省级地质环境“一张图”信息系统设计与实现

霍光杰， 操 丽， 豆靖涛， 颜紫婷

（1.河南省地质环境监测院，河南省地质环境保护重点实验室，郑州 450016；2.武汉中地云申科技有限公司，武汉 430074）

中国是地质灾害问题极为严重的地区之一，由地质灾害造成的地质环境问题也层出不穷，给灾区人民社会经济生活与生命财产带来极大影响. 同时，也给区域生态环境、造成不可逆转的损坏. 国家不断提高地质环境监管力度，地质环境信息化成为国土资源信息化建设的重要组成部分［1］. 近几十年，我国全面开展了地质环境监察工作，获取了海量成果数据. 但是，数据获取途径的多样性和数据分布的零散性，给标准化数据服务体系构建带来了极大的阻碍，不利于数据统一管理，数据孤岛效应明显［2］. 2009年，国土资源部提出积极推动国土资源“一张图”建设方针，并将其作为全国国土资源信息化建设的重要任务［3］. 此后，全国各省市积极展开各类国土资源信息化数据库建设. 同时，国内一些学者也对国土资源一张图进行了研究［4］.例如，徐德军等从系统建设内容和系统构建框架两个方面研究了国土资源一张图系统［5］；马莉探究了市县级“一张图”应用系统的逻辑结构和运行框架［6］；刘昊等研究了“一张图”核心数据库设计及相应的数据转换、数据分发、数据共享等问题［7］. 现阶段国土资源一张图的研究主要侧重于国家或市县级国土资源“一张图”框架设计、数据库建设、业务子系统开发等方面［8］. 随着地质环境监查技术的进步，省级地质环境成果数据不断增加，业务需求不断更新，现有的地质环境资源数据管理中心在国土资源监管及提供个性化社会服务方面的瓶颈仍有待突破. 省级地质环境一张图系统研究仍需加强［9］.

本文依托信息技术、大数据技术、基础设施建设成果和地质环境监测网络，基于地质灾害、矿山、地下水及地质遗迹等地质环境监管防治的业务驱动，设计河南省地质环境信息化中心，完善河南省地质环境数据体系，设计服务于省-市-县三级政府和专业技术人员的地质环境“一张图”信息系统［10］. 该系统应用有助于提高河南省地质环境信息管理和服务水平，为地质环境保护、自然资源调查、监测、评价提供数据支撑和决策服［11］.

1 系统设计

地质环境信息化主要服务于政府、专业技术人员，结合地质环境监测与保护业务体系及业务特点，地质环境一张图信息系统自底向上可分为：基础设施层、数据资源层、信息服务层、信息应用层，标准体系及安全防护体系组成，如图1所示，具体分析如下.

图1 系统逻辑结构Fig.1 Logical structure of the system

1）基础设施层是信息服务平台运行的基础，主要由省级节点网络系统、各类通信设施、服务器、磁盘阵列、操作系统、数据库管理系统和地理信息系统等组成［12］. 网络系统由省级节点内局域网、国土资源主干网及省、市、县地环节点与国土节点连接的专线网络组成. 省级基础设施层主要由自动化监测网和应急通信平台组成. 其中，应急通信平台是由各种县级应急指挥系统和多类通信网络构成.

2）数据资源层是信息服务及业务应用层的数据基础. 数据采集系统和多种数据库共同构成地质环境数据中心，为“系统”提供数据资源、数据服务［13］. 数据中心的数据类型可分为：基础地理数据、遥感影像数据、调查监测数据、分析评估数据和相关的地质环境专题图等. 最主要的是地质环境数据和基础地理数据. 地质环境数据包括：地质、地貌、构造、水文地质、工程地质、环境地质、地质灾害、矿山地质环境、地下水环境、地质遗迹等方面的数据资源. 基础地理数据主要包括：基础地理空间数据、基础地质数据、地质遗迹数据、水文地质调查数据、工程地质调查数据、环境地质调查数据、地质灾害数据、地下水数据等.

3）信息服务层是基于SOA框架建设，是平台提供服务的枢纽，通过建立应用服务模型，对数据资源及应用资源进行管理，支持地质环境各类应用服务，并获取其他系统提供的服务.

4）信息应用层基于地质环境信息服务层，面向地质环境业务需求，为社会提供个性化信息服务. 该服务不仅为省级用户提供信息管理和信息决策服务，也为省内各市、县级用户提供相关的管理和决策服务. 同时，也为国家级节点提供数据资源服务.

