可視化環(huán)境質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

屈華平 ，李 健

（1.暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632；2.暨南大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632）

環(huán) 境 信 息 系 統(tǒng) EIS （EnvironmentalInformation System）是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的收集、傳遞、存儲(chǔ)、加工、維護(hù)和利用，為環(huán)境管理服務(wù)的系統(tǒng)[1]。城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)是以城市系統(tǒng)中城市建設(shè)區(qū)以及周邊影響區(qū)為研究對(duì)象，從城市系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入與輸出、過(guò)程與效能等方面，以城市系統(tǒng)可持續(xù)性與和諧發(fā)展為目標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建城市系統(tǒng)構(gòu)成與格局、功能與活力、抗性與協(xié)調(diào)性等方面的指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)估城市生態(tài)環(huán)境狀況的過(guò)程[2]。數(shù)據(jù)可視化就是關(guān)于數(shù)據(jù)的視覺(jué)表現(xiàn)形式的研究。這種數(shù)據(jù)的視覺(jué)表現(xiàn)形式被定義為一種以某種概要形式抽提出來(lái)的信息，包括相應(yīng)信息單位的各種屬性和變量。數(shù)據(jù)可視化主要是借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)環(huán)境信息的管理提出了更高的要求[3]?！皵?shù)據(jù)可視化”實(shí)現(xiàn)了成熟的科學(xué)可視化領(lǐng)域與較年輕的信息可視化領(lǐng)域的統(tǒng)一。將數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用到環(huán)境質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)中去，可以更加形象直觀地表達(dá)出環(huán)境信息，從而提高環(huán)境決策部門(mén)的工作效率。

1 系統(tǒng)的主要功能

近年來(lái)，基于網(wǎng)絡(luò)、面向Web 的環(huán)境信息系統(tǒng)，為解決EIS的發(fā)展而面臨的降低環(huán)境空間數(shù)據(jù)采集成本、提高環(huán)境信息的共享程度和范圍等問(wèn)題提供了良好的基礎(chǔ)條件，適應(yīng)了EIS 的社會(huì)化、大眾化和網(wǎng)絡(luò)化的要求，因而得到快速發(fā)展[4]。本系統(tǒng)正是基于以上背景針對(duì)全國(guó)主要城市進(jìn)行構(gòu)建的。系統(tǒng)主要從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層三個(gè)層次，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行準(zhǔn)確地評(píng)估。特別是方案層的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境信息的60個(gè)指標(biāo)的不同組合來(lái)評(píng)估城市的環(huán)境質(zhì)量。整個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)環(huán)境質(zhì)量的評(píng)估結(jié)果都是以可視化的形式展現(xiàn)出來(lái)。這些可視化形式包括電子地圖、視頻、星形圖、雷達(dá)圖、柱狀圖等。系統(tǒng)的研發(fā)目的在于讓相關(guān)部門(mén)方便地獲取、存儲(chǔ)、管理和表達(dá)各種環(huán)境信息，從而為環(huán)境工作提供全面、及時(shí)、準(zhǔn)確、客觀的信息服務(wù)和支持。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要特點(diǎn)是根據(jù)權(quán)重分析 （層次分析法）進(jìn)行城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估，具體提供了60個(gè)指標(biāo)評(píng)估城市各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的狀況和主要特點(diǎn)。指標(biāo)體系除了能反映城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀外，還綜合考慮了引起城市生態(tài)環(huán)境變化的影響因素，以及由于城市生態(tài)環(huán)境變化給人類(lèi)自身及整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)造成的影響、社會(huì)對(duì)此采取的措施等因素，因此，該體系還能在一定程度上反映城市生態(tài)環(huán)境變化的趨勢(shì)，方便進(jìn)行回顧性評(píng)估以及變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了直觀、交互的數(shù)據(jù)可視化效果，具有以下主要特點(diǎn)：

（1）交互性：地理圖層、平行坐標(biāo)表達(dá)以及常用可視化工具之間實(shí)現(xiàn)互動(dòng)、互相聯(lián)系、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在需要時(shí)可隨時(shí)調(diào)用。

（2）地圖表達(dá)：地理對(duì)象的空間位置用圖層的形式表現(xiàn)，直觀且易操作。

（3）個(gè)性化設(shè)置：系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)的獨(dú)立管理，可以很方便地更新用戶(hù)信息以及環(huán)境信息，便于系統(tǒng)的維護(hù)和管理。

