中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺研究

諸云強，周天墨，2，喻孟良，曾青石，王 勇，羅 侃，4，張鳴之

（1．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；2．首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；3．中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；4．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

隨著全球氣候變化和社會經(jīng)濟的發(fā)展，地質(zhì)環(huán)境問題頻繁發(fā)生，嚴重威脅著人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。為了準確掌握地質(zhì)環(huán)境時空分布規(guī)律、變化情況和發(fā)展趨勢，支撐地質(zhì)環(huán)境的防治、保護與應(yīng)急決策，很多國家開展了一系列的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測與評價工作，并非常重視地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，旨在通過信息化手段提升地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測工作服務(wù)于地質(zhì)環(huán)境防治保護的能力。

發(fā)達國家已開展地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺的研究。美國建立了滑坡災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［1］、自然災(zāi)害支持系統(tǒng)、國家水資源信息系統(tǒng)等，通過實時數(shù)據(jù)傳輸、多源數(shù)據(jù)整合和可視化表達等，方便用戶對于自然災(zāi)害信息的查詢?yōu)g覽和調(diào)用；日本自然災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)［2］為用戶提供地震實時數(shù)據(jù)、火山活動風(fēng)險圖、洪水風(fēng)險圖、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險圖，輔助人們認知自然災(zāi)害，分析可能產(chǎn)生的災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域，通知和指導(dǎo)民眾撤離地點、路線和防范方法等；德國－歐洲水文地質(zhì)系統(tǒng)提供覆蓋整個歐洲大陸及亞洲部分地區(qū)的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)；英國、奧地利、韓國［3］等國家也都建立了自然災(zāi)害在線實時監(jiān)測預(yù)警和信息發(fā)布查詢系統(tǒng)。

近年來，中國也開展了大量的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測及其信息化建設(shè)工作，在國家層面建立了中國縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害群測群防信息系統(tǒng)、區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等，各?。ㄊ?、自治區(qū)）也紛紛建立各類地質(zhì)環(huán)境信息系統(tǒng)［4－19］。但與國外相比，中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)系統(tǒng)還存在以下問題：地質(zhì)環(huán)境各業(yè)務(wù)部門和地方省市不同類別的地質(zhì)災(zāi)害、地下水、礦山地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)遺跡等多維數(shù)據(jù)尚未有效整合集成在一起，動態(tài)更新機制不成熟，難以提供統(tǒng)一的共享服務(wù)；地質(zhì)環(huán)境信息管理與服務(wù)系統(tǒng)各自獨立建設(shè)，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，相互之間難以進行數(shù)據(jù)交換和互操作；地質(zhì)環(huán)境信息的開發(fā)利用還遠遠不夠，地質(zhì)環(huán)境綜合評價分析和輔助決策的能力還有待進一步提升。

針對上述問題，筆者開展了中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺的設(shè)計研究，提出了“分布集成、統(tǒng)一管理、集中服務(wù)”模式的地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺，設(shè)計了平臺的邏輯層次、功能體系及內(nèi)外部接口等。

1 總體結(jié)構(gòu)

1．1 總體架構(gòu)

中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺按照“分布集成、統(tǒng)一管理、集中服務(wù)”的模式進行設(shè)計，其總體架構(gòu)見圖1。

分布集成是指依托中國地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)，形成國家－?。ㄊ校瓍^(qū)（縣）3個層次的分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，以實現(xiàn)中國地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的有機集成、功能的科學(xué)管理和資源的有序共享。統(tǒng)一管理指基于分布集成形成的中國地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建統(tǒng)一的地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，為平臺其他系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)及其他第三方系統(tǒng)提供基礎(chǔ)性功能服務(wù)。集中服務(wù)是指在前兩者的基礎(chǔ)上，面向領(lǐng)導(dǎo)決策和業(yè)務(wù)管理，構(gòu)建集中式的地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)等3個應(yīng)用系統(tǒng)，它是平臺信息收集、多指標評價及對外展示的窗口。

1．2 邏輯層次

為實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的分布集成、系統(tǒng)運維的統(tǒng)一管理以及平臺功能服務(wù)的集中提供，中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺邏輯上分為5個層次，自底向上依次為：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、功能層、服務(wù)層和用戶層。平臺邏輯層次見圖2。

基礎(chǔ)設(shè)施層為平臺運行提供相關(guān)的軟硬件設(shè)備，是支撐平臺正常、穩(wěn)定運行的保障，主要由監(jiān)測儀器、設(shè)備、服務(wù)器、顯示設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)等組成。

圖1 中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺總體架構(gòu)Fig．1 General Frame of China Geo－environmental Information Service Platform

圖2 中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺邏輯層次Fig．2 Logical Layers of China Geo－environmental Information Service Platform

數(shù)據(jù)層是平臺服務(wù)的內(nèi)容，可集成各類監(jiān)測設(shè)施獲取的信息，為平臺提供數(shù)據(jù)支持。地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)資源主要包括：地質(zhì)災(zāi)害、地下水、礦山地質(zhì)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)查，地質(zhì)遺跡數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地質(zhì)、對地觀測遙感影像等。地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)通過動態(tài)目錄（水工環(huán)信息資源分類與編碼規(guī)范）和元數(shù)據(jù)（地質(zhì)信息元數(shù)據(jù)標準）相結(jié)合的方式為用戶提供導(dǎo)航展示服務(wù)。

