基于WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 權(quán)，宋金茜，姜小三，王 強(qiáng)

基于WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 權(quán)，宋金茜，姜小三*，王 強(qiáng)

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京210095）

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全問題日益受到關(guān)注，及時準(zhǔn)確地監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境狀況，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，對保障農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全具有重要意義。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控手段存在耗時長，成本高等缺點(diǎn)，無法及時快速的掌握環(huán)境污染狀況。為此利用Java技術(shù)平臺，將開源WebGIS技術(shù)與環(huán)境分析評價(jià)模型整合，在江蘇省建立了基于WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能利用Web技術(shù)的便捷性，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境數(shù)據(jù)的快速收集、管理和統(tǒng)計(jì)功能；也可以利用GIS的空間插值技術(shù)和環(huán)境污染評價(jià)模型，對江蘇省進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染的單因子和多因子評價(jià)。系統(tǒng)最終可以利用收集的數(shù)據(jù)生成江蘇省的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)分級評價(jià)圖，為江蘇省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染防治工作提供了有力支持。

WebGIS；農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地；污染；評價(jià)系統(tǒng)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境安全問題越來越受到人們的關(guān)注，其中農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染問題因其危害后果嚴(yán)重，尤其引人注目。因此，尋求合理高效的方法來對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地進(jìn)行全面的調(diào)查，收集必要的數(shù)據(jù)監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)而對其環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測依靠人工手段收集處理環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時間成本，在面對較大數(shù)據(jù)量時往往效率不足，并且無法做到及時進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的監(jiān)督預(yù)警[1]。在大的空間尺度上，GIS技術(shù)可以被用來對環(huán)境要素進(jìn)行空間分析，對環(huán)境危害做出預(yù)警[2]。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，GIS技術(shù)也在不斷與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合[3]，WebGIS技術(shù)逐漸成為GIS技術(shù)的主流。使用WebGIS技術(shù)構(gòu)建環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)，既可以利用互聯(lián)網(wǎng)的便捷性來加快信息收集和處理的速度，還可以利用GIS技術(shù)來對環(huán)境污染數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，使得環(huán)境污染問題的處理效率極大提高[4-6]。

目前，WebGIS在農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用研究已有不少實(shí)例[7]。李文峰等[8]以云南省建水縣為研究區(qū)，對農(nóng)田土壤、灌溉水、大氣的污染狀況建立模型，利用WebGIS系統(tǒng)對食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。但由于此系統(tǒng)主要是利用部分歷史環(huán)境數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，不具備對環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時輸入和管理功能，應(yīng)用能力有限。

本研究以江蘇省為研究區(qū)，通過整合WebGIS技術(shù)和環(huán)境污染評價(jià)模型，建立農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、上報(bào)和管理能力，能對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價(jià)，進(jìn)而為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染防治工作提供支持。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的研究區(qū)為江蘇省，數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩類?？臻g數(shù)據(jù)包括數(shù)字化的江蘇省行政區(qū)圖、土地利用圖、土壤類型圖等。屬性數(shù)據(jù)分為五個表格，包括農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地信息、具體采樣點(diǎn)的位置信息、環(huán)境要素信息、污染物含量信息等，表格包含的具體內(nèi)容見表1。屬性數(shù)據(jù)由江蘇省耕保站工作人員現(xiàn)場調(diào)查和測量錄入到標(biāo)準(zhǔn)表格中，并通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入模塊來進(jìn)行收集和上報(bào)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)基于通用的B/S架構(gòu)開發(fā)，分為服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端基于Java平臺開發(fā)，采用JDK7.0作為開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，Eclipse作為開發(fā)工具。Web應(yīng)用服務(wù)器使用Tomcat6向外提供互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站訪問服務(wù)；GIS服務(wù)器采用GeoServer2.7向外提供GIS數(shù)據(jù)訪問服務(wù)；數(shù)據(jù)庫使用MySQL5.5存儲各類數(shù)據(jù)；客戶端為標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器，開發(fā)語言為JavaScript，兼容使用Webkit內(nèi)核的所有瀏覽器。客戶端利用Ajax技術(shù)來與服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互格式為JSON。

