计算机技术在环境保护信息系统中的应用.doc

崔 侠等：计算机技术在环境保护信息系统中的应用 3计算机技术在环境保护信息系统中的应用摘要：结合国内外实际环境系统信息的调研成果和客户需求分析以及环境领域自身的科学规律，论述了7种计算机技术（3S技术、在线监测技术、模型技术、多媒体和可视化技术、人工智能技术、仿真技术和互联网技术）在环境保护信息系统中的应用前景。具有辅助决策功能的综合环境保护信息系统的主要功能包括：（1）信息获取与显示；（2）信息查询；（3）环境信息的分析；（4）环境信息的表达。用计算机技术实现环境保护信息系统的主要功能关键问题在于：（1）系统的有效管理；（2）3S技术与环境模型的融合和集成；（3）专家系统（ES）与3S技术的融合；（4）仿真系统与3S技术的融合；（5）在线监测技术与3S技术的融合；（6）环境系统与Intranet/Internet的融合。关键词：计算机技术；环境；信息系统人类社会发展的历史表明：生态环境作为人类社会赖以生存最基本的物质基础，与社会发展密切相关，人与环境的协调发展是城市可持续发展的最基本条件。“人口、资源、环境、灾害”等当今人类社会发展所面临的四大严重问题，后三者都与计算机技术有着密切的联系；而从问题的发展趋势上看，这三者又都受制于人口数量的急剧增长，促使面临的问题尖锐化，更加突出了人类社会可持续发展与自然生态环境的矛盾。协调人与环境的关系，保持城市可持续发展，环境科学肩负着艰巨而紧迫的任务；而解决这一问题最有效的途径就是要以新兴的信息科学为基础，将现代信息科学技术和具体的污染防治技术相结合，充分利用地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、数学模型（MS）、专家系统（ES）、互联网（Internet）等高新技术手段建立环境保护信息系统，从全局着手，科学决策，为实现城市可持续发展服务。1 环境保护信息系统发展状况与展望国内环保系统信息化管理工作已经开展多年，由于各项工作的管理部门不同，各部门基本上都根据本部或某一特定业务编制了相应的业务系统，例如：排污收费、污染源申报登记系统等，在这些软件系统中有的已初步应用了数据库技术、地理信息系统、遥感技术、多媒体技术。但是由于各相应软件的工作平台、开发工具、后台数据库的不尽相同，使得各软件系统彼此之间的通用性，数据共享性很差，或者根本无法交流；大量的环境数据只停留在查询检索和统计功能上，并未转化为环保工作人员和管理人员所需要的具有分析和决策功能的数据。同时环境监测仍以常规监测为主要手段，对环境污染尚不能进行大面积、全天候、全天时的连续动态监测；也很难对城市大气环境污染、水域流域污染、生态环境破坏、生物多样性状况、重大环境事故、区域环境变化等信息进行科学分析、处理和评价。随着计算机和网络通讯技术的飞速发展以及3S技术的不断成熟，获取、存储、处理和显示环境信息的方法发生了翻天覆地的变化，使得人们对所处的城市以及周围环境等史无前例的海量数据的处理成为可能。面对信息化社会对环境信息的迫切需求，以及环境信息的复杂性等特点，我们必须建立一种新的机制来处理和共享与日剧增的环境信息。这样，建立一个城市范围的环境保护信息系统，实现环保信息资源的共享与合理使用，便很自然地成为当前环境保护所面临的突出问题。建立以环境保护管理具体业务为依托，以环境在线动态监测数据为主要数据来源，融合3S技术、模型技术、多媒体技术、人工智能技术、仿真技术、互联网技术的具有辅助决策功能的综合环境保护信息系统是当前实现城市可持续发展的迫切需要。2 环境保护信息系统中的主要计算机技术2.l 3S技术3S是地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）的合称，它们是现代环境保护信息系统建立和高效运行的必不可少的基础工具。基于GIS的环境保护信息系统能够使环境管理在办公自动化方面产生质的飞跃，它通过分析信息的空间分布，监测信息的时序变化，比较不同的空间数据集，实现对空间信息及其它各类信息的标准化管理与信息交换，使大量抽象、枯燥的数据变得生动、直观和易于理解，并根据应用目的进行各种形式的专题表图输出。RS可以实时、快速地提供大面积地物及其周边环境的几何与物理信息及各种变化参数，其对地观测的海量波谱信息为目标识别及科学规律的探测提供了精确的定性和定量综合性的数据。RS信息是GIS十分重要的数据源，它有助于GIS数据库的及时更新，确保现实性，特别在环境动态监测方面具有其它类型数据所无法代替的优越性。GPS（全球定位系统）实时、精确的定位功能克服了RS定位问题，GPS的快速定位为RS数据快速进入GIS系统提供了可能，保证了RS数据及地面同步监测数据获取的动态匹配。同时，GPS可为GIS及时采集、更新或修正空间定位数据，为GIS从静态管理扩展到动态实时监测提供了有力的技术支持。RS与GPS为GIS提供高质量的空间数据，而GIS则是综合处理这些数据的平台，并且反过来提升RS与GPS的信息获取能力，它们是一个有机的整体。