基于開(kāi)源WebGIS的土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

王鵬，宋煒，周瑞靜，繆澤

（北京市工程地質(zhì)研究所，北京 100048）

土壤作為自然界最重要的物質(zhì)承載基礎(chǔ)，一旦外界產(chǎn)生的污染物不斷進(jìn)入、累積并超出其凈化能力就會(huì)造成土壤污染（黃昌勇，2000）。由于進(jìn)入土壤的污染物釋放相對(duì)緩慢，因此土壤污染問(wèn)題不像大氣和水污染那樣容易被發(fā)現(xiàn)，其環(huán)境影響常常滯后（陳晶中等，2003）?，F(xiàn)有的大氣和水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系也較為完備，相對(duì)于大氣和水，土壤環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)體系較為薄弱（賈三滿等，2021；馬學(xué)利，2021），土壤環(huán)境質(zhì)量分析評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)預(yù)警的研究尚處于探索階段，許多理論和方法還有待完善（周長(zhǎng)松等，2015；孟源思等，2020）。

近年來(lái)，土壤環(huán)境保護(hù)問(wèn)題逐漸成為熱點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛以人居環(huán)境健康為主題，通過(guò)對(duì)土壤污染狀況的調(diào)查研究，探討污染物的時(shí)空分布及變化特征和防治對(duì)策，為保障人居環(huán)境健康而服務(wù)（梁劍琴等，2009）。我國(guó)對(duì)土壤環(huán)境保護(hù)問(wèn)題重視得相對(duì)較晚，目前我國(guó)土壤環(huán)境問(wèn)題不容小覷（宋國(guó)君，2000），2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，覆蓋全國(guó)約66%土地面積的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位土壤總超標(biāo)率達(dá)16.1%（環(huán)境保護(hù)部，2014）。在這樣的大背景下，國(guó)務(wù)院于2016年5月印發(fā)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（《土十條》），要求全面開(kāi)展土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查，構(gòu)建土壤環(huán)境信息化管理平臺(tái)，提升土壤環(huán)境信息化管理水平（陳明發(fā)等，2019；國(guó)務(wù)院，2016）。

建設(shè)土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅是《土十條》的目標(biāo)要求，也是海量土壤數(shù)據(jù)數(shù)字化分析處理與集成共享的自身需求（郭書(shū)海等，2017）。傳統(tǒng)的土壤污染防治工作，在采樣階段多以紙質(zhì)形式記錄土壤點(diǎn)位及樣品等的信息，在土壤質(zhì)量分析評(píng)價(jià)階段多基于數(shù)學(xué)理論進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，在數(shù)據(jù)管理方面又面臨著信息共享、可視化、動(dòng)態(tài)更新等方面的困難，無(wú)法直觀全面地表達(dá)土壤環(huán)境的空間分布特征，也無(wú)法滿足當(dāng)前形勢(shì)下土壤環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)工作的需求（Horváth et al.，2018；Mcbratney et al.，2003；金福杰等，2010；段海芹等，2021）。

WebGIS是使用Web技術(shù)在服務(wù)器和客戶端之間通信的任何GIS程序。傳統(tǒng)桌面GIS服務(wù)存在信息共享不便、服務(wù)器負(fù)載過(guò)重、軟件兼容性較弱等缺點(diǎn)，Web-GIS融合了Web技術(shù)和GIS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展了GIS技術(shù)的應(yīng)用范圍，一定程度上解決了這個(gè)問(wèn)題（劉釗等，2018）。使用WebGIS技術(shù)構(gòu)建土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)，既可以利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的信息收集和處理能力，還能利用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和分析能力，很好地把數(shù)據(jù)的時(shí)空變化特征通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地圖引擎展示出來(lái)，同時(shí)又兼?zhèn)浠镜膭?dòng)態(tài)可視化圖表制作與發(fā)布功能，提高了結(jié)果發(fā)布、展示及共享的便利性，能使土壤環(huán)境質(zhì)量管理工作更直觀更高效（朱權(quán)等，2017）。

