基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)設計分析

朱可嘉，張蓓李，方小兵

（浙江華普環(huán)境科技有限公司金華分公司，浙江金華 321000）

0 引言

近年來，習近平總書記提出新發(fā)展理念和建設美麗中國的目標，其中都蘊含了明確的生態(tài)環(huán)境保護理念，而土壤環(huán)境是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分，土壤環(huán)境保護的重要性毋庸置疑。但是相關部門在監(jiān)測土壤環(huán)境污染時溯源工作比較困難，因此為了提高生態(tài)環(huán)境保護效果有必要基于3S 技術構建土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)，利用3S 技術的優(yōu)點對土壤環(huán)境污染源頭進行準確定位。

1 基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)

1.1 3S 技術

3S 技術是遙感技術（Remote sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global positioning systems，GPS）的統(tǒng)稱，是空間技術、傳感器技術、衛(wèi)星定位與導航技術和計算機技術、通信技術相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現(xiàn)代信息技術。土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)可以根據3S 技術對土壤環(huán)境污染變化情況進行仔細分析，從而直觀地觀察土壤環(huán)境相比之前的變化態(tài)勢，這樣有利于從時間和空間兩個角度增強土壤環(huán)境監(jiān)測效果[1]。

1.2 土壤環(huán)境

土壤環(huán)境實際上指連續(xù)覆被于地球陸地地表的土壤圈層。土壤環(huán)境要素組成農田、草地和林地等；它是人類的生存環(huán)境——四大圈層（大氣圈、水圈、土壤—巖石圈和生物圈）的一個重要圈層，連接并影響著其他圈層。因此，土壤環(huán)境監(jiān)測可以為相關部門保護土壤環(huán)境提供數(shù)據基礎，而保護土壤環(huán)境就相當于保護大氣圈、水圈、生物圈不受污染和破壞[2]。

1.3 土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)

土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)通過布點、采樣、分析、評價等流程對區(qū)域范圍內的土壤環(huán)境質量進行調查，然后將調查結果傳輸?shù)酵寥拉h(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)，最后相關人員在系統(tǒng)中調取某個時間段土壤環(huán)境監(jiān)測信息數(shù)據，即可直觀地了解該區(qū)域土壤環(huán)境在特定時間內的質量變化情況，從而判斷該區(qū)域是否存在土壤環(huán)境污染源。在3S 技術的幫助下，土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以在地圖之上模擬該時間段內區(qū)域土壤污染變化區(qū)域，這樣可以將土壤環(huán)境監(jiān)測信息數(shù)據可視化，從而提高土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的工作效率和質量[3]。

2 基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息平臺

2.1 基礎信息平臺

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測基礎信息平臺可以通過收集并存儲數(shù)據建立對應的土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據庫。數(shù)據收集主要包括地理位置信息和社會經濟信息，地理位置信息可以向基礎信息平臺反饋土壤環(huán)境監(jiān)測結果對應的地理位置信息，而社會經濟信息可以讓土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)對土壤環(huán)境監(jiān)測結果的變化原因進行判斷。為了更好地收集并存儲各方面的數(shù)據，土壤環(huán)境監(jiān)測基礎信息平臺應該與農業(yè)、氣象等部門進行溝通，統(tǒng)一各方面的數(shù)據接口，這樣土壤環(huán)境監(jiān)測信息的收集、傳輸、存儲才會更加方便。

2.2 信息服務平臺

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息服務平臺主要的功能是為各個部門進行數(shù)據溝通和傳輸提供便利和保障，因此信息服務平臺需要具備中間件、模型庫、知識庫和服務器等軟硬件。其中，中間件是連接各個部門信息數(shù)據的核心，為了更好地將土壤環(huán)境監(jiān)測信息與地理位置信息相結合，中間件必須合理使用到時空GIS、WebGIS、三維虛擬模型中；模型庫是土壤環(huán)境監(jiān)測信息服務平臺按照相關標準和協(xié)議處理信息的業(yè)務應用核心；知識庫可以通過土壤環(huán)境監(jiān)測信息的獲取對區(qū)域范圍內土壤環(huán)境污染情況進行判斷；服務器可以為土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)用戶提供檢索和查詢等數(shù)據功能保障，沒有服務器保障則土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)無法正常使用。

2.3 決策應用平臺

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測決策應用平臺的功能是為相關部門提供信息服務，工作人員可以直接通過土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)調用相關數(shù)據對某個區(qū)域和某個時間段內的土壤污染情況進行分析和查看，根據土壤環(huán)境污染結果對環(huán)境保護和治理措施提供有效建議，決策應用平臺可以為相關部門提供決策方面的信息依據。

