国的g i s 将更加得到重视和发展。 2 1 3 3g i s 在国内的应用特点 目前，我国g i s 应用状况有以下几个特点1 5 】： ( 1 ) 我国的g i s 应用已经进入一个需求旺盛期，开发完成的各类g i s 应用系 统的数量越来越多。百万级别甚至千万级别的g i s 应用系统也已经出现，因此我 国的g i s 应用已经形成一种不同层次、不同规模的局面。 ( 2 ) 虽然g i s 应用系统的开发在我国受到重视，但是开发完成的g i s 系统的 应用仍需要一个阶段。有些系统的开发没有切实考虑实际应用的需要，很大程度 6 第2 章环境地理信息系统 上仅把g i s 当成装门面的东西，系统建设常常出现一时的热度，未能发挥其应有 的作用和效益。 ( 3 ) 规范性问题。标准和规范是g i s 技术的重要内容，这里所说的规范性。 是指系统建立过程的规范性。目前，从标书的制定、用户需求调查、系统方案的 审定到系统开发和实际应用这一过程，仍没有规范可循。用户往往不知道自己所 要达到的具体目标，开发者也不清楚具体业务要求，许多问题都处于不明确之中。 往往一个系统的开发过程也是一个不断磨合的过程，造成很大的混乱和浪费。各 行业有必要尽快制定行业g i st 程规范。就g i s 的用户分析、系统设计、数据 库建设、系统开发、应用和效益分析，做出明确的规定，用以指导系统建设。 ( 4 ) 我国g i s 建设的另一个问题是系统建设周期太长。一个系统从规划到启 动，到系统建设和完成，往往需要2 3 年以上的时间，在这个过程中，软件、 硬件技术发生了很大变化，如果系统设计缺少一点前瞻性，往往系统刚建起来就 过时了。 ( 5 ) 系统的综合应用和深化应用，也是系统建设的重要问题之一。在一些城 市，一个部门建立了系统，建立了基础空间数据库，应该让其发挥作用，使更多 的部门得以应用。但是，人们往往习惯于部门封锁状态，一些城市同时建立两套 以上类似系统的情况大有存在，这样既造成重复建设的浪费，也不利于提高系统 应用的水平。如何使g i s 发挥其最大作用，或者将g i s 建在什么部门，本来就 是一个课题，国外早有研究。香港地政署的l i s 是一个很好的模式，它集中了城 市各种比例尺的空间数据，尽可能地提供给政府和公司等各用户。这样做，能够 既能保证数据质量和规范性，又体现了高效率和高效益。 ( 6 ) 发展我国g i s 急需咨询业务。现在，用户建立系统往往比较盲目，缺少 咨询、缺少比较、缺少参考系统和系统建设经验。用户需要建立系统时往往只是 直接与开发单位打交道，如何设计系统和制定系统的建设目标，只能由双方商议 确定。有必要尽快建立起我国的g i s 咨询业务，为用户提供系统咨询和人员培训 等服务。【6 】【7 】 2 1 4g l s 的技术走向及其部分国内外软件 g i s 的技术走向 近年来，计算机技术飞速发展，特别是软件技术的发展，促使g i s 技术发生 了很大的变化。国际g i s 技术的发展趋势，主要体现在两个方面，一是技术的综 合( i n t e g r a t i o n ) ，二是软件技术的分化( f r a c t i o n a t i o n ) 。【5 】 ( 1 ) 综合( i n t e g r a t i o n ) ：g i s 技术的综合，主要体现在g i s 与其他信息技术的 结合之上，我们常常所说的“3 s ，或g i s 、遥感和g p s 的一体化，就是技术综 7 第2 章环境地理信息系统 合的体现。然而，现在的g i s 已经远远超出了这些，它已经与c a d 、多媒体、 通信、i n t e m e t 、办公自动化、虚拟现实等多种技术结合，形成了综合的信息技术。 这一点，已经被许多从事不同业务的公司所重视。综合是g i s 技术开发和应用值 得注意的重要方向。 表2 1g 1 s 与几种信息技术结合简要 c a d 为计算机辅助制图和设计，是一门空间设计技术， g i s c a d用以设计地球；g i s 是一门空间管理技术，用以管理地球。 二者结合将为我们提供一个设计和管理地球的工具。 早期的g i s 往往与遥感是联系在一起的。广义地讲，遥 感是g i s 的重要组成部分，作为g i s 的一种重要信息源。 