（环境科学专业论文）上海市持久性毒害污染物信息系统构建与应用.pdf

( 1 ) 运用g i s 技术，注重环境学、地理学、毒理学等多学科交叉，为新技术在城 市毒害污染管理和评价研究中的应用作了初步探讨。 ( 2 ) 运用潜在生态风险评价模型和健康风险评价模型，从生态安全和人体健康 安全两个角度对上海城市灰尘重金属和饮用水源地典型持久性毒害污染物 进行了评价。 关键词：持久性毒害污染物，环境信息系统，组件g i s ，a r c e n g i n e ，评价 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sr i v i n gs t a n d a r d ，a n dt h eo n g o i n gp r o c e s s o ft h ec o n s t r u c t i o no fe n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yc i t ya sw e l la st h eh a r m o n i o u ss o c i e t y ， b e t t e rq u a l i t yo fl i v i n gc o n d i t i o ni sa l s od e s i r e d p o l l u t a n tm a n a g e m e n tw i t ht h et a r g e t o fm a n a g i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t , g u a r a n t e e i n gp e o p l e sl i v i n ge n v i r o n m e n t q u a l i t ya n di m p r o v i n gc i t ye n v i r o n m e n t ，b e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t c o n s i d e r e da st h es i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi nt h e2 1 t hc e n t u r y , p e r s i s t e n t t o x i cs u b s t a n c e s ( p t s ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s p e c i e si nt h ep o l l u t a n t m a n a g e m e n t ，w h i c hh a sc a r c i n o g e n i c i t y , t e r a t o g e n e c i t y , m u t a g e n e s i se f f e c t a n d h e r e d i t a r yt o x i d t y i ti n f l u e n c e sn o to n l ye n v i r o n m e n tq u a l i t y ，b u ta l s om a n k i n d s h e a l t hd k e a l y 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 mi sa ne f f e c t i v ef o u n d a t i o no f p o l l u t a n tc o n t r o la n da s s e s s m e n t ，a n dau s e f u lt o o lt ot h ee n v i r o n m e n tm a n a g e m e n t a n dp l a n ；m e a n w h i l ei tp r o v i d e st e c h n i c a la n di n f o r m a t i o n a ls u p p o r tf u rt h ef u r t h e r r e s e a r c h e ss b c ha sc ：h 啪c t e r i s t i e so fm o v e m e n ta n dt r a n s f o r m a t i o na n ds oo n 1 1 l i sd i s s e r t a t i o nw a ss u p p o r t e db yt h ek e yp r o g r a mo fs h a n g h a is c i e n c e f o u n d a t i o n ( n o 0 5 j c l4 l d 5 外a n dt h eb i d d i n gp r o j e , c to fs h a n g h a ie n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb u r e a u a b u n d a n tf i r s t h a n d i n s p e c t i n g d