1.3 開源WebGIS技術(shù)

本系統(tǒng)的核心是一套WebGIS組件，其亮點(diǎn)在于全部采用開源社區(qū)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是可定制性強(qiáng)，符合國際標(biāo)準(zhǔn)，成本低，易于維護(hù)和升級。后臺GIS服務(wù)器使用GeoServer，GeoServer是符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的J2EE實(shí)現(xiàn)，能夠方便地幫助用戶發(fā)布地理數(shù)據(jù)，并允許用戶對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、修改、刪除等操作。前端地圖展現(xiàn)使用開源的JavaScript庫OpenLayers，OpenLayers能夠訪問各種標(biāo)準(zhǔn)類型的GIS數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)，并允許用戶與數(shù)據(jù)進(jìn)行各種交互操作。前后端的GIS數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)為WMS和WFS[9-11]。

表1 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫內(nèi)容Table 1 Content of the attribute database of pollution evaluation system for agriculture products

2 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境污染分析模型

本研究需要對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境污染狀況特別是重金屬污染狀況進(jìn)行評價(jià)，因而選取合適的分析模型尤為重要。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時考慮到評價(jià)模型的多樣性，設(shè)計(jì)了可插拔的評價(jià)模型體系，可以同時兼容各種不同的評價(jià)模型。本系統(tǒng)的評價(jià)要素主要為土壤及農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬污染元素。要對重金屬污染元素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，首先需要得到污染元素在全研究區(qū)的含量分布圖，而該分布圖可以通過對錄入的重金屬采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值來得到。

環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的分析模型包括單因子分析模型和多因子分析模型兩類，其中多因子分析模型又包括潛在生態(tài)危害指數(shù)法、綜合污染評價(jià)法和最大單項(xiàng)指數(shù)法等。利用WebGIS的空間分析功能，可以對單個污染元素含量分布圖進(jìn)行單因子分析運(yùn)算，得到單個污染元素的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布圖，也可以對多個污染元素含量分布圖進(jìn)行多因子分析運(yùn)算，得到綜合污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分布圖。

2.1 空間插值方法

地理學(xué)上認(rèn)為距離越近的事物越相近。反距離權(quán)重（IDW，Inverse Distance Weighted）插值法正是基于這一原理。它用插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的距離作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，來計(jì)算插值點(diǎn)的屬性值[12]。一般公式如下：

式中：Z（s0）為s0處的預(yù)測值；N為預(yù)測計(jì)算過程中要使用的預(yù)測點(diǎn)周圍樣點(diǎn)的數(shù)量；λi為預(yù)測計(jì)算過程中使用的各樣點(diǎn)的權(quán)重，該值隨著樣點(diǎn)與預(yù)測點(diǎn)之間距離的增加而減少；Z（si）為在si處獲得的測量值。

確定權(quán)重的計(jì)算公式為：

式中：P為指數(shù)值；di0為預(yù)測點(diǎn)s0與各已知樣點(diǎn)si之間的距離；各點(diǎn)的權(quán)重值之和為1。

克里金（Kriging）插值法是一種以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)有限鄰域樣本數(shù)據(jù)對未知樣點(diǎn)進(jìn)行分析的一種線性無偏最優(yōu)估計(jì)。該方法的適用范圍為區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，即通過變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析的方法可以檢測到區(qū)域化變量存在空間相關(guān)性，就可以使用克里金插值。

克里金插值法與反距離權(quán)重插值法一樣，也是通過對已知樣點(diǎn)賦權(quán)重來求得未知樣點(diǎn)的值，其公式如下：

式中：Z（x0）為未知樣點(diǎn)的值；Z（xi）為未知樣點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的值；wi為第i個已知樣本點(diǎn)對未知樣點(diǎn)的權(quán)重；n為已知樣本點(diǎn)的個數(shù)。