g i s 遥感同时，g i s 的应用也提高了遥感的数据提取和分析能力。 随着高精度遥感的发展和遥感动态网络的出现，g i s 与遥 感的结合会更加密切。 g p s 被认为是2 1 世纪影响人类社会1 2 大技术之一。然 而，g p s 离不开g i s ，必须与g i s 结合。特别是智能化 g i s g p s 汽车和道路系统( i v h s ) 的建设，将为g i s 和g p s 应用开 辟新的途径。 基于i n t e m e t 技术的g i s ，即w e b g i s 已经成为g i s 技术 g i s i n t e m e t 技术发展的重要动向，利用w w w 发布空间信息和提供各种 应用，是g i s 进入千家万户的重要途径。 g i s 也是一种重要的媒体。g i s 与多媒体结合已经成为现 g i s 多媒体技术 实，在多媒体系统中嵌入g i s 功能，或在g i s 系统增加 多媒体功能，极大地增强了二者的功能。 g i s 与虚拟现实技术结合，提高了g i s 图形显示的真实 g i s 虚拟现实技术 感和对图形的操作性。 ( 2 ) 分化( f r a c t i o n a t i o n ) ：g i s 软件的发展经历了从早期的功能处理模块，发展 到组件式g i s 和w e bg i s 的过程。目前，组件式g i s 和w e bg i s 已经成为许多 大型g i s 公司产品的开发方向。组件式g i s 的最大好处是能够使g i s 功能嵌入 其它软件，或将其它软件功能引入到g i s 中来。i n t e r g r a p h 称该公司已经进入组 件式g i s 的时代，其j u p i t e r 计划，正在移植和开发多种组件式g i s 。e s r i 在组 件式g i s 方面也作了新的探索，推出了以m a p o b j e c t s 为代表的新一代g i s 。 m a p l n f o 公司也不示弱，投入巨资开发m a p x ，具有很好的发展前景。我国近期 也有类似软件推出，如m a p e n g i n e 和a e t i v e m a p 等都是很好的例子。在软件开 第2 章环境地理信息系统 发方面，组件式g i s 是一个重要发展方向，它将对套装软件形成极大的冲击。 图2 ig i s 发展阶段示意图 w e b g i s 己经是当今g i s 技术发展的重要方向，成为g i s 竞争的焦点。世界 各大g i s 专业公司相继推出了各自的产品，都希望抢占市场。然而，这些软件还 不完善，留给人们的机会很多。我国许多g i s 专家和单位都注意到这一新的发展， 也在致力于发展自己的w 曲g i s 。 随着计算机软件技术的发展，g i s 组件化发展到了一个全新的阶段，出现了 组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，缩写为c o m g i s ) 。组件式g i s 基于标准的组件 式平台，各个组件之间不仅可以进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面 和使用方便的标准接口。组件式平台主要有m i c r o s o f t 的c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ，组件对象模型) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，分布式组 件对象模型) 和o m g 的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ， 公共对象请求代理体系结构) ，目前m i c r o s o f t 的c o m d c o m 占市场领导地位。 基于c o m d c o m ，m i c r o s o f t 推出了a c t i v e x 技术，a c t i v e x 控件是当今可视化 程序设计中应用最为广泛的标准组件。新一代的组件式g i s 也大都是a c t i v e x 控 件或者其前身o l e 控件。组件式g i s 代表着当今g i s 发展的一个潮流。 