陳光炎 陳松喬

（中南大學(xué)軟件學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，城市化步伐日益加快，各種污染問(wèn)題也隨之而來(lái)，尤其是空氣污染和水污染會(huì)直接影響到人們的生產(chǎn)、生活甚至身體健康。因此，污染源信息管理逐漸引起人們的關(guān)注，其中應(yīng)用信息技術(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確、形象地面向公眾展示污染源信息也成為一個(gè)熱點(diǎn)。污染源數(shù)據(jù)不僅具有行業(yè)、時(shí)間等特征，還具有明顯的地域特征，這從客觀上要求數(shù)據(jù)的處理和操作采用時(shí)空處理的手段，而GIS技術(shù)的發(fā)展適應(yīng)了這樣的需要，從簡(jiǎn)單的污染源數(shù)據(jù)處理、查詢、專題圖制作到空間分析、建模和三維仿真等都為污染源管理和規(guī)劃提供技術(shù)支撐手段。

本文基于ARCGIS SERVER平臺(tái)，引入了能夠創(chuàng)建高交互性富客戶端的FlEX技術(shù)，提出了以三層模型為基礎(chǔ)的污染源管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，著重闡述了分布式地圖服務(wù)器的管理、地圖服務(wù)的管理和數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)等技術(shù)的功能和實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)要介紹的系統(tǒng)在B/S模式下的操作等功能的開發(fā)流程。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 污染源數(shù)據(jù)特點(diǎn)

污染源數(shù)據(jù)的根本特征是數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)多樣化，即數(shù)據(jù)來(lái)源于不同存儲(chǔ)設(shè)備的多種類型空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1)多數(shù)據(jù)源,即數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)模型的多樣化，要求包括有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)以及其他類型數(shù)據(jù)等；

2)涉及行業(yè)廣，根據(jù)普查[2],我國(guó)污染源涉及到259個(gè)小類行業(yè)；

3)多時(shí)段和多時(shí)相,即從不同的時(shí)刻反映同一區(qū)域空間信息的變化；

4) 污染源排放位置和環(huán)境監(jiān)測(cè)都具有空間坐標(biāo)，具有明顯的空間特征。

此外,污染源數(shù)據(jù)還具有分布不集中、不統(tǒng)一等特點(diǎn),因此傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)很難滿足各個(gè)信息中心之間數(shù)據(jù)共享的要求。如何有效地管理分布污染源空間數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),成為污染源地圖服務(wù)管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中丞須解決的問(wèn)題。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與特征

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是根據(jù)系統(tǒng)行業(yè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)來(lái)決定的，在定位上要考慮到系統(tǒng)是以污染源專題為主，按照系統(tǒng)的模塊功能為主要依據(jù),在遵循一般MIS系統(tǒng)常用原則如可行性、實(shí)用性、可靠性、界面友好，操作簡(jiǎn)單，效率高，具有高質(zhì)量等特點(diǎn)外，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)便于維護(hù)、能留有模塊接口、便于二次開發(fā)以及安全等特征。

1.3 系統(tǒng)體系框架

根據(jù)污染源數(shù)據(jù)特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文采用數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層的三層構(gòu)建模式，針對(duì)污染源數(shù)據(jù)涉及行業(yè)多，需要國(guó)家、省市等多級(jí)單位共享的特點(diǎn)，系統(tǒng)提出了在數(shù)據(jù)層和服務(wù)層都采用了分布式的部署方式。

1.3.1 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)

污染源管理信息系統(tǒng)采用在邏輯上是一個(gè)統(tǒng)一的整體，在物理上則是分別存儲(chǔ)在不同的物理節(jié)點(diǎn)上的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)。每個(gè)污染源站點(diǎn)可以單獨(dú)擁有自己的局部的數(shù)據(jù)庫(kù)和DBMS的一份完整拷貝副本，這些污染源站點(diǎn)就形成一系列的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它們?cè)谧陨愍?dú)立的同時(shí)，也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接成為一個(gè)整體，共同組成了一個(gè)全局的完整數(shù)據(jù)庫(kù)，在使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí),用戶就像對(duì)集中式數(shù)據(jù)庫(kù)一樣來(lái)訪問(wèn)分布式數(shù)據(jù)庫(kù),而不用考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的具體物理位置[3,4]。

1.3.2 分布式服務(wù)器架構(gòu)