a t u mf r o mf i e l d w o r k sa n d e x p e r i m e n t sb yo u rs t u d yg r o u p ，a n dt h ep r o d u c t i o na b o u te n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n s y s t e mb yo t h e rd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sw e r ei n c l u d e di n t h i s w o r k s h a n g h a ip 1 瞎i n f o r m a t i o ns y s t e mw a sb u i l tb a s e do nc o m g i st e c h n o l o g y w h i c hc a n r e a l i z et h ef u n c t i o no fe d i t ，q u e r y , s t a t i s t i c ，t h e m a t i cm a pm a k i n g , a n ds p a t i a la n a l y s i s i n t e g r a t e dw i t hp o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s ka n dh e a l t hr i s ka s s e s s m e n tm o d e l s ，d u s t e n v i r o n m e n ta n dm a i nd r i n k i n gw a t e rs o u r c e sw e r ee v a l u a t e d t h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na l ea sf o l l o w s ： 1 ) i te x p o u n d e dt h ep r e s e n tr e s e a r c ho ft h ep r si n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n dt h et h e o r y a n dt e c h n o l o g yo ne n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m 2 、t h ev i s u a l i z a t i o nb a s i cp l a t f o r mo fs h a n g h a if r si n f o r m a t i o ns y s t e mw a sb u i l t b ya r c e n g i n e ，w h i c hc a l lr e a l i z et h ep o l l u t a n ti n f o r m a t i o na n a l y s i sa n de v a l u a t i o n 3 ) b a s e do nt h eg e o s t a t i s t i c a lm o d u l eo fa r c g i s ，h e a v ym e t a lc o n t e n t sa n dt h e i r i i i c h a r a c t e r i s t i c so fs p a t i a ld i s t r i b u t i o n sw e r es t u d i e do ft h ed u s ti ns h a n g h a iu r b a na r e a 4 ) p r e s e n tc o n d i t i o no ft y p i c a lp e r s i s t e n tt o x i cp o l l u t a n ti ns h a n g h a iw a se v a l u a t e d b yt h ep o t e n t i a le c o l o g i c a lr i s km o d e la n d h e a l t hr i s ka s s e s s m e n tm o d e l t h e r ea l em a i n l yt w op a r t i c u l a rp o i n t sa n di n n o v a t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n ： ( 1 ) a t t a c h e di m p o r t a n c e t oc o m b i n ee n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e m p h a s i z e di n t e r s e c t i n go fs e v e r a ls u b j e c t sa n dt h e a p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g