傅為華

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學院，浙江義烏 322000)

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基于GIS的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理評價系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

傅為華

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學院，浙江義烏 322000)

實時準確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是開展環(huán)境管理和科學研究活動的基礎(chǔ)，全國環(huán)境監(jiān)測總站以及各地環(huán)境監(jiān)測中心已積累了大量的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)資源，包括國控、省控、市控等地表水、飲用水監(jiān)測數(shù)據(jù)，大氣質(zhì)量和酸雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，功能區(qū)和道路噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。這些數(shù)據(jù)資源是環(huán)境管理、應急決策和生態(tài)文明建設的重要支撐數(shù)據(jù)，如何利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，對這些數(shù)據(jù)資源進行科學的管理、挖掘分析和可視化表達，充分發(fā)揮它們在環(huán)境管理、環(huán)境應急決策中的作用，促進環(huán)境友好型社會，是各地環(huán)境保護的必然要求。與此同時，基于這些數(shù)據(jù)資源，結(jié)合GIS技術(shù)，通過一種靈活可定制的手段自動適應國家環(huán)保部、省、市對生態(tài)文明城市、生態(tài)省、生態(tài)城市環(huán)境質(zhì)量評價分析的需求，提供環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學管理、高效查詢、自適應與多維評價、監(jiān)測數(shù)據(jù)空間化等功能，實現(xiàn)“一套數(shù)據(jù)、多種應用”，減輕各地環(huán)境監(jiān)測中心數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析人員的負擔，實現(xiàn)科學、高效和直觀形象的環(huán)境質(zhì)量評價分析，為環(huán)境管理和保護決策提供輔助支撐。

GIS以其強大的數(shù)據(jù)處理、分析計算功能，在環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的應用[2]。21世紀以來，國家環(huán)保部組織開發(fā)了國家環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)(NESMIS)。隨著GIS技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的廣泛結(jié)合使用，在監(jiān)測數(shù)據(jù)審核分析與評價系統(tǒng)開發(fā)上也取得較大的發(fā)展[3]。目前環(huán)境監(jiān)測信息化建設方面仍存在的主要問題有：①環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的審核及分析應用仍過多依賴工作人員的經(jīng)驗，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的開發(fā)與應用仍較缺乏[4]；②難以滿足不同時空尺度的環(huán)境質(zhì)量評價和成果的定制化展示；③難以靈活滿足不同評價標準、評價部門對環(huán)境質(zhì)量評價的需要；④監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價分析結(jié)果無法實時展現(xiàn)在GIS地圖上等[3]。針對這些問題，為實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)科學、高效、直觀形象的環(huán)境質(zhì)量評價分析，筆者開發(fā)設計了一種靈活的、可適應不同環(huán)境保護主管部門、不同評價標準和評價時空尺度的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)。

1環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)模型分析

環(huán)境監(jiān)測的對象通常包括污染源和環(huán)境質(zhì)量狀況兩方面。環(huán)境監(jiān)測包括水環(huán)境、大氣環(huán)境、噪聲環(huán)境3大類型，水環(huán)境又分地表水、飲用水、近岸海域；大氣環(huán)境又分空氣質(zhì)量、大氣降水質(zhì)量；噪聲環(huán)境又分區(qū)域、功能區(qū)、交通道路。地表水數(shù)據(jù)包括：河流地表水、湖庫地表水、近海海域地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及水期代碼、水域功能類別、湖庫類型、中國海區(qū)代碼、重點海域代碼、近岸海域水質(zhì)標準分類、近岸海域水質(zhì)標準限值等輔助數(shù)據(jù)。空氣環(huán)境數(shù)據(jù)包括：大氣監(jiān)測點基本信息、大氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣降水監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及行政區(qū)域代碼、監(jiān)測點級別類型、空氣環(huán)境質(zhì)量標準分類、空氣監(jiān)測項目標準限值、空氣污染指數(shù)計算參數(shù)、空氣污染指數(shù)分類、酸雨強度分級等輔助數(shù)據(jù)。噪聲環(huán)境數(shù)據(jù)包括：噪聲監(jiān)測點基本情況、區(qū)域定期監(jiān)測噪聲、道路交通噪聲、功能區(qū)噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及噪聲測點類型、噪聲功能區(qū)類型、噪聲聲源類型等輔助數(shù)據(jù)等[5]。

