包头市基于GIS的环境监测与管理决策支持系统研究

【摘要】本文在总结和借鉴国内外环境监测决策支持系统的先进经验和发展趋势基础上，在环境质量监测中结合地理信息系统、数据库技术、网络通信技术，设计包头市环境监测与管理决策支持系统。依据空间信息的数据库、模型库、知识库,设计和建立环境监测与管理决策支持系统,其目的是综合应用遥感和地理信息系统,对包头市的环境资源问题及时地进行监测分析,为促进包头市的可持续发展提供辅助决策支持。

【关键词】环境质量；在线监测；地理信息系统；环境监测；决策支持系统

为提高包头市环境监测水平，同时为管理提供决策支持的信息，及时动态地了解和掌握全市污染源监测情况、排污现状信息，利用GIS技术，通过分析污染源数据的空间分布，监测不同时段的污染数据变化，实现对各类信息有效的动态管理，使大量抽象的环境数据变得可视化和易于理解，为政府决策提供科学依据。

以我市重点污染源在线监测数据库和监督性监测数据库为基础，结合地理空间数据库，充分利用先进的数据库技术、计算机网络技术，以实用化、简捷化、可视化为主要特征，依据环境保护相关制度及其办理程序，以环境保护日常业务管理信息化为主要内容，建设完成包头市环境监测与管理决策支持系统，为环境保护的现代化管理提供信息服务和技术支持，为管理人员提供高效的管理手段。

1.决策支持系统建设的主要内容

1.1主要业务数据库的构建及数据处理模块；

环保综合数据库的数据来自于我市的污染源在线监测系统、我市一年四个季度的监督性监测数据、污染源普查数据等其他数据，数据处理系统实现对数据的录入、审核、汇总等，环保综合数据库支撑环保应用系统。

系统总体框架如图1所示：

该系统包含在线监测数据模块、监督下监测数据模块、其他数据模块、系统管理模块以及地理信息系统模块等五个模块，系统管理模块负责管理系统使用者的权限、用户名和密码，在系统中处于相对独立的地位。系统从总体上可划分为数据输入功能，空间数据管理功能，属性数据管理功能以及数据输出功能等四部分。

为了给大规模业务系统的建设与应用打下坚实的基础，首先要做好的就是业务数据的梳理及包括环境管理空间数据在内的各类业务数据的全面、细致的数据中心的建设。

将我市的环境监测数据；环境质量固定统计表；污染源排放标准；包头市水质监测数据报表；包头市区域环境噪声监测结果；包头市交通干线噪声监测报告；功能区环境噪声测试结果；包头市降水监测数据报表；包头市大气监测数据报表；土壤监测结果；废气和粉尘测试结果；环境管理空间数据；空间数据等录入数据库。环境数据库平台为环保综合信息应用系统的基础数据平台，用于统一组织、存储和管理环境保护部门的全部工作数据，从底层实现环保基础数据、地理信息数据和业务数据的共享。环境数据库应符合环境保护部数据中心建设总体要求，遵循《环境数据库设计与运行管理规范》相应要求。采用Web Service数据访问技术、ETL数据加工分析技术、数据仓库技术等整合环境管理各项业务数据，并通过对数据的整理、加工、挖掘、分析，提取综合、有效的环境数据结果，为环境数据的提供支撑，为环境管理决策提供数据支持。

1.2GIS平台建设及部分GIS专题图层的开发；

通过数据中心，可以对空间数据进行分类管理，如设置为环保专题图层、基础图层和影像图层等，方便用户的管理及各应用系统的调用。

空间数据建库，在充分考虑空间数据的数据格式以及地图比例尺、地图投影、地理坐标系统等地图特殊因素，以及整个数据库的冗余度、一致性和完整性等问题基础上，建立地理空间数据库及各种与环境管理工作需要的地理数据。

根据地理数据的种类和属性特征，利用空间数据存储的扩展式关系存储方式进行分层和分幅存储与管理，允许用户在多种数据库管理系统中管理并使用这些地理信息数据。利用空间索引技术与传统的数据检索相结合，调用各类地理空间数据。主要包括：区域、主要道路执行的环境噪音标准图层；主要河流执行标准图层；空气环境执行标准图层；其他专题图层。

空间数据新增与维护，针对空间数据中的基础类图层，适宜用ArcGIS系列工具实现数据的新增与维护，但是针对环保专题图层，特别是污染源企业排口、在线监控设备等点位信息的新增与维护，可以在数据中心中，结合每一条属性数据完成，这样也同时完成了空间与属性数据的挂接。