傳統(tǒng)的WebGIS的一個(gè)重要瓶頸就是應(yīng)用層的用戶響應(yīng)速度，在客戶端用戶請(qǐng)求出現(xiàn)并發(fā)的情況下，地圖服務(wù)器端產(chǎn)生的處理時(shí)延要比數(shù)據(jù)庫(kù)端所需的處理時(shí)延大得多,因此，縮短客戶端響應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵是減少服務(wù)器端用戶請(qǐng)求的處理時(shí)間。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，也考慮到同分布式數(shù)據(jù)庫(kù)一樣，服務(wù)器也采用分布式服務(wù)器架構(gòu)，這樣污染源數(shù)據(jù)和程序可以分散到多個(gè)服務(wù)器上，將若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái),使這些在物理位置上分散服務(wù)器成為一個(gè)邏輯上的統(tǒng)一的整體。在使用時(shí),通過(guò)服務(wù)調(diào)度的方式將客戶端并發(fā)的用戶請(qǐng)求分配給多個(gè)地圖服務(wù)器處理，這樣既可以有利于客戶端請(qǐng)求在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行合理有效地分配與優(yōu)化，克服了集中式系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致中心主機(jī)資源緊張與響應(yīng)瓶頸的缺陷，同時(shí)更重要的是實(shí)現(xiàn)了各站點(diǎn)污染源信息共享，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)最大利用的目的。

圖1 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

1.3.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

污染源WebGIS采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式，由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用層是借助ArcGIS API for Flex和Flex Framework來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的。它負(fù)責(zé)響應(yīng)Flex富客戶端請(qǐng)求，并根據(jù)用戶請(qǐng)求類型做出響應(yīng)。利用ARCGIS API for FLEX提供的REST接口和應(yīng)用程序提供的Servlet接口，響應(yīng)客戶端發(fā)出的請(qǐng)求和返回服務(wù)器端的處理結(jié)果，并將結(jié)果借助Flash播放器進(jìn)行展示。

服務(wù)層由Web服務(wù)器和GIS服務(wù)器組成。Web服務(wù)器主要負(fù)責(zé)讓用戶通過(guò)Web瀏覽器和Web Services發(fā)送的請(qǐng)求，并根據(jù)用戶請(qǐng)求從GIS服務(wù)器中獲取相應(yīng)的地圖服務(wù)對(duì)象，同時(shí)也可利用Web Services(Web服務(wù))直接與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，獲取信息[5]。GIS服務(wù)器主要承擔(dān)兩方面作用：一是GIS服務(wù)器動(dòng)態(tài)地圖渲染和地圖切片技術(shù)對(duì)于底層不經(jīng)常變化的地圖數(shù)據(jù)和地圖背景，利用地圖切片技術(shù)，可以讓系統(tǒng)快速響應(yīng)用戶對(duì)地圖的請(qǐng)求，并將請(qǐng)求得到的地圖圖片與地圖進(jìn)行疊加，這樣可以盡可能地減少了服務(wù)器的計(jì)算負(fù)載；GIS服務(wù)器另一個(gè)作用是提供用戶訪問(wèn)地圖的REST接口，它由服務(wù)器對(duì)象管理器Server Object Manager ( SOM)以及一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器對(duì)象容器ServeObject Container ( SOC)組成，通過(guò)這些接口服務(wù)，再配合使用ArcGIS FLEX API，這樣就可以將ArcGIS Server和Flex結(jié)合起來(lái)在Flex環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)污染源站點(diǎn)空間數(shù)據(jù)和站點(diǎn)監(jiān)控屬性數(shù)據(jù)的存取機(jī)制，維護(hù)各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并提供數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)存檔、數(shù)據(jù)安全機(jī)制，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源的保障。數(shù)據(jù)層主要包括空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE以及存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)?？臻g數(shù)據(jù)主要負(fù)責(zé)為SOC提供相應(yīng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(ArcSDE)中的數(shù)據(jù)或者是基于文件形式存貯的空間數(shù)據(jù),如Geodatabase，ShapeFile等，采用ArcSDE進(jìn)行管理，屬性數(shù)據(jù)由Oracle進(jìn)行存儲(chǔ)主要用來(lái)存儲(chǔ)污染源普查信息，其他文件數(shù)據(jù)，如文檔、圖片、監(jiān)控視頻等不便存儲(chǔ)的直接存放于服務(wù)器端，供應(yīng)用層調(diào)用。

2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能模塊

2.1 信息展示

污染源具有很典型的空間分布特征，因此污染源WebGIS系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)表達(dá)上顯得尤為重要。系統(tǒng)應(yīng)該具備常用地圖操作功能，包括地圖瀏覽功能，如地圖放大、縮小、漫游、全圖、前一視圖、后一視圖等。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具有鷹眼功能，讓用戶在地圖操作時(shí)可以更方便定位到相應(yīng)的位置，更好地對(duì)污染源信息進(jìn)行查看和監(jiān)測(cè)。