3S的集成有助于弥补各自的不足，以GIS和RS图象处理系统为核心，再与GPS、在线监测技术、环境数学模型技术集成，能进行实时的环境生态调查、监测和分析。而将GIS、GPS和RS技术配合使用，能很好地用于模拟污染物质的运行结果，这在环境评价、环境虚拟现实和环境管理科学决策领域有着广的用途。2.2 环境在线监测技术环境监测是环境管理的一项重要工作。20世纪70年代世界许多发达国家城市相继建立了污染源在线监测（CEMS）和环境质量自动监测系统（EQAMS）；80年代中期EQAMS技术已趋于成熟，我国开始引进这些设备建立大气环境质量自动监测系统，污染源在线监测系统在国内尚处于研究探索阶段，并且主要集中在在线监测设备的研究上。2.3 多媒体和可视化技术多媒体（Multa-media）和可视化技术是近几年发展起来的一种新型的具有很大发展潜力的技术，它集声、图、像、文、通讯等为一体，并以最直观的方式表达和感知信息，以形象化的、可触摸(触屏)的甚至语音对话的人机界面操纵信息处理，将高技术的内核隐涵于“傻瓜”型操作系统的外壳之中，以简单的人机交互方式来控制流程，为决策者进行决策提供最好的支持。2.4 专家系统（ES）专家系统是一种人工智能软件，主要由知识库和推理机组成。知识库中存放具有专家水平的知识，知识内部存在着因果关系，以逻辑树的型式排列组合在一起。推理机主要决定问题求解时的信息搜索途径，常使用深度优先和反向推理的方式。2.5 仿真系统计算机仿真作为一门高技术，在国内外正受到广泛重视。所谓计算机仿真，就是在对研究对象建立模型的基础上，利用计算机速度快、容量大的特点，通过输入已知信息，来求得未知信息的过程。近年来出现的虚拟现实技术，使计算机仿真跃上了一个新台阶。2.6 环境模型技术环境模型是环境学研究中较为成熟的一个领域，是进行环境评价和环境预测的有力手段。由于许多环境问题和环境过程都具有空间分布特性、非线性、随机性以及随时间变化特性，因此环境模型大都比较复杂。环境模型对各种环境问题和环境过程描述准确、算法精练。且大都具有明显的空间特性，如二维和三维水质模型、大气扩散模型、污染物在地下水中运移模型等。2.7 Internet技术网络已成为人们潜在的生活空间，不能畅通于网络的信息自然会大幅贬值。环境保护信息系统涉及到城市宽带网络、3S技术、基于网络技术的软件平台、数据共享和挖掘、系统安全性、环境数据网络协调管理技术和环境信息发布等多项网络技术。3 环境保护信息系统主要功能与体系结构结合实际的调研成果和客户需求分析以及环境领域自身的科学规律，以环境在线动态监测数据为主要数据来源，融合3S技术、模型技术、多媒体技术、人工智能技术、仿真技术、互联网技术的具有辅助决策功能的综合环境保护信息系统的主要功能包括：（1）信息获取与显示。包括对地理数据和环境管理信息的显示，二者均是系统中的基础数据。（2）信息查询。针对某种条件选择出满足要求的数据或地理对象，以进行深入的统计、分析等。如查询某个单位污染源的排放量和状况；统计辖区内企业的工业废水的排放，大气污染物等的排放。（3）环境信息的分析功能。为环境管理、决策提供科学的依据（4）环境信息的表达。以表格、图形、报表、文字、多媒体等方式将环境信息表示出来。环境保护信息系统还应做到以下几点：（1）实现水、气、噪声及生态等要素在大范围的实时、多维、多源、高效、高精度的在线监测，以及监测数据的获取、存储、分析、管理和表达。（2）高分辨率环境遥感监测信息与系统的融合，利用多时序的遥感图象信息模拟环境的演变，指导环境规划与管理工作。（3）实现3S技术与在线监测、环境模型、互联网、办公自动化系统（OA）的无缝集成，使决策支持更加直观清晰。信息发布与公众服务系统实时、动态监测系统环境监测环境保护标准法律法规环境保护产品人文历史数据社会经济统计开发管理监督管理计划管理监测管理监理管理环境管理办公自动化系统环境保护信息系统计算机技术与数据库空间数据环境保护信息社会经济信息业务处理信息环境专题图15万电子地图11万电子地图环境质量辅助决策系统环境预测、环境规划系统环境保护科技航空正摄影像图卫星正摄影像图环境保护政策12000电子地图图1 环境保护信息系统结构（4）研究与开发环境专题子系统。包括：系统主要包括以下几个子系统：污染源和环境质量在线监测子系统、环境容量分配子系统、动态环境规划子系统、环境质量预测预报子系统、环境污染事故预警子系统、专家辅助决策子系统、环境综合管理办公自动化（0A）子系统、环境信息发布与公众服务子系统。（5）在计算机技术支持下的环境决策支持系统的研究与开发。系统的体系结构见图1。4 计算机技术在环境保护信息系统中应用的关键问题4.1 系统的有效管理环境保护信息系统在国外起步较早，但政府的介入较晚，到目前为止，国内外还没有一个综合性的国家级环境信息系统，城市级环境信息系统也不多。造成许多城市各部门、各公司之间的协调和合作非常有限，数据的可分享性不够透明，导致重复劳动和资金浪费。我国在环境信息的采集、传输、存储方面的研究才开始，相应的行业标准还没有建立，缺少标准和规范，在建的环境信息系统也各自为政，数据难以共享，重复建设严重。