3 基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)總體設計的目的是將土壤環(huán)境監(jiān)測信息與時間和空間數(shù)據結合起來，通過數(shù)據庫將這些土壤環(huán)境監(jiān)測信息儲存起來，當相關部門工作人員調取相關數(shù)據時即根據時間和空間信息快速完成檢索，從而準確根據可視化數(shù)據完成對目標區(qū)域土壤環(huán)境污染情況的準確判斷。因此，土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)首先需要保證系統(tǒng)架構設計科學合理、功能滿足使用要求，然后通過統(tǒng)一數(shù)據接口和協(xié)議標準確保信息交互共享便利，最后通過對VR、AR、MR 技術的應用讓土壤環(huán)境監(jiān)測信息數(shù)據在虛擬現(xiàn)實空間中可視化。

3.2 運行環(huán)境設計

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)設計可以采用多種架構模式，但是3S 技術下系統(tǒng)的網絡設備構成較多，因此土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)并不能采用單一架構，而應該將多種架構結合起來共同使用，這樣才能保證保障土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件環(huán)境符合要求。本文設計的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)在硬件環(huán)境方面采用的B/S 架構和CIS 架構，軟件數(shù)據庫環(huán)境設計方面采用的是SQLServer 數(shù)據庫。

3.3 邏輯結構設計

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)邏輯結構設計分為信息表示層、應用服務層、數(shù)據存儲層、支撐技術層。信息表示層具體表現(xiàn)為基礎信息平臺，應用服務層具體表現(xiàn)為信息服務平臺，數(shù)據存儲層需要根據規(guī)范的標準和協(xié)議對各個來源的數(shù)據進行存儲，支撐技術層即土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)使用的核心技術。本文設計的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)以3S 技術為基礎支撐，因此支撐技術層的核心技術為3S 技術。

3.4 數(shù)據庫設計

基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)需要同時記錄大量的數(shù)據，這些數(shù)據需要得到妥善保存和備份，這樣才能在工作人員調取數(shù)據時發(fā)揮出應有的作用。為了保證該系統(tǒng)的數(shù)據庫的性能穩(wěn)定，土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)必須使用大型數(shù)據庫系統(tǒng)，分別從邏輯結構、物理結構、遙感影像、安全防護等方面提高數(shù)據庫的設計質量。

3.4.1 邏輯結構設計

土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據庫邏輯結構設計需要先通過明確環(huán)境監(jiān)測點基本屬性表、土壤環(huán)境監(jiān)測點代表實際面積圖、土壤環(huán)境監(jiān)測點代表推算面積圖、土壤環(huán)境監(jiān)測父表、土壤環(huán)境監(jiān)測信息子表、評價標準監(jiān)測項代碼表、評價標準代碼表、土壤環(huán)境監(jiān)測結果父表、土壤環(huán)境監(jiān)測結果子表等邏輯結構明確總系統(tǒng)設計模塊中各個表之間的關系。

3.4.2 物理結構設計

土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據庫物理結構設計需要在SQLServer 數(shù)據庫模式下采用分布式存儲，利用分布式存儲的優(yōu)勢實現(xiàn)空間數(shù)據的收集和共享，這樣可以減少系統(tǒng)對數(shù)據庫的過度占用。土壤環(huán)境監(jiān)測信息數(shù)據量非常龐大，如果不采用分布式存儲方式直接將各類數(shù)據整合起來構建一個總數(shù)據庫，對數(shù)據庫設計開發(fā)人員的要求比較高，容易出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據庫故障，因此采用分布式存儲才是土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)物理結構設計的最佳方案。

3.4.3 遙感影像設計

土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)數(shù)據庫遙感影像設計需要將影像元數(shù)據庫和影像數(shù)據庫的各個圖像關聯(lián)起來，這樣才能方便對遙感影像數(shù)據進行管理和存儲。遙感影像數(shù)據庫在導入影像時可以通過名稱和ID 的當時對影響圖片進行標記，然后通過名稱和ID 進行檢索識別，最后即可將各個層次的遙感影像數(shù)據關聯(lián)起來。遙感影像金字塔如圖1 所示。

圖1 遙感影像金字塔

3.4.4 安全防護設計

土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)安全防護設計的目的是防止數(shù)據泄露或損壞，數(shù)據泄露會導致不法人員利用相關數(shù)據牟取不正當利益，而數(shù)據破壞會導致相關部門依法懲戒土壤環(huán)境污染企業(yè)的有利信息依據，因此數(shù)據信息安全防護設計在整個系統(tǒng)設計中至關重要。設計人員可以通過口令組合+用戶名的方式對登錄用戶進行限制，同時對每個用戶賦予不同級別的權限，這樣即可對土壤環(huán)境監(jiān)測數(shù)據進行有效加密和保護。

4 結論

綜上所述，基于3S 技術的土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)可以通過數(shù)據的方式直觀地反映土壤環(huán)境質量狀況，有利于環(huán)境保護部門及時發(fā)現(xiàn)土壤污染事故，相比傳統(tǒng)土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)定位更加準確。因此，相關部門必須重視對3S 技術的應用，并且及時利用3S 技術的優(yōu)勢對原有土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)進行迭代和更新，這樣才能更好地利用土壤環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)保護土壤環(huán)境不受污染。