霍光杰， 操 麗， 豆靖濤， 顏紫婷

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南省地質(zhì)環(huán)境保護重點實驗室，鄭州 450016；2.武漢中地云申科技有限公司，武漢 430074）

中國是地質(zhì)災害問題極為嚴重的地區(qū)之一，由地質(zhì)災害造成的地質(zhì)環(huán)境問題也層出不窮，給災區(qū)人民社會經(jīng)濟生活與生命財產(chǎn)帶來極大影響. 同時，也給區(qū)域生態(tài)環(huán)境、造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞. 國家不斷提高地質(zhì)環(huán)境監(jiān)管力度，地質(zhì)環(huán)境信息化成為國土資源信息化建設(shè)的重要組成部分［1］. 近幾十年，我國全面開展了地質(zhì)環(huán)境監(jiān)察工作，獲取了海量成果數(shù)據(jù). 但是，數(shù)據(jù)獲取途徑的多樣性和數(shù)據(jù)分布的零散性，給標準化數(shù)據(jù)服務體系構(gòu)建帶來了極大的阻礙，不利于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)孤島效應明顯［2］. 2009年，國土資源部提出積極推動國土資源“一張圖”建設(shè)方針，并將其作為全國國土資源信息化建設(shè)的重要任務［3］. 此后，全國各省市積極展開各類國土資源信息化數(shù)據(jù)庫建設(shè). 同時，國內(nèi)一些學者也對國土資源一張圖進行了研究［4］.例如，徐德軍等從系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容和系統(tǒng)構(gòu)建框架兩個方面研究了國土資源一張圖系統(tǒng)［5］；馬莉探究了市縣級“一張圖”應用系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和運行框架［6］；劉昊等研究了“一張圖”核心數(shù)據(jù)庫設(shè)計及相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)共享等問題［7］. 現(xiàn)階段國土資源一張圖的研究主要側(cè)重于國家或市縣級國土資源“一張圖”框架設(shè)計、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、業(yè)務子系統(tǒng)開發(fā)等方面［8］. 隨著地質(zhì)環(huán)境監(jiān)查技術(shù)的進步，省級地質(zhì)環(huán)境成果數(shù)據(jù)不斷增加，業(yè)務需求不斷更新，現(xiàn)有的地質(zhì)環(huán)境資源數(shù)據(jù)管理中心在國土資源監(jiān)管及提供個性化社會服務方面的瓶頸仍有待突破. 省級地質(zhì)環(huán)境一張圖系統(tǒng)研究仍需加強［9］.

本文依托信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成果和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，基于地質(zhì)災害、礦山、地下水及地質(zhì)遺跡等地質(zhì)環(huán)境監(jiān)管防治的業(yè)務驅(qū)動，設(shè)計河南省地質(zhì)環(huán)境信息化中心，完善河南省地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)體系，設(shè)計服務于省-市-縣三級政府和專業(yè)技術(shù)人員的地質(zhì)環(huán)境“一張圖”信息系統(tǒng)［10］. 該系統(tǒng)應用有助于提高河南省地質(zhì)環(huán)境信息管理和服務水平，為地質(zhì)環(huán)境保護、自然資源調(diào)查、監(jiān)測、評價提供數(shù)據(jù)支撐和決策服［11］.

1 系統(tǒng)設(shè)計

地質(zhì)環(huán)境信息化主要服務于政府、專業(yè)技術(shù)人員，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與保護業(yè)務體系及業(yè)務特點，地質(zhì)環(huán)境一張圖信息系統(tǒng)自底向上可分為：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、信息服務層、信息應用層，標準體系及安全防護體系組成，如圖1所示，具體分析如下.

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logical structure of the system

1）基礎(chǔ)設(shè)施層是信息服務平臺運行的基礎(chǔ)，主要由省級節(jié)點網(wǎng)絡系統(tǒng)、各類通信設(shè)施、服務器、磁盤陣列、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)等組成［12］. 網(wǎng)絡系統(tǒng)由省級節(jié)點內(nèi)局域網(wǎng)、國土資源主干網(wǎng)及省、市、縣地環(huán)節(jié)點與國土節(jié)點連接的專線網(wǎng)絡組成. 省級基礎(chǔ)設(shè)施層主要由自動化監(jiān)測網(wǎng)和應急通信平臺組成. 其中，應急通信平臺是由各種縣級應急指揮系統(tǒng)和多類通信網(wǎng)絡構(gòu)成.

