基于MAPGIS的环境地球化学信息系统的开发及其应用

REMOTESENSINGTECHNOLOGYANDAPPLICATION　　　　

Vol.21　No.1Feb.2006基于MapGIS的环境地球化学信息系统的

开发及其应用

黎　华1,2,李方林3,夏　斌1

(1.中国科学院广州地球化学研究所GIS实验室,广东广州　5100;2.中国科学院研生院,北京100039;

3.中国地质大学(武汉)计算地球化学研究室,湖北武汉　430074)

摘要:利用MapGIS的二次开发功能,自主开发了一个环境地球化学信息系统,该系统具有区域地质介绍子系统、属性数据库管理分析子系统、空间数据库管理分析子系统。介绍了系统的实现思路和设计方法,并且较详细的阐述了空间数据库管理分析子系统。最后将该系统运用于湖北黄石地区的环境地球化学研究工作中,对该地区的环境地球化学数据进行查询分析和质量评价,与实际情形比较吻合,证明了该系统的正确性和可行性。关　键　词:MapGIS;环境地球化学;信息系统

中图分类号:P208　　文献标识码:A　　文章编号:1004-0323(2006)01-0077-06

理信息系统平台,提供了地理信息系统的主要功能需求,而且提供了完整的二次开发函数库,用户可以在此平台上开发自主的面向自身应用领域的系

3〕统〔。

1　引　言

环境地球化学作为地球化学的一个分支学科,主要研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类相互关系的科学。随着它自身的发展以及社会经济发展对它的需求,环境地

球化学的研究领域已经逐渐从单纯研究环境与人体健康(主要是地方病)之间的关系发展为对区域环境污染以及全球环境变化的研究,目前又扩展到区域可持续发展战略、区域发展规划以及环境地球化学系统动力学等崭新的领域。环境地球化学的区域性和空间相关性,为地理信息系统与环境地球化学的结合提供了可能性。

传统的手工管理和分析手段效率低下,查询分析和环境质量分析极为不便;属性数据库管理虽然查询较为方便,但却缺少可视化管理和空间分析的功能;而地理信息系统却可以较好地将空间数据管理和属性数据管理结合起来,而且可视化能力比较强大。因为地理信息系统是用于获取、储存、查询、综合、处理、分析和显示与地球表面位置有关的数据的计算机系统。一般它具有5种功能:数据输入和检查、数据存贮和数据库管理、数据处理和分析、数据传输与显示和用户界面。MapGIS是国内先进的地

〔2〕

〔1〕

笔者运用MapGIS的二次开发功能,自主开发了一个环境地球化学信息系统,并将之任用于湖北黄石地区的环境地球化学的查询分析和环境质量评价等方面,取得了较好的效果。

2　系统功能和设计

2.1　系统设计处理流程

基于MapGIS的环境地球化学信息系统是在地理信息系统MapGIS软件平台上运用面向对象的C++语言编制而成的,综合运用了MSAccess软件和ODBC技术。

MapGIS提供了完整的二次开发函数库,主要以API函数、MFC类库、ActiveX控件3种方式提供,开发库被封装于若干动态链接库(DLL)中。本次系统开发中综合运用了前两种方式,即以MapGIS提供的MFC类库为主,混合使用API函数方式。

进行此系统的研究有以下几个步骤(图1)。

(1)地理底图的矢量化:运用数字化仪或者扫描仪,在MapGIS的输入子系统对所收集到的地理

收稿日期:2005-06-16;修订日期:2005-10-31

作者简介:黎华(1978-),男,博士研究生,现主要从事地理信息系统的研究和开发工作。　　　　　　　　　　　　　　　遥　感　技　术　与　应　用　　　　　　　　　　　　　　第7821卷图1　基于MapGIS环境地球化学信息系统的设计处理流程图

Fig.1　TheflowchartoftheenvironmentalgeochemistryinformationsystembasedonMapGIS

底图进行矢量化,形成空间数据库,建立工程文件,在图上确定采样点;

(2)建立属性数据库:利用微软的Access数据库管理软件输入数据,形成属性数据库;

(3)运用MapGIS提供的二次开发函数库和面向对象的C++语言,开发环境地球化学地理信息系统;