yi ne n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ( 2 ) s h a n g h a iu r b a na r e aa n dd r i n k i n gw a t e rs o u r c e sw e r ee v a l u a t e db yt h ep o t e n t i a l e c o l o g i c a lr i s km o d e la n dh e a l t hr i s ka s s e s s m e n tm o d e l ，i no r d e rt op r e s e n tt h e p o l l u t a n tc o n d i t i o nf r o me c o l o g ys a f e t ya n dh u m a nh e a l t h yr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：p t 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 ，c o m g i s ，a r c e n g i n e ， a s s e s s m e n t 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个 人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：垄选 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：荔硒窆导师签名 日期：堕2 ：! 日期： 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着人类社会的进步和人类改造自然能力的增强，城市化水平越来越高，人 们的生存空间不断扩大，人类的物质生活条件不断改善，与此同时也带来了生态 环境组成与结构的改变以及日益突出的环境问题。 持久性毒害污染物( p 1 s ) 是城市污染物重要的组成部分。它的强毒性和难 降解性导致了污染物会在环境中长期滞留并且对环境质量以及人体健康造成极 大的威胁。 地理信息系统( g i s ) 已广泛应用于环境科学研究的诸多领域。利用g i s 技 术实现对污染物的监测、管理、规划是进行污染物研究和整治的有效手段之一， 对城市污染物管理以及城市规划和发展等都具有十分重要的现实意义。 1 1 选题背景和意义 1 1 1 选题背景 持久性毒害污染物p t s ( p e r s i s t e n tt o x i cs u b s t a n c e s ) ，是一类具有很强毒性， 在环境中难以降解，并可通过食物链在动物和人体中累积、富集和放大的污染物。 目前已有的许多研究都证实了p t s 对生物具有致癌、致畸、致突变的作用，而 且还会干扰生物的内分泌系统，尤其在对人体生殖行为方面，可能对子孙后代产 生不利的影响。p t s 在环境中的存在和累积将壹接威胁到人类和动物的生存和繁 衍( k e n n i s h ，1 9 9 2 ；罗风基等，1 9 9 5 ；王振刚，2 0 0 0 ；刘征涛，2 0 0 5 ) 。 近年来，人们已经越来越意识到p t s 给人类健康和生态系统造成的危害。 无论是斯德哥尔摩公约中确定的1 2 类p o p s ( p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ) ，还是 美国e p a 确定的1 2 类p b t ( p e r s i s t e n tb i o a c c u m u l a t i v e & t o x i cc h e m i c a l s ) ，或是 环境内分泌干扰物e e d s ( e n v i r o n m e n t a le n d o c r i n ed i s r u p t o r s ) 的研究都与持久性 毒害污染物有关。联合国环境署化学处的全球环境基金( g e f ) 也已经立项支持 开展“持久性有毒物( p t s ) 区域评估”，旨在科学地评价持久性有毒污染物对 环境与资源造成威胁的性质及程度，以便为污染物修复和预防提供指导。项目将 通过溯源分析找出合适的方法以控制、减少或消除持久性毒害污染物在国家、区 域或全球范围的释放1 。 我国的环境污染，特别是持久性毒害污染物污染日趋严重。但是目前，大多 数的毒害污染物尚未被纳入环境法规的控制之列，也未被纳入我国的环境监测体 h t t p ：w w w c h e m u n e p c h p t s - 1 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 系之中。多数常见监测项目仅局限于无机物和c o d 、b o d 等有机污染综合指标。 我国虽然提出了6 8 种有毒化合物优先监测黑名单，其中有机类毒害化学物5 8 种，但目前国内有机标样种类很少，有毒有机物的标准物质则更少，许多标样仍 需从国外进口，价格昂贵。与此同时，有毒污染物在环境中常以痕量存在，加大 了监测和管理的难度。 