兩種方法不同的是，在賦權(quán)重時，反距離權(quán)重插值方法只考慮已知樣本點(diǎn)與未知樣點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近，而克里金插值法不僅考慮距離，還通過變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析，考慮了已知樣本點(diǎn)的空間分布及與未知樣點(diǎn)的空間位置關(guān)系[13]。變異函數(shù)是已知點(diǎn)的半方差與距離的擬合函數(shù)，變異函數(shù)包括球狀模型、指數(shù)模型等多種數(shù)學(xué)模型。得到變異函數(shù)模型后，就可以通過已知點(diǎn)與預(yù)測點(diǎn)的距離得到已知點(diǎn)與預(yù)測點(diǎn)的半方差，進(jìn)而計(jì)算得到權(quán)重?？死锝鸩逯捣ǖ膬?yōu)點(diǎn)是插值精度高，一般情況下誤差較小，缺點(diǎn)是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有要求，計(jì)算過程復(fù)雜并且計(jì)算量巨大，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)程序應(yīng)用時需要進(jìn)行簡化處理。

2.2 單因子評價(jià)模型

單因子指數(shù)法可以評價(jià)單一元素的污染風(fēng)險(xiǎn)程度，指數(shù)值越大，污染越嚴(yán)重。從單因子污染分級圖中了解到不同區(qū)域人為活動對土壤重金屬影響的類型和程度，評價(jià)結(jié)果用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和對應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品的采集工作。單因子指數(shù)法的計(jì)算公式為：

式中：Pi為土壤中污染物的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物的實(shí)測濃度；Si為污染物評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，mg·kg-1。

Si的值除了引用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—1995）之外，還將《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）也放入系統(tǒng)中，評價(jià)結(jié)果為政府部門提供一些參考。若要評價(jià)不同農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的生產(chǎn)潛力，則需要選用不同級別的農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)，后文列出一些標(biāo)準(zhǔn)放入系統(tǒng)中，供有關(guān)部門參考已監(jiān)測的五種重金屬是否符合各級農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)[14]。污染分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤單項(xiàng)污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The classification of soil single pollution

2.3 多因子評價(jià)模型

多因子評價(jià)模型是在單因子評價(jià)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，包括最大單項(xiàng)指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法等。最大單項(xiàng)指數(shù)法是農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測總站針對全國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤規(guī)定的綜合評估方法，即按點(diǎn)位單項(xiàng)指數(shù)Pi的最大值Pimax來確定各個點(diǎn)位的安全等級。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法同時考慮了污染物的平均值和最大值，其計(jì)算公式如下：

式中：P為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)；Pi為各元素單項(xiàng)指數(shù)的平均值；Pimax為各元素單項(xiàng)指數(shù)的最大值[16－18]。

Pimax與P的分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 評價(jià)指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 The classification standard of evaluation index

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個軟件平臺基于虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建，可運(yùn)行于各類Linux和Windows服務(wù)器上，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，存儲各類系統(tǒng)運(yùn)行所需數(shù)據(jù)。服務(wù)層則根據(jù)各種需求，對數(shù)據(jù)層進(jìn)行處理，抽象出各種數(shù)據(jù)服務(wù)接口。引用層則調(diào)用服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)各種功能，滿足用戶需求。

在數(shù)據(jù)層存儲系統(tǒng)運(yùn)行必需的數(shù)據(jù)主要分為四類。空間數(shù)據(jù)包括各種必需的行政區(qū)圖、土地利用圖、土壤類型圖等。這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行空間分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要提前獲取。屬性數(shù)據(jù)是指根據(jù)實(shí)際采樣得到的數(shù)據(jù)，包括農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地信息、重金屬含量信息等。這些信息由省農(nóng)環(huán)站安排各級單位調(diào)查得到，并通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入模塊進(jìn)行錄入，屬于本系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫主要包括用戶信息、權(quán)限信息、地區(qū)代碼信息等維持系統(tǒng)正常運(yùn)作的信息。文件數(shù)據(jù)包括對屬性數(shù)據(jù)的字段說明、對屬性數(shù)據(jù)做補(bǔ)充的圖片等各類文件類型的數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)通常體積較大，占據(jù)數(shù)據(jù)存儲層的大部分空間。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 System architecture

