第5章-环境地理信息系统课件

5.1 地理信息系统地理信息系统(GIS)概述概述5.2 环境地理信息系统概述环境地理信息系统概述5.3 环境虚拟与模拟环境虚拟与模拟5.4 EGIS的设计与开发的设计与开发第第5章章 环境地理信息系统环境地理信息系统5.1 地理信息系统地理信息系统(GIS)概述概述（1）地理信息与地理数据地理信息与地理数据 地理信息地理信息表征地理圈或地理环境固有要素或物表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息是有关地理实体字、图像和图形等的总称。地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。在地理信息中，其位置是通它是对地理数据的解释。在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。息的最显著的标志。地理数据地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分5.1.1 5.1.1 基本概念基本概念（3）地理信息技术）地理信息技术:是采集、存储、管理、分析和显示地理信是采集、存储、管理、分析和显示地理信息的技术。息的技术。RS：Remote Sensing不接触到地物，基于声纳、电磁波和重不接触到地物，基于声纳、电磁波和重力场采样，获取和解释环境空间数据，发掘地表信息的技术。力场采样，获取和解释环境空间数据，发掘地表信息的技术。GPS：Global Positioning System是基于地球轨道卫星无线电是基于地球轨道卫星无线电导航定位系统。具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全导航定位系统。具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候和实时性。球性、全天候和实时性。GIS:Geographic Information System 是地理信息技术的核心。是地理信息技术的核心。GIS信息获取与输入信息获取与输入数据存储与管理数据存储与管理数据查询与分析数据查询与分析成果表达与输出成果表达与输出RS already be used to monitor various natural disastersDrought Fire台风/风暴Marine DisasterGeological Disaster Plant Insect FloodTyphoon/Storm Dust StormAirplane-Satellite-Ground Monitoring System National Disaster Management Information SystemGIS的发展历史6060年代年代GISGIS的开拓期的开拓期7070年代年代GISGIS的巩固发的巩固发展期展期注重于空间地理信注重于空间地理信息的管理息的管理8080年代年代GISGIS的大发展的大发展时期时期9090年代至今年代至今GISGIS的用的用户时代户时代注重于空间决策支注重于空间决策支持分析持分析逐步向实用化、业逐步向实用化、业务化、规模化和专务化、规模化和专业化的方向发展业化的方向发展GIS进入信息高速进入信息高速公路计划和数字地公路计划和数字地球构想球构想美国成立美国成立NCGIA中国成立了资源与中国成立了资源与环境信息系统国家环境信息系统国家重点实验室重点实验室诞生了诞生了80多个多个GIS软软件（件（ESRI成立于成立于1969年）年）美国的美国的DIMEDIME、加拿加拿大的大的GRDSRGRDSR注重空间数据的地注重空间数据的地学处理学处理（3）地理信息系统）地理信息系统地理信息系统的定义是由两个部分组成的。地理信息系统的定义是由两个部分组成的。地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影。地理信息系统是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影。GIS的定义的定义 在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展起来。边缘学科而迅速地兴起和发展起来。GIS=数据库数据库+计算机地图制图计算机地图制图+空间分析空间分析GIS可以回答的问题1）位置（）位置（Locations）即在某个特定的位置有什么。即在某个特定的位置有什么。2）条件（）条件（Conditions）即什么地方有满足某些条件的东西。即什么地方有满足某些条件的东西。3）变化趋势（）变化趋势（Trends）该该类类问问题题需需要要综综合合现现有有数数据据，以以识识别别已已经经发发生生了了或或正正在在发发生生变化的地理现象。变化的地理现象。4）分布规律分布规律（Patterns）该该类类问问题题是是分分析析与与已已经经发发生生或或正正在在发发生生事事件件有有关关的的因因素素。（如如交交通通事事故故：地地点点？与与时时间间有有关关？是是不不是是在在特特定定的的路路口口？在这些路口有什么？在这些路口有什么？5）模型建模（）模型建模（Models）假如）假如该该类类问问题题的的解解决决需需要要建建立立新新的的数数据据关关系系以以产产生生解解决决方方案案。（如超市警察局选址问题）（如超市警察局选址问题）（3）地理信息系统类型）地理信息系统类型 专题地理信息系统（专题地理信息系统（Thematic GIS），），是具有有限目标和专业特点是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。