(4)利用此系统进行环境评价、预测以及其它的分析,显示、输出各种查询、分析结果。2.2　主要原理及实现思路2.2.1　空间数据库的建立

本次研究收集的主要资料为:4张实习区地形图(1∶50000)、样品采样位置、样品元素含量测试数据。

对于4张地形图,先用扫描仪扫描,然后利用Mapgis提供的数字化功能进行数字化输入;样品位置的确定及数字化,用点图元表示;样品测试数据利用Access软件进行数据录入和建立数据库。

数据输入计算机后,就要进入数据校正、图廓整饰、邻图接边、误差消除等项工作。由MAPGIS图形编辑子系统、拓扑结构编辑子系统、错误检查和数据校正等子系统来完成上述各项编辑处理任务。现将各子系统简述一下:󰀁图形编辑子系统就是用来编辑修改矢量结构的点、线、面3种图元的空间位置及其图形属性数据,增加或删除点、线、面域边界,自动校正拓扑关系。󰀂拓扑结构编辑子系统主要是对图形中的位置结构建立拓扑关系,使搜区、检查、选区更加快速、方便、简捷。 错误检查子系统是用来帮助检查数据错误,指出错误类型及出错的图元,从而提高数据的质量。!在图形输入过程中,由于种种原因,使输入后的图形与原图图形在位置上出现些偏差,存在着变形、畸变形。经数据校正,消除输入图形的变形,达到实际图形的最佳位置。∀对于邻图接边,图库管理系统提供了较强的接边功能,邻图间可进行自动、半自动及手动接边,在接边过程中,系统自动清除接合误差,既准确、快速,又方便、自然。

为了便于管理空间数据库,采用点、线、面文件分层录入的方式,建立一个工程文件。属性数据库和图形数据库建好后,就要实现它们之间的连接。通常的mapgis属性数据和空间数据的连接有3种方法:在输入编辑子系统中修改属性或属性结构;在属性库管理子系统编辑或修改属性或属性数据结构;通过连接外挂数据库得到属性和属性结构。本系统运用了自主开发的一种利用ID号来连接空间数据和属性数据的方法。2.2.2　属性统计

实现了求最大最小值、平均值、标准差、变异系数的基本统计量,利用这些统计量可以对采样样品元素进行分布特征的分析。

各基本统计量分别采用下面的数学表达式进行计算:

1-x=∑xi　s=

Ni=1

N

1(xi--x)∑(N-1)i=1sV=-x

(1)

N

其中:-x为平均值,s为标准差,V为变异系数。标准差在数学意义上反映数值偏离其数学期望的绝对离第1期　　　　　　　黎华等:基于MapGIS的环境地球化学信息系统的开发及其应用　　　　　　　79散程度,其值越小,则数据偏离平均值的范围越小,反之,其值越大,则偏离的程度越大。

2.2.3　水质质量指数

水质质量指数(p)是1975年在北京召开的环境质量评价工作会议上提出来的,属于水质评价的综合指数法,具体计算公式为:

n

浓度,C0i为各种污染物地面水环境质量最高容许标准。根据此计算公式编程实现了水质质量指数评价功能,质量标准用的是1999年《地面水环境质量标准》第五类标准,选取的水样标准项目有SO2-4、Mn、Cu、Zn、Se、As、Hg、Cd、Cr、Pb、P,水质质量系数值(p)与判断级别的关系见表1。2.2.4　土壤模糊综合评价法

由于篇幅所限,关于环境模糊综合评价的具体原理请参考相关文献〔4〕。着重介绍一下开发过程。

p=

∑

i=1

Ci

C0i

(2)

其中:p为水质质量系数值,Ci为各种污染物的实测

表1　水质质量系数值判别级别

Table1　Judgmentlevelofthewaterqualitycoefficient

p级别

<0.2清洁

0.2～0.5微污染

0.5～1.0轻污染

1.0～5.0中度污染

5.0～10较重污染

10～100严重污染

>100极严重污染

系统开发了模糊综合评价方法的类CFuzzy,主要过程有:确定分级代表值和基点值→计算评价因子对各级标准的隶属度,建立模糊关系矩阵→计算各评价因子的权重,确定A向量→进行模糊聚类,确定B向量,取聚类系数最大者为污染级别。该功能能直接对矩形框选的土壤样进行模糊综合评价,所选的土壤质量标准是1995年的《土壤环境质量标准》,评价因子有Cd、Hg、As、Cu、Cr、Zn、Pb。2.2.5　可能污染区