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫通常包含4個部分：共用的數(shù)據(jù)庫表(系統(tǒng)運行，水環(huán)境、空氣環(huán)境、噪聲環(huán)境質(zhì)量評價時都需要的數(shù)據(jù)庫表)、水環(huán)境監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表、空氣環(huán)境監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表以及噪聲環(huán)境監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表。共用數(shù)據(jù)庫主要存放系統(tǒng)運行所需要的基礎(chǔ)字典表，以及水、空氣、噪聲環(huán)境質(zhì)量評價時都需要的公共數(shù)據(jù)庫表。地表水監(jiān)測與質(zhì)量評價數(shù)據(jù)庫表主要由地表水水質(zhì)監(jiān)測原始表、地表水水質(zhì)監(jiān)測字典表及取值說明、地表水水質(zhì)評價表和近海海域水質(zhì)監(jiān)測原始表、字典表及取值說明、評價數(shù)據(jù)庫表構(gòu)成。空氣質(zhì)量監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表主要由空氣質(zhì)量監(jiān)測原始表、空氣質(zhì)量評價字典表及取值、空氣質(zhì)量評價表構(gòu)成。噪聲質(zhì)量監(jiān)測與評價數(shù)據(jù)庫表主要由噪聲環(huán)境監(jiān)測原始數(shù)據(jù)表、噪聲環(huán)境字典表及取值、噪聲環(huán)境質(zhì)量評價表構(gòu)成。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫構(gòu)成見圖1。

圖1　環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫構(gòu)成Fig.1　Structure diagram of environmental monitoring database

2環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價業(yè)務流程

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與綜合分析系統(tǒng)業(yè)務流程總體上分為以下4個階段(圖2)：

(1)數(shù)據(jù)導入管理階段。該階段系統(tǒng)管理員分配好系統(tǒng)

操作的用戶和權(quán)限后，數(shù)據(jù)管理員從已有的國家系統(tǒng)(或環(huán)境自動監(jiān)測數(shù)據(jù)庫)中導入環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)評價分析模板定制階段。該階段環(huán)境質(zhì)量統(tǒng)計分析人員利用系統(tǒng)進行水環(huán)境質(zhì)量、空氣環(huán)境質(zhì)量、噪聲環(huán)境質(zhì)量評價分析模板的定制，主要定制參與評價的環(huán)境指標、評價標準等。

(3)環(huán)境質(zhì)量評價分析階段。該階段環(huán)境質(zhì)量評價分析人員利用系統(tǒng)進行按月、季、年或任意時間的站位、區(qū)域等層次的水環(huán)境、空氣環(huán)境、噪聲環(huán)境質(zhì)量評價和變化趨勢分析。

(4)評價結(jié)果可視化輸出階段。評價結(jié)束后，通過表格、統(tǒng)計圖表或地理空間圖層，對評價結(jié)果進行可視化表達?；诃h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價結(jié)果，根據(jù)隱含的監(jiān)測點空間位置信息，利用GIS技術(shù)，對環(huán)境監(jiān)測點及其評價分析結(jié)果進行空間化處理，動態(tài)生成空間圖層，從而實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和評價分析結(jié)果的可視化。

圖2　環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析總體業(yè)務流程Fig.2　Overall business process of the environmental monitoring data management and evaluation

3環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)開發(fā)的核心業(yè)務分析系統(tǒng)開發(fā)的核心業(yè)務是對地表水環(huán)境質(zhì)量、飲用水環(huán)境質(zhì)量、空氣環(huán)境質(zhì)量、噪聲環(huán)境質(zhì)量等進行評價分析。