例如，森林动态监测信息的地理信息系统，为特定的专门目的服务。例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、水土流失信息系统等。系统、水资源管理信息系统、水土流失信息系统等。区域信息系统（区域信息系统（Regional GIS），），主要以区域综合研究和全面的信主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。分区或流域为单位的区域信息系统。地理信息系统工具（地理信息系统工具（GIS Tools），），是一组具有图形图像数字化、存是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系软件包。它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的，具有对计算统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的，具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统，也可以用作用性信息系统，也可以用作GIS教学软件。教学软件。信息系统非空间信息系统专题地理信息系统地理信息系统非地理信息系统管理信息系统综合地理信息系统CAD/CAM空间信息系统地籍GIS交通GIS资源与环境GIS规划与管理GIS数据模型矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS研究范围全球GIS区域GIS研究内容GISGIS在信息系统中的位置在信息系统中的位置5.1.2 5.1.2 地理信息系统的组成地理信息系统的组成 系系 统统 软软 件件 系系 统统 硬硬 件件空间空间数据数据软件硬件数据人员管理应 用 对 象（1 1）计算机硬件系统）计算机硬件系统输入设备输入设备专用设备专用设备常规设备常规设备GPS全数字摄影全数字摄影测量工作站测量工作站解析和数字解析和数字摄影测量仪器摄影测量仪器遥感与遥感遥感与遥感图象处理系统图象处理系统全站仪全站仪扫描仪扫描仪数字化仪数字化仪键盘、鼠标键盘、鼠标处理设备处理设备工作站工作站服务器服务器硬盘阵列硬盘阵列存储设备存储设备活动硬盘活动硬盘光盘机光盘机磁带机磁带机输出设备输出设备绘图仪绘图仪终端终端打印机打印机GIS的主要应用程序及与硬件的关系的主要应用程序及与硬件的关系 输入、数据采集（输入、数据采集（数字化仪、扫描仪数字化仪、扫描仪）建库、数据管理（建库、数据管理（服务器、工作站服务器、工作站）查询、空间分析（查询、空间分析（服务器、工作站服务器、工作站）决策支持、上网（决策支持、上网（服务器、工作站、服务器、工作站、）制作专题图（制作专题图（服务器、工作站）服务器、工作站）输出（输出（绘图仪绘图仪）（2 2）计算机软件系统）计算机软件系统操作系统（系统调用、设备运行、网络等）系统库（编程语言、数学库等）标准软件（图形、数据库等）GIS基本功能软件GIS应用软件用户界面GIS软件软件基础软件基础软件系统软件系统软件GIS矢量模式矢量模式 栅格模式栅格模式 真实世界真实世界(3)(3)空间数据空间数据栅格数据概念栅格数据概念栅格数据概念栅格数据概念 栅格数据（raster data）:将制图区域的平面表象按一定的分解力作行和列的规则划分,就形成了一个阵列,其中每个栅格也称”像元”或”像素”.根据所表示的表像信息,各个像元可用不同的”灰度值”来表示,但每个像元被认为是内部一致的基本单元.换句话说:由平面表像对应位置上像元灰度值所组成的矩阵形式的数据就是栅格数据。栅格数据概念栅格数据概念栅格数据概念栅格数据概念 如果一个图像的灰度值只有两种,通常用”1”表示前景元素,用”0”表示背景元素,则这个图像也称”二值图像”.在栅格数据中,二值图像的每个像元只能用计算机中的一位”bit”表示.在这种表示法中,数据虽可得到高度压缩,但不适宜表示多种制图要素在同一幅图像上出现的情况.为了区分制图物体的类型属性,可以使不同制图要素上的像元带有不同的灰度值.因此需要为每个像元开辟计算机中的若干位(通常为一个字节),以便存放不同的灰度值.栅格数据中的点线面点点：表示为单个像元。：表示为单个像元。线线：在一定方向上连接成串的相邻：在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。像元的集合。面面：由聚集在一起的相邻像元的集：由聚集在一起的相邻像元的集合。合。栅格数据（栅格数据（栅格数据（栅格数据（1 1）栅格数据（栅格数据（2）栅格数据（栅格数据（3）上海东方明珠电视塔上海东方明珠电视塔故宫故宫栅格数据（栅格数据（4）矢量数据（VectorData）是在直角坐标系中，用X、Y坐标表示地图图形或地理实体的 置和形状的数据。矢量数据一般通过记录坐标的方式来尽可能将地理实体的空间位置表现的准确无误。