服務(wù)層從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，供應(yīng)用層來調(diào)用，處理各種業(yè)務(wù)邏輯。服務(wù)層的核心是一個基于JavaEE標(biāo)準(zhǔn)的Tomcat服務(wù)器，它作為應(yīng)用服務(wù)器，能夠承載各種不同類型的Web應(yīng)用。同時，環(huán)境分析評價(jià)模型作為一種特殊的服務(wù)，可以被應(yīng)用服務(wù)器調(diào)用。環(huán)境分析評價(jià)模型能夠調(diào)用GIS服務(wù)器提供的GIS數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)來完成分析操作。而GIS服務(wù)器則專門用來提供GIS數(shù)據(jù)服務(wù)，這些服務(wù)既可以被用戶以地圖方式直接調(diào)用，也可以被環(huán)境分析模型調(diào)用，以完成復(fù)雜的分析操作。

應(yīng)用層直接與用戶進(jìn)行交互，滿足各類用戶需求。本系統(tǒng)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了多種多樣的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、地圖結(jié)果展示等核心功能，也包括用戶管理、權(quán)限管理等系統(tǒng)必備功能，還有文檔管理、信息門戶、自動辦公等輔助功能。

3.2 數(shù)據(jù)管理功能

本系統(tǒng)的首要任務(wù)是對全省的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地和土壤重金屬的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入和管理。這部分功能由數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)來完成，如圖2所示，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)四個模塊。

數(shù)據(jù)錄入模塊提供了對表1中所列的5大類表格數(shù)據(jù)的錄入功能。每個地區(qū)都分配有自己的賬號，以便完成本地區(qū)的數(shù)據(jù)錄入。用戶在此模塊中還能對已錄入表格數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、修改和刪除。數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)對用戶錄入的每條數(shù)據(jù)都會進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證輸入數(shù)據(jù)的合法性。例如，采樣點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)作為后續(xù)分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在錄入時要求必須精確到小數(shù)點(diǎn)后4位，而且會根據(jù)所屬地區(qū)，進(jìn)行空間查詢，確認(rèn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)是否在合理的范圍內(nèi)。

圖2 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)Figure 2 Interface of data management sub-system

數(shù)據(jù)審核模塊能夠?qū)徍吮砀駜?nèi)各個字段以及各個表格之間的數(shù)據(jù)一致性，并提示用戶修改，能顯著提高整體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和完整性，使得后期的數(shù)據(jù)分析結(jié)果更可靠。例如，同一采樣點(diǎn)的信息可能會分布于不同的表格，數(shù)據(jù)審核功能可以校驗(yàn)一個采樣點(diǎn)在每張表格上的信息是否是一一對應(yīng)的，是否在某個表格上缺失某個點(diǎn)的信息。

數(shù)據(jù)查詢模塊能組合多種條件來進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。在用戶錄入了大量數(shù)據(jù)后，要找到并修改其中某一條數(shù)據(jù)將變得困難。用戶通過數(shù)據(jù)查詢模塊的各種條件組合可以很快地過濾查找到想要的數(shù)據(jù)，并直接點(diǎn)擊修改按鈕進(jìn)行修改。同時，數(shù)據(jù)查詢模塊提供了數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，用戶可以快速輸入查詢條件，以Excel表格形式批量下載想要的數(shù)據(jù)，方便用戶自由利用數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊能夠幫助用戶對表格數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括表格數(shù)量統(tǒng)計(jì)，對某些字段的值進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，以柱狀圖查看字段值的分布趨勢等。

3.3 數(shù)據(jù)分析評價(jià)功能

數(shù)據(jù)分析評價(jià)子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心。用戶在分析評價(jià)模塊中可以完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、空間插值、分析評價(jià)、制圖發(fā)布的全部流程。用戶在此系統(tǒng)中操作的主要對象包括圖層、工作空間和圖層樣式。

圖層在系統(tǒng)中表示空間數(shù)據(jù)。例如，江蘇省的行政區(qū)圖是一個圖層，而采樣點(diǎn)位及相關(guān)屬性信息構(gòu)成另外一個圖層。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，將用戶錄入的環(huán)境監(jiān)測信息轉(zhuǎn)換為空間圖層。