以往，此類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)多基于商業(yè)GIS軟件和平臺(tái)（嚴(yán)加永等，2004；茅晶晶，2009；闕華，2013；張榆霞等，2014），費(fèi)用高還受限多，不僅維護(hù)升級(jí)困難，而且數(shù)據(jù)共享程度低?；陂_(kāi)源WebGIS技術(shù)源代碼進(jìn)行開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)不依賴于傳統(tǒng)商業(yè)軟件，不僅開(kāi)發(fā)成本低，而且更靈活、可擴(kuò)展性更強(qiáng)，在后續(xù)使用中可以根據(jù)使用情況自行進(jìn)行維護(hù)升級(jí)，更適應(yīng)時(shí)下土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)的應(yīng)用需求（呂志強(qiáng)，2016）。而過(guò)去以C/S模型為開(kāi)發(fā)架構(gòu)的WebGIS可視化技術(shù)，多依賴PC操作系統(tǒng)，安裝配置較為繁瑣，雖然具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)處理和可視化能力，但是共享困難，無(wú)法做到快速部署與信息共享（呂志強(qiáng)，2016）?；赪ebGIS技術(shù)構(gòu)建B/S架構(gòu)的分布式土壤信息管理系統(tǒng)，以瀏覽器作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用瀏覽器腳本進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)嵌入HTTP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)端土壤信息管理系統(tǒng)的采樣點(diǎn)空間與屬性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布、管理和共享，同時(shí)使系統(tǒng)的多平臺(tái)應(yīng)用和快速部署皆成為可能（陳明發(fā)等，2019）。

本文將開(kāi)源WebGIS技術(shù)應(yīng)用于城市土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，采用B/S架構(gòu)體系，結(jié)合單因子評(píng)價(jià)模型、內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)模型、一些基本的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和空間插值方法等，對(duì)收集的土壤點(diǎn)位信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息和土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)信息等進(jìn)行加工處理，并能對(duì)其進(jìn)行查詢、顯示及空間分析，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源管理、信息綜合查詢、統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)及可視化展示等重要功能，為環(huán)保或農(nóng)業(yè)部門(mén)提供了一個(gè)便于數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、加工、分析和展示的綜合服務(wù)平臺(tái)，有助于土壤環(huán)境的信息化管理及決策支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究針對(duì)北京市海淀區(qū)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息化管理，主要對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)這兩大類數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)和管理，包括行政區(qū)劃圖、衛(wèi)星影像圖和地形圖等空間數(shù)據(jù)，以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息、監(jiān)測(cè)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)限值和監(jiān)測(cè)結(jié)果等屬性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)主要通過(guò)資料收集和現(xiàn)場(chǎng)踏勘獲得，屬性數(shù)據(jù)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、野外采樣及室內(nèi)分析等過(guò)程獲得，并通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入模塊進(jìn)行導(dǎo)入和上報(bào)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，遵循以下原則：參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，借鑒目前國(guó)內(nèi)外主流的WebGIS網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的體系架構(gòu)，選用成熟、先進(jìn)，穩(wěn)定性好、安全性高、兼容性強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)突出的技術(shù)設(shè)備、軟件產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)工具，在保障系統(tǒng)功能齊全、穩(wěn)定的前提下，保證技術(shù)的先進(jìn)性和可持續(xù)發(fā)展能力，同時(shí)也要充分考慮系統(tǒng)的兼容性及可擴(kuò)展性。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)的核心是一套WebGIS組件，組成結(jié)構(gòu)上就是常見(jiàn)的客戶端-服務(wù)器-數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)。系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）分布式架構(gòu)，基于J2EE規(guī)范實(shí)現(xiàn)。后臺(tái)服務(wù)器端基于J2EE平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用Eclipse作為開(kāi)發(fā)工具，JDK 8.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。地圖服務(wù)器采用GeoServer 2.7執(zhí)行地圖空間數(shù)據(jù)的請(qǐng)求和調(diào)用，Web應(yīng)用服務(wù)器使用Tomcat 8.0負(fù)責(zé)響應(yīng)Web端請(qǐng)求及屬性數(shù)據(jù)的調(diào)用，這2個(gè)服務(wù)器分離部署運(yùn)行以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)中，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)Postgresql中，分類存儲(chǔ)方便數(shù)據(jù)的管理。數(shù)據(jù)處理軟件采用Udig、Globalmapper。前臺(tái)客戶端為標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器，開(kāi)發(fā)采用HTML 5、JavaScript、CSS3、Element ui完成頁(yè)面設(shè)計(jì)，配合JQuery，Vue，layui框架實(shí)現(xiàn)前臺(tái)所需功能。通過(guò)Ajax技術(shù)，實(shí)現(xiàn)前端與后臺(tái)的異步交互，數(shù)據(jù)交互格式為JSON。前端數(shù)據(jù)地圖化展示采用開(kāi)源CesiumJS，CesiumJS支持多種地圖源，能夠訪問(wèn)數(shù)據(jù)并允許用戶與數(shù)據(jù)進(jìn)行各種交互操作。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具與技術(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具與軟件Tab.1 The development tools and software of system

