基于GIS的環境監測數據管理評價系統的設計與實現

傅為華

(義烏工商職業技術學院，浙江義烏 322000)

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基于GIS的環境監測數據管理評價系統的設計與實現

傅為華

(義烏工商職業技術學院，浙江義烏 322000)

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

GIS以其強大的數據處理、分析計算功能，在環境領域得到了廣泛的應用[2]。21世紀以來，國家環保部組織開發了國家環境監測信息系統(NESMIS)。隨著GIS技術在環境領域的廣泛結合使用，在監測數據審核分析與評價系統開發上也取得較大的發展[3]。目前環境監測信息化建設方面仍存在的主要問題有：①環境監測數據的審核及分析應用仍過多依賴工作人員的經驗，監測數據分析系統的開發與應用仍較缺乏[4]；②難以滿足不同時空尺度的環境質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、評價部門對環境質量評價的需要；④監測數據和評價分析結果無法實時展現在GIS地圖上等[3]。針對這些問題，為實現環境監測數據科學、高效、直觀形象的環境質量評價分析，筆者開發設計了一種靈活的、可適應不同環境保護主管部門、不同評價標準和評價時空尺度的環境監測數據管理與分析系統。

1環境監測數據模型分析

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

環境監測數據庫通常包含4個部分：共用的數據庫表(系統運行，水環境、空氣環境、噪聲環境質量評價時都需要的數據庫表)、水環境監測與評價數據庫表、空氣環境監測與評價數據庫表以及噪聲環境監測與評價數據庫表。共用數據庫主要存放系統運行所需要的基礎字典表，以及水、空氣、噪聲環境質量評價時都需要的公共數據庫表。地表水監測與質量評價數據庫表主要由地表水水質監測原始表、地表水水質監測字典表及取值說明、地表水水質評價表和近海海域水質監測原始表、字典表及取值說明、評價數據庫表構成。空氣質量監測與評價數據庫表主要由空氣質量監測原始表、空氣質量評價字典表及取值、空氣質量評價表構成。噪聲質量監測與評價數據庫表主要由噪聲環境監測原始數據表、噪聲環境字典表及取值、噪聲環境質量評價表構成。環境監測數據庫構成見圖1。

圖1　環境監測數據庫構成Fig.1　Structure diagram of environmental monitoring database

2環境監測數據管理與評價業務流程

環境監測數據管理與綜合分析系統業務流程總體上分為以下4個階段(圖2)：

(1)數據導入管理階段。該階段系統管理員分配好系統

操作的用戶和權限后，數據管理員從已有的國家系統(或環境自動監測數據庫)中導入環境監測數據。

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

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

(4)評價結果可視化輸出階段。評價結束后，通過表格、統計圖表或地理空間圖層，對評價結果進行可視化表達。基于環境監測數據和評價結果，根據隱含的監測點空間位置信息，利用GIS技術，對環境監測點及其評價分析結果進行空間化處理，動態生成空間圖層，從而實現環境質量監測和評價分析結果的可視化。

圖2　環境監測數據管理與評價分析總體業務流程Fig.2　Overall business process of the environmental monitoring data management and evaluation

3環境監測數據管理與評價分析系統設計

3.1系統開發的核心業務分析系統開發的核心業務是對地表水環境質量、飲用水環境質量、空氣環境質量、噪聲環境質量等進行評價分析。

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測因子質量評價、站位水質評價、市控以上站位水質評價、水系水質評價、湖庫水質評價、近岸海域監測因子水質評價、近岸海域站位水質評價、近岸海域功能區水質評價；可生成全市地表水水質類別分布圖、地表水功能達標狀況分布圖、近岸海域水質狀況圖，能開展污染因子及綜合污染指數趨勢分析。具體需求評價因素較多，不一一贅述。如站位水質評價因素包括站位水質類別、水質達標率、水質達標否、達III類標準率、達III類標準否、綜合污染指數、主要污染指標及最大超標倍數等。

3.1.2飲用水水質評價。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評價、水源地100%達標站位數及比例、污染因子及綜合污染指數趨勢分析等，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、水質類別等。

3.1.3大氣環境質量評價。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/區域空氣質量評價、測點/區域空氣日報、測點/區域降水質量評價，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趨勢分析。

3.1.4噪聲質量評價。能夠對功能區、區域和交通噪聲進行評價；能開展功能區噪聲質量評價、區域噪聲質量評價，交通噪聲質量評價；可生成市區區域噪聲聲級分布圖、交通噪聲聲級分布圖。

3.2系統邏輯結構系統以實用性、穩定安全性、靈活擴展性、易操作性為設計原則。系統的總體架構縱向上下至上依次為基礎設施層、數據資源層、功能層和用戶層。環境監測數據管理與評價分析系統邏輯結構見圖3。

