礦區生態安全監測與預警系統設計及實例研究

張 可 慧，劉 劍 鋒，2＊ ，孫 雷 剛，2

（1.河北省科學院地理科學研究所，河北 石家莊 050021；2.河北省地理信息開發應用工程技術研究中心，河北 石家莊 050021）

日益增長的礦山開發造成的生態安全問題愈發嚴重，礦區生態安全已成為生態安全研究領域中的一項重要研究內容。3S及空間數據庫等技術為礦山生態環境的相關研究提供了可靠數據源和技術手段［1］。目前，國內研究多以單目標或某類目標遙感調查為主［2－4］，多因素綜合的小尺度區域礦區生態安全評價與預警研究尚處于起步階段，更缺乏面向部門應用的礦區生態安全監測與預警系統。近年來隨著國產遙感技術的發展，尤其是高分系列衛星的發射，為礦區生態安全監測與預警提供了低成本、高時空分辨率的數據源，加之社會經濟及環境監測共享數據獲取渠道更加豐富和便捷、成熟的本底數據庫，可實現對小尺度區域礦區生態安全狀況的短時間跨度動態監測、評價及預警。因此，本文基于ArcGIS、ArcSDE、Microsoft Visual C＃.NET平臺技術、統一建模語言等，研建了礦區生態安全監測與預警系統，在實現礦區生態安全監測與預警的業務化方面做了有益嘗試。

1 系統總體設計

1.1 系統總體結構

根據礦區生態安全監測與預警的要求，系統的建設目標主要是綜合管理礦區生態安全涉及的各評價指標數據信息及基礎本底數據，通過GIS空間分析等功能和核心模塊實現對礦區生態安全的監測、評價與預警。核心模塊包括數據庫設計與建設、管理專業數據、圖層的多源數據集成管理模塊；利用GIS空間分析功能對礦區生態安全進行專題評估分析的GIS功能模塊；專題評價核心模塊；生態安全預警模塊。

多源數據集成管理模塊主要包括以下功能：實現矢柵數據的統一管理，可以方便地管理、維護海量數據，并采用統一的空間數據引擎對數據進行提??；支持數據導入導出功能，專業數據通過人機交互界面導入到數據庫中，數據庫中的數據也可以依據條件選擇導出；支持數據更新、維護功能，可以對數據庫中的數據進行交互式編輯更新，實現對礦區生態安全的動態監測。

GIS功能模塊由地圖瀏覽、地圖定位、地圖量測和查詢統計功能四部分組成。專題評價模塊對各種專業數據進行分析，主要包括地質災害數量及潛在危險源評估、粉塵及大氣污染評估、礦業活動影響評估、坡耕地面積評估、礦區環境治理度評估、農藥及重金屬等土壤污染評估、地質環境評估、地形要素評估、植被狀況評估、生態環境治理度評估［1］等。預警模塊采用基于“P-S-R”框架理論的評價模型對礦區生態安全各個量化指標進行計算并得出評價結果，將綜合評價結果劃分為安全、較安全、一般、較不安全和不安全5個生態安全等級，并分別給出不同的預警狀態。

由于系統要求對多源數據進行集中管理，系統框架需具備良好的可擴展性和靈活性，同時對數據庫安全性要求較高，數據更新維護等需要專業人員操作，用戶群主要為專業人群，因此比較適合采用C／S結構的整體系統架構。

1.2 系統架構設計

本文系統的建立以評價指標文件管理系統為核心，以人機交互界面為載體，形成多源數據管理、地圖視圖和布局視圖基本功能模塊、指標圖層數據統計模塊、評價指標權重系統配置模塊及評價模型計算與預警分析模塊。系統自上而下分為用戶層、功能層和數據層。用戶層指使用該系統的各類用戶，通過人機交互界面與系統發生聯系；功能層為系統價值的核心實現層，以系統平臺為載體解析用戶提出的所有請求，并從數據層獲取數據支持，運算后將結果通過系統界面反饋給用戶；數據層是整個系統的底層支持，通過操作系統的文件管理系統，為功能層的所有模塊提供基礎運算數據。系統總體架構邏輯結構如圖1所示。

2 系統設計的關鍵技術

2.1 面向對象的軟件工程技術

軟件工程技術分階段的程序獨立任務設計適合于礦區生態安全分層次信息分析及龐大數據量處理與調用的要求，但傳統的軟件工程技術采用的是結構化分析與設計技術，在某種程度上忽略了系統的擴展性和穩定性，面向對象技術（OOA＆OOD）將自然領域問題與軟件技術相融合，以研究對象為實體，封裝各種屬性與操作，實現系統的穩定性、可擴充性、繼承性與靈活性，為軟件工程技術提供了新的契機。本文系統采用OOA＆OOD方法，應用Rational統一開發過程（Rational Unified Process，RUP）進行輔助系統設計。系統分數據管理、任務管理、問題論域、用戶界面四部分，采用UML建模語言進行開發，完成系統動靜形態的建模和可視化。