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線

傳統(tǒng)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)分析工作，主要依靠人工手段收集并處理點(diǎn)位信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)管理方面面臨著信息共享、可視化、動(dòng)態(tài)更新等方面的困難。本研究結(jié)合北京市海淀區(qū)土壤環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的工作特點(diǎn)，基于較成熟的WebGIS開(kāi)源技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)封裝，對(duì)收集來(lái)的土壤點(diǎn)位信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等信息用一定的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行加工處理，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或?qū)ｎ}圖層作為條件，進(jìn)行算法匹配、空間查詢、顯示及空間分析，并將結(jié)果可視化，直觀全面地表達(dá)土壤環(huán)境的空間分布特征，低成本、靈活地實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)果發(fā)布到數(shù)據(jù)可視化的全流程工作，設(shè)計(jì)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線Fig.1 The desine route of system

2 系統(tǒng)采用的數(shù)學(xué)模型

由于土壤的空間異質(zhì)性，傳統(tǒng)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法難以表達(dá)土壤的空間分布特征（陳明發(fā)等，2019；Horváth et al.，2018）。而基于WebGIS技術(shù)嵌入污染評(píng)價(jià)方法和空間分析模型在對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析及可視化表達(dá)上展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)范》中規(guī)定的單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法最為通用，本研究?jī)?yōu)先選取這2種常用的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)，同時(shí)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮到評(píng)價(jià)方法的多樣性，設(shè)計(jì)了可插拔修改的系統(tǒng)模塊。在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景，采用不同的評(píng)價(jià)方法反復(fù)運(yùn)算分析，再通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證與比較，優(yōu)選或集成最符合實(shí)際情況的方法，客觀評(píng)價(jià)土壤的環(huán)境質(zhì)量（陳明發(fā)等，2019）。另外，基于土壤采樣只能獲得部分采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用空間插值方法模擬預(yù)測(cè)區(qū)域上的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況已成為主流方法。反距離加權(quán)法（IDW）和克里金（Kriging）插值法是土壤污染評(píng)價(jià)中較為常用的插值方法。反距離加權(quán)法參數(shù)比較少，精度比克里金插值法略低?？死锝鸩逯捣〒碛懈_的插值結(jié)果，得到的插值圖更加平滑。對(duì)于模型精度，在后續(xù)工作中會(huì)隨著采樣點(diǎn)的加密，數(shù)據(jù)量的增多，逐步增加模型預(yù)測(cè)精確度。