2）數(shù)據(jù)資源層是信息服務及業(yè)務應用層的數(shù)據(jù)基礎(chǔ). 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和多種數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心，為“系統(tǒng)”提供數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)服務［13］. 數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)類型可分為：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析評估數(shù)據(jù)和相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境專題圖等. 最主要的是地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù). 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)包括：地質(zhì)、地貌、構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災害、礦山地質(zhì)環(huán)境、地下水環(huán)境、地質(zhì)遺跡等方面的數(shù)據(jù)資源. 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要包括：基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、地質(zhì)遺跡數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、地質(zhì)災害數(shù)據(jù)、地下水數(shù)據(jù)等.

3）信息服務層是基于SOA框架建設(shè)，是平臺提供服務的樞紐，通過建立應用服務模型，對數(shù)據(jù)資源及應用資源進行管理，支持地質(zhì)環(huán)境各類應用服務，并獲取其他系統(tǒng)提供的服務.

4）信息應用層基于地質(zhì)環(huán)境信息服務層，面向地質(zhì)環(huán)境業(yè)務需求，為社會提供個性化信息服務. 該服務不僅為省級用戶提供信息管理和信息決策服務，也為省內(nèi)各市、縣級用戶提供相關(guān)的管理和決策服務. 同時，也為國家級節(jié)點提供數(shù)據(jù)資源服務.

2 主體功能設(shè)計

2.1 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心

面向地質(zhì)環(huán)境管理需求、業(yè)務需求和為社會經(jīng)濟發(fā)展服務需求，按DB（源數(shù)據(jù)層）-ODS（操作數(shù)據(jù)層）二級結(jié)構(gòu)設(shè)計地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心及管理系統(tǒng)［14］，集成地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測、分析、綜合研究、業(yè)務應用等多源、多尺度、多時空海量數(shù)據(jù)［15］，建立數(shù)據(jù)庫群，設(shè)計地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心，在同一個數(shù)據(jù)庫標準體系下，實現(xiàn)多源地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)存儲、管理及服務. 為系統(tǒng)服務及業(yè)務應用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支持，最終形成系統(tǒng)化的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)標準體系，奠定河南省地質(zhì)環(huán)境大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［16-17］. 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心架構(gòu)圖如圖2所示，主要包括：地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)管理目錄體系建設(shè)、地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理、地質(zhì)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)中心管理、地質(zhì)環(huán)境信息服務產(chǎn)品生產(chǎn).

圖2 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心架構(gòu)Fig.2 Architecture of the geological environment data center

2.1.1 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)管理目錄體系 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)管理目錄是地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心建設(shè)的標準規(guī)范［18］，主要基于地質(zhì)環(huán)境信息化服務的業(yè)務需求，建立數(shù)據(jù)管理目錄的指標體系和具體的數(shù)據(jù)存儲方法，面向河南省現(xiàn)有的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，采用分布式數(shù)據(jù)存儲形式和訪問機理，最終實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的有效管理和個性化定制應用.

2.1.2 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理 此部分是地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的整合與集成的過程，也是提高現(xiàn)有地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)高效共享的重要途徑［19-20］. 該過程主要基于常用數(shù)據(jù)庫和GIS軟件提供的分布式數(shù)據(jù)集成方法，進行二次開發(fā)，研制適用于河南省地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成的輔助工具［21］. 利用數(shù)據(jù)集成工具與多源數(shù)據(jù)集成方案，開展河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、防治與分析等多源的數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)跨平臺、多時序、多源異構(gòu)的地質(zhì)環(huán)境資源集成.2.1.3 地質(zhì)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè) 在地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集與處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合政府及社會對地質(zhì)環(huán)境信息的需求，研究地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)服務內(nèi)容，對現(xiàn)在地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)進行深度分析，依據(jù)多目標的業(yè)務服務需求，提取所需地質(zhì)環(huán)境信息資源，構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境綜合信息數(shù)據(jù)庫，作為地質(zhì)環(huán)境信息化服務系統(tǒng)的管理和業(yè)務服務數(shù)據(jù)庫群. 基于地質(zhì)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的河南省地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心，可以與國家級地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互，最大程度上實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享互通.

2.1.4 數(shù)據(jù)中心管理 該數(shù)據(jù)庫的更新與維護工作是對地質(zhì)環(huán)境綜合信息數(shù)據(jù)庫進行定時更新與維護，是基于下層地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進行維護工作. 同時，數(shù)據(jù)庫應及時更新地質(zhì)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)，以便為各類用戶提供多目標信息服務. 對正在開展建設(shè)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫提出建設(shè)要求，規(guī)范化數(shù)據(jù)庫建設(shè).

