基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

朱可嘉，張蓓李，方小兵

（浙江華普環(huán)境科技有限公司金華分公司，浙江金華 321000）

0 引言

近年來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記提出新發(fā)展理念和建設(shè)美麗中國(guó)的目標(biāo)，其中都蘊(yùn)含了明確的生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念，而土壤環(huán)境是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中的重要組成部分，土壤環(huán)境保護(hù)的重要性毋庸置疑。但是相關(guān)部門(mén)在監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境污染時(shí)溯源工作比較困難，因此為了提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)效果有必要基于3S 技術(shù)構(gòu)建土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，利用3S 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)土壤環(huán)境污染源頭進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

1 基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)

1.1 3S 技術(shù)

3S 技術(shù)是遙感技術(shù)（Remote sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global positioning systems，GPS）的統(tǒng)稱(chēng)，是空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)相結(jié)合，多學(xué)科高度集成的對(duì)空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以根據(jù)3S 技術(shù)對(duì)土壤環(huán)境污染變化情況進(jìn)行仔細(xì)分析，從而直觀地觀察土壤環(huán)境相比之前的變化態(tài)勢(shì)，這樣有利于從時(shí)間和空間兩個(gè)角度增強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)效果[1]。

1.2 土壤環(huán)境

土壤環(huán)境實(shí)際上指連續(xù)覆被于地球陸地地表的土壤圈層。土壤環(huán)境要素組成農(nóng)田、草地和林地等；它是人類(lèi)的生存環(huán)境——四大圈層（大氣圈、水圈、土壤—巖石圈和生物圈）的一個(gè)重要圈層，連接并影響著其他圈層。因此，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)可以為相關(guān)部門(mén)保護(hù)土壤環(huán)境提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而保護(hù)土壤環(huán)境就相當(dāng)于保護(hù)大氣圈、水圈、生物圈不受污染和破壞[2]。

1.3 土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)通過(guò)布點(diǎn)、采樣、分析、評(píng)價(jià)等流程對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行調(diào)查，然后將調(diào)查結(jié)果傳輸?shù)酵寥拉h(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，最后相關(guān)人員在系統(tǒng)中調(diào)取某個(gè)時(shí)間段土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)，即可直觀地了解該區(qū)域土壤環(huán)境在特定時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量變化情況，從而判斷該區(qū)域是否存在土壤環(huán)境污染源。在3S 技術(shù)的幫助下，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在地圖之上模擬該時(shí)間段內(nèi)區(qū)域土壤污染變化區(qū)域，這樣可以將土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)可視化，從而提高土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的工作效率和質(zhì)量[3]。

2 基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)

2.1 基礎(chǔ)信息平臺(tái)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)信息平臺(tái)可以通過(guò)收集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)收集主要包括地理位置信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，地理位置信息可以向基礎(chǔ)信息平臺(tái)反饋土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的地理位置信息，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息可以讓土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化原因進(jìn)行判斷。為了更好地收集并存儲(chǔ)各方面的數(shù)據(jù)，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)信息平臺(tái)應(yīng)該與農(nóng)業(yè)、氣象等部門(mén)進(jìn)行溝通，統(tǒng)一各方面的數(shù)據(jù)接口，這樣土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的收集、傳輸、存儲(chǔ)才會(huì)更加方便。

2.2 信息服務(wù)平臺(tái)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)主要的功能是為各個(gè)部門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通和傳輸提供便利和保障，因此信息服務(wù)平臺(tái)需要具備中間件、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和服務(wù)器等軟硬件。其中，中間件是連接各個(gè)部門(mén)信息數(shù)據(jù)的核心，為了更好地將土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息與地理位置信息相結(jié)合，中間件必須合理使用到時(shí)空GIS、WebGIS、三維虛擬模型中；模型庫(kù)是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息服務(wù)平臺(tái)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議處理信息的業(yè)務(wù)應(yīng)用核心；知識(shí)庫(kù)可以通過(guò)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的獲取對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)土壤環(huán)境污染情況進(jìn)行判斷；服務(wù)器可以為土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)用戶(hù)提供檢索和查詢(xún)等數(shù)據(jù)功能保障，沒(méi)有服務(wù)器保障則土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)無(wú)法正常使用。

2.3 決策應(yīng)用平臺(tái)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)決策應(yīng)用平臺(tái)的功能是為相關(guān)部門(mén)提供信息服務(wù)，工作人員可以直接通過(guò)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)某個(gè)區(qū)域和某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的土壤污染情況進(jìn)行分析和查看，根據(jù)土壤環(huán)境污染結(jié)果對(duì)環(huán)境保護(hù)和治理措施提供有效建議，決策應(yīng)用平臺(tái)可以為相關(guān)部門(mén)提供決策方面的信息依據(jù)。