矢量数据概念矢量数据概念矢量数据概念矢量数据概念矢量数据（矢量数据（矢量数据（矢量数据（1 1）矢量数据（矢量数据（2）矢量数据（矢量数据（3）矢量矢量+栅格（栅格（1 1）矢量+栅格（2）邻接邻接相交相交重合重合相离相离包含包含点点点点点点线点点面面线线面面面面面面线线线矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较栅格格数据数据结构构矢量数据矢量数据结构构优点点1 数据数据结构构简单2 便于空便于空间分析及地理分析及地理现象的模象的模拟3 易于与遥感数据和易于与遥感数据和DTM结合合1 数据数据结构构紧凑，冗余度小凑，冗余度小2 便于网便于网络分析与拓扑关系分析与拓扑关系3 图形形显示示质量好，精度高，且便于制量好，精度高，且便于制图4 便于面向便于面向对象表示象表示缺缺点点1图形数据量大形数据量大2 图形投影形投影转换比比较难3 图形形显示示质量差量差4 不易表示空不易表示空间拓扑关系拓扑关系1 数据数据结构复构复杂2 缺乏同遥感数据及缺乏同遥感数据及DTM结合的能力合的能力3 信息复合信息复合难度大度大4 对硬硬软件技件技术要求高要求高5.1.3 5.1.3 地理信息系统的功能地理信息系统的功能5.1.3.1 地理信息系统的地理信息系统的应用模式应用模式单机式单机式输 出用户组1输 入GIS中央数据库与网管Intranet用户组n局域网模式局域网模式输入输入GIS中央中央数据库数据库（服务器）（服务器）图象图象处理系统处理系统局域网局域网用户组用户组输出输出多媒体多媒体系统系统用户用户用户用户主主 干干 网网Internet广域网模式广域网模式5.1.3.2 地理信息系统的地理信息系统的功能功能（1）数据获取与输入）数据获取与输入 包括数字化、编辑、数据变换，建立拓扑关系、包括数字化、编辑、数据变换，建立拓扑关系、指明属性等。指明属性等。现实世界现实世界文字报告、文字报告、遥感图象遥感图象等等数字化仪数字化仪扫描仪扫描仪解析测图仪解析测图仪键盘键盘 等等编辑、接边、分层、图形编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等与属性连接、加注记等 以地理数据库模型为基础，实现地理数据存以地理数据库模型为基础，实现地理数据存储、查询、检索、恢复与更新。包括安全保护、储、查询、检索、恢复与更新。包括安全保护、异构数据管理。异构数据管理。栅格数据结构栅格数据结构 矢量数据结构矢量数据结构 栅格与矢量数据结构的转换栅格与矢量数据结构的转换 GIS空间数据库空间数据库（2）数据存储与管理）数据存储与管理矢量图 栅格图（3）空间分析与计算）空间分析与计算 通过各种专业计算模型，如空间测量、叠加通过各种专业计算模型，如空间测量、叠加分析、缓冲区分析、定距离空间搜索、网络分分析、缓冲区分析、定距离空间搜索、网络分析、数字地面模型和空间统计模型等，实现数析、数字地面模型和空间统计模型等，实现数据转换、分析与模拟。据转换、分析与模拟。空间数据库空间数据库道路的噪音影响范道路的噪音影响范围围?街道中心线街道中心线空间检索空间检索城市环境评价城市环境评价 缓冲区分析：缓冲区分析：一个围绕地理空间特征或特征集按适当一个围绕地理空间特征或特征集按适当距离生成的多边形区域。缓冲区分析可以用于环境污染物扩距离生成的多边形区域。缓冲区分析可以用于环境污染物扩散、污染物影响范围、物种保护的核心区与缓冲区分析，是散、污染物影响范围、物种保护的核心区与缓冲区分析，是数字环境的常用分析工具。数字环境的常用分析工具。空间查询：空间查询：位置查询、条件查询、趋势查询、模式查询、位置查询、条件查询、趋势查询、模式查询、模拟查询模拟查询空间数据库空间数据库哈尔滨在哪哈尔滨在哪里？里？空间查询空间查询属性查询属性查询78路公交路公交经过哪些经过哪些站？站？叠加分析叠加分析空间数据库空间数据库 为某工厂选址，首先为某工厂选址，首先找出地价找出地价1万元万元/m2;且地形起伏较小的区域且地形起伏较小的区域?地价地价 1000,1)1000,1)划分河段为河流网络的各河段分配一个标识河流分级Strahler方法方法Shreve方法方法3311111111111111222222222244771111111111111122223333给河流网络支流分配一个级别给河流网络支流分配一个级别划分流域确定汇流点以上的汇水区域给定汇水区域面积自动划分流域流程Flow Length沿水流路径计算流域内每个栅格单元到下游的最远距离或上流汇入点流至此栅格单元的路程用以计算流域内最长的水流路径(2)GIS在地面沉降研究中的应用在地面沉降研究中的应用 地面沉降指在自然营力作用或（和）人类技地面沉降指在自然营力作用或（和）人类技术经济活动影响下，一种在相当大的范围内地面术经济活动影响下，一种在相当大的范围内地面高程在某一时期缓慢降低而累积损失的地质灾害。高程在某一时期缓慢降低而累积损失的地质灾害。研究表明：自然因素诱发的地面沉降，年沉降量不研究表明：自然因素诱发的地面沉降，年沉降量不超过超过1mm1mm，占总沉降量的，占总沉降量的3%3%左右，其余（左右，其余（97%97%）均为）均为人为因素诱发。人为因素诱发。在各种人为因素中，地下水资源的不合理开采是各在各种人为因素中，地下水资源的不合理开采是各国地面沉降主要诱因。国地面沉降主要诱因。泰国泰国Bangkok地区地区19922000年年 地面沉降演化地面沉降演化大屯中心区水井、长观孔平面布置丰水期地下水等值线变化图地面沉降观测点布设图 地面沉降空间演化 根据历年观测数据利用绘图软件Surfer8.0绘制中心区1990年、1998年、2006年的累积沉降量等值线图。