2.1.5 地質(zhì)環(huán)境信息服務產(chǎn)品生產(chǎn) 該部分是指研制各種地質(zhì)環(huán)境信息化服務產(chǎn)品，通過地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)為多種用戶和公眾發(fā)布服務. 具體發(fā)布的服務包括：專業(yè)分析專題圖、綜合評價圖、統(tǒng)計分析圖表、典型示范區(qū)數(shù)據(jù)等. 部分地質(zhì)環(huán)境信息可制作成動態(tài)更新的服務產(chǎn)品.

2.2 地質(zhì)環(huán)境信息化服務體系設(shè)計

地質(zhì)環(huán)境信息化建設(shè)的關(guān)鍵是建立系統(tǒng)化的地質(zhì)環(huán)境信息服務標準體系，基于標準化體系，以地質(zhì)環(huán)境“一張圖”的研究思路，實現(xiàn)后期采集獲取的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)與地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)快速高效集成，有序共享，并為用戶提供一站式服務［2］.

基于地質(zhì)環(huán)境信息化服務體系，構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境信息共享服務體系，實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的共享及深度開發(fā)與利用. 依托地質(zhì)環(huán)境信息化服務系統(tǒng)，實現(xiàn)各部門分散系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)互通共享. 同時，通過服務體系提供的數(shù)據(jù)服務和功能服務，對外為應用系統(tǒng)建設(shè)提供服務支撐，并面向為地質(zhì)環(huán)境管理部門、業(yè)務人員、社會公眾提供地質(zhì)環(huán)境信息服務，全面提升信息化條件下政府管理能力和水平. 面向服務體系架構(gòu)是本文服務體系采用的架構(gòu)［1］，把業(yè)務功能和數(shù)據(jù)需求封裝成系列服務，使平臺功能調(diào)用更便捷、更高效，主要包括管理功能和服務功能. 其中，管理功能主要有用戶注冊管理、單點登錄與權(quán)限認證等［3］，服務功能主要包括基礎(chǔ)服務、OGC服務、典型應用服務和其他服務等（圖3）.

圖3 服務體系架構(gòu)Fig.3 The service system architecture diagram

2.3 系統(tǒng)主要功能模塊

地質(zhì)環(huán)境一張圖信息系統(tǒng)將ArcGIS API for JavaScript 與SkyLine有機結(jié)合起來，以構(gòu)建的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，疊加不同專題圖層，實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境綜合信息的瀏覽、查詢、展示、統(tǒng)計分析等功能，確保地質(zhì)環(huán)境空間信息和監(jiān)測專題信息快速高效查詢與分析. 主要功能如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)主體功能Fig.4 Main function of the system

2.3.1 基礎(chǔ)地理信息功能模塊 主要包括空間數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和維護、數(shù)據(jù)服務及展示. 空間數(shù)據(jù)處理是利用數(shù)據(jù)處理工具將影像數(shù)據(jù)按照地質(zhì)環(huán)境一張圖的數(shù)據(jù)要求進行處理. 數(shù)據(jù)管理和維護中圖層管理使用的是由遙感影像生產(chǎn)的DEM 數(shù)據(jù)制作的3D 基礎(chǔ)圖層. 然后，在GIS 軟件中疊加各專題圖和空間地理數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)服務及展示，查看關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)，通過經(jīng)緯度坐標將地質(zhì)環(huán)境業(yè)務數(shù)據(jù)疊加到三維GIS平臺中，并通過特殊的符號顯示出來，用戶選擇符號時可顯示相關(guān)的數(shù)據(jù).

2.3.2 查詢及統(tǒng)計分析功能模塊 基于數(shù)據(jù)字典技術(shù)、公共組件技術(shù)，按照河南省實際業(yè)務需求，定制的各類地質(zhì)災害數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能，主要包括公共組件和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊. 公共組件功能支持按行政區(qū)、自然地質(zhì)環(huán)境單元或任意圈定的范圍，對地質(zhì)災害各類信息進行檢索查詢及統(tǒng)計分析. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析根據(jù)地質(zhì)環(huán)境業(yè)務需求，利用公共組件定制地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊，對指定區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

2.3.3 地質(zhì)環(huán)境信息發(fā)布管理模塊 包括網(wǎng)站信息發(fā)布管理、成果信息發(fā)布管理二個部分. 地質(zhì)災害信息發(fā)布根據(jù)數(shù)據(jù)敏感性，使用多種安全保障措施，依據(jù)用戶需求發(fā)布各種信息. 成果信息主要在專網(wǎng)上發(fā)布，服務對象是從事地質(zhì)環(huán)境保護的政府主管部門及管理人員、專業(yè)技術(shù)人員. 對政府主管部門領(lǐng)導及管理人員發(fā)布的主要是宏觀信息，包括分析評價報告、成果圖、統(tǒng)計分析結(jié)果等；對專業(yè)技術(shù)人員主要是可供其進行分析研究的數(shù)據(jù)、模型、方法及分析應用工具等. 網(wǎng)站信息服務對象主要為社會公眾，通過系統(tǒng)門戶網(wǎng)站發(fā)布.