功能層主要實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)資源的調(diào)度、處理，并將結(jié)果反饋給用戶。該層包含管理功能和服務(wù)功能2部分，可為用戶提供注冊、單點登錄與權(quán)限認證、數(shù)據(jù)匯總集成與更新維護、數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽、空間化服務(wù)、綜合評價服務(wù)等。

服務(wù)層在功能層的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)（Web Service）將核心功能封裝成網(wǎng)絡(luò)組件，為第三方軟件系統(tǒng)提供基礎(chǔ)性功能的遠程調(diào)用。服務(wù)層是平臺對外擴展、與其他系統(tǒng)交互的窗口。比如，集成國家測繪地理信息局提供的基礎(chǔ)地理信息服務(wù)，以擴展和豐富平臺的功能與信息量。

用戶層是指平臺的管理維護者和使用者，具體包括地質(zhì)環(huán)境相關(guān)業(yè)務(wù)人員、領(lǐng)導(dǎo)決策者、地質(zhì)環(huán)境科研人員、社會公眾等。

1．3 功能體系

中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺功能體系（圖3）具體包括分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)等5個系統(tǒng)。

分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)是地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)科學(xué)管理、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的控制器，構(gòu)成了地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺服務(wù)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)主要面向地質(zhì)環(huán)境管理部門，實現(xiàn)中國及各省市地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)資源的整合集成與逐級匯總，為中國地質(zhì)環(huán)境日常管理、防治保護、預(yù)警預(yù)報、應(yīng)急指揮等提供全面、統(tǒng)一的一站式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)資源支撐服務(wù)。

圖3 中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺功能體系Fig．3 Function Architecture of China Geo－environmental Information Service Platform

地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)是地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺的引擎，為整個平臺提供統(tǒng)一的功能服務(wù)。該系統(tǒng)分為面向系統(tǒng)管理員、業(yè)務(wù)人員以及軟件系統(tǒng)3個層級，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)航、瀏覽、查詢、分析、空間化處理、用戶權(quán)限認證、數(shù)據(jù)庫連接設(shè)置、數(shù)據(jù)字典維護等功能，并為地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)、綜合評價系統(tǒng)、一張圖服務(wù)系統(tǒng)及第三方軟件系統(tǒng)提供遠程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)是實時掌握地質(zhì)環(huán)境體征狀態(tài)變化的通道。該系統(tǒng)依托中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息和監(jiān)控視頻的實時接入，為各級領(lǐng)導(dǎo)和業(yè)務(wù)人員全面掌握中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點時空分布、監(jiān)測設(shè)備狀況以及地質(zhì)環(huán)境體征狀態(tài)動態(tài)變化情況提供支撐。

地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)是服務(wù)地質(zhì)環(huán)境管理和宏觀決策的科學(xué)依據(jù)，可實現(xiàn)中國各區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治、地下水環(huán)境保護、礦山地質(zhì)環(huán)境保護和地質(zhì)遺跡保護等狀態(tài)的綜合評價。利用該系統(tǒng)可進行地質(zhì)環(huán)境綜合評價指標及權(quán)重的維護管理，地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)分類、分級評價以及影響因子分析、評價結(jié)果的審查發(fā)布等操作。

地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)是提升和擴展地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)的重要門戶?；谠撓到y(tǒng)可實現(xiàn)集成資源的統(tǒng)籌管理、共享共用，并利用合理的地圖樣式配置，將信息有序地整合到一張專題圖上，實現(xiàn)多源信息聯(lián)動，方便查詢調(diào)閱，進而促使地質(zhì)環(huán)境信息的應(yīng)用。

1．4 內(nèi)、外接口

規(guī)范化的接口是實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺各系統(tǒng)內(nèi)部、各系統(tǒng)之間以及平臺與第三方系統(tǒng)互操作，提高應(yīng)用系統(tǒng)使用效率，避免基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)得不到及時更新，滿足資源重用和業(yè)務(wù)協(xié)同的重要步驟。地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺接口可分為3類（圖4）。地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺內(nèi)、外接口采用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的形式，既可以采用簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）也可以采用RESTful規(guī)范來實現(xiàn)，接口之間的數(shù)據(jù)交換采用XML實現(xiàn)。

圖4 中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺內(nèi)、外部接口Fig．4 Internal and External Interfaces of China Geo－environmental Information Service Platform

（1）平臺內(nèi)部系統(tǒng)的接口是指分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)之間的接口，主要用于實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)之間數(shù)據(jù)的交換集成。

（2）與部門內(nèi)已有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口是指地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)與三大應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口，通過接口為地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)提供各種地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)信息服務(wù)。