n GIS在地面沉降机理分析中的应用在地面沉降机理分析中的应用地下水开采、水位与地面沉降空间相关分析地下水开采、水位与地面沉降空间相关分析中心区2005年地下水水位与地面沉降空间关系图 系统结构设计系统结构设计n 基于基于SuperMap GIS的地面沉降管理信息系统的地面沉降管理信息系统.NET FrameworkADO.NETActiveX 数据库系统功能设计系统功能设计n 基于基于SuperMap GIS的地面沉降管理信息系统的地面沉降管理信息系统系统数据库业务数据库地下水位日常观测成果表地下水水质成果表地下水位统测成果表地面沉降观测成果表基于文件关系数据库的空间数据存储方案水文观测点工业厂区水位等值线SQL Server 2000物理层逻辑层用户层观测点名称沉降观测点教育医疗及居民区沉降等值线水文观测点基本信息表沉降观测点基本信息表道路/铁路SuperMap SDB+SDD系统数据库设计系统数据库设计n 基于基于SuperMap GIS的地面沉降管理信息系统的地面沉降管理信息系统系统开发系统开发n 基于基于SuperMap GIS的地面沉降管理信息系统的地面沉降管理信息系统 系统开发工具为Microsoft Visual Studio 2003中的Visual C#语言，采用面向对象编程技术，开发系统用户界面和前台程序，利用最新的数据访问机制ADO.NET实现对后台数据库SQL Server 2000的访问，GIS组件选用SuperMap Objects 5.0实现空间数据管理与可视化，在曲线绘制方面采用Developer Express公司的图表控件Xtracharts 6.3.6实现。系统实现系统实现n 基于基于SuperMap GIS的地面沉降管理信息系统的地面沉降管理信息系统2006、2008、2010、2011、2013、2015年倾斜等值线图 基于基于GIS的地面沉降危险性评价的地面沉降危险性评价2006、2008、2010、2011、2013、2015年基于倾斜的地面沉降危险性评价图(3)GIS在环境专题图绘制与分析中应用在环境专题图绘制与分析中应用江苏丰沛地区浅层地下水氟含量的空间变异与分布特征江苏丰沛地区浅层地下水氟含量的空间变异与分布特征采用指示克里格方法，对研究采用指示克里格方法，对研究区域地下水氟含量大于区域地下水氟含量大于1.00mg/L水平下的概率分布进行预测，水平下的概率分布进行预测，以此进行风险性评价以此进行风险性评价基于经过对数转化的采样点基于经过对数转化的采样点的数据，结合普通克里格插的数据，结合普通克里格插值分析方法，选取二阶趋势值分析方法，选取二阶趋势参数并考虑各向异性，绘制参数并考虑各向异性，绘制了丰沛地区浅层地下水氟含了丰沛地区浅层地下水氟含量的空间分布图量的空间分布图图形数据数据格式转换属性数据扫描输入数字化输入键盘输入软盘或磁带输入图形校正与配准数据的正确性验证空间数据属性数据数据编辑对比分析空间查询面积汇总模拟预测质量评价边坡稳定性分析矸石山效应分析开采塌陷地裂缝分析大 气、水污染预测环境质量现状分析矿区环境综合评价相互匹配数据采集空间数据库环境分析可视化存储与输出4.煤矿煤矿地理地理信息信息系统系统组成组成模型分类模型名称废气污染物排放总量预测模型采用“实测法”；预测项目：烟尘、SO2、氮氧化物、碳氢化合物、CO等废水污染物排放总量预测模型采用“实测法”；预测项目：悬浮物、硫化物、化学耗氧量、石油类、挥发酚、氟化物、氨氮、汞、镉、六价铬、铅、砷、氰化物等大气污染扩散模型GUASS 污染扩散模型源强、烟囱高度、横纵扩散系数、气象资料：风速、温度等水污染扩散模型一维、二维水流扩散模型源强、横纵扩散系数、水流速度、水深、时间t、横纵向距离x与y、河宽等环境质量评价模型多因素叠加分析法崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、矸石山、瓦斯突出、水土流失、大气污染、水质污染、土壤污染等趋势分析模型开采沉陷预计模型煤层厚度、煤层倾角、下沉系数、开采深度、采空区长度矿区环境模型矿区环境模型开采沉陷模拟预测开采沉陷模拟预测SO2扩散模拟扩散模拟 煤矿区环境地理信息系统是一个崭新的研究课题，是矿区企业环保工作在利用高新技术方面的一项重要举措。矿区环境地理信息系统建立的目的是在可视化环境里，将有关环境的空间信息与属性信息结合在一起，利用GIS强大的空间数据编辑、处理功能，并结合环境信息分析模型，对矿区环境进行有效的监测、模拟、分析与预测，为矿区建设规划提供全面、及时、准确、客观的信息服务和技术支持。建立矿区环境地理信息系统是一项复杂的系统工程，目前国内外的研究还处于起步阶段，尤其是环境分析模型的建立需要深入研究。塌陷前后地形与坡度变化（5）GIS在采煤塌陷盆地土壤侵蚀估算中的应用在采煤塌陷盆地土壤侵蚀估算中的应用RUSLE 中LS 因子的计算公式：塌陷前后地表坡度分别为1%、5%、坡长5m 计算，LS 因子在塌陷前后分别为0.13、0.41，其它因子保持不变，塌陷后侵蚀模数增大了2 倍以上。采煤塌陷对土壤侵蚀各因子均有影响对我国东部平原小流域，影响最为显著的因子：LS和C因子LS因子变化加剧了土壤侵蚀强度C因子变化表现在塌陷积水使原来的侵蚀“源”区变为侵蚀“汇”区“塌陷后DEM=con(IsNull(下沉DEM),原始DEM,原始DEM+下沉DEM)”下沉DEM与原始DEM得到塌陷后DEM的Arc/Map空间分析语句：基于RUSLE模型和DEM的塌陷盆地土壤侵蚀LS因子计算方法原始地形高程点或地形等高线原始DEMCreate TIN,TIN to Raster塌陷前LS因子下沉DEM工作面布置开采规划煤田地质资料MSPS下沉等值线塌陷后DEMConditional Evaluation of Spatial Analyst计算范围栅格文件Bound塌陷后LS因子Create TIN,TIN to RasterRun rusleV4pc.amlRun rusleV4pc.aml应用实例 潘北煤矿，地表标高+21+23 米，地下潜水位标高+18+20 米，土地利用类型主要为耕地，其次为建设用地，林地、园地和水体面积较小。