2.3.4 地質(zhì)環(huán)境“一張圖”功能模塊 主要是利用GIS技術(shù)，對地質(zhì)災害、地下水、礦山環(huán)境、地質(zhì)遺跡信息進行綜合管理，實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境綜合信息的展示與查詢、異常預警及相關(guān)報表的統(tǒng)計下載功能. 通過該系統(tǒng)，相關(guān)用戶能從整體上直觀了解到河南省整個區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境信息，及時掌握實時地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)變化. 地質(zhì)環(huán)境一張圖系統(tǒng)由省級節(jié)點建設(shè)，并結(jié)合河南省地質(zhì)環(huán)境管理實際需求在市縣級進行部署，使用統(tǒng)一標準化數(shù)據(jù)庫，提供基本的數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能，以及專用的業(yè)務功能.

2.3.5 單點登錄功能模塊 主要實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)里面進行用戶身份統(tǒng)一認證和在不同子系統(tǒng)中完成統(tǒng)一授權(quán)管理. 該模塊將角色劃分為承載本系統(tǒng)基本功能的功能角色和承載業(yè)務數(shù)據(jù)范圍的業(yè)務數(shù)據(jù)角色，通過對不同角色配置數(shù)據(jù)表和行政區(qū)劃字典庫，自動地配置該角色的功能和所需數(shù)據(jù).

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

地質(zhì)環(huán)境一張圖信息系統(tǒng)是依托地質(zhì)環(huán)境業(yè)務信息管理需求，以地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，集成地質(zhì)災害、地下水環(huán)境、礦山地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)遺跡等數(shù)據(jù)和業(yè)務功能（如圖5所示）. 基于3D環(huán)境下，采用GIS、三維數(shù)字地球、Oracle、Java、.Net、SOA等技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境綜合信息的一體化管理和業(yè)務信息化. 地質(zhì)環(huán)境一張圖信息系統(tǒng)實現(xiàn)了不同比例尺、不同來源的基礎(chǔ)地理、地質(zhì)以及各類專題數(shù)據(jù)的組合疊加顯示、瀏覽、聯(lián)動查詢、分析、屬性和空間編輯以及業(yè)務應用，為多種用戶提供了地質(zhì)環(huán)境綜合分析應用、管理與決策的一站式信息服務. 綜合考慮地質(zhì)環(huán)境業(yè)務實際需求，基于SOA架構(gòu)技術(shù)，在.Net平臺上，采用C#、Java、JavaScript語言，結(jié)合插件式技術(shù)以及ArcGIS、Sky Line接口編程技術(shù)對一張圖系統(tǒng)進行研發(fā)，部署Tomcat和B/S系統(tǒng)至云平臺，對外提供專業(yè)化服務和綜合地質(zhì)環(huán)境信息化服務. 圖5是地質(zhì)環(huán)境一張圖系統(tǒng)地質(zhì)災害綜合信息管理功能，包括地質(zhì)災害數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計分析、業(yè)務集成、專題圖管理、信息發(fā)布功能，基本實現(xiàn)了地質(zhì)災害管理信息化.

4 結(jié)論

本文按系統(tǒng)理論方法，充分運用環(huán)境地質(zhì)學、網(wǎng)絡工程、軟件工程、數(shù)據(jù)庫理論知識，結(jié)合地理信息技術(shù)、三維數(shù)字地球、衛(wèi)星遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、“云”技術(shù)等高新技術(shù)，通過五大體系設(shè)計、復雜的數(shù)據(jù)資源整合建設(shè)、軟硬件環(huán)境建設(shè)和大量的軟件開發(fā)工作，完成了河南省地質(zhì)環(huán)境一張圖信息系統(tǒng)設(shè)計，為地質(zhì)環(huán)境信息化工作提供了實例和可以借鑒的方法. 但是，系統(tǒng)應用要達到預期效果，還需解決后續(xù)復雜的若干問題，包括數(shù)據(jù)資源整合與入庫問題、數(shù)據(jù)動態(tài)更新和數(shù)據(jù)資源共享機制問題、成果推廣應用問題、經(jīng)費落實和系統(tǒng)進一步完善問題等.