3.1.1地表水分析評價。能夠按月、季度、水期、年或任意期范圍進行監(jiān)測因子質(zhì)量評價、站位水質(zhì)評價、市控以上站位水質(zhì)評價、水系水質(zhì)評價、湖庫水質(zhì)評價、近岸海域監(jiān)測因子水質(zhì)評價、近岸海域站位水質(zhì)評價、近岸海域功能區(qū)水質(zhì)評價；可生成全市地表水水質(zhì)類別分布圖、地表水功能達標狀況分布圖、近岸海域水質(zhì)狀況圖，能開展污染因子及綜合污染指數(shù)趨勢分析。具體需求評價因素較多，不一一贅述。如站位水質(zhì)評價因素包括站位水質(zhì)類別、水質(zhì)達標率、水質(zhì)達標否、達III類標準率、達III類標準否、綜合污染指數(shù)、主要污染指標及最大超標倍數(shù)等。

3.1.2飲用水水質(zhì)評價。能夠按月、季度、水期、年或任意期范圍進行單個飲用水站位水質(zhì)評價、水源地100%達標站位數(shù)及比例、污染因子及綜合污染指數(shù)趨勢分析等，除計算地表水通用因子外，還要計算飲用水專用指標。具體需求評價因素較多，不一一贅述。如單個飲用水站位水質(zhì)評價因素包括28項指標達標率、16項指標達標率、超標項目和頻次、項次達標率、均值超標因子、水質(zhì)類別等。

3.1.3大氣環(huán)境質(zhì)量評價。能夠按月、季度、年及任意時間進行評價；評價指標主要是二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物、降塵，具體為能進行測點/區(qū)域空氣質(zhì)量評價、測點/區(qū)域空氣日報、測點/區(qū)域降水質(zhì)量評價，能生成全市降水酸雨強度分布圖，能進行污染因子及綜合污染指數(shù)趨勢分析。

3.1.4噪聲質(zhì)量評價。能夠?qū)δ軈^(qū)、區(qū)域和交通噪聲進行評價；能開展功能區(qū)噪聲質(zhì)量評價、區(qū)域噪聲質(zhì)量評價，交通噪聲質(zhì)量評價；可生成市區(qū)區(qū)域噪聲聲級分布圖、交通噪聲聲級分布圖。

3.2系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以實用性、穩(wěn)定安全性、靈活擴展性、易操作性為設計原則。系統(tǒng)的總體架構(gòu)縱向上下至上依次為基礎(chǔ)設施層、數(shù)據(jù)資源層、功能層和用戶層。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)層次Fig.3　System logic hierarchical figure of the environmental monitoring data management and evaluation

3.3系統(tǒng)功能體系為了實現(xiàn)系統(tǒng)總體目標，系統(tǒng)包括5大功能體系模塊：系統(tǒng)定制模塊、數(shù)據(jù)導入管理模塊、環(huán)境質(zhì)量評價模塊、環(huán)境質(zhì)量時空特征分析模塊和統(tǒng)計輸出模塊。系統(tǒng)功能體系見圖4。

圖4　環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)功能體系Fig.4　Function system of the environmental monitoring data management and evaluation

4寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于上述的分析設計，以寧波環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析為例，實現(xiàn)了寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于C/S結(jié)構(gòu)，在.NET環(huán)境下，采用C#開發(fā)語言，ArcEngine地理信息組件編程實現(xiàn)，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQL Server。運行環(huán)境：Windows 2003 Server或Windows 2000 professional/XP等操作系統(tǒng)，ArcGIS Engine Developer Kit等GIS軟件，SQL Server 2000或SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及.Net Framwork2.0。

寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境質(zhì)量評價分析定制、基于表格的評價分析結(jié)果定制、多年變化分析以及評價分析結(jié)果GIS表達。主要分為以下7種功能。