根据开采规划，井田东部2007 年至2015 年开采工作面布置18 个工作面，计算区域面积17.2km2，开采沉陷预计时间为2015 年。（1）采煤塌陷预计（2）塌陷后地表DEM构建 塌陷前后地形坡度与LS因子塌陷前后地形坡度塌陷前后LS因子塌陷前与塌陷（积水）后侵蚀模数空间分布 塌陷积水条件下，最大侵蚀模数与塌陷后不积水的结果一致，积水没有淹没地形坡度增幅最大的区域。5.4 EGIS的设计与开发的设计与开发 EGIS的总体设计是在需求分析的基础上，寻找的总体设计是在需求分析的基础上，寻找能够实现环境管理和决策支持特定功能的最佳软件能够实现环境管理和决策支持特定功能的最佳软件结构，解决如何把一个软件系统分成多个功能模块，结构，解决如何把一个软件系统分成多个功能模块，形成优化的、完整的系统构图，并回答各模块间调形成优化的、完整的系统构图，并回答各模块间调用关系，传送什么数据，如何实现一系列具体设计用关系，传送什么数据，如何实现一系列具体设计问题。问题。5.4.1 EGIS的设计目标与任务的设计目标与任务目标：目标：充分利用先进的充分利用先进的GIS技术、数据库技术、网络通信技技术、数据库技术、网络通信技术、分布式计算等技术，建设一个科学、高效的术、分布式计算等技术，建设一个科学、高效的EGIS。在。在充分整合与利用环境空间数据和基础地理信息的基础上，充分整合与利用环境空间数据和基础地理信息的基础上，实现对环境空间信息的科学组织和有效管理，使环境管理实现对环境空间信息的科学组织和有效管理，使环境管理人员能够方便地对各种环境空间信息进行人员能够方便地对各种环境空间信息进行可视化管理可视化管理，并，并实现环境空间信息的查询、维护以及专题分析、专题制图、实现环境空间信息的查询、维护以及专题分析、专题制图、信息服务等功能信息服务等功能，并能结合环境管理业务和技术应用需要，并能结合环境管理业务和技术应用需要，为环境为环境GIS的开发和建设提供全面解决方案。的开发和建设提供全面解决方案。任务：任务：EGIS系统设计的任务使将系统分析阶段提出的逻辑模系统设计的任务使将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型。系统的总体设计分三部分进行：型转化为相应的物理模型。系统的总体设计分三部分进行：功能设计功能设计数据库设计：数据库设计：在数据分类和编码的基础上，进行数据采集设在数据分类和编码的基础上，进行数据采集设计、数据结构设计、数据存储设计和检索设计计、数据结构设计、数据存储设计和检索设计应用设计：应用设计：包括制定系统开发和系统集成方案，建立系统的包括制定系统开发和系统集成方案，建立系统的应用模型和产品的输出。应用模型和产品的输出。系统设计阶段要实现两种转换：客观的环境现象及其管理系统设计阶段要实现两种转换：客观的环境现象及其管理系统转化为系统转化为“环境概念模型环境概念模型”；“环境概念模型环境概念模型”转化为计算转化为计算机管理的环境推导模型。机管理的环境推导模型。5.4.2 EGIS的设计原则的设计原则 EGIS的具体设计中应注意系统的的具体设计中应注意系统的当前需求和中、远当前需求和中、远期目标相结合期目标相结合。尽量采用面向对象的设计技术尽量采用面向对象的设计技术，注意先注意先进性和实用性的结合。进性和实用性的结合。不仅要考虑先进的网络数据库技不仅要考虑先进的网络数据库技术、地理信息系统技术的应用，而且要适应环境统计、术、地理信息系统技术的应用，而且要适应环境统计、环境规划、环境质量评价、建设项目、总量控制、环境环境规划、环境质量评价、建设项目、总量控制、环境自动监控、自然生态管理等实际业务工作对环境空间数自动监控、自然生态管理等实际业务工作对环境空间数据的发布、查询、分析和空间表达的实际需要。具体设据的发布、查询、分析和空间表达的实际需要。具体设计原则如下：计原则如下：（1）实用性）实用性 系统要具有优化的系统结构和完善的数据系统要具有优化的系统结构和完善的数据库系统，与其它系统（如环境办公自动化系统）数据共享和库系统，与其它系统（如环境办公自动化系统）数据共享和协同工作能力；协同工作能力；（2）标准性）标准性 系统的建设要遵循标准化、统一化的原则，系统的建设要遵循标准化、统一化的原则，以支持系统的推广应用。数据分类编码、数据格式、数据接以支持系统的推广应用。数据分类编码、数据格式、数据接口、软件接口和系统开发等方面要严格执行国家和行业相应口、软件接口和系统开发等方面要严格执行国家和行业相应的标准和规范；的标准和规范；（3）先进性）先进性 软、硬件的先进性和网络环境的先进性；软、硬件的先进性和网络环境的先进性；（4）动态性）动态性 充分考虑环境保护业务的发展，根据环境充分考虑环境保护业务的发展，根据环境数据、业务、结构等变化，动态地调整、优化和扩展有关的数据、业务、结构等变化，动态地调整、优化和扩展有关的功能。功能。（5）开放性）开放性 系统采用开放式设计，可以在应用中不系统采用开放式设计，可以在应用中不断由用户补充和更新功能，具备良好的与其它系统的数据断由用户补充和更新功能，具备良好的与其它系统的数据交换和功能兼容能力；系统还应具备统一的软件和数据接交换和功能兼容能力；系统还应具备统一的软件和数据接口，以便为后续系统开发留出余地；口，以便为后续系统开发留出余地；（6）经济性）经济性 先进性与实用性的结合先进性与实用性的结合（7）安全性）安全性 保证合法用户能够方便的访问数据和使保证合法用户能够方便的访问数据和使用系统，阻止非法用户操作系统。