2.2 圖層控制

污染源涉及行業(yè)多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，既有空氣監(jiān)測(cè)站、國(guó)控污染源信息、普通污染源等自身信息，也有污染源產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)信息。正由于龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)，在污染源WebGIS系統(tǒng)中，需要使用圖層控制功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并且根據(jù)需要有針對(duì)性地顯示或隱藏地圖圖層，突出用戶感興趣的污染源圖層信息。

2.3 查詢模塊

查詢統(tǒng)計(jì)模塊包括空間數(shù)據(jù)查詢、屬性數(shù)據(jù)查詢和專題屬性數(shù)據(jù)查詢等功能?？臻g數(shù)據(jù)查詢有點(diǎn)擊信息查詢、拉矩形框選取、不規(guī)則多邊形選取等方式，還有利用行政區(qū)劃圖元進(jìn)行地域的選取方式，查詢區(qū)域內(nèi)的污染源圖層信息，如圖3，利用行政區(qū)劃查詢婁底市污染源站點(diǎn)信息；屬性數(shù)據(jù)查詢是利用關(guān)系符號(hào)、邏輯符號(hào)、算術(shù)符號(hào)的任意組合，進(jìn)行滿足條件的屬性信息及相關(guān)圖形信息的查詢，如查詢湖南省2010年各空氣自動(dòng)站中的SO2因子在某段時(shí)間內(nèi)的數(shù)值情況，包括最大值、最小值、均值、總和、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)，并將查詢結(jié)果以圖表的方式進(jìn)行呈現(xiàn)和輸出，如圖4所示，2010年湖南省所有空氣自動(dòng)站可吸入顆粒物第四季度的API。

圖3 行政區(qū)劃查詢婁底市污染源站點(diǎn)

圖4 湖南省2010年空氣自動(dòng)站可吸入顆粒物API

2.4 專題圖模塊

專題圖是表達(dá)和展示空間對(duì)象屬性信息的理想的可視化分析工具。利用空間數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的屬性信息制作專題圖，可以直觀的反映各種專題信息，該模塊提供的專題圖類型包括：?jiǎn)沃祵ｎ}圖、統(tǒng)計(jì)專題圖、點(diǎn)密度專題圖等。

ArcGIS API for Flex本身并沒(méi)有提供專題圖組件，它是利用FLEX中的chart組件做為symbo1來(lái)渲染graphic，再將graphic插入到Graphic Layers圖層中，這樣就可以用形形色色的專題圖來(lái)展示污染源信息。

2.5 空間分析模塊

空間分析模塊主要包括空間量測(cè)、緩沖分析、疊加分析等GIS空間分析方法，其中空間量測(cè)主要用于距離量算和面積量算。緩沖區(qū)分析是將緩沖查詢的結(jié)果再做分析，包括由圖到文和由文到圖兩部分，由圖到文是根據(jù)指定的距離在點(diǎn)、線、面實(shí)體周圍自動(dòng)建立一定寬度區(qū)域范圍并查詢和現(xiàn)實(shí)該范圍的污染源信息；由文到圖是查詢某個(gè)站點(diǎn)，將查詢的結(jié)果按照指定的距離在地圖上顯示。疊加分析是在兩個(gè)或者多個(gè)污染源圖層之間按照一定的幾何運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示的目的，如污染源取水口、排污口和斷面圖層進(jìn)行疊加。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于ArcGIS Server和Flex的污染源網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的研究思路與方法，在分析污染源數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)實(shí)行三層模型架構(gòu)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式服務(wù)器部署和富客戶端等技術(shù)，并由此實(shí)現(xiàn)了污染源WEBGIS系統(tǒng)。實(shí)踐證明，通過(guò)本文研究的WEBGIS系統(tǒng)具以下特點(diǎn)：

首先，改變了傳統(tǒng)環(huán)保行業(yè)的建設(shè)思路，真正實(shí)現(xiàn)在注重環(huán)境信息和數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的同時(shí)，還將地理空間數(shù)據(jù)和污染源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有效結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)更加實(shí)用；其次，系統(tǒng)減少了與服務(wù)器之間通信的次數(shù)，交互性強(qiáng)，響應(yīng)速度快，流暢而富有更強(qiáng)的表現(xiàn)力；再次，界面豐富而友好，更為詳細(xì)地展示污染源數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更為廣泛的數(shù)據(jù)共享，并可以最大程度地挖掘和發(fā)揮空間數(shù)據(jù)的效用。

[1] 周炳喜，周堅(jiān)華，王珂.基于ArcGIS Flex API的電網(wǎng)企業(yè)信息可視化系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33(2)：123-127。

[2] 第一次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污染系數(shù)手冊(cè).

[3] 邵佩英.分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社， 2005。

[4] 錢郭鋒，劉波，陳珺.分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2010，33(3):23-25。

[5] 劉俊，譚建軍.基于ArcGIS Server的網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，(9)：224-227。