(1)基礎(chǔ)功能。包括系統(tǒng)登錄、用戶管理、切換年份、修改密碼、評價模板管理(增加、刪除、編輯模板)、地表水站位評價模板、樣式管理功能，如圖5。

圖5　評價分析模板定制示意Fig.5　Template customized chart of evaluation analysis

(2)數(shù)據(jù)管理功能。包括監(jiān)測數(shù)據(jù)導入、近岸海域數(shù)據(jù)導入、飲用水數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)編輯、監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽功能。

(3)水環(huán)境質(zhì)量評價分析功能。包括飲用水質(zhì)量評價分析(圖6)、地表水環(huán)境評價、湖庫水環(huán)境評價、近岸水域水質(zhì)評價分析功能。飲用水、地表水、湖庫水環(huán)境評價主要實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、水質(zhì)評價功能，水質(zhì)評價是指根據(jù)評價模板及其他參數(shù)能完成飲用水、地表水、湖庫水數(shù)據(jù)評價及評價結(jié)果查看功能，能實現(xiàn)評價結(jié)果的導出、打印功能。如圖7所示，近岸海域水質(zhì)評價功能主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、近岸海域數(shù)據(jù)的評價及評價結(jié)果查看功能；并可根據(jù)提供多年數(shù)據(jù)的比較分析進行地表水、湖庫水水質(zhì)變化分析功能，系統(tǒng)提供了表格、折線圖、柱狀圖等多種分析方式。其他部分的變化分析功能與此相同。

圖6　飲用水質(zhì)量評價分析示意Fig.6　Evaluation analysis of drinking water quality

圖7　飲用水站位評價結(jié)果示意Fig.7　The evaluation result of drinking water stance

(4)大氣環(huán)境質(zhì)量評價分析功能。該模塊實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、空氣質(zhì)量評價、大氣降水評價、空氣質(zhì)量變化分析功能，上述功能均能完成數(shù)據(jù)評價及評價結(jié)果查看功能，如圖8所示。質(zhì)量變化分析分析內(nèi)容豐富，其中空氣質(zhì)量變化分析包括空氣質(zhì)量日報、空氣質(zhì)量日報綜合統(tǒng)計、測站空氣質(zhì)量日報統(tǒng)計、監(jiān)測因子濃度、監(jiān)測因子百分位濃度值、綜合污染指數(shù)、空氣污染指數(shù)、大氣降水內(nèi)容。

圖8　大氣測點評價結(jié)果示意Fig.8　The evaluation result of atmospheric monitoring station

(5)聲環(huán)境質(zhì)量評價分析功能。該模塊實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算、功能區(qū)噪聲和區(qū)域噪聲及交通噪聲質(zhì)量評價功能。功能區(qū)噪聲主要分析功能區(qū)噪聲的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析出噪聲數(shù)據(jù)、晝夜等效聲級圖及功能區(qū)噪聲趨勢；區(qū)域噪聲主要分析區(qū)域噪聲數(shù)據(jù)及區(qū)域噪聲趨勢；交通噪聲主要分析交通噪聲數(shù)據(jù)及交通噪聲趨勢。

(6)GIS地圖功能。如圖9所示，地圖操作主界面主要分為3部分：地圖顯示區(qū)域、圖層控制區(qū)域和地圖工具條區(qū)域。也可實現(xiàn)圖層符號設置、注記設置和圖層屬性表查看等圖層控制操作，可實現(xiàn)地圖保存、地圖縮放、移動、視圖、信息查看、增加圖層、圖片輸出打印等地圖基本操作。

圖9　寧波環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理評價系統(tǒng)GIS操作主界面Fig.9　Operating main interface of GIS

(7)環(huán)境質(zhì)量專題圖功能。環(huán)境質(zhì)量專題圖主要是利用GIS的地圖展現(xiàn)方式，將環(huán)境的日常監(jiān)測數(shù)據(jù)以及分析匯總數(shù)據(jù)進行專題展示，從而讓用戶對監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果有更加直觀的認識，便于領(lǐng)導進行宏觀決策。環(huán)境質(zhì)量專題圖主要分為水環(huán)境質(zhì)量專題圖、空氣環(huán)境質(zhì)量專題圖和噪聲環(huán)境質(zhì)量專題圖3大部分。