同时，系统要有足够的用系统，阻止非法用户操作系统。同时，系统要有足够的容错能力，以保证数据的逻辑准确性和系统的可靠性。容错能力，以保证数据的逻辑准确性和系统的可靠性。5.4.2 EGIS的总体框架设计的总体框架设计 环境环境GIS数据库系统：数据库系统：为为EGIS提供数据支持，可由环境空提供数据支持，可由环境空间数据获取、环境空间数据组织存储和环境空间数据管理等间数据获取、环境空间数据组织存储和环境空间数据管理等组成；组成；EGIS平台：平台：为为EGIS提供提供GIS基本功能及其开发环境，可由基本功能及其开发环境，可由环境空间数据查询、空间数据编辑、空间数据发布、空间分环境空间数据查询、空间数据编辑、空间数据发布、空间分析、专题制图等组成；析、专题制图等组成；EGIS应用系统：应用系统：提供应用和分析功能，可由环境管理、环提供应用和分析功能，可由环境管理、环境监测、环境规划、环境预测、污染事故应急、建设项目管境监测、环境规划、环境预测、污染事故应急、建设项目管理、排污申报和收费、城市环境综合整治、环境污染模拟预理、排污申报和收费、城市环境综合整治、环境污染模拟预测、自然生态管理等。测、自然生态管理等。EGIS 总体框架设计总体框架设计环境监测实地采集现有数据导入数字化环境空间数据获取环境空间数据获取污染源数据环境监测数据环境管理数据自然生态数据环境统计数据环境背景数据基础地理数据社会经济数据环境环境GIS数据库系统数据库系统EGIS平台空间数据查询 空间数据编辑 空间数据分析 空间数据制图 空间数据维护 空间数据发布环境管理环境管理环境监测环境监测污染源管理污染源管理环境评价环境评价环境规划环境规划EGIS 应用系统应用系统5.4.3 EGIS的数据库建设的数据库建设5.3.3.1 EGIS 数据库建设流程数据库建设流程 EGIS EGIS 数据库设计一般可分为数据库数据库设计一般可分为数据库设计、数据入库和数据整理三部分工作。设计、数据入库和数据整理三部分工作。EGIS 数据库设计数据库设计数据字典设计数据字典设计逻辑结构设计逻辑结构设计物理结构设计物理结构设计监测仪器数据接入监测仪器数据接入 已有数据库导入已有数据库导入 数字化采集数字化采集环境监测数据污染源数据自然生态数据环境统计数据环境管理数据基础地理信息数据EGIS 数据库数据库环境空间元数据库环境空间元数据库环境专题属性数据库环境专题属性数据库环境空间图形实体数据库环境空间图形实体数据库数据编码数据组织属性图形数据关联数据采集数据采集数据入库数据入库数据整理数据整理（1）EGIS数据库设计包括：数据库设计包括：数据字典设计：数据项、数据结构、数据流、数据存数据字典设计：数据项、数据结构、数据流、数据存储等；储等；数据库逻辑结构设计；数据库逻辑结构设计；数据库物理结构设计：数据存储结构、存储路径、存数据库物理结构设计：数据存储结构、存储路径、存储分配等。储分配等。其中最重要的工作是根据环境空间数据分类编码和其中最重要的工作是根据环境空间数据分类编码和应用需要定义数据图层结构和相关属性表结构、数据库应用需要定义数据图层结构和相关属性表结构、数据库表结构、元数据库表结构和数据字典结构。表结构、元数据库表结构和数据字典结构。（2）EGIS数据入库数据入库 一般有环境监测仪器数据接入、已有环境数据库或地理一般有环境监测仪器数据接入、已有环境数据库或地理基础数据库导入、人工直接采集（包括图层数字化、人工基础数据库导入、人工直接采集（包括图层数字化、人工录入等）多种方式；录入等）多种方式；数据入库包括空间数据入库和属性数据入库。数据入库包括空间数据入库和属性数据入库。数据入库过程中要通过图形要素的目标标识码实现环境数据入库过程中要通过图形要素的目标标识码实现环境业务属性记录与环境空间图形库中对应图形实体的关联。业务属性记录与环境空间图形库中对应图形实体的关联。（3）数据整理和检验）数据整理和检验 对入库数据进行自动化检查，并对空间数据质量、属性对入库数据进行自动化检查，并对空间数据质量、属性数据质量和数据精度进行控制；数据质量和数据精度进行控制；空间数据质量控制包括空间地理特征的完整性、空间特空间数据质量控制包括空间地理特征的完整性、空间特征表达的完整性、空间数据的拓补关系、空间数据的地理征表达的完整性、空间数据的拓补关系、空间数据的地理参考系统正确性、空间数据使用的大地控制点的正确性；参考系统正确性、空间数据使用的大地控制点的正确性；属性数据控制包括表的定义是否符合数据库设计、主关属性数据控制包括表的定义是否符合数据库设计、主关键字项定义和唯一性、关系表之间关系的正确性等；键字项定义和唯一性、关系表之间关系的正确性等；数据精度控制主要包括平面投影坐标系统参数、空间定数据精度控制主要包括平面投影坐标系统参数、空间定位精度等。位精度等。5.4.3.4 EGIS 的数据库设计的数据库设计 数据库是数据库是EGIS的核心组成部分，不同的核心组成部分，不同的应用，数据库的组织形式也不同。的应用，数据库的组织形式也不同。EGIS数据库设计除了要顾及环境空间信息的特数据库设计除了要顾及环境空间信息的特征外，与其它空间数据库的设计方法基本征外，与其它空间数据库的设计方法基本相同，即包括逻辑设计和物理设计。相同，即包括逻辑设计和物理设计。（1）逻辑设计）逻辑设计 运用数据库管理系统提供的工具和环境，将对现实世运用数据库管理系统提供的工具和环境，将对现实世界抽象得到的概念性模型转换成相应的数据库管理系统界抽象得到的概念性模型转换成相应的数据库管理系统的数据模型，并用数据描述语言描述出来。的数据模型，并用数据描述语言描述出来。