主要g i s 软件 目前世界上出售的商用g i s 软件系统不下几百种，而且每年都有新的g i s 软件投放市场，国内外比较流行的g i s 软件有如下几种：国外，m a p l n f o 产品系 列、a r c i n f o 产品系列、i n t e r g r a p hg i s 产品系列、g e o m e d i a 产品系列以及 a u t o c a d m a p 2 0 0 0 等；国内，s u p e r m a p 、m a p g i s 、吉奥之星( g e o s t a r ) 、方正 智绘( m i r a g e ) 、慧图( t o p m a p ) 等。 9 第2 章环境地理信息系统 2 1 5g i s 中空间数据的组织和管理 2 1 5 1 空间数据的组织 地理信息系统具有处理数据量大、结构复杂等特点，为了便于管理和应用丌 发，通常将地理数据按照“纵向”和“横向”两种途径划分成多个小部分存储。 “纵向”划分，即按照数据的性质划分，将性质相同或者相近的归为一类，形成 “层”的概念；“横向 划分，即按照数据的空间分布将数据分为规则的或者不 规则的所谓“片”的概念。这种空间数据结构是基于空间实体和空间索引相结合 的一种结构，以上两种数据划分途径可以同时应用于同一个数据库，也可以分别 采用。 地理空间数据分层 系统将工程、图层、图元、地图概念体系来描述地图数据的空间层次关系( 如 图2 2 ) 工程用于描述一项完整的制图和地理数据采集管理任务，是同一地区各个要 素图层的集合，直接管理并描述各个图层的属性和状态信息。图层是一定空间范 围内具有相同属性要素的同类地理空间实体的有机集合，定义图层不是地理空间 实体的简单堆砌，而是在某种特殊应用领域下地理空间实体的组合，并且相互之 间具有密切的关系。图元是系统中最基本的地理要素单元。一幅地图通常又是由 同一个地区的多个“图层 有序叠加的一个工程，也可以是将多个工程编排成的 结果。 地理空间数据分片 空间数据库的分片类似于地形图的分幅，但是片的形状不一定要求矩形或者 梯形，所有的片合并起来应能覆盖整个数据的地理区域，由于空间数据库的检索 常常要通过地理位置作为索引进行，所以将数据分片有利于建立优化的索引系 统，达到数据空间位置的适配性和属性的一致性。 1 0 第2 章环境地理信息系统 2 1 5 2 空间数据的管理 图2 2g i s 空间数据的层次关系 目前绝大多数的信息系统是基于关系型数据库( r d b m s ) 的，但是这种数 据结构却不适合存储和管理空间数据，这是因为： ( 1 ) 用r d b m s 难以实现空间数据的关联、包含、叠加等基本操作； ( 2 ) r d b m s 不支持复杂的图形功能，也难以提供有关空间位置的查询； ( 3 ) 空间实体的拓扑关系和空间数据模型的内部结构比较复杂，用r d b m s 管理不够经济，效率不高。 多数基于g i s 的管理信息系统将空间数据与属性数据分开管理，这样，g i s 就存在两种数据库：种是管理空间数据的空间数据库；另一种是管理属性数据 的属性数据库。空间数据库是对应空间实体的地理编码，它隐性地包含了各空间 第2 章环境地理信息系统 实体地地理坐标；属性数据通常用来反映与空间实体对应的属性；两种数据库中 的数据是通过唯一的地理编码相关联的。 图2 3g i s 数据管理模型 2 1 6gls 的应用特点 g i s 的应用特点有如下几个【8 】： ( 1 ) 多来源 g i s 接受的数据在形式上是多样的，可以包括图形、图像、数字、文字；在 来源上可以是地图、测量、遥感( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 、文学报告；内容 上可以是地形地貌、河流水系、道路交通、水文水质监测站、污染源分布等多种 信息源。这些多来源的地学信息，可以在g i s 这个统一的平台上进行综合分析。 ( 2 ) 多层次 g i s 可以提供在空间上或内容上多层次的信息。例如：河流水环境地理信息 系统在空间上可以提供不同层次管理信息，为全国、省级、县级的水环境管理提 供服务。 ( 3 ) 多时态 g i s 的信息是动态的、不断更新的。