工作空間是用戶操作空間數(shù)據(jù)的場所。圖3所示為工作空間的截圖，工作空間上方為工具欄，左側(cè)為圖層列表，右側(cè)為圖層顯示區(qū)。用戶可以在左側(cè)圖層列表中添加圖層、新建圖層、查看和修改圖層樣式、查看圖層屬性信息、查看圖層的屬性表、對圖層屬性進(jìn)行搜索查詢。用戶還能打開上方的編輯器，使得當(dāng)前選中的圖層進(jìn)入編輯模式，從而可以直接修改其空間和屬性信息。在圖層列表的下方，用戶可以對地圖區(qū)域的底圖進(jìn)行切換，目前支持的底圖包括Open－StreetMap和BingMap等。地圖右側(cè)用于圖層的可視化展示，地圖使用的坐標(biāo)系為wgs84 web mercator（auxiliary sphere）。用戶可以自由縮放和拖動地圖，點(diǎn)擊圖層上的元素可以查看其屬性信息。地圖區(qū)域的左上角為地圖縮放按鈕，左下方為動態(tài)比例尺，右上方為當(dāng)前鼠標(biāo)坐標(biāo)，右下方則會根據(jù)情況來顯示圖例。

工具欄的右側(cè)可以打開工具箱，其中包含有各種空間分析工具，包括空間插值工具、單因子分析工具、多因子分析工具?？臻g分析工具可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行開發(fā)，隨時加入到工具箱中，供用戶使用。

典型的分析流程如圖4所示。用戶首先通過數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)錄入環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)年份、地區(qū)等條件選擇需要進(jìn)行分析的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)換為采樣點(diǎn)位圖。接著用戶建立并打開工作空間，加入數(shù)據(jù)分析需要使用的采樣點(diǎn)位圖、行政區(qū)圖等圖層。使用工具箱中的插值工具，對采樣點(diǎn)位圖中的污染元素含量值進(jìn)行插值，得到污染元素含量分布圖。對該圖層應(yīng)用單因子分析模型得到該因子的污染風(fēng)險(xiǎn)分級圖（圖5），在得到多個因子的含量分布圖之后，可以對這些圖層應(yīng)用多因子分析模型，得到綜合污染風(fēng)險(xiǎn)分級圖。

圖3 數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)的工作空間Figure 3 Interface of workspace in data analyze sub-system

圖4 數(shù)據(jù)分析處理流程圖Figure 4 Flowchart of data analysis process

3.4 其他功能

其他功能還包括后臺管理、信息門戶、文檔管理、自動辦公等。這些功能可以提高系統(tǒng)的實(shí)用性，幫助用戶更好的管理系統(tǒng)，將系統(tǒng)的作用完全發(fā)揮出來。

后臺管理子系統(tǒng)供系統(tǒng)管理員使用，包含用戶管理、權(quán)限管理、短信管理、新聞管理等模塊。用戶管理模塊提供對用戶信息的統(tǒng)一管理，權(quán)限管理則控制用戶對各個系統(tǒng)模塊的訪問權(quán)限，短信管理模塊提供了向用戶推送短信的功能，新聞管理則能夠控制信息門戶的信息展示。

信息門戶用于向用戶發(fā)布新聞和通知，并提供常用系統(tǒng)功能的快捷通道。

文檔管理子系統(tǒng)提供對各種文檔數(shù)據(jù)的管理。用戶可以上傳Word、Excel、PPT、圖片等各類文檔，并直接在網(wǎng)頁上預(yù)覽文件。文檔管理也提供了對各類系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的管理功能。用戶可以直接上傳GIS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了接口將其轉(zhuǎn)換為圖層，可以在數(shù)據(jù)分析模塊中使用。

自動辦公提供了文檔的審核和發(fā)布功能，提供多人共享的文檔辦公流程。

4 結(jié)論

本研究基于新型的開源WebGIS技術(shù)，結(jié)合江蘇省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測工作的特點(diǎn)和需求，構(gòu)建江蘇省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)，取得了如下研究成果：