可能污染区其实就是一个点、一条线、一个区的缓冲区分析,对于一个污染的点、一条污染的河流、一个污染的区域,可以求得一定的缓冲区,来求得可能的污染区域。缓冲区分析是研究根据数据库的点、线、区实体自动建立起周围一定宽度范围的缓冲区多边形。

2.2.6　等值线图

应用不规则三角网(TIN)(TriangulatedIrregularNetworks)生成等值线图。TIN是DTM(数字地面模型)的一种表现形式,将原始离散数据点,按一定的规则连接成Delaunay三角形,然后在此基础上进行分析。DTM模型可以分为两类:󰀁规则格网模型RSGs(RegularSquareGrids);󰀂不规则三角网TIN。由于获取数据的离散性及TINS其自身的优点:TINS是在原始采集数据点上直接生成的,只生成点与点的拓朴关系,而不产生新的点,信息无丢失,较RSGS节省空间。TINS对各种地形,包括地面上的特殊点(如:山峰、凹地)、特殊线段(如:峭壁、山谷)有较好的适应性,并且由TIN转换为RSGS也较为方便,在DTM建模中TIN是首选

5〕的方法〔。2.2.7　最短路径分析

路径分析是GIS空间分析最基本的功能,其核心是对最短路径、最佳路径的求解。从网络模型的角

度看,路径网络分析是运筹学模型中的一个基本模型,它的根本目的是研究、筹划网络工程如何安排,并使其运行效果最好。为了进行网络路径分析,需要将网络路径转换成有向图。无论是计算最短路径还是最佳路径,其算法都是一致的,不同之处在于有向图中每条弧的权值设置。如果需要计算最短路径,则权值设置为两个节点的实际距离;而要计算最佳路径,则可以将权值设置为从起点到终点的时间或费用。

2.2.8　上游追踪、下游追踪

上游追踪是从一个结点出发,沿与网线相反的方向搜索,找到从此结点能够逆向到达的网线集;下游追踪则是沿与网线相同的方向搜索,找到从此结点能够顺向到达的网线集。要使用网络追踪功能,在准备网络数据的过程中,一定要注意网线的方向。例如,如果水域某处发现污染,通过上游追踪可以寻找污染源可能来自哪些水域,通过下游追踪可以寻找污染源污染的范围。

2.3　系统主要功能介绍

根据以上的主要原理及实现思路,利用C++语言和MapGIS的二次开发函数库,开发了该系统。该系统具有区域地质介绍子系统、属性数据库管理分析子系统、空间数据库管理分析子系统,并且外挂了MapGIS地理信息系统平台(图2)。图3是系统界面图。主要功能有介绍该地区的区域地质情况、对属性数据进行操作、数据管理与编辑、环境评价(水质质量指数、土壤模糊综合评价)、环境预测(等　　　　　　　　　　　　　　　遥　感　技　术　与　应　用　　　　　　　　　　　　　　第8021卷图2　MapGIS环境地球化学信息系统的功能图Fig.2　ThefunctionchartofthesystembasedonMapGIS

图3　系统界面图

Fig.3　Theinterfaceofthesystem

值线图、缓冲分析、上游、下游追踪等)、简单的路径分析等功能。

提供可视化支持。

图4是用鼠标框选黄石地区黄石港附件的3个水样采样点进行水质质量指数评价的结果图,对比表1(水质质量系数值判别级别)可以看出:3个水样都受到污染(Ch-W2是微污染,QS-W1和QS-W2是轻污染),此处的工矿企业可以看作是水域污染的可能污染源。

图5是用鼠标框选大冶冶炼厂附近土壤样品采样点进行土壤模糊综合评价的结果图,结果表明:所有土壤样品的模糊综合评价结果都低于三级标准(运用的是1995年国家环境保护局颁发的《土壤环3　系统应用

运用此系统对湖北黄石地区的环境地球化学进行了简单的分析和评价。

黄石地区是一个重要的工业城市,由于长期的工业污染,环境问题十分突出。可以利用该系统对黄石地区的环境状况进行评价和预测;而且空间数据库和属性数据库的建立,可以将黄石地区历年的环境地球化学数据数字化,为该地区环境分析和评价第1期　　　　　　　黎华等:基于MapGIS的环境地球化学信息系统的开发及其应用　　　　　　　816〕境质量标准》,标准分级为三级〔),即已经超过了保