城市是人类活动最密集的区域，也是污染物主要的汇集和累积场所。工农业 “三废”的排放以及庞大的交通运输量等原因都会造成地表水、地下水、沉积物、 土壤、灰尘等环境介质中累积大量的污染物，而p t s 难降解和强毒性的特点决 定了它们会长期滞留在环境中，并且危害人体健康。 本文基于上海市基础研究重点项目“上海市饮用水中内分泌干扰物的环境污 染过程与控制技术”、上海市环保局招标项目“上海市持久性毒害污染物溯源调 查及对策研究”等，以及所在课题组对上海城市污染物多年研究所积累的大量第 一手数据，并充分借鉴前人的研究成果和经验，尝试利用g i s 、数学建模等新技 术，对组件式持久性毒害污染物( p t s ) 信息系统建设进行研究。 1 1 2 选题意义 随着人们生活水平的提高，以及和谐社会、环境友好型城市的建设，人们对 生存环境质量的要求也日益提高。因此，构建一个科学、高效、全面的污染物管 理体系是环境管理和保护的重要组成部分，其中环境信息系统建设必不可少。 上海是一座工业化和城市化程度都相当高的城市。上世纪5 0 年代，黄浦江 和苏州河两岸兴建了大量重化工企业，并相继在吴泾、吴淞、高桥、桃浦等近郊 区建成了几个大型的化学工业园区。随着城市的发展，近年来绝大多数重污染企 业已经基本从中心城区向郊区外迁，置换出的土地用于兴建城市居民住宅、公园 绿地以及商业区。这一作法虽然在一定程度上减少了污染物的排放量，但是由于 没有对污染源原厂区及其周边地区进行污染修复，从本质上来说并没有根本解决 环境污染问题。上海城市环境中到底有多少会对人体健康带来威胁，对环境质量 产生破坏的持久性毒害污染物还是个未知数。而迄今为止，上海p t s 污染环境 数据和资料十分有限，p t s 环境监测和污染物管理的信息系统还未建立。迫切需 要对上海p t s 污染的现状进行一次彻底调查，并建立p t s 数据库和环境信息系 统，以实现对p t s 污染物查询、统计、空间分析和风险评价，为上海市p t s 污 染物管理提供一个重要的基础平台。随着p t s 监测体系的不断完善，p t s 类环 境数据会越来越多，信息系统为集成多元信息提供了信息存储、处理的平台，有 利于污染物数据和其他环境数据的整合与共享，有利于研究结果的可视化，并为 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 环境管理和规划提供科学的依据。同时，也是p t s 深入研究开展的重要信息支 持和技术支持。 持久性毒害污染物是全人类需要共同面对和亟待解决的重大环境问题之一。 本文立足于上海这一区域开发活动剧烈，生态环境脆弱的大型城市，对城市污染 物信息系统开发的技术和方法进行研究，是利用新技术和新方法解决污染物研究 和评价的一种新的尝试，也为同类环境信息系统开发研究提供了参考，具有很强 的现实意义。 本文推动了g i s 技术在环境科学中的应用，同时也充实和发展了环境科学 研究的技术方法，具有重要的实践价值和探索意义，为环境科学研究的深入展开 提供了技术支持。 1 2 持久性毒害污染物信息系统研究进展 1 2 1 环境信息系统研究进展 j 环境信息系统 豳 专 霸； 蘸| 项境 英 环管 特 境 理 网 管 机 宣 理 构 传 系 办 系 公 统 统 室 上上j rj r上 l m i s7 l l o a fi 地理儡息系统i 环境管理信息系统环境地捶信息系统 环境管理i 图1 - 1 环境信息系统的分类 f i g 1 - 1t h ec l a s s i f i c a t i o no f 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 环境信息是进行环境科学研究和环境管理的前提和基础，是开展环境监测、 分析评价、模拟预测和规划决策的依据，也是环境信息系统的基石。开发利用环 境信息的程度，直接影响到环境科学研究的深度以及环境保护部门的办事效率和 决策能力。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 简称e i s ) 是整合 和利用环境信息的平台，它以环境管理和环境科学研究为对象，分为环境管理信 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 息系统和环境地理信息系统( 孙水裕，2 0 0 4 ) ，如图1 - 1 所示。 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是计算机科学和地学结合 的产物，是一个采集、存储、分析、显示和应用地理信息的计算机系统，是处理、 分析和应用海量地理数据的交叉学科( 陈述彭等，2 0 0 0 ) 。它能有效地存储和管 理大量地理信息，并通过对空间地理分布的数据进行分析从而提取有用的信息。 同时它作为一种信息系统提供许多模型工具支持空间分析与决策分析及制定( 林 侃，2 0 0 4 ) 。正由于g i s 功能上的优势弥补了传统环境管理信息系统的不足，同 时环境问题常与地理要素紧密相关，通常带有很强的地理地域分布特征，所以地 理信息系统已经越来越多被应用于环境管理信息系统。目前无论是环境科学研究 或是环保管理部门都已经较少使用单纯的环境管理系统。