（1）建立了一套基于開源WebGIS技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，并得到成功應(yīng)用，為傳統(tǒng)的WebGIS開發(fā)提供了新的思路和方向。

（2）通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入模塊實(shí)現(xiàn)了對江蘇省近幾年來的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入和管理，建立了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫。同時建立數(shù)據(jù)審核模塊，制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，保證了數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)質(zhì)量以及后期數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性。

圖5 污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)圖Figure 5 Map of pollution risk evaluation

（3）研究并整合GIS空間分析技術(shù)與環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，建立了分析評價(jià)模塊，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境污染數(shù)據(jù)的分析，得到污染元素含量分布圖、污染風(fēng)險(xiǎn)分級評價(jià)圖等成果，為江蘇省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬污染防治工作提供了技術(shù)支持。

系統(tǒng)的整體框架已經(jīng)基本構(gòu)建完成，針對在投入使用過程中遇到的一些問題，還需要進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能。主要包括：數(shù)據(jù)錄入模塊需要加入智能錄入提示，提高數(shù)據(jù)錄入效率；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)目前只能統(tǒng)計(jì)重要字段的信息，需要添加更全面的統(tǒng)計(jì)分析工具；數(shù)據(jù)分析評價(jià)模塊的可視化效果比較粗糙，還需要參考好的實(shí)現(xiàn)方式不斷改進(jìn)；系統(tǒng)在面對大用戶量時穩(wěn)定性還有所欠缺，下一步需要優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

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Design and implementation of a pollution evaluation system in an agricultural producing area based on WebGIS

ZHU Quan,SONG Jin-xi,JIANG Xiao-san*,WANG Qiang
（College of Resources and Environmental Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China）

The environmental safety of agricultural producing areas has attracted increasing concern.Timely monitoring of the agricultural environment and collection of relevant data for risk assessment is important to guarantee agricultural security.The traditional method of agricultural environment monitoring is time-consuming and expensive,thus it is difficult to determine pollution conditions of agricultural producing areas in a timely manner.Building a WebGIS pollution evaluation system can meet the needs of collecting the environmental data rapidly and analyzing these data efficiently.Open source WebGIS technology and an environmental evaluation model were combined using the Java platform to build the agricultural producing area pollution evaluation system（APAPES）for Jiangsu Province.The APAPES can quickly collect,manage,and analysis environmental pollution data.Via the APAPES,a massive amount of data was collected in a few weeks.Users can easily add,view,modify,and delete data.Several search and statistical tools are offered by the APAPES.It is convenient for searching environmental data with multiple conditions and displaying data characteristics in multiple dimensions.Users can employ spatial interpolation tools to generate a distribution map of pollution elements.By applying the single factor and multiple factor index methods to the element distribution map,the APAPES returns a comprehensive pollution risk distribution map to the user.By using the APAPES,environmental monitoring is organized in a more modern and efficient way,which streamlines the collection and analysis of environmental data.The analysis results can help people allocate resources more appropriately to prevent environmental pollution of agricultural producing areas.

WebGIS;agricultural producing area;pollution;evaluation system

X820.2

A

1672-2043（2017）09-1850-08

10.11654/jaes.2017-0227

朱 權(quán)，宋金茜，姜小三，等.基于WebGIS的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地污染評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（9）：1850-1857.ZHU Quan,SONG Jin-xi,JIANG Xiao-san,et al.Design and implementation of a pollution evaluation system in an agricultural producing area based on WebGIS[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（9）:1850-1857.

2017-02-26

朱 權(quán)（1992—），男，湖北荊門人，碩士研究生，主要從事土壤資源環(huán)境遙感與信息系統(tǒng)研究。E-mail：2014103076@njau.edu.cn

*通信作者：姜小三E-mail：gis@njau.edu.cn

江蘇省農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全智慧管控系統(tǒng)項(xiàng)目（JSZC-G2015-039）

Project supported：Intelligent Management System for Safety of Agricultural Producing Area of Jiangsu Province，China（JSZC-G2015-039）