（4）多種可視化表達(dá)方式相結(jié)合：數(shù)據(jù)通過(guò)地圖、視頻、圖形符號(hào)、圖像、圖表等組合來(lái)展示可視化效果。

2.1 體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用Browse/Server體系結(jié)構(gòu)，在邏輯上分為客戶(hù)端、應(yīng)用服務(wù)器與Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三個(gè)層次，如圖2所示?？蛻?hù)端（即瀏覽器）負(fù)責(zé)提交用戶(hù)的請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示；地圖服務(wù)器以及Web服務(wù)器負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶(hù)的請(qǐng)求；而數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器則負(fù)責(zé)各類(lèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理工作。所有的地圖數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序都放在服務(wù)器端，客戶(hù)端只需要發(fā)送請(qǐng)求。而且所有的響應(yīng)都在服務(wù)器端完成，只需在服務(wù)器端進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)，大大降低了系統(tǒng)的工作量[5]。

本系統(tǒng)基于Web的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，主要是對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行開(kāi)發(fā)，瀏覽器端只負(fù)責(zé)提交請(qǐng)求與顯示數(shù)據(jù)。下面簡(jiǎn)單介紹服務(wù)器端：

（1）地圖應(yīng)用服務(wù)器。使用ArcIMS 9.3作為地圖發(fā)布服務(wù)器，它是基于WebGIS構(gòu)建的，與javascript、htnl等技術(shù)結(jié)合，從顯示出地圖數(shù)據(jù)到Web頁(yè)面上。

（2）Web服務(wù)器。以網(wǎng)頁(yè)的形式向用戶(hù)提供信息。采用了JSP、HTML、CSS等相關(guān)技術(shù)，用戶(hù)可以通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的交互，并以圖形的形式顯示出相關(guān)結(jié)果。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。主要用來(lái)管理所有的環(huán)境數(shù)據(jù)，并提供用戶(hù)查詢(xún)，供管理員查詢(xún)、新增、刪除、修改等操作。

2.2 數(shù)據(jù)可視化

該系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息以文字、地圖、圖片（像）等形式進(jìn)行顯示，并為用戶(hù)提供開(kāi)窗、放大、縮小、地物的分層顯示等功能；系統(tǒng)改變了為用戶(hù)管理提供單一的圖表與數(shù)據(jù)信息形式，在管理空間信息的同時(shí)，對(duì)圖形、圖像等形式的信息進(jìn)行管理，大大增強(qiáng)了信息的表現(xiàn)能力，通過(guò)對(duì)生態(tài)環(huán)境的實(shí)物圖片、文獻(xiàn)資料等的綜合演示，直觀、生動(dòng)、全面地反映了城市生態(tài)環(huán)境的概況。系統(tǒng)主要使用JSP語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行前臺(tái)頁(yè)面的開(kāi)發(fā)。JSP頁(yè)面由HTML代碼和嵌入其中的Java代碼所組成。服務(wù)器在頁(yè)面被客戶(hù)端請(qǐng)求以后對(duì)這些Java代碼進(jìn)行處理，然后將生成的HTML頁(yè)面返回給客戶(hù)端的瀏覽器。JSP具備了Java技術(shù)的簡(jiǎn)單易用、完全地面向?qū)ο?、具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性且安全可靠、主要面向因特網(wǎng)的所有特點(diǎn)。

2.2.1 ArcIMS Server 9.3發(fā)布地圖

ArcIMS的運(yùn)行機(jī)理是由客戶(hù)端根據(jù)用戶(hù)的某一操作，轉(zhuǎn)換為一個(gè)具體指令發(fā)送給Web服務(wù)器，再通過(guò)某個(gè)連接器提交給應(yīng)用服務(wù)器（ArcIMS Application Server）處理，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)客戶(hù)端的具體請(qǐng)求和客戶(hù)端的類(lèi)型、配置，提交給空間數(shù)據(jù)服務(wù)器（Spatial Server）去讀取數(shù)據(jù)集，進(jìn)行具體的處理。