较为严重,可见大冶冶炼厂对该区的土壤环境质量的影响很大,可能是造成该区污染的主要污染源。

障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值,污染

图4　水质质量指数结果图

Fig.4　Theresultofthewaterqualtiycoefficient

图5　土壤模糊综合评价结果图

Fig.5　TheresultofthesoilfuzzyevaluateMethod

　　该地区的水样和土壤样中的有些元素含量超过了国家规定的水质标准,特别是一些重金属元素的含量。以上两个应用例子的结果表明,该系统对环境质量的分析和评价的结果与实际情形比较吻合(由于工业发展,对该区环境造成了一定的污染),表明此系统在环境地球化学应用方面有一定的应用价值。

4　结　语

运用地理信息系统对环境地球化学的数据进行处理、分析和评价,可以充分发挥地理信息系统对空间信息分析的优势,再结合传统环境地球化学的评　　　　　　　　　　　　　　　遥　感　技　术　与　应　用　　　　　　　　　　　　　　第8221卷价方法,即可实现可视化直观而丰富的对环境的分析和评价。本文利用MapGIS的二次开发功能,实现了一个环境地球化学信息系统,并且任用于实际中,取得了一定的效果。

电子沙盘系统能提供强大的三维交互地形可视化环境,通过交互地调整飞行方向、观察方向、飞行观察位置、飞行高度等参数,可生成近实时的飞行鸟瞰景观。如果能生成高程MSI文件,就可以运用电子沙盘系统进行浏览。这项工作有待以后进一步研究。如何运用RS和GPS数据对环境进行动态监测,从而对环境进行动态评价和预测也是以后研究的一个方向。笔者写这篇文章的时候,MapGIS的控件开发技术已经日趋成熟,如果任用MapGIS的控件开发,能够更加简单、快速的开发适合各自特定领域的信息系统,相信读者一定能够做到。

参考文献:

〔1〕　杨忠芳,朱立,陈岳龙.现代环境地球化学〔M〕.北京:地质出版

社,1999.

〔2〕　科技部国家遥感中心.地理信息系统与管理决策〔M〕.北京:北

京大学出版社,2000.

〔3〕　中国地质大学信息工程学院.地理信息系统开发手册〔.S〕

2000.

〔4〕　周爱国,蔡鹤生.地质环境质量评价理论与应用〔M〕.北京:中

国地质大学出版社,1998.

〔5〕　徐敬海,李明峰,刘伟庆.采用不规则三角形法计算土方的软件

研制〔.南京建筑工程学院学报,2002,2:12～16.J〕

〔6〕　网上资源.国家环境保护总局颁布的GB15618-1995《土壤环境

质量标准》.http://www.zhb.gov.cn/.

〔7〕　ChaoshengZhang,OlieSelinus.StatisticsandGISinEnviro-　　nmentalGeochemistry-SomeProblemsandSolutions〔J〕.Jou-　　rnalofGeochemicalExploration,1998.339～3.

TheDevelopmentandApplicationofEnvironmentalGeochemistry

InformationSystemBasedonMapGIS

LIHua,LIFang-lin,XIABin

1,2

3

1

(1.GuangzhouInstitudeofGeochemistryChineseAcademyofScience,Guangzhou5100,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China;

3.ComputationalGeochemistryLab,ChinaUniversityofGeoscience,Wuhan430074,China)

Abstract:TheregioncharacteristicandthespacerelativityofenvironmentalgeochemistryofferthepossibilitytounitegeographyinformationSystemwiththeenvironmentalgeochemistry.Geographycancombinethespacedatamanagementwiththeattributedatamanagementandhasthehighervisibility.Inthispaper,makinguseofthereconstructionfunctionofMapGIS,anenvironmentalgeochemistryinformationsystemisexploited,whichincludestheregionalgeologyintroductionsubsystem,theattributiondatabasemanagementandanalysesubsystem,thespatialdatabasemanagementandanalysesubsystem.Therealizationandthedesignmethodofthesystemisintroduced,especiallythebasicprincipleandthepivotaltechniqueaboutGISapplyingintheenvironmentalgeochemistrysuchasthebufferregion,thecontour,theshortestpath,thewaterqualityindex,etc.,andthespatialdatabasemanagementandanalysesubsystemiselaborated.ThenthesystemhasbeenappliedtotheregionofHubeiHuangshitoanalyzeandqualityevaluatestotheenvironmentalgeochemistrydata,whichhasprovedthevalidityandfeasibilityofthesystem.

Keywords:MapGIS,Environmentalgeochemistry,Informationsystem