它不仅提供区域管理对象的空间分布状 况和数量构成，而且能提供不同时期演变的历史过程，从而可以进行动态分析和 观测研究。 ( 4 ) 深加工 g i s 最重要的作用是空间分析。它不仅提供对空间信息进行各种复杂的空间 运算，实现多源专题地图的叠加分析，以及图形与属性的双向查询，帮助人们了 解空间实体的空间分布特征与空间关系。例如，我们可以根据河流水质分布状况 以及污染源的分布分析更深层的水环境污染信息。 1 2 第2 章环境地理信息系统 ( 5 ) 多形式 由于g i s 同时管理空间图形与专题属性两种信息，因而可以随时根据用户的 需求，灵活生成各种产品。它不仅可以提供文字分析报告、数据报表，还可以提 供专题地图、统计图、多媒体等多种成果。 2 2 管理信息系统( m i s ) 管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ：简称m i s ) 在现代社会中已 广泛应用于各行各业，随着计算机技术的迅速普及与发展，m i s 已经成为计算机 m i s 。 2 2 1 川s 的概念及解释 m i s 是一个不断发展的学科，其定义也随着计算机技术和通信技术的进步而 不断更新，目前一般认为m i s 是由人和计算机设备或其他信息处理手段组成并 用于管理信息的系统。 ( 1 ) m i s 的对象是信息 信息是经过加工并对决策者有价值的数据。信息对于企业来说来源于生产第 线和市场，对行政管理部门来说来源于社会环境，对环境保护工作来说来源于 环境监测、企业排污登记表等；信息的主要特征是来源分散、数量庞大，对环境 保护工作尤为明显。 ( 2 ) 系统是由相互联系、相互作用的若干要素按一定的法则组成并具有一定 功能的整体。 系统有两个以上要素，各要素和整体之间，整体和环境之间存在一定的有机 联系。系统由输入、处理、输出、反馈、控制五个基本要素组成。信息系统是输 入的数据，经过处理，输出的是信息的系统。 ( 3 ) 管理信息由信息的采集、信息的传递、信息的储存、信息的加工、信息 的维护和信息的使用五个方面组成。 只要有管理就必然需要信息，如果形成系统就形成m i s 。计算机设备使m i s 更有效，尤其是现代社会，m i s 已和计算机设备不可分离，因此一般来说m i s 就是计算机m i s 。m i s 包括计算机、网络通讯设备等硬件成份，包括操作系统、 应用软件包等软件成份。并随着计算机技术和通讯技术的迅速发展还会出现更多 的内容。 第2 章环境地理信息系统 2 2 2m is 的开发 m i s 的开发原则 为了使开发的m i s 能够真正的为管理提供高效的信息支持和决策帮助，总 体而言应该遵循以下几个原则： ( 1 ) 仓l j 新原则，体现先进性。计算机技术的发展十分迅速，要及时了解新技 术，使用新技术，使目标系统较原系统有质的飞跃。 ( 2 ) 整体原则，体现完整性。必须完整的设计系统的各个方面。 ( 3 ) 不断发展原则，体现超前性。为了提高使用率，有效发挥m i s 的作用， 应当注意技术的发展和环境的变化。在开发过程中应注重不断发展和超前意识。 ( 4 ) 经济原则，体现实用性。大而全和高精尖并不是成功m i s 的衡量标准。 事实上许多失败的m i s 正是由于盲目追求高新技术而忽视了其实用性。 m i s 的开发步骤 图2 4 系统开发步骤 m i s 的评价标准 判断一个系统的好坏可以由以下四点来评价 9 j ： ( 1 ) 目标明确。每一个系统均为个目标而运动的，这个目标可以由一组子 目标组成，系统的好坏要看它运行后对目标的贡献。因而目标是否明确合适是评 价系统好坏的第一指标。 ( 2 ) 结构合理。一个系统由若干子系统组成，子系统又可以划分为更细的子 系统。子系统的联接方式组成系统的结构。结构应该联接清晰，路径通畅，冗余 1 4 第2 章环境地理信息系统 少，以达到合理实现系统目标的目的。 ( 3 ) 接e l 明确。子系统之间有接i z l ，系统和外部的联接也应该有接口。 ( 4 ) 能观能控。通过接口，外界可以输入信息，控制系统的行为，可以通过 输出观测系统的行为。只有系统能观能控，系统才会有用，才会对目标做出贡献。 2 3 环境管理信息系统( e m i s ) 环境信息是环境管理的重要基础，环境信息的系统化、科学化管理是实现环 境管理科学化的前提和基础，开发利用环境信息的程度将直接影响环境保护管理 部门的工作效率和决策能力。 