而环境地理信息系统的 概念也被视为环境信息系统的定义，即以地理信息系统为基本技术支撑，以环境 相关信息为依托，空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并 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，为环境问题研究 和环境决策服务而建立起来的计算机技术系统。 环境信息系统是地理信息系统在环境科学研究中的应用，是国内外环境管理 和信息系统研究领域中的热点之一。环境信息系统不仅能够处理海量环境相关数 据，还能以空间分布形式可视化显示各种环境数据，有利于提高环境管理效率和 决策水平，有利于加强环境监测和控制。 国外环境信息系统相关研究起步于2 0 世纪7 0 年代，随着地理信息技术的发 展，许多国家陆续建立起各种环境信息系统。如，美国国家环保局建立了用于环 境信息自动化管理的有s t o r e t - c o g e n t ( 水质检索与评估系统) 、n a d i s ( 全 国大气监测数据信息服务系统) 、n a d b ( 国家大气测定数据库) ( b e u ts o i l i n t ， 1 9 9 3 ) ，德国建立的u m p l i s 环境信息管理系统( 孙广友，2 0 0 0 ) ，日本国立公 害研究所开发的s a p i e n s ( 环境综合分析信息系统) ( 周明，1 9 9 6 ) ，葡萄牙在 1 9 9 3 年建立了国家环境信息系统( s 玳a n ) ( 汪爱华等，2 0 0 2 ) 。应用于地方环 境管理和各种研究的环境信息系统更是数不胜数。 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。2 0 世纪8 0 年代开始了尝试性的研究，1 9 8 0 1 9 9 0 年我国初 步建成了一些研究型的环境信息系统，如国家水质管理信息系统( n w q m i s ) ( 傅 国伟等，1 9 8 7 ) 、国家环境信息系统( 马永才，1 9 9 1 ) ，以及一些地方性环境管理 信息系统，如吉林市环境管理信息系统、常州市环境管理系统( 程子峰等，2 0 0 0 ) 等。2 0 世纪9 0 年代以后，我国在环境信息领域得到了很大的发展，根据不同的 管理目的和研究需要，先进的信息技术开始应用于日常的环境管理和环境决策支 持中。1 9 9 4 年，我国第一个基于客户i n 务器结构的省级环境管理信息系统一“江 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 苏省环境信息系统”，将先进的客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 体系结构应用于环 境信息系统方面做出了有益的探索( 高朗等，1 9 9 7 ) 。自行开发研制的一些适合 本地特点和管理需要的地方环境信息系统，如大连市环保管理信息系统( 过孝民， 1 9 9 7 ) 、杭州市环境信息系统( 宦茂盛，2 0 0 0 ) 、湖北资源环境监测信息系( 王思 远等，2 0 0 2 ) 毛乌素沙地环境信息系统( 赵晓霞等，2 0 0 3 ) 、广州市环境污染情 况查询系统( 高俊峰，2 0 0 5 ) 、天津市生态环境信息管理系统( 郭胜华等，2 0 0 6 ) 等。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、省、市、县四级e i s ， 同时一批地方环境信息系统的建设和应用，将为提高我国环境管理的现代化水平 起很大的推动作用( 朱琦等，2 0 0 4 ) 。随着一系列环境管理制度的形成和初步完善， 国家环保局有关司、处组织开发、审查、推广了一些应用软件，如环境质量监测 数据软盘传输软件、重点工业污染源动态数据库系统、环境统计系统等，在环境 信息系统建设的理论、方法和技术上做出了有益的探索，也为减少有关部门的数 据处理工作量、提高管理水平起到了积极的作用( 周劲风，2 0 0 2 ) 。 总结国内外已有环境信息系统的应用，主要有两个方面，一是集成环境信息 有信息编辑、管理、查询、显示及空间分析等功能的基础环境信息系统( 商峻峰， 2 0 0 5 ) ；二是集环境信息和模型为一体，除一些基本的功能外，能进行评价、预 测和决策支持的综合环境信息系统( 荆平，2 0 0 4 ；刘明华等，2 0 0 5 ；左仁广等， 2 0 0 5 ；张玉红等2 0 0 5 ；顾洪祥等，2 0 0 5 ) 。其中，第二类环境信息系统是目前研 究的热点，它扩展了g i s 在环境科学的应用领域，使g i s 技术能真正的运用到 环境科学的研究中去。 随着g l s 二次开发技术的发展，环境信息系统的理论、方法和技术也不断 的丰富和提高，组件g i s 开发已成为环境信系统开发的研究热点。 1 2 2g i s 技术在持久性毒害污染物研究中的应用现状 国内外关于持久性毒害污染物的研究，主要集中在以下四方面：污染物特性 研究( b o r u me t a l ，1 9 9 4 ：a n d e r s o ne t a l 。