2 主体功能设计

2.1 地质环境数据中心

面向地质环境管理需求、业务需求和为社会经济发展服务需求，按DB（源数据层）-ODS（操作数据层）二级结构设计地质环境数据中心及管理系统［14］，集成地质环境调查、监测、分析、综合研究、业务应用等多源、多尺度、多时空海量数据［15］，建立数据库群，设计地质环境数据中心，在同一个数据库标准体系下，实现多源地质环境数据存储、管理及服务. 为系统服务及业务应用提供数据基础和支持，最终形成系统化的地质环境数据标准体系，奠定河南省地质环境大数据基础［16-17］. 地质环境数据中心架构图如图2所示，主要包括：地质环境数据管理目录体系建设、地质环境数据采集与处理、地质环境综合数据库建设、数据中心管理、地质环境信息服务产品生产.

图2 地质环境数据中心架构Fig.2 Architecture of the geological environment data center

2.1.1 地质环境数据管理目录体系 地质环境数据管理目录是地质环境数据中心建设的标准规范［18］，主要基于地质环境信息化服务的业务需求，建立数据管理目录的指标体系和具体的数据存储方法，面向河南省现有的地质环境数据，采用分布式数据存储形式和访问机理，最终实现地质环境数据的有效管理和个性化定制应用.

2.1.2 地质环境数据采集与处理 此部分是地质环境数据的整合与集成的过程，也是提高现有地质环境数据高效共享的重要途径［19-20］. 该过程主要基于常用数据库和GIS软件提供的分布式数据集成方法，进行二次开发，研制适用于河南省地质环境数据集成的辅助工具［21］. 利用数据集成工具与多源数据集成方案，开展河南省地质环境监测、防治与分析等多源的数据整合，实现跨平台、多时序、多源异构的地质环境资源集成.2.1.3 地质环境综合数据库建设 在地质环境数据采集与处理的基础上，结合政府及社会对地质环境信息的需求，研究地质环境数据服务内容，对现在地质环境数据进行深度分析，依据多目标的业务服务需求，提取所需地质环境信息资源，构建地质环境综合信息数据库，作为地质环境信息化服务系统的管理和业务服务数据库群. 基于地质环境综合数据库构建的河南省地质环境数据中心，可以与国家级地质环境数据中心进行数据交互，最大程度上实现数据共享互通.

2.1.4 数据中心管理 该数据库的更新与维护工作是对地质环境综合信息数据库进行定时更新与维护，是基于下层地质环境基础数据库进行维护工作. 同时，数据库应及时更新地质环境综合数据，以便为各类用户提供多目标信息服务. 对正在开展建设的专业数据库提出建设要求，规范化数据库建设.

2.1.5 地质环境信息服务产品生产 该部分是指研制各种地质环境信息化服务产品，通过地质环境信息网为多种用户和公众发布服务. 具体发布的服务包括：专业分析专题图、综合评价图、统计分析图表、典型示范区数据等. 部分地质环境信息可制作成动态更新的服务产品.

2.2 地质环境信息化服务体系设计

地质环境信息化建设的关键是建立系统化的地质环境信息服务标准体系，基于标准化体系，以地质环境“一张图”的研究思路，实现后期采集获取的地质环境数据与地质环境数据中心的数据快速高效集成，有序共享，并为用户提供一站式服务［2］.

基于地质环境信息化服务体系，构建地质环境信息共享服务体系，实现地质环境数据的共享及深度开发与利用. 依托地质环境信息化服务系统，实现各部门分散系统中的数据互通共享. 同时，通过服务体系提供的数据服务和功能服务，对外为应用系统建设提供服务支撑，并面向为地质环境管理部门、业务人员、社会公众提供地质环境信息服务，全面提升信息化条件下政府管理能力和水平. 面向服务体系架构是本文服务体系采用的架构［1］，把业务功能和数据需求封装成系列服务，使平台功能调用更便捷、更高效，主要包括管理功能和服务功能. 其中，管理功能主要有用户注册管理、单点登录与权限认证等［3］，服务功能主要包括基础服务、OGC服务、典型应用服务和其他服务等（图3）.

图3 服务体系架构Fig.3 The service system architecture diagram

2.3 系统主要功能模块

地质环境一张图信息系统将ArcGIS API for JavaScript 与SkyLine有机结合起来，以构建的地质环境数据中心为数据基础，叠加不同专题图层，实现地质环境综合信息的浏览、查询、展示、统计分析等功能，确保地质环境空间信息和监测专题信息快速高效查询与分析. 主要功能如图4所示.