通过逻辑设计形成的相应数据库的数据模型应该独立通过逻辑设计形成的相应数据库的数据模型应该独立于计算机软硬件，并且是面向应用，易于用户理解；于计算机软硬件，并且是面向应用，易于用户理解；逻辑设计应考虑数据共享、数据冗余、数据的独立性。逻辑设计应考虑数据共享、数据冗余、数据的独立性。（2 2）物理设计）物理设计 分配存储空间、决定数据的物理表分配存储空间、决定数据的物理表示、确定存储结构。示、确定存储结构。环境空间数据库的具体设计包括：环境空间数据库的具体设计包括：空间数据库、空间数据库、属性数据库、多媒体信息库和符号库的设计。属性数据库、多媒体信息库和符号库的设计。空间数据库设计空间数据库设计 根据系统目标、功能以及信根据系统目标、功能以及信息系统的基本技术要求对基础地理、资源环境和功息系统的基本技术要求对基础地理、资源环境和功能区划等要素进行详细分层，再针对每一层要素，能区划等要素进行详细分层，再针对每一层要素，划定基本空间单元。空间数据库将采集到的各类地划定基本空间单元。空间数据库将采集到的各类地图数据进行编辑，并产生拓补关系，依据已经制定图数据进行编辑，并产生拓补关系，依据已经制定的空间数据模型，构建空间数据库，形成统一坐标的空间数据模型，构建空间数据库，形成统一坐标系下的多种要素的图层集合。系下的多种要素的图层集合。属性数据库属性数据库 管理图形单元所具有的属管理图形单元所具有的属性。设计属性数据库，需确定每一类空间信性。设计属性数据库，需确定每一类空间信息应具有的属性项和属性表结构；息应具有的属性项和属性表结构；多媒体信息库多媒体信息库 主要存储照片、声音、主要存储照片、声音、录像等多媒体信息；录像等多媒体信息；符号库符号库 管理并制作系统设计的各种图管理并制作系统设计的各种图例和符号。例和符号。5.4.4 EGIS的开发技术路线的开发技术路线EGIS开发可以采用开发可以采用3种实现方式：种实现方式：（1）独立开发）独立开发 不依赖于任何不依赖于任何GIS工具软件，从环工具软件，从环境空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果的输境空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果的输出，所有算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序出，所有算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言在一定的操作系统平台上编程实现。设计语言在一定的操作系统平台上编程实现。（2）单纯二次开发）单纯二次开发 完全借助于完全借助于GIS工具软件所提工具软件所提供的开发语言进行应用系统的开发。供的开发语言进行应用系统的开发。（3）集成二次开发）集成二次开发 利用工具软件（如利用工具软件（如ArcView、MapInfo等）实现等）实现GIS的基本功能，以通用软件开发工具尤的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发软件（如其是可视化开发软件（如VB、Delphi、PowerBuilder等）等）为开发平台，进行二者的集成开发。为开发平台，进行二者的集成开发。集成二次开发目前主要有两种方式：集成二次开发目前主要有两种方式：OLE Automation技技术术和和DDE（动态数据交换）技术（动态数据交换）技术。集成二次开发既可充分利用可视化软件工具的高效方便集成二次开发既可充分利用可视化软件工具的高效方便的编程功能，又可以充分利用地理信息系统工具软件、完的编程功能，又可以充分利用地理信息系统工具软件、完备的空间可视化分析处理功能，集二者之长。备的空间可视化分析处理功能，集二者之长。5.4.6 EGIS的技术平台选择的技术平台选择 目前作为目前作为EGIS开发技术平台的开发技术平台的GIS软件很多，例软件很多，例如，中国地质大学的如，中国地质大学的MapGIS、武汉大学的、武汉大学的GeoStar、北京超图公司的北京超图公司的SuperMap、中国科学院遥感所的、中国科学院遥感所的GeoBeans、中国测绘院的、中国测绘院的GeoWindows等；国外产品等；国外产品由美国环境调查所（由美国环境调查所（ESRI）的）的ArcInfo、ArcView系列系列软件、软件、Intergraph 公司的公司的MapInfo等系列软件。具体等系列软件。具体选择要根据选择要根据EGIS的开发需求而定。的开发需求而定。数据库软件平台也有很多选择，数据库软件平台也有很多选择，Oracle、SQL Server、Access等。等。ArcGIS 软件体系ESRI ESRI 公司的公司的ArcGISArcGIS系列软件是一个全面的、完善系列软件是一个全面的、完善的、可伸缩的的、可伸缩的 GIS GIS 软件平台，无论是单用软件平台，无论是单用 户，户，还是多用户，无论是在桌面端、服务器端、互还是多用户，无论是在桌面端、服务器端、互联网还是野外操作，都可以通过联网还是野外操作，都可以通过ArcGISArcGIS 构建地构建地理信息系统。理信息系统。