1 9 9 6 ：h a r r y e t a l ，1 9 9 8 ) 、分析方 法研究( b r u e g g e m a n ne t a l ，1 9 9 5 ：蒋可等，1 9 9 6 ：k i s s e t a l ，1 9 9 7 ：沈学优等， 1 9 9 9 ：c r e g oe t a l ，2 0 0 0 ：董玉瑛等，2 0 0 3 ) 、环境行为研究( l i n k o ve t a l ，2 0 0 2 ) 以及处理技术研究( h a r c o b j e c t e t a l ，1 9 9 4 ；c a t a l l oe t a l ，1 9 9 5 ) 。而国内对 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 it s 研究起步较晚，目前公开发表的p t s 环境数据和资料十分有限，工作基础比 较薄弱，对污染物的空间分布特征及溯源分析方面的研究相对甚少；污染物研究 涉及到的数据繁多，没能进行有效的管理，污染物数据库和环境信息系统还没有 建立起来；监测管理和评估体系还有待建立。 国外应用g i s 进行p t s 研究较早，1 9 9 9 年k o r r e 探讨了在数据复杂而稀少的条 件下，运用地统计方法和g i s t 具对土壤重金属进行空间统计和评价的方法，并 以希腊l a v r i o 矿井为例进行了研究( k o r r e ，1 9 9 9 ) 。2 0 0 1 年汪红强等利用r s 技 术获取土壤重金属信息，建立了贵阳市土壤重金属数据库，并对土壤重金属污染 进行了综合评价，计算了不同污染等级耕地面积，对贵阳市环境保护、资源的利 用和开发、城市的发展规划和管理的辅助决策以及实现城市可持续发展，具有很 重要的实际应用价值( 汪红强等，2 0 0 1 ) 。 综合起来说，g i s 技术在i t s 研究中应用主要有以下两个方面： ( 1 ) p t s 污染状况调查以及研究结果可视化 b e n j a m i n ( 2 0 0 2 ) 利用g i s 对加利福尼亚州水生系统中6 种重金属( a s ，c d ， c u ，p b ，z n ，h g ) 进行了生态风险评价以及淡水生物体生物毒性评价，研究直 观地表现出水体环境中重金属总体含量相对较低，但是有些区域有很高的毒性。 蔡文贵( 2 0 0 5 ) 等在g i s 技术支持下，结合生态学和化学评价模型分别对考洲洋 海域海水、沉积物以及饵料生物中重金属污染等级进行了描述和预测。章海波 ( 2 0 0 5 ) 等利用g i s 空间数据管理功能揭示了香港土壤中p a i l s 的含量和空间分布 特征。d i a w a r a ( 2 0 0 6 ) 利用g i s 对美国科罗拉多州普韦布洛市土壤中砷、镉、铅、 汞含量及对人体潜在健康风险进行了研究。m s a f i r i ( 2 0 0 6 ) 对坦桑尼亚 d a r - e s - s a l a a m 市八个液态有机物存储库散发出的可挥发性毒害有机污染物进行 了估算，利用g i s 进行空间分布显示以及来源判析。 ( 2 ) 进行g i s 二次开发，整合环境信息系统，实现污染物的管理和研究 陈煌( 2 0 0 3 ) 等在大规模的土壤取样调查和分析基础上，建立了北京土壤重 金属信息系统，为重金属污染风险分析、区域土壤环境质量评价等研究、决策管 理提供一个数据平台。但是该系统更偏重数据管理，空间建模的能力比较弱。旌 加春( 2 0 0 6 ) 建立了基于w e b g i s 的土壤环境质量管理信息系统，对浙北环太湖 平原土壤重金属( a s 、h g 、c d 、c r 、p b 、c u ) 污染现状及其空间分布特征进行 研究，为环太湖平原、长兴县和雏城镇三种不同尺度下土壤重金属污染管理提供 科学辅助决策。何绘宇( 2 0 0 6 ) 等以珠江三角洲为背景，建立了一个集地图浏览、 空间分析、统计报表和数据管理、重金属元素累积预警、农产品安全预警等功能 的珠江三角洲土壤重金属预警与决策支持信息系统。系统为土壤环境质量调查、 监控与土壤污染风险评估工作的展开以及进一步实施土壤污染修复与治理和政 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 府部门科学决策和管理监控提供一个先进的信息平台，使土壤重金属的调查成果 在最大限度上为社会和生产服务。v a i r a v a m o o r t h y ( 2 0 0 7 ) 以a r c v i e w 自带宏语言 进行二次开发，生成水体污染物风险分析工具，对水体附近污染源、下水道、排 水沟以及沟渠、壕沟等进行风险评价。 ，综上所述，国内外对持久性毒害污染物环境信息系统已有了一些研究，也出 现了专门应用g i s 对污染现状进行评价和预警的研究，但总体来说应用水平与层 次深浅不一，多数研究只是利用了g i s 最基本的功能，即对空间环境信息进行管 理以及可视化，使研究结果直观的展现在面前。已建立的p t s 信息系统大多属于 基础环境信息系统，所以这方面研究尚处于起步阶段。构建有综合功能的污染物 信息系统，实现对污染物科学、合理、高效的管理是环境管理的发展趋势，也是 辅助决策的技术保障。 1 3 研究思路与论文结构 1 3 1 研究思路设计 ；f = 境信息系统理论与技术l i 。1 。旧一。