圖3　環境監測數據管理與評價分析系統邏輯結構層次Fig.3　System logic hierarchical figure of the environmental monitoring data management and evaluation

3.3系統功能體系為了實現系統總體目標，系統包括5大功能體系模塊：系統定制模塊、數據導入管理模塊、環境質量評價模塊、環境質量時空特征分析模塊和統計輸出模塊。系統功能體系見圖4。

圖4　環境監測數據管理與評價分析系統功能體系Fig.4　Function system of the environmental monitoring data management and evaluation

4寧波市環境監測數據管理與評價分析系統的實現

基于上述的分析設計，以寧波環境監測數據管理與分析為例，實現了寧波市環境監測數據管理與評價分析系統。該系統基于C/S結構，在.NET環境下，采用C#開發語言，ArcEngine地理信息組件編程實現，后臺數據庫采用SQL Server。運行環境：Windows 2003 Server或Windows 2000 professional/XP等操作系統，ArcGIS Engine Developer Kit等GIS軟件，SQL Server 2000或SQL Server 2005數據庫系統及.Net Framwork2.0。

寧波市環境監測數據管理與評價分析系統實現了環境質量評價分析定制、基于表格的評價分析結果定制、多年變化分析以及評價分析結果GIS表達。主要分為以下7種功能。

(1)基礎功能。包括系統登錄、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)數據管理功能。包括監測數據導入、近岸海域數據導入、飲用水數據導入、數據編輯、監測數據瀏覽功能。

(3)水環境質量評價分析功能。包括飲用水質量評價分析(圖6)、地表水環境評價、湖庫水環境評價、近岸水域水質評價分析功能。飲用水、地表水、湖庫水環境評價主要實現了監測數據統計計算、水質評價功能，水質評價是指根據評價模板及其他參數能完成飲用水、地表水、湖庫水數據評價及評價結果查看功能，能實現評價結果的導出、打印功能。如圖7所示，近岸海域水質評價功能主要完成監測數據統計計算、近岸海域數據的評價及評價結果查看功能；并可根據提供多年數據的比較分析進行地表水、湖庫水水質變化分析功能，系統提供了表格、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　飲用水站位評價結果示意Fig.7　The evaluation result of drinking water stance

(4)大氣環境質量評價分析功能。該模塊實現了監測數據統計計算、空氣質量評價、大氣降水評價、空氣質量變化分析功能，上述功能均能完成數據評價及評價結果查看功能，如圖8所示。質量變化分析分析內容豐富，其中空氣質量變化分析包括空氣質量日報、空氣質量日報綜合統計、測站空氣質量日報統計、監測因子濃度、監測因子百分位濃度值、綜合污染指數、空氣污染指數、大氣降水內容。

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

(5)聲環境質量評價分析功能。該模塊實現了監測數據統計計算、功能區噪聲和區域噪聲及交通噪聲質量評價功能。功能區噪聲主要分析功能區噪聲的監測數據，分析出噪聲數據、晝夜等效聲級圖及功能區噪聲趨勢；區域噪聲主要分析區域噪聲數據及區域噪聲趨勢；交通噪聲主要分析交通噪聲數據及交通噪聲趨勢。

(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：地圖顯示區域、圖層控制區域和地圖工具條區域。也可實現圖層符號設置、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　寧波環境監測數據管理評價系統GIS操作主界面Fig.9　Operating main interface of GIS

(7)環境質量專題圖功能。環境質量專題圖主要是利用GIS的地圖展現方式，將環境的日常監測數據以及分析匯總數據進行專題展示，從而讓用戶對監測數據和分析結果有更加直觀的認識，便于領導進行宏觀決策。環境質量專題圖主要分為水環境質量專題圖、空氣環境質量專題圖和噪聲環境質量專題圖3大部分。

5結語

充分利用環境監測數據發揮其最大價值是環境保護管理、決策和預測預警的緊迫要求。該研究在系統分析環境監測數據模型、環境質量評價業務流程的基礎上，研發了基于地理信息技術的環境監測數據管理與評價分析系統。該系統在寧波市環境監測數據管理與分析中的應用表明，系統基本實現了環境監測數據的科學管理、高效查詢、自適應與多維評價的功能，實現了對不同時間、空間尺度的環境質量進行實時地評價分析和形象表達的功能。

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摘要在系統分析環境監測數據模型、環境質量評價業務流程的基礎上，設計了基于地理信息技術的環境監測數據管理與評價分析系統。系統可以根據不同主管部門的評價要求，對不同時間、空間尺度的環境質量進行實時的評價分析和形象表達。該系統在寧波市的應用實踐表明，該系統能夠根據環境保護部、浙江省、寧波市的要求，靈活、高效地進行大氣、水、噪聲環境質量的評價分析。

關鍵詞環境監測；數據管理；質量評價；地理信息系統

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