ArcGISArcGIS Desktop Desktop：一个专业：一个专业GIS GIS 应用的完整套件应用的完整套件ArcGISArcGIS Engine Engine：开发：开发GIS GIS 应用的嵌入式开发组件应用的嵌入式开发组件服务器服务器GISGIS：ArcSDEArcSDE，ArcIMSArcIMS和和ArcGISArcGIS Server Server移动移动GISGIS：ArcPadArcPad 括桌面括桌面GISGIS（ArcGISArcGIS Desktop Desktop），嵌入式），嵌入式GISGIS（ArcGISArcGIS EngineEngine）以及服务器）以及服务器GIS GIS（ArcGISArcGIS Server Server）都是基于一套共同）都是基于一套共同的的GIS GIS 组件实现的，这些组件被称为组件实现的，这些组件被称为ArcObjectsArcObjects 桌面GIS对于那些利用GIS 信息进行编辑，设计的GIS 专业人士来说，桌面GIS 占有主导地位。GIS 专业人士使用标准桌面作为工具来设计，共享，管理和发布地理信息。ArcGIS Desktop 是一个集成了众多高级GIS 应用的软件套件，它包含了一套带有用户界面组件的Windows 桌面应用（例如，ArcMap，ArcCatalog，ArcToobox、ArcScene 以及以及ArcGlobeArcGlobe ）。）。ArcMap、ArcCatlog、ArcToolboxArcGIS Desktop 有三种级别的产品：ArcViewArcView（基本版）：提供全面的制图、数据使（基本版）：提供全面的制图、数据使用及分析、简单的编辑与数据处理功能。用及分析、简单的编辑与数据处理功能。ArcEditorArcEditor（进阶版）：具有（进阶版）：具有ArcViewArcView的全部功的全部功能、此外包含高级的编辑功能、可实现对能、此外包含高级的编辑功能、可实现对ShapeShape文件和文件和GeodatabaseGeodatabase地理数据库的编辑。地理数据库的编辑。ArcInfoArcInfo（专业版）：是全功能的桌面级（专业版）：是全功能的桌面级GISGIS旗舰旗舰产品。它提供了比产品。它提供了比ArcEditorArcEditor 更多的功能，可以更多的功能，可以实现高级的地理空间数据处理。还包含了早期的，实现高级的地理空间数据处理。还包含了早期的，基于命令方式的基于命令方式的GISGIS产品产品ArcInfo Workstaion。选择选择EGIS开发技术平台应考虑以下几点：开发技术平台应考虑以下几点：（1）具有全关系型数据库统一管理图形数据和属性）具有全关系型数据库统一管理图形数据和属性数据能力，能解决海量数据的存储和管理问题；数据能力，能解决海量数据的存储和管理问题；（2）具有支持分布式数据库操作，远程并发控制的）具有支持分布式数据库操作，远程并发控制的能力；能力；（3）具有支持客户）具有支持客户/服务器和浏览器、服务器体系服务器和浏览器、服务器体系结构能力，可以在结构能力，可以在INTERNET 和和INTRANET上实上实现多用于对系统的共享。现多用于对系统的共享。（4）具有线状要素动态分段和网路分析等空间分析功）具有线状要素动态分段和网路分析等空间分析功能，以便实现强大的网络分析和辅助决策功能；能，以便实现强大的网络分析和辅助决策功能；（5）具有良好的专题制图和统计图表生成的功能，能）具有良好的专题制图和统计图表生成的功能，能实现数据的动态可视化表达和多种方式的存储，以便实现数据的动态可视化表达和多种方式的存储，以便信息的再利用；信息的再利用；（6）具有较强的数据报表生成、打印功能以及数据导）具有较强的数据报表生成、打印功能以及数据导入、导出功能。入、导出功能。GIS 数据互操作或格式互换功能；数据互操作或格式互换功能；（7）具有）具有Com GIS功能，能利用通用的开发环境进行功能，能利用通用的开发环境进行系统开发。系统开发。5.4.7 EGIS的用户界面设计的用户界面设计 对于界面设计，要在与用户进行多次交流或在对于界面设计，要在与用户进行多次交流或在开发原型的基础上，让用户进一步确认和修改。界开发原型的基础上，让用户进一步确认和修改。界面最终要达到语义清晰、功能操作简便，用户界面面最终要达到语义清晰、功能操作简便，用户界面友好，符合或贴近用户使用习惯，实现全汉化操作，友好，符合或贴近用户使用习惯，实现全汉化操作，在系统实现在中隐蔽与用户要求无关的信息。在系统实现在中隐蔽与用户要求无关的信息。EGIS 用户界面要能够直观、方便的表达系统用户界面要能够直观、方便的表达系统功能，并充分利用地图来表达丰富的环境空间信息。功能，并充分利用地图来表达丰富的环境空间信息。结语和展望结语和展望 目前，由于各方面条件限制，大多数环保局首先建立的将是以目前，由于各方面条件限制，大多数环保局首先建立的将是以OA和和MIS为主，基于为主，基于GIS的环保管理信息系统为辅。的环保管理信息系统为辅。将来，由于所开发的数字环保综合管理信息系统是在将来，由于所开发的数字环保综合管理信息系统是在GIS基础上基础上开发的开发的GIS、MIS、OA一体化信息系统，随着在线监测硬件的到位和一体化信息系统，随着在线监测硬件的到位和监测网络的完善，在线监测功能模块可以通过预留的监测网络的完善，在线监测功能模块可以通过预留的GIS程序接口融程序接口融合到整个信息系统中，从而为进一步实现环境污染物动态模型分析、合到整个信息系统中，从而为进一步实现环境污染物动态模型分析、环境质量动态预测、环境质量动态预测、DSS（辅助决策）打下良好的基础；而且，随着（辅助决策）打下良好的基础；而且，随着各方面条件的改善，以及我们产品研发的深入，在不久的将来探索出各方面条件的改善，以及我们产品研发的深入，在不久的将来探索出一条成功运用一条成功运用3S集成技术于城市环境监测、管理、模拟和决策的经验。集成技术于城市环境监测、管理、模拟和决策的经验。