2.决策支持系统的功能

2.1地理信息系统的基本功能

在该功能模块中可以浏览电子地图，以及对地图的基本操作。基本操作包括放大、缩小、漫游、全图、选择、信息查询、量距等基本操作。

2.2空间数据查询功能

在传统的MIS系统中，查询只是基于数据的查询。而对于本系统，应更加将查询功能扩展到地理空间范围。无论是定制查询还是高级查询，其查询条件应都可以加入对于地图区域的约束条件，即在指定了正常的查询条件的同时，用户也可以以地图范围（包括城市、区县、乡镇轮廓、用户指定的任意选区范围等）为过滤条件，对数据进行筛选。实现更加精确，更加有效的查询结果。数据查询如图2所示：

而对于本系统，应更加将统计功能扩展到地理空间范围。无论是定制统计还是高级统计，其统计条件应都可以加入对于地图区域的约束条件，即在指定了正常的统计条件的同时，用户也可以以地图范围（包括城市、区县、乡镇轮廓、用户指定的任意选区范围等）为过滤条件，对数据进行筛选。实现更加精确，更加有效的统计结果。

在地图上任选一个点，在系统弹出的提示框中输入相应的范围，系统会按照所选的点位和所输入的范围数值，生成以此点为圆心，输入数值为半径的圆形区域专题图，可供用户针对此区域进行专题图分析查询操作。如图3所示：

任意区域数据查询，在地图范围内可任意划选某一不规则多边形，可在此区域上进行GIS图层或数据的专题图分析。

道路区域数据查询，可在地图上选择某一道路或多条道路，在系统弹出的提示框中输入相应的范围数值，系统会按照所选道路，在周边形成以此道路为中轴，所输入范围为轴距的区域专题图，供用户针对此区域进行专题图分析查询操作。

2.3空间数据分析

GIS空间分析子模块的功能是在地址匹配、制图输出、信息标绘等模块的基础上，提供的更高级的空间分析模块，因此也是面向高级用户使用的模块。通过将地理空间目标划分为点、线、面不同的类型，可以获得这些不同类型目标的形态结构，将空间目标的空间数据和属性数据结合起来，可以进行许多特定任务的空间计算和分析。

空间统计分析，统计分析主要是将大量未经分类的数据输入信息系统数据，然后要求用户建立具体的分类算法，以获得所需要的信息，并将其以直观的图形的方式展现出来，分类评价中常用的几种数学方法有：主成分分析、层次分析、聚类分析、判别分析。其主要应用于区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用空间分析模块，对整个系统的环境质量现状进行客观全面地评价，以反映出区域中受污染或影响的程度以及空间分布情况。

缓冲分析，缓冲分析是解决临近度问题的空间分析工具之一。所谓的缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。缓冲区分析主要应用的领域就是污染源管理及环境应急领域，通过缓冲分析可以用户可以直观的看到污染事故一定影响范围内存在的敏感单位数量、信息等。

行业专题图分析，针对不同行业，系统可以结合时间、区域等纬度进行各种专题分析应用。如：输入农业行业代码后，系统会自动筛选出此行业类别下的各点位，针对这些点位可进行相应的GIS查询、操作、分析，形成用户所需要的专题图。

行政区域专题分析，行政区域专题分析主要分为特定区域专题分析以及其他区域专题分析，系统可以将大量未经分类的数据输入信息系统数据，然后要求用户建立具体的分类算法，以获得所需要的信息，并将其以直观的图形的方式展现出来。

其主要应用于对污染源的排污数据结合，利用空间分析模块，对整个系统的环境质量现状进行客观全面地评价，以反映出区域中受污染或影响的程度以及空间分布情况。展现形式包括区域渲染图、模数图、彩云图、等值线图等多种方式。

环境质量专题分析功能，大气环境质量信息图，分层和全部显示大气国控、省控、市控重点污染源，大气环境功能区划和所有大气环境监测点，按年度分市区、县（市）显示环境质量。

地表水水环境质量图，分层和全部显示水国控、省控、市控重点污染源及主要河流、水环境功能区划、地表水饮用水源及保护范围、水环境质量监测点包括国控、省控、市控、出境水、饮用水源等断面，按年度分综合和COD、氨氮等单因子显示环境质量，包括达标率。

在查询条件栏目中输入或者选择某一流域，点击查询后，即可形成相应的流域专题图，在此专题图上可进行相应的GIS查询、操作、分析等操作。即为以地图上选定的某一个或若干个点为圆心，以用户输入的长度为半径，确定一个圆，查询这个圆内的所有对象相关信息。这种方式的查询便于用户查询一个区域内的企业情况。

3.结论

将GIS技术应用在包头市环境保护管理工作中，可以解决环境保护工作中错综复杂的问题，许多多学科交叉的问题在这里得以解决。可以将环境监测、环境统计中的数据和空间数据相结合，使数据具有空间属性。在地图上进行空间性分析和时间性分析，为包头市环境保护工作的决策支持提供了强大的技术支持。