3 基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的目的是將土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息與時(shí)間和空間數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)將這些土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)相關(guān)部門(mén)工作人員調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)即根據(jù)時(shí)間和空間信息快速完成檢索，從而準(zhǔn)確根據(jù)可視化數(shù)據(jù)完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域土壤環(huán)境污染情況的準(zhǔn)確判斷。因此，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)首先需要保證系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理、功能滿(mǎn)足使用要求，然后通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)確保信息交互共享便利，最后通過(guò)對(duì)VR、AR、MR 技術(shù)的應(yīng)用讓土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中可視化。

3.2 運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用多種架構(gòu)模式，但是3S 技術(shù)下系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成較多，因此土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不能采用單一架構(gòu)，而應(yīng)該將多種架構(gòu)結(jié)合起來(lái)共同使用，這樣才能保證保障土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件環(huán)境符合要求。本文設(shè)計(jì)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)在硬件環(huán)境方面采用的B/S 架構(gòu)和CIS 架構(gòu)，軟件數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境設(shè)計(jì)方面采用的是SQLServer 數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為信息表示層、應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、支撐技術(shù)層。信息表示層具體表現(xiàn)為基礎(chǔ)信息平臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)層具體表現(xiàn)為信息服務(wù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層需要根據(jù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議對(duì)各個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，支撐技術(shù)層即土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)使用的核心技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)以3S 技術(shù)為基礎(chǔ)支撐，因此支撐技術(shù)層的核心技術(shù)為3S 技術(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)需要同時(shí)記錄大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要得到妥善保存和備份，這樣才能在工作人員調(diào)取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)揮出應(yīng)有的作用。為了保證該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的性能穩(wěn)定，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)必須使用大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，分別從邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、遙感影像、安全防護(hù)等方面提高數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.4.1 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要先通過(guò)明確環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本屬性表、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表實(shí)際面積圖、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表推算面積圖、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)父表、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息子表、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)代碼表、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)代碼表、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果父表、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果子表等邏輯結(jié)構(gòu)明確總系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊中各個(gè)表之間的關(guān)系。

3.4.2 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在SQLServer 數(shù)據(jù)庫(kù)模式下采用分布式存儲(chǔ)，利用分布式存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的收集和共享，這樣可以減少系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)度占用。土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)量非常龐大，如果不采用分布式存儲(chǔ)方式直接將各類(lèi)數(shù)據(jù)整合起來(lái)構(gòu)建一個(gè)總數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員的要求比較高，容易出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)故障，因此采用分布式存儲(chǔ)才是土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳方案。

3.4.3 遙感影像設(shè)計(jì)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)遙感影像設(shè)計(jì)需要將影像元數(shù)據(jù)庫(kù)和影像數(shù)據(jù)庫(kù)的各個(gè)圖像關(guān)聯(lián)起來(lái)，這樣才能方便對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)。遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)在導(dǎo)入影像時(shí)可以通過(guò)名稱(chēng)和ID 的當(dāng)時(shí)對(duì)影響圖片進(jìn)行標(biāo)記，然后通過(guò)名稱(chēng)和ID 進(jìn)行檢索識(shí)別，最后即可將各個(gè)層次的遙感影像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。遙感影像金字塔如圖1 所示。

圖1 遙感影像金字塔

3.4.4 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)的目的是防止數(shù)據(jù)泄露或損壞，數(shù)據(jù)泄露會(huì)導(dǎo)致不法人員利用相關(guān)數(shù)據(jù)牟取不正當(dāng)利益，而數(shù)據(jù)破壞會(huì)導(dǎo)致相關(guān)部門(mén)依法懲戒土壤環(huán)境污染企業(yè)的有利信息依據(jù)，因此數(shù)據(jù)信息安全防護(hù)設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)口令組合+用戶(hù)名的方式對(duì)登錄用戶(hù)進(jìn)行限制，同時(shí)對(duì)每個(gè)用戶(hù)賦予不同級(jí)別的權(quán)限，這樣即可對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效加密和保護(hù)。

4 結(jié)論

綜上所述，基于3S 技術(shù)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)的方式直觀地反映土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，有利于環(huán)境保護(hù)部門(mén)及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤污染事故，相比傳統(tǒng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)定位更加準(zhǔn)確。因此，相關(guān)部門(mén)必須重視對(duì)3S 技術(shù)的應(yīng)用，并且及時(shí)利用3S 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)對(duì)原有土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)進(jìn)行迭代和更新，這樣才能更好地利用土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)保護(hù)土壤環(huán)境不受污染。