2.2 組件與 Microsoft Visual C＃.NET平臺

組件（component）技術以其重用性、自包容性、可定制性和互操作性成為礦區生態安全監測與預警系統的重要支撐技術。通過對系統的單因子分析、生態安全綜合評價、預警分析模塊的設定，在編制基礎組件程序的基礎上，讓用戶通過可重用的組件定制特定的應用程序，保證調用和應用方便，避免了面向對象技術系統編程過程中較低層次的重復性勞動。組件采用.NET／CLR，組件間接口通過IDL定義，其與平臺無關，二進制兼容，使用者可直接調用執行模塊。

Microsoft Visual C＃.NET平臺可實現跨技術邊界的無縫通信，保證程序代碼的安全性，控制代碼間的沖突，可提供面向用戶應用程序設計的友好平臺。在礦區生態安全監測與預警系統開發中采用C＃語言編譯器，為高級用戶復雜分析的組件選擇提供技術支撐。

2.3 空間和非空間數據的關系數據庫一體化存儲

礦區生態安全監測與預警系統中涉及點、線、面等矢量空間數據、由遙感數據源獲得的柵格空間數據以及各種屬性數據和描述性數據等非空間數據。有效地整合和管理空間和非空間數據，將提升系統的應用效率。采用關系數據一體化存儲空間與非空間數據，是GIS技術發展的最新趨勢。本文利用ESRI的ArcSDE，把空間數據空間拓撲關系、幾何地理坐標及屬性數據存儲在關系表中，拓展了傳統空間數據庫的存儲和管理模式，可實現海量數據開放性管理，具有很強的并發控制能力和可擴充能力，利用SQL語言實現數據庫各項操作功能，實現真正的C／S結構。

2.4 WinForm窗體界面設計技術

WinForm是.NET開發平臺中的一種窗體設計方案，可用于設計窗體和可視控件，以創建豐富的Windows應用程序和軟件。基于WinForm開發軟件系統，可充分利用公共語言運行庫，簡化開發流程和周期。同時，基于WinForm和.NET框架平臺，有大量第三方公司推出的組件式自定義控件，提供便捷、美觀的人工交互接口（User Interface）和功能，輔助研發人員快速搭建應用系統。

2.5 GIS空間數據庫設計

GIS空間數據庫系統通過對圖層類型及名稱、數據字典等的配置實現對空間數據的使用和管理。設計原則為：遵循空間數據的連續無縫組織架構；按分類、分層、低冗余度、高共享性、獨立性等原則聚集數據；系統及數據易更新維護等。空間數據管理以ArcSDE為核心，構建C／S架構下的面向對象的空間數據庫管理系統。利用元數據管理，對遙感影像等進行切片、壓縮以提高數據使用效率，數據采用分布式配置。

GIS空間數據庫中柵格數據主要是礦區遙感影像、DEM、NDVI等，在ArcSDE中統一按照Raster Dataset形式存儲，建立影像金字塔索引，提高存取效率。矢量數據包括水系、交通等礦區基礎本底數據及土地利用覆被、采樣數據等專題數據。在ArcSDE中統一進行數據入庫化預處理，按照FeatureDataset數據集方式存儲，單個矢量數據轉成Feature-Class類型，分別建立空間索引，提高存儲查詢效率。

3 系統實現實例

根據上文系統設計，以井陘礦區為實例進行系統原型實現。針對項目業務需要，系統建設目標主要是通過綜合管理多源數據，建立礦區生態安全綜合評價與預警模型，為決策機構提供決策依據。系統的分層結構使得各個層級上的組件在不影響系統其他部分的情況下進行更新、增加、刪除或替換等操作。因此，系統更新維護更便捷、安全可靠，成本可控。系統實現的文件菜單及基本操作界面如圖2所示。專題評價預警模塊為系統核心模塊（圖2），主要包括評價指標圖層顯示、權重參數配置及評估模型計算等功能。該模塊支持對評價指標權重的自主輸入和修改配置，或者通過參數文件（.xml格式）導入配置，供評價預警模型計算使用。

4 結語

本文基于Microsoft Visual C＃.NET平臺及ArcSDE等技術開發了礦區生態安全監測及預警系統，該系統配置靈活、運行良好，為實現基于多源遙感數據及數據庫的礦區生態安全監測及預警的業務化運行做了有益嘗試，也為進一步研發自動化程度更高的業務化系統奠定了理論及技術基礎。

［1］ 劉劍鋒，張可慧，馬文才.基于高分一號衛星遙感影像的礦區生態安全評價研究——以井陘礦區為例［J］.地理與地理信息科學，2015，31（5）：121－126.

［2］ 劉智，黃潔，邵懷勇，等.RapidEye衛星影像在1：50 000礦山開發遙感調查中的應用研究［J］.國土資源遙感，2010，83：127－129.

［3］ 陳偉濤，張志，王焰新，等.礦山地質環境遙感監測方法初探［J］.地質通報，2010（2－3）：457－462.

［4］ 甘甫平，劉圣偉，周強.德興銅礦礦山污染高光譜遙感直接識別［J］.地球科學，2004，29（1）：119－126.