本系統(tǒng)使用 ArcIMS的 Author、Administrator、Designer 3個(gè)組件來(lái)定制地圖。每個(gè)組件分別對(duì)應(yīng)一種地理信息資源：Author用來(lái)制作地圖，對(duì)應(yīng)地圖配置文件；Administrator用來(lái)管理地圖的發(fā)布，對(duì)應(yīng)地圖服務(wù)；Designer用來(lái)配置地圖頁(yè)面，對(duì)應(yīng)著Viewer。系統(tǒng)中的地圖都是使用HTML Viewer的方式定制，這樣用戶(hù)就不需要自己給地圖添加數(shù)據(jù)，而且只需要使用一個(gè)地圖服務(wù)。

2.2.2 評(píng)估結(jié)果的可視化

本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于通過(guò)將60個(gè)相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)以不同的可視化表示方法顯示環(huán)境信息，供用戶(hù)查詢(xún)，直觀而且方便，并且實(shí)現(xiàn)了基本的圖形操作以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)與管理等功能。系統(tǒng)中提供了城市選擇，從而可查看相應(yīng)城市的地圖。并且每個(gè)城市都有對(duì)應(yīng)指標(biāo)層次的12張電子地圖調(diào)用。每張地圖上，用戶(hù)可以對(duì)單獨(dú)的圖層進(jìn)行操作。

常用的地圖工具如圖3所示。

系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了不同城市、不同指標(biāo)層次地圖的動(dòng)態(tài)調(diào)用。用戶(hù)可以根據(jù)需要查看某個(gè)城市某個(gè)指標(biāo)層次的環(huán)境狀況，并且可以通過(guò)地圖工具，對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行進(jìn)一步查看。評(píng)估結(jié)果查詢(xún)界面如圖4所示。

該系統(tǒng)中，方案層結(jié)果通過(guò)動(dòng)態(tài)生成柱狀圖展現(xiàn)給用戶(hù)。如圖5所示，不同的層次，不同的指標(biāo)使用不同的顏色標(biāo)出，而指標(biāo)的高低則通過(guò)顏色的深淺反映出來(lái)。這樣，能夠使用戶(hù)快捷、明了地獲取所查詢(xún)層次的環(huán)境信息。

另外，本系統(tǒng)通過(guò)折線(xiàn)圖來(lái)描述不同城市中各個(gè)環(huán)境指標(biāo)歷年的變化趨勢(shì)。用戶(hù)可以選擇相應(yīng)的城市和年份以及對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層次，然后查詢(xún)出對(duì)應(yīng)的環(huán)境信息。這些數(shù)據(jù)信息都是保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理員可以很方便和及時(shí)地更新數(shù)據(jù)信息，從而向用戶(hù)直觀地展示出最準(zhǔn)確的環(huán)境信息。這對(duì)于環(huán)保部門(mén)預(yù)測(cè)環(huán)境變化趨勢(shì)從而及時(shí)地制定有效的環(huán)保措施有很大的幫助。指標(biāo)變化趨勢(shì)圖如圖6所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是信息系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，良好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的管理、維護(hù)、擴(kuò)展尤為重要。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息主要分為用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)使用SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)保存本系統(tǒng)的登錄用戶(hù)的相關(guān)信息，主要包括：用戶(hù)名、用戶(hù)密碼、用戶(hù)年齡、用戶(hù)郵箱等信息。系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)信息的增加、刪除、修改以及查詢(xún)等功能。這些功能只有管理員賬戶(hù)才能使用，而一般用戶(hù)是沒(méi)有這個(gè)權(quán)限的，保證了系統(tǒng)的安全。

環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)存放的數(shù)據(jù)量比較大，并且更新的可能性也比較大。主要包括各個(gè)城市在不同年份的60個(gè)指標(biāo)信息的環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些環(huán)境數(shù)據(jù)的增加、刪除、查詢(xún)、修改等功能，為及時(shí)地更新城市的環(huán)境信息數(shù)據(jù)提供方便。

環(huán)境信息數(shù)據(jù)雖然很多，但是利用這些數(shù)據(jù)從多層次、多角度地對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行正確地評(píng)估并以可視化的形式直觀地表示出來(lái)顯得越來(lái)越重要。這樣可以讓環(huán)保及科研部門(mén)清晰、直觀地看到環(huán)境現(xiàn)狀及影響，從而有助于及時(shí)、準(zhǔn)確地決策與管理。環(huán)境質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)的建設(shè)是一個(gè)探索和完善的過(guò)程，需要各個(gè)方面的支持，使其能更好地發(fā)揮應(yīng)有的作用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

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