因此，尽快建立我国环境信息数据采集、传输、存储、表达的规范，实现政府统一管理和数据共享是当务之急。4.2 3S技术与环境模型的融合和集成环境信息系统功能的强弱主要体现在它对环境管理、规划等决策的支持上，而决策的制定必须基于合理的应用模型，如感潮河流水质、机动车尾气扩散、空气质量预测等模型。3S和环境模型的有机结合将使二者相得益彰。地理信息系统（GIS）和遥感（RS）是用来对地理数据及相关数据进行采集、存储管理、分析处理与显示输出的计算机技术系统。在GIS中，基本概念是空间位置、空间分布和空间关系，而基本研究对象是被抽象成点、线、面的空间实体及其相关属性。与之相对应，在RS和环境模型中，基本概念是物质、能量及其运动转化，而基本研究对象是诸如水、大气、土壤、人口等明显具有空间分布特性的环境要素。3S和环境模型在概念和研究对象上具有相似性、互补性，这使二者的结合是自然、合理又具有潜力。建立在3S支持下的环境应用模型是系统应用研究的难点之一。4.3 专家系统（ES）与3S技术的融合专家系统是人工智能中最活跃的一个分支，近10年来在许多领域都取得明显的成效，原因就在于专家系统的定性分析能力。现实世界的许多问题实际上用定性的而非定量的方式即可解决。研制专家系统的核心问题，是知识库的知识要有权威性、简明性、广泛适用性。专家系统与3S技术结合在环境决策、环境管理中将发挥重要作用。4.4 仿真系统与3S技术的融合环境问题是计算机仿真技术的长处，对于大环境问题，计算机仿真可用于各种污染物在大气、水、土等不同环境条件下的迁移转化规律的研究，用于不同地域污染物排放总量控制的研究与实施，用于复杂环保信息管理系统的研究与建造等；对于小环境问题，计算机仿真可用于各种污染物的处理工艺的研究，用于正在使用的污染物处理系统的审核与优化等。虚拟现实技术，是利用3S、三维动画、多媒体、多传感器及高分辨显示的最新成果，使仿真工作人员产生自身在仿真环境中的存在感、与仿真环境的交互作用感。4.5 在线监测技术与3S技术的融合污染源和环境质量在线监测系统通过监测探头测定其浓度，近而转换为电流信号输出，并经工业单板机处理后，将污染物浓度信息通过信息传输设备传输到系统平台。结合GIS以城市基本地图为载体，将有关的监测数据定期输入GIS属性数据库（动态监测时还需要利用GPS来实时定位），实现空间信息与属性信息的统一管理，通过在时间序列、空间序列上对环境信息的处理，分析环境监测结果，实现对环境演变的可视化分析，及时了解环境状况，确定其中的主导因素，为进行环境管理和规划提供基础性资料。在线监测技术与3S技术的融合非常具有现实意义。4.6 环境系统与Intranet/Internet的融合网络正在成为人们潜在的生活空间，不能畅通于网络的信息自然会大幅贬值。环境保护信息系统的应用多以政府部门为主，其目的是为公众服务，需要对外宣传自己，需要和公众交流信息，象现在的政府上网、数字城市等，其进入寻常百姓家的必由之路依然是Intranet。由于环境问题涉及的地域广，又和人们生活息息相关，所以建设环境保护信息系统更应考虑如何与网络融合在一起，开发基于Intranet/Internet的环境保护信息系统是大势所趋。Application of computer technology in environmental protection information systemAbstract: Based on the investigated results for actual environmental information systems in China and abroad, the analyses for customer demands, and the scientific rules in the field of environmental sciences, this dissertation discussed the application prospects of the 7 kinds of computer technologies such as 3S technology, on-line monitoring technology, modeling technology and multi-media & visualization technology in the environmental protection information systems whose data mainly comes from the on-line monitored data. With the policy-making assistance function, the comprehensive environmental protection information system can mainly function as: (1) Information capturing and displaying; (2) In