图4 系统主体功能Fig.4 Main function of the system

2.3.1 基础地理信息功能模块 主要包括空间数据处理、数据管理和维护、数据服务及展示. 空间数据处理是利用数据处理工具将影像数据按照地质环境一张图的数据要求进行处理. 数据管理和维护中图层管理使用的是由遥感影像生产的DEM 数据制作的3D 基础图层. 然后，在GIS 软件中叠加各专题图和空间地理数据. 数据服务及展示，查看关联属性数据，通过经纬度坐标将地质环境业务数据叠加到三维GIS平台中，并通过特殊的符号显示出来，用户选择符号时可显示相关的数据.

2.3.2 查询及统计分析功能模块 基于数据字典技术、公共组件技术，按照河南省实际业务需求，定制的各类地质灾害数据统计分析功能，主要包括公共组件和数据统计分析模块. 公共组件功能支持按行政区、自然地质环境单元或任意圈定的范围，对地质灾害各类信息进行检索查询及统计分析. 数据统计分析根据地质环境业务需求，利用公共组件定制地质环境数据统计分析模块，对指定区域的地质环境数据进行统计分析.

2.3.3 地质环境信息发布管理模块 包括网站信息发布管理、成果信息发布管理二个部分. 地质灾害信息发布根据数据敏感性，使用多种安全保障措施，依据用户需求发布各种信息. 成果信息主要在专网上发布，服务对象是从事地质环境保护的政府主管部门及管理人员、专业技术人员. 对政府主管部门领导及管理人员发布的主要是宏观信息，包括分析评价报告、成果图、统计分析结果等；对专业技术人员主要是可供其进行分析研究的数据、模型、方法及分析应用工具等. 网站信息服务对象主要为社会公众，通过系统门户网站发布.

2.3.4 地质环境“一张图”功能模块 主要是利用GIS技术，对地质灾害、地下水、矿山环境、地质遗迹信息进行综合管理，实现地质环境综合信息的展示与查询、异常预警及相关报表的统计下载功能. 通过该系统，相关用户能从整体上直观了解到河南省整个区域的地质环境信息，及时掌握实时地质环境状态变化. 地质环境一张图系统由省级节点建设，并结合河南省地质环境管理实际需求在市县级进行部署，使用统一标准化数据库，提供基本的数据录入、数据维护、数据查询、数据统计分析等功能，以及专用的业务功能.

2.3.5 单点登录功能模块 主要实现异构系统里面进行用户身份统一认证和在不同子系统中完成统一授权管理. 该模块将角色划分为承载本系统基本功能的功能角色和承载业务数据范围的业务数据角色，通过对不同角色配置数据表和行政区划字典库，自动地配置该角色的功能和所需数据.

3 系统实现

地质环境一张图信息系统是依托地质环境业务信息管理需求，以地质环境数据中心为基础，集成地质灾害、地下水环境、矿山地质环境、地质遗迹等数据和业务功能（如图5所示）. 基于3D环境下，采用GIS、三维数字地球、Oracle、Java、.Net、SOA等技术，实现地质环境综合信息的一体化管理和业务信息化. 地质环境一张图信息系统实现了不同比例尺、不同来源的基础地理、地质以及各类专题数据的组合叠加显示、浏览、联动查询、分析、属性和空间编辑以及业务应用，为多种用户提供了地质环境综合分析应用、管理与决策的一站式信息服务. 综合考虑地质环境业务实际需求，基于SOA架构技术，在.Net平台上，采用C#、Java、JavaScript语言，结合插件式技术以及ArcGIS、Sky Line接口编程技术对一张图系统进行研发，部署Tomcat和B/S系统至云平台，对外提供专业化服务和综合地质环境信息化服务. 图5是地质环境一张图系统地质灾害综合信息管理功能，包括地质灾害数据管理、查询统计分析、业务集成、专题图管理、信息发布功能，基本实现了地质灾害管理信息化.

4 结论

本文按系统理论方法，充分运用环境地质学、网络工程、软件工程、数据库理论知识，结合地理信息技术、三维数字地球、卫星遥感技术、大数据技术、“云”技术等高新技术，通过五大体系设计、复杂的数据资源整合建设、软硬件环境建设和大量的软件开发工作，完成了河南省地质环境一张图信息系统设计，为地质环境信息化工作提供了实例和可以借鉴的方法. 但是，系统应用要达到预期效果，还需解决后续复杂的若干问题，包括数据资源整合与入库问题、数据动态更新和数据资源共享机制问题、成果推广应用问题、经费落实和系统进一步完善问题等.