因此，本系統(tǒng)主要采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法和克里金（Kriging）插值法等數(shù)學(xué)方法對(duì)區(qū)域土壤環(huán)境質(zhì)量狀況和時(shí)空變化特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)調(diào)查點(diǎn)位的不同用地類型，優(yōu)先參考選取GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》或GB 36600-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中相應(yīng)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。對(duì)于部分指標(biāo)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未能找到相應(yīng)篩選值的，需參照DB11/T 811-2011《場(chǎng)地土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)篩選值》對(duì)應(yīng)土地利用類型指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)篩選值進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和北京市地方標(biāo)準(zhǔn)中均未給出篩選值的，參照美國(guó)EPA區(qū)域篩選值進(jìn)行評(píng)價(jià)。以上3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成了本系統(tǒng)土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1 單因子評(píng)價(jià)模型

單因子指數(shù)法是其他環(huán)境質(zhì)量分級(jí)、環(huán)境質(zhì)量指數(shù)和綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，應(yīng)用簡(jiǎn)單、便于對(duì)比，其計(jì)算公式為：

式中，Pi為土壤中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為土壤中污染物i的實(shí)測(cè)值，Si為土壤中污染物i的評(píng)價(jià)參考值（劉德成等，2020）。Pi指數(shù)值越大，表示污染越嚴(yán)重，按單因子指數(shù)值大小可分為5個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表2（周長(zhǎng)松等，2015）。

表2 單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 The evaluation standard of single pollution index

2.2 內(nèi)梅羅綜合評(píng)價(jià)模型

內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是在單項(xiàng)污染指數(shù)法的基礎(chǔ)上，針對(duì)土壤重金屬對(duì)環(huán)境質(zhì)量影響進(jìn)行的綜合評(píng)價(jià)，該方法兼顧污染物的平均值和最大值，計(jì)算公式為（孟源思等，2020）：

式中，PN為內(nèi)梅羅綜合指數(shù)，i為土壤中第i種污染物，Pimax為各單因子指數(shù)的最大值，Piave為各單因子指數(shù)的平均值（劉德成等，2020）。按照內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法，也可劃分為5個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表3（朱權(quán)等，2017）。

表3 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The evaluation standard of Nemerow comprehensive index

2.3 空間插值方法

土壤某點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)結(jié)果只能代表該點(diǎn)位的情況，難以說(shuō)明整個(gè)區(qū)域的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，這時(shí)可以借助克里金（Kriging）插值法，模擬預(yù)測(cè)出區(qū)域上的土壤環(huán)境質(zhì)量狀況（茅晶晶，2009）?？死锝鸩逯捣ㄓ媒Y(jié)構(gòu)分析及變異函數(shù)作為理論基礎(chǔ)，基于獲得的鄰近區(qū)域有限的樣本信息量，給未知采樣點(diǎn)插取一個(gè)最優(yōu)、線性、無(wú)偏的估計(jì)值，其原理基于假設(shè)區(qū)域化變量存在一個(gè)總體的空間結(jié)構(gòu)，地理距離越近值也越接近，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)理論，對(duì)已有樣本點(diǎn)的空間變異結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，得到理論模型后就可以根據(jù)已知點(diǎn)和插值點(diǎn)的距離得到已知點(diǎn)和插值點(diǎn)的半方差，進(jìn)而計(jì)算出權(quán)重，通過(guò)對(duì)已知樣點(diǎn)賦權(quán)重來(lái)預(yù)測(cè)未知插值點(diǎn)的值，其公式如下（朱權(quán)，2017）：

式中，Z(x0)為的x0點(diǎn)位處的估計(jì)值，Z(xi)為插值點(diǎn)周圍的已知樣本點(diǎn)的值，wi為第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知插值點(diǎn)的權(quán)重，n為已知樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