5結(jié)語

充分利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮其最大價值是環(huán)境保護管理、決策和預測預警的緊迫要求。該研究在系統(tǒng)分析環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)模型、環(huán)境質(zhì)量評價業(yè)務流程的基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于地理信息技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)在寧波市環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析中的應用表明，系統(tǒng)基本實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學管理、高效查詢、自適應與多維評價的功能，實現(xiàn)了對不同時間、空間尺度的環(huán)境質(zhì)量進行實時地評價分析和形象表達的功能。

參考文獻

[1] 彭衛(wèi)發(fā).基于WEB的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2013.

[2] 唐華麗，王曉紅.GIS技術(shù)在環(huán)境評價領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀[J].山地農(nóng)業(yè)生物學報，2008，27(6)：534-538.

[3] 易敏，吳健平，姚申君，等.GIS在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析中的應用[J].環(huán)境科學與管理，2007，32(12)：148-153.

[4] 馬彥峰，張勇.環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果評價[J].環(huán)境保護科學，2010，36(1)：61-63，68.

[5] 趙曉宏，李時蓓，諸云強．加強基礎(chǔ)庫建設提高環(huán)評科學性[J].環(huán)境保護，2012(22)：59-62.

[6] 環(huán)境信息元數(shù)據(jù)規(guī)范(征求意見稿)[A/OL].[2015-08-10].http：//www.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201011/w020101119385114857627.pdf.

[7] 中華人民共和國環(huán)境影響評價法[A].2003-09-01.

[8] 國家環(huán)境保護總局.環(huán)境數(shù)據(jù)庫設計與運行管理規(guī)范：HJ/T419-2007[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

[9] EL-RAEY M，F(xiàn)OUDA Y，GAL P.GIS for environmental assessment of the impacts of urban encroachment on rosetta region，egypt [J].Environmental monitoring and assessment，2000，60(2)：217-233.

[10] DING L，LEBO T，ERICKSON J S，et al.TWC LOGD：A portal for linked open government data ecosystems[J].Journal of web semantics，2011，9(3)：325-333.

摘要在系統(tǒng)分析環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)模型、環(huán)境質(zhì)量評價業(yè)務流程的基礎(chǔ)上，設計了基于地理信息技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與評價分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)不同主管部門的評價要求，對不同時間、空間尺度的環(huán)境質(zhì)量進行實時的評價分析和形象表達。該系統(tǒng)在寧波市的應用實踐表明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境保護部、浙江省、寧波市的要求，靈活、高效地進行大氣、水、噪聲環(huán)境質(zhì)量的評價分析。

關(guān)鍵詞環(huán)境監(jiān)測；數(shù)據(jù)管理；質(zhì)量評價；地理信息系統(tǒng)

Design and Implementation of Environmental Monitoring Data Management and Evaluation System Based on GIS

FU Wei-hua(Yiwu Industrial & Commercial College, Yiwu, Zhejiang 322000)

AbstractBased on systematical analysis of the environmental monitoring data model and the core process of environmental quality evaluation, environmental monitoring data management and evaluation system was designed and developed based on GIS (Geographic Information System). This system could carry out the real-time evaluation analysis and image expression of environmental quality in different spatiotemporal scale and extent according to the evaluation requirements of different competent departments. The application practice of Ningbo City showed that this system could flexibly and effectively access and analyze the quality of air, surface water and noise according to different evaluation criterions of Ningbo City, Zhejiang Province.

Key wordsEnvironmental Monitoring, Data Management, Environmental quality evaluation, Geographic Information System

收稿日期2015-12-07

作者簡介傅為華(1977- )，男，浙江義烏人，講師，碩士，從事地理信息系統(tǒng)研究。

中圖分類號S 127

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-328-04