水巩惩阪 i i i t s 信息系统研究现状 i 墨苤篁型茎墨l 瑟丝差挚墼量0 茎垒燕麦茎量l ， g i s 二次开发理论 震三鞫 环境数据组织与管理 i 、窖：，一l 地统计学理论 璁尊糖冼一一一- 上一一一一一， 组件g i s l t 术 i 地留 数据i 专惠f 空闯| 系统| i a t c e n o n e - 开发技术 ：i 操作1 分析i 地图1 分析i 帮助i l 地统计模块 潜在生态危害评价方法。1 潜在生态i 健康风险i 预留接口l 健康风险评价方法i l 危害评价l 评价 i | l li 上海p t s 信患系统应用 重金属空间变异特征研究 重金属潜在生态危害评价 典型p t s 污染物健康风险评价 图1 - 2 论文研究思路 f i g 1 - 2s t u d ym e t h o d 本文以持久性毒害污染物信息为研究对象，以系统科学理论为指导，运用信 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 息学、地图学、地理学、环境学、毒理学等多学科的理论与方法，进行交叉与综 合研究。论文在建立p t s 信息数据库的基础上，采用组件技术，在v i s u a lb a s i c 高 级编程环境下嵌入控件，实现对空间数据的输入、显示、编辑、查询和输出以及 专题地图编制功能。并选择适当的污染物评价模型，利用数学建模的方法建立潜 在生态风险评价模块和p t s 健康风险评价模块，并利用该功能对上海人口密集区 域以及饮用水源地进行评价。研究思路图如图1 2 所示。 1 3 2 论文结构 本文围绕持久性毒害污染物( p 1 瞎) ，对上海p t s 信息系统构建进行了研究， 内容主要包括：环境信息系统理论和技术、信息系统总体设计和系统功能实现等 内容，以实现对环境信息管理、分析及评价。论文的内容框架如图1 3 所示： i l引言 i( 选题背景、选题意义、研究进展) l l环境信息系统开发理论与技术 i ( 环境信息系统二次开发、组件g l s 、a r c e n g i n e 组件) i上海p t s 信息系统总体设计 l ( 需求分析、系统总体设计、系统数据组织与管理) l i上海p t s 信息系统功能实现 i l上海p t s 信息系统应用 l ( 重金属空问变异特征分析、潜在生态危害评价、健康风险评价) l i结论与展望 图卜3 论文框架 f i g 1 - 3f r a m eo f d i s s e r t a t i o n 华东师范大学硕士学位论文第二章环境信息系统开发理论与技术 第二章环境信息系统开发理论与技术 随着计算机硬件性能的提高，软件技术的进步，g i s 软件系统也更加强大、 成熟和复杂，为环境信息系统的发展提供了坚实的理论和技术支持。组件g i s 是近年来发展起来的新技术，它区别于传统g i s 开发方法的优点，使它成为g i s 开发的主流方式。a r c e n g i n e 能满足各种层次开发的需要，脱离了a r c g i s 桌面 软件结构更加合理，为越来越多开发者所选择。本章主要介绍组件g i s 的设计 理论和a r c e n g i n e 的开发框架。 2 1 环境信息系统设计理论 地理信息系统( g i s ) 历经了近四十多年的发展，经过了g i s 功能模块、集 成式g i s 、模块化g i s 、核心式g i s 、组件式g i s 和w e b g i s 六个发展阶段，已经建 立了完整的技术系统和理论体系，应用领域也不断扩大，已经形成了一个多层次、 多尺度的应用格局( 宋关福等，1 9 9 8 ) 。 随着g i s 应用领域的不断扩大，基本的g i s 功能已经很难满足不同研究的需 要，对于复杂的应用分析模型还具有很大的局限性。开发不同目标的地理信息系 统以适应社会和区域发展或是研究对g i s 的空间分析、评价预测、决策支持等 方面的需要。目前g i s 开发的实现方式有以下3 种( 张正祥，2 0 0 3 ) ： ( 1 ) 纯二次开发方式：完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统 开发。g i s 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如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，m a p l n f o 公司研制的m n p i n f op r o f e s s i o n a l 提供 了m a p b a s i c 语言等等。用户可以利用宏语言，以原有的g i s 工具软件为开发平 台，开发出以自身研究为对象的应用程序。这种开发方式简单易行，省时省力， 有很多功能可以直接从原有的g 1 s 软件中引用过来。其缺点是由于只能利用该 平台提供的专门开发语言开发必须由熟悉业务的专业人员进行；编程语言功能较 弱，开发的程度受开发平台的影响，二次开发的应用程序不能脱离原系统单独运 行，其移植性差；用户无法选择由g i s 厂商直接提供的空间数据管理和数据库 管理系统，这样就必然使g i s 产品价格昂贵。另外，传统g i s 系统与其他软件 系统的衔接都不方便，其数据交换要通过d d e ( 动态数据交换) 等间接方式实 现，效率低下，影响g i s 系统与其他系统的整合。 ( 2 ) 独立开发方式：不依赖于任何g i s 软件，从底层开始，从空间数据的采集、 编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选择 华东师范大学硕士学位论文第二章环境信息系统开发理论与技术 某种程序设计语言( 如v i s u a i c + + ，c + + b u i l d e r ，d e l p h i 等) ，按照软件工程的步骤 在一定的操作系统平台上编程实现。这种开发方式的优点在于，它无须依赖任何 商业g i s 工具软件，开发成本大大减少，二次开发后的应用无需g i s 平台操作。 但对于大多数开发者来说，开发难度很大，需要花费大量的时间和财力，其开发 出来的产品很难在功能上与商业化g i s 工具软件相比。不适于一般的开发用户。 ( 3 ) 集成二次开发方式：在v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等可视化开发环境中， 将g i s 控件嵌入用户应用程序，实现一些g i s 的基本功能，在同一环境下利用 开发语言，结合自己的应用，目标开发实现专业应用功能。 利用g i s 组件集成二次开发是目前主流的实现方式。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 公司的a r c o b j c c t s 、m a p i n f o 公司的m a p x 等) ，在v b 、v c 、c + + b u i l d e r 、 d e l p h i 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。集成二次开发的实现方式可缩短程序开发周期，程序易于移植、 便于维护。 2 2 组件技术与组件式g i s 组件化结构是把一个庞大的应用程序分为多个模块，使每一个模块都保持一 定的功能独立性，这种结构增强了软件的可扩展性，很大程度上方便了软件开发 和升级，其中的模块就是组件。组件是一段可重复使用的程序代码和数据，它由 一个或多个对象组成。组件之间通过标准的通信接口，即组件对象模型，它使各 软件组件之间可以用一种统一的方式进行交互，基于这种接口标准，保证了同一 软件中组件之间的正常通讯( 赵伟等，2 0 0 6 ) 。 组件式g i s 是软件组件技术在g i s 软件开发中的应用，它基于组件对象平台， 以一组具有某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件提供的g i s ( 赵万锋等， 2 0 0 4 ) 。组件式g i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控 件完成不同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间，可 以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用( 宋关福等， 1 9 9 8 ) 。采用c o m 技术进行组件式二次开发，能提高应用系统的开发效率，使g i s 系统面向对象，具有良好的外观和完善的功能( 张正祥，2 0 0 4 ) 。 组件技术的出现解决了传统g i s 软件开发中一些弱势，与传统g i s 工具相 比其优点主要体现在系统集成的高效无缝，它解决了专业应用程序和g i s 软件 间的集成问题。如图2 1 所示，把g 1 s 软件功能封装到组件中，在进行专业程序 开发时，把g i s 组件和其他组件一起嵌入到专业程序中去。g i s 组件与用户或其 华东师范大学硕士学位论文第二章环境信息系统开发理论与技术 它客户程序之间主要通过属性、方法和事件进行交互，从而实现专业模块和g i s 的无缝集成。 环境信息系统 业模璎c o m g i s其他组件 v i s u a l b a s i 辞町视集成开发环境 图2 - 1 环境信息系统组织 f i g 2 1o r g a n i z a t i o no f 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 2 3 基于a r c e n g i n e 的( a s 应用程序框架 2 3 1a r c e n g i n e 概述 当面对海量信息，地理分析和空间可视化在环境管理的重要性会凸现出来， 因为这可以提高管理效率及辅助决策制定。而环境管理和研究者往往不是专业的 g i s 人员，可能没有经过系统的学习，有效地利用市场上综合的g i s 工具会遇到 困难。这就需要构建专用领域且易于使用的应用软件，以满足不同需要i o i s 专 业的用户需求，提供空间分析方案。而要从底层开始构建软件，是一项繁冗的开 发工作，费时费力，并且成本不菲。a r c e n g i n e 是二次开发很好的选择。 图2 2a r c e n g i n e 与a r c o b j e c t a 的关系 f i g 2 2r e l a t i o nb e t w e e n a r c e n g i n ea n d a r c o b j a c t s 图2 - 2 显示 f a r c e n g i n e 和a