（3）與部門外部系統(tǒng)的接口分為2類：一類是平臺（如分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)）對地質(zhì)環(huán)境業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)用接口，該類接口可實現(xiàn)平臺對地質(zhì)環(huán)境業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)資源的整合；另一類接口用于實現(xiàn)外部系統(tǒng)對平臺功能服務(wù)的調(diào)用，比如地質(zhì)環(huán)境業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和授權(quán)的第三方應(yīng)用系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)提供的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)目錄導(dǎo)航、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析等基礎(chǔ)服務(wù)接口的調(diào)用。

2 平臺開發(fā)與實現(xiàn)

2．1 平臺開發(fā)技術(shù)

地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺采用B／S結(jié)構(gòu)和SOA體系架構(gòu)，在統(tǒng)一的 WAF集成框架下，分別采用Java（如地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)）和ASP．NET（如分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)）編程語言實現(xiàn)。Java程序開發(fā)采用Eclipse 3．4．x，利用JDK1．5．0＿10、Apache－tomcat－5．5．x；．NET 程序開發(fā)采用 Microsoft Visual Studio 2005和 ASP．NET C＃編程語言；地理信息功能采用 ArcGIS Server for Flex編程，遵循OGC WMS、WFS等規(guī)范，進而實現(xiàn)異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)（ArcGIS shpfile和 MapGIS格式的空間數(shù)據(jù)）的集成與互操作；后臺數(shù)據(jù)庫采用Oracle 10g。

為了能夠有效集成應(yīng)用系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的單點登錄模塊，保證用戶在不同應(yīng)用系統(tǒng)之間使用同一套用戶名和密碼；采用美國耶魯大學(xué)的開源項目“中心認證服務(wù)”（CAS），通過統(tǒng)一的認證中心實現(xiàn)。

應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口采用Web服務(wù)的形式，利用RESTful協(xié)議實現(xiàn)，接口之間的數(shù)據(jù)交換采用XML來實現(xiàn)。提供統(tǒng)一的服務(wù)注冊中心，實現(xiàn)服務(wù)的注冊、審核、訂閱、檢索等；通過ESB服務(wù)總線，實現(xiàn)服務(wù)的監(jiān)聽、控制、集成與連接等。在基礎(chǔ)支撐平臺中，提供公共組件服務(wù)，包括數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計分析、ETL工具（支持表或視圖、SQL查詢、文本文件、CSV文件、Excel文件、XML文件等的數(shù)據(jù)抽?。?、統(tǒng)一圖表顯示、文件上傳下載、詞語檢索與解釋、統(tǒng)一打印、安全管理、日志管理等組件，支持各應(yīng)用系統(tǒng)使用，避免重復(fù)開發(fā)。

2．2 平臺實現(xiàn)

目前，已經(jīng)完成開發(fā)的系統(tǒng)包括：分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)（圖5）、地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)（圖6）。正在進行地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)的開發(fā)。

圖5 分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)界面Fig．5 Web Page of Distributed Geo－environmental Data Integration System

圖6 地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)界面Fig．6 Web Page of Geo－environmental One－map Service System

地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)采用全球30m數(shù)字高程模型（DEM）及不同分辨率的遙感影像作為背景，重點地區(qū)采用高分辨率遙感影像，支持各類地質(zhì)環(huán)境信息二維、三維和專題圖的可視化展示和查詢?yōu)g覽。目前，通過上述系統(tǒng)已經(jīng)集成的數(shù)據(jù)包括：中國1∶500 000分省地質(zhì)環(huán)境空間數(shù)據(jù)、1∶200 000水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)；地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)22萬多條；中國1 500多個地下水監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)；北京、山東和新疆等地下水示范區(qū)500多個監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)；礦山及礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)7萬多條；地質(zhì)遺跡數(shù)據(jù)1 000多條；四川雅安以及云南哀牢山、新平示范區(qū)地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

3 結(jié) 語

（1）提出并設(shè)計了“分布集成、統(tǒng)一管理、集中服務(wù)”模式的中國地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺。該平臺包括分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)五大系統(tǒng)。

（2）在統(tǒng)一的框架下，五大系統(tǒng)協(xié)同工作可以實現(xiàn)分散、多源、異構(gòu)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的無縫集成、統(tǒng)一管理，實時掌握地質(zhì)環(huán)境體征狀態(tài)變化，開展中國各區(qū)域地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)分類分級評價和影響因子分析，提供地質(zhì)環(huán)境多維信息的一體化服務(wù)。

（3）利用ASP．NET、Ajax、Flex等編程語言，已經(jīng)完成分布式地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境一張圖服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)，并在中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院以及部分省市進行了應(yīng)用，集成了大量的地質(zhì)環(huán)境空間數(shù)據(jù)以及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、地下水監(jiān)測、礦山地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)遺跡調(diào)查數(shù)據(jù)等。

（4）在物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星、移動通訊以及綜合評價指標體系、評價模型等的支持下，將繼續(xù)完成地質(zhì)環(huán)境智能感知系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境綜合評價系統(tǒng)的開發(fā)，推進地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)平臺在中國的應(yīng)用。

武漢達夢數(shù)據(jù)庫有限公司、武漢地大信息工程有限公司提供了相關(guān)材料和技術(shù)實現(xiàn)，在此一并致謝！

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