3.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)C/S體系架構(gòu)兼容性不強(qiáng)、可擴(kuò)展性不足、開(kāi)發(fā)成本又高，本系統(tǒng)采用目前國(guó)內(nèi)外主流網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的B/S體系架構(gòu)，分層次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)來(lái)滿足系統(tǒng)對(duì)屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、算法數(shù)據(jù)的管理及調(diào)用等需求。根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)可劃分為數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層和顯示層，如圖2所示。顯示層面向用戶，實(shí)現(xiàn)用戶交互進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、分析評(píng)價(jià)，并向用戶展示各種數(shù)據(jù)信息及處理結(jié)果。應(yīng)用支撐層作為系統(tǒng)的中間層，封裝了算法模型，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，完成土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，以支撐顯示層。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基石，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)限值等所有的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、算法數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。

圖2 土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System logical structure diagram

3.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)框架邏輯上可分為：客戶層、WEB層、業(yè)務(wù)層、持久層、資源層、核心層，如圖3所示。客戶層指客戶端的計(jì)算機(jī)瀏覽器，用于展現(xiàn)頁(yè)面?？蛻舳嘶趈Query、AJAX和WebGIS等完成頁(yè)面交互、異步刷新、地理信息顯示。WEB層基于SpringMVC完成HTTP請(qǐng)求合法性校驗(yàn)、HTTP請(qǐng)求參數(shù)有效性校驗(yàn)、用戶操作權(quán)限檢查、記錄用戶訪問(wèn)日志、顯示系統(tǒng)運(yùn)行異常等任務(wù)。業(yè)務(wù)層集成了Web Service、JMS、EJB等組件服務(wù)模型，基于Spring框架完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)、業(yè)務(wù)邏輯處理、記錄業(yè)務(wù)處理日志等任務(wù)。持久層基于DAO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)、記錄數(shù)據(jù)讀寫(xiě)日志等任務(wù)。資源層指數(shù)據(jù)、文本文件存儲(chǔ)的服務(wù)器。核心層包括系統(tǒng)類庫(kù)、配置文件、事務(wù)處理組件、數(shù)據(jù)校驗(yàn)組件、數(shù)據(jù)綁定組件、異常處理組件等，作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)類庫(kù)為WEB層、業(yè)務(wù)層和持久層提供支持。

圖3 土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖Fig.3 System technical architecture diagram

3.3 系統(tǒng)功能及業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)聚焦土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息化管理，立足土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的基本業(yè)務(wù)需求，基于采集的空間環(huán)境信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)限值等建立數(shù)據(jù)庫(kù)以及模型庫(kù)，通過(guò)空間分析和模型推理，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與信息檢索、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、信息對(duì)比分析、結(jié)果發(fā)布、傳輸、展示、數(shù)據(jù)挖掘分析以及土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及業(yè)務(wù)流程圖Fig.4 System functional structure and business process diagram

系統(tǒng)除了GIS常有的地圖基本操作功能外，還有數(shù)據(jù)管理、信息查詢、數(shù)據(jù)時(shí)空分析、質(zhì)量評(píng)價(jià)及可視化結(jié)果發(fā)布等功能。數(shù)據(jù)管理即用戶在相應(yīng)授權(quán)下對(duì)土壤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息、標(biāo)準(zhǔn)限值等進(jìn)行錄入、修改、刪除、導(dǎo)出、導(dǎo)入及批量導(dǎo)入。信息查詢實(shí)現(xiàn)歷年土壤監(jiān)測(cè)區(qū)域點(diǎn)位的信息存儲(chǔ)和綜合查詢，以及土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合查詢和統(tǒng)計(jì)分析檢索查詢。數(shù)據(jù)時(shí)空分析實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)各點(diǎn)位分年度的監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，可對(duì)選定某時(shí)空內(nèi)的土壤監(jiān)測(cè)指標(biāo)及數(shù)據(jù)進(jìn)行基本數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析；還能對(duì)其按時(shí)間序列和空間位置變化進(jìn)行對(duì)比，可展示某點(diǎn)位某指標(biāo)隨時(shí)間的變化圖、某點(diǎn)位多指標(biāo)隨時(shí)間的變化圖、不同點(diǎn)位或區(qū)域之間的檢出結(jié)果對(duì)比圖、單點(diǎn)或區(qū)域土壤質(zhì)量狀況分析結(jié)果、單指標(biāo)多點(diǎn)位綜合評(píng)價(jià)結(jié)果以及等值面渲染圖。土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法2種方法?？梢暬Y(jié)果展示，按照一定的檢索條件生成相應(yīng)的專題圖表，將不同土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的時(shí)間、空間分布圖或等值面統(tǒng)計(jì)圖直接嵌入到GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果與WebGIS技術(shù)的集成，形象直觀地展示監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)還提供其他基本管理功能，比如用戶管理、角色管理、字典管理和日志管理等。另外系統(tǒng)還預(yù)留數(shù)據(jù)接口方便后續(xù)信息共享和功能升級(jí)。