环境管理信息系统( e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，e m i s ) 7 】 是以现代数据库技术为核心，将环境信息存贮于电子计算机中，在计算机软硬件 的支持下，能够实现对环境信息的管理、查询、统计、优化处理和输出，或者能 够结合各种模型和模式进行预测、规划、评价和决策，为环境管理和决策服务的 技术过程系统，建立e m i s 最主要的目的之一，是提高环境管理的效率，直接提 供环境信息服务和辅助决策支持。 2 3 1 基于gls 技术的酬is 传统m i s 是伴随着企业管理的需求而不断发展的，因此其在数据库管理和 数据模型方面具有优势，发展也比较成熟，但在空间分析操作和信息显示、表现 方面功能较差，而空间分析和空间数据管理正是g i s 的优势。g i s 能够将已经编 码的空间数据组合起来，同时确定其地理位置。这些数据可以包括人口普查数据、 数字化图形、负荷量、大气环境质量资料、水环境污染源分布等数据。环境工作 者可以利用g i s 进行空间数据的分析和运算，揭示不同信息间的相互关系，尤其 是空间信息之间的相互关系。现在，g i s 不断地被其它应用程序融合，或者能够 提供功能控制，嵌入到其它应用程序中。这样，可以充分发挥和综合g i s 、数据 库及其它应用程序的功能，进行m i s 的二次开发而不单纯依赖于m i s 系统平台。 这些发展，一方面可以降低软件二次开发的成本，另一方面可以满足不同层次、 不同目标要求的需要，例如提供给最终用户更简单和实用的操作界面。 尽管g i s 也有管理数据的功能，但由于环境信息数量大、涉及范围广，同时 在不断累积，单纯依赖于g i s 来组织信息库、建立环境信息管理系统是不合适的， 很容易导致数据负荷量过大使系统运行不灵，而且有些环境信息是没有必要与地 理空间勉强结合的。因此，借助一个数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，d b m s ) 来分工管理部分数据，二者相对独立，发挥各自的优点和长处， 第2 章环境地理信息系统 并通过建立共同属性来互相联系和访问，二者的有机结合组成一个新信息库，是 环境管理信息系统的核心和基础。系统依据这个核心展开系列的操作，如更新 维护，信息查询，利用事务处理工具进行同常事务管理，利用g i s 的功能模块进 行空间分析和空间表现，利用专家知识进行各种情景分析，以某种格式输出各种 数据供其他科研分析，提供给公众或企业于他们感兴趣的环境信息等，这些操作 的最终结果应是能够有效地帮助提供环境管理和进行辅助决策。i l u j 2 3 2g l s 在环境保护中的应用 本课题要研究开发的地理信息系统属于环境地理信息系统( e n v i r o n m e n t a l 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e g i s ) 】，可以认为，环境地理信息系统 是在环境监测与调查的基础上，在计算机硬、软件的支持下，将环境及其有关的 各种信息和目标要求，以空间分布的形式和一定的格式输入、存储、检索、显示 和综合分析的应用与管理的技术系统。它具有数据容量大，检索、追加方便，文 字表述与图形显示并存，能在各种环境下模拟，以多种形式提供决策方案，使用 方便等特点。 2 3 2 1g i s 应用于环境保护的优越性 g i s 的关键技术在于与传统数据库不同的数据库管理技术，在传统数据库当 中，信息仅以文字的形式来表现，不仅形式呆板，而且可能将一些重要的信息隐 藏在文字背后；而在实际工作当中，很多问题往往需要借助地图来帮助解决，例 如工程项目的选址优化、分析污染源的影响范围等，这正是g i s 的优势所在。现 在的g i s 软件一般都由空间数据库和属性数据库组成，空间数据库是以地理模型 方法为手段对空间数据进行存储、操作的系统，而属性数据库一般采用关系型数 据库；例如美国环境系统研究所( e s r i ) 研究推出的g i s 商业化软件a r c i n f 0 就 是由相互联系的a r c 和i n f o