3.4 功能實(shí)現(xiàn)及操作

系統(tǒng)的首要功能是對(duì)土壤采樣監(jiān)測(cè)信息及數(shù)據(jù)的管理，主要包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息、監(jiān)測(cè)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)限值、監(jiān)測(cè)結(jié)果等數(shù)據(jù)的錄入和管理。該功能在數(shù)據(jù)管理后臺(tái)實(shí)現(xiàn)（圖5），可以完成各類數(shù)據(jù)的錄入、修改、刪除、導(dǎo)出、導(dǎo)入及批量導(dǎo)入。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)設(shè)了各類數(shù)據(jù)上傳的格式模板，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)，先點(diǎn)擊下載模板，再按照模板準(zhǔn)備好要上傳的Excel數(shù)據(jù)表格，點(diǎn)擊導(dǎo)入一鍵錄入大批數(shù)據(jù)。如有對(duì)少量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯修改或增減的需要，也可以點(diǎn)擊新增、修改、刪除來(lái)完成。為方便用戶要找到并修改其中幾條數(shù)據(jù)，用戶可以通過(guò)搜索查詢很快地過(guò)濾并找到想要的數(shù)據(jù)條，直接點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行編輯更改。除了新增、修改、刪除和導(dǎo)入等數(shù)據(jù)操作以外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)也支持?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)出，以方便數(shù)據(jù)的Excel編輯和傳輸共享，這樣更方便用戶自由地利用和管理數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)管理頁(yè)面Fig.5 Data management page

其他系統(tǒng)管理包括用戶管理、角色管理、菜單管理、部門(mén)管理、崗位管理、字典管理、參數(shù)設(shè)置和日志管理等內(nèi)容，以及系統(tǒng)監(jiān)控，這些功能幫助提高系統(tǒng)的實(shí)用性，幫助用戶更好的管理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)查詢和分析評(píng)價(jià)及結(jié)果可視化是本系統(tǒng)的核心。信息查詢、空間顯示、分析評(píng)價(jià)、空間插值和制圖發(fā)布等這些功能均在前臺(tái)客戶端相應(yīng)子模塊實(shí)現(xiàn)并展示。用戶在前臺(tái)客戶端可對(duì)搜索欄、條件查詢、底圖、圖層、統(tǒng)計(jì)分析工具進(jìn)行選擇和執(zhí)行相應(yīng)操作（圖6）。首先，信息查詢是對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)指標(biāo)及監(jiān)測(cè)結(jié)果的綜合查詢，用戶可以通過(guò)單、多條件組合過(guò)濾查找到想要的數(shù)據(jù)和圖表，不僅可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢檢索，還能對(duì)分析評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和圖表顯示。底圖和圖層在系統(tǒng)中顯示空間數(shù)據(jù)，可以選擇衛(wèi)星圖、電子圖和地形圖等作為底圖。圖層顯示更多的空間信息，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、矢量邊界和經(jīng)緯網(wǎng)等。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，將用戶錄入的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)信息轉(zhuǎn)換為空間圖層。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)是本系統(tǒng)的重中之重。該模塊具有對(duì)用戶指定區(qū)域進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)的功能。用戶只要指定要統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)的工作區(qū)域和方法模型，系統(tǒng)就會(huì)按照預(yù)設(shè)的模型方法進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，然后將統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以圖表形式或色塊圖方式在界面上呈現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分級(jí)的質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)、變量序列的統(tǒng)計(jì)分析和時(shí)空變化上的對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)單指標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本信息及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢索、單點(diǎn)多指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢索及對(duì)比分析、多點(diǎn)單指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)檢索與對(duì)比分析、多點(diǎn)區(qū)域平均對(duì)比及統(tǒng)計(jì)分析、單因子污染評(píng)價(jià)和內(nèi)梅羅指數(shù)綜合評(píng)價(jià)以及等值面統(tǒng)計(jì)等具體功能。設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)界面友好，應(yīng)用能力強(qiáng)，不僅能對(duì)各點(diǎn)位各監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行單項(xiàng)查詢和評(píng)價(jià)，還可以結(jié)合時(shí)間尺度、監(jiān)測(cè)范圍和土地利用類型等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)業(yè)務(wù)需要在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、監(jiān)測(cè)區(qū)域、監(jiān)測(cè)對(duì)象、土地利用類型、監(jiān)測(cè)時(shí)段之間進(jìn)行對(duì)比查詢分析，并在統(tǒng)計(jì)分析條件中預(yù)設(shè)這些字段，方便用戶過(guò)濾數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 綜合查詢及統(tǒng)計(jì)分析Fig.6 Integrated query and statistical analysis

4 結(jié)論

1）傳統(tǒng)的土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)查分析工作存在數(shù)據(jù)管理效率低、分析手段單一、可視化程度低等問(wèn)題，針對(duì)于此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于開(kāi)源WebGIS技術(shù)的土壤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，將雜亂繁多的地理信息數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分層次存儲(chǔ)，便于數(shù)據(jù)的管理、查詢、調(diào)用、分析評(píng)價(jià)和可視化展示。

2）傳統(tǒng)的C/S體系架構(gòu)兼容性不強(qiáng)、可擴(kuò)展性不足、開(kāi)發(fā)成本又高，本系統(tǒng)采用目前國(guó)內(nèi)外主流的B/S體系架構(gòu)，通過(guò)嵌入HTTP標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)端信息的實(shí)時(shí)發(fā)布、管理和共享，擁有權(quán)限的各級(jí)單位可訪問(wèn)土壤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)行土壤信息的實(shí)時(shí)查看、檢索與更新，大幅提高了土壤環(huán)境及資源管理的信息化水平，可以更好地為管理工作服務(wù)。

3）傳統(tǒng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)多基于商業(yè)GIS軟件，費(fèi)用高受限多，而基于開(kāi)源WebGIS技術(shù)源代碼進(jìn)行開(kāi)發(fā)更安全可靠，可擴(kuò)展性強(qiáng)并且成本低。該系統(tǒng)基于開(kāi)源WebGIS技術(shù)開(kāi)發(fā)，與商業(yè)軟件相比，不僅小巧靈活，易于管理和維護(hù)，而且對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與管理更加有針對(duì)性。

4）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和主要功能雖已實(shí)現(xiàn)，但在后續(xù)使用過(guò)程中仍有待提升和完善，例如：數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入功能還需進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)所有點(diǎn)位數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入的一一自動(dòng)對(duì)應(yīng)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)目前只能做比較基本的數(shù)理統(tǒng)計(jì)和簡(jiǎn)單的對(duì)標(biāo)評(píng)價(jià)，還需考慮添加更多的方法模型，進(jìn)一步充實(shí)數(shù)據(jù)分析模塊；另外，結(jié)果可視化的界面還需要進(jìn)一步優(yōu)化，以便更清楚、更直觀地展示數(shù)據(jù)特征。