基于移动GIS的天然辐射环境数据采集平台研发

阙泽胜，孙美琴，于国华*

（1.广东省核工业地质局辐射环境监测中心，广东 广州 510800；2.广东核力工程勘察院，广东 广州 510800；3.武汉智博创享科技股份有限公司，湖北 武汉 430000）

天然辐射环境外业调查内容不仅包括文字信息，还有照片、点位、观测仪器原始文件等，涉及样本数量大、数据格式多样、存储技术要求高。采用常规的纸质手簿方式进行野外调查的作业模式具有工作量较大、耗费时间长、误差较大、实时性较差等缺陷[1-2]，且有填报不规范、容易出错等问题，影响结果的准确性和完备性，不利于数据集成与后续分析。因此，有必要探索一种简便易用、稳定可靠的野外调查数据采集解决方案，实现天然辐射环境野外调查工作的数字化、智能化。

1 系统设计

1.1 需求分析

人类所受辐射照射主要来源于天然辐射，国际癌症研究机构（IARC）已将氡及其子体划归为I类致癌因子[3]。上世纪八十年代，国家环保局组织开展了全国环境天然放射性水平调查，并建立了数据库，包括环境天然贯穿辐射水平、土壤中天然放射性核素含量和水体中天然放射性核素浓度3个分数据库[4]。广东省参照上世纪八十年代国家环保局的天然放射性水平调查方法，从2013年开始进行了新一轮全省放射性地质环境调查工作，并采用最新辐射环境监测方法和技术重新进行测量，于2016年完成了调查入库工作，建立了广东省放射性地质环境监测数据管理信息系统[5]。根据广东省放射性地质环境调查与评价项目[6]，环境监测相关数据包括：①监测方法及仪器设备数据；②仪器宇宙射线响应数据；③陆地γ辐射剂量率数据（包括原野、道路和室内3种类型）；④就地γ能谱测量数据；⑤土壤、岩石、水体和底泥中放射性核素含量数据。

根据前人的研究，天然辐射环境采集信息主要包括γ辐射剂量率、就地γ能谱、氡浓度，以及土壤、岩石、水体等介质中放射性核素的调查。因此，为解决天然辐射环境信息采集问题，系统建设的具体需求定义为实现对原野γ辐射剂量率、道路γ射剂量率、室内γ辐射剂量率、土壤氡浓度、空气氡浓度和就地γ能谱等6类监测对象信息的现场采集录入，以及对土壤、岩石、水体、底泥、动物和植物等6类样品信息的现场采集录入。具备错误自查功能，即用户可以在移动端输入数据时，系统能及时判断输入信息是否规范，实现对现场采集信息的审查、管理功能。实现对原野、道路和室内γ辐射剂量率仪器读数的Grubbs法则检验功能。具备一键归档原始记录表功能，即按野外原始记录表格模板，一键生成各调查要素原始记录表信息，实现基本地图服务等功能。

1.2 系统作业流程

系统的桌面端部分负责任务管理、数据管理、统计分析、数据审查等。通过通信服务功能将桌面端的任务分配给相应的调查人员。调查人员登入手持端，可查看本调查小组的调查任务，通过手持端在野外进行实地数据的采集，采集完的数据可以实时回传到桌面端进行数据的管理及数据的统计分析应用。手持端样品采集信息通过二维码技术，将样品流转到辐射实验室的LIMIS系统，LIMIS系统再将样品检测结果发送到桌面端。

1.3 总体架构设计

本系统平台以Java为主要开发语言，基于JDK1.8、NodeJS、Java、JavaScript、HTML5、CSS等开发环境，以Oracle 11g为数据库[7]，采用B/S体系架构，如图1所示。运行支撑层包括终端、数据监测设备、移动终端、路由器、单位专网、防火墙、移动互联网、操作系统、数据库管理软件等，数据资源层包括基础地理信息数据、天然辐射监管数据、野外采集数据、业务流数据；GIS平台包括GIS数据服务、GIS功能服务、GIS目录服务、工作流管理、接口服务、二三维一体化、服务质量控制；云架构数据中心框架包括数据查询、数据显示、统计分析、数据共享、数据定义、数据交换、数据质量控制、专题输出；业务应用层包括手持端和桌面端，其中手持端实现野外移动数据采集，桌面端实现数据输入、数据存储、数据分析评价、数据成果展示、数据应用、数据质量控制、数据安全保障；用户层包括领导、项目管理人员、野外数据采集人员。

图1 总体架构图

1.4 数据库设计

根据需求分析和系统总体架构，数据库设计遵循易用性、先进性、可维护性、实用性、标准化、美观性、可扩展性等原则。根据业务逻辑，对数据库进行总体设计，见图2。底层数据可分为监测信息原始库、样品信息原始库、监测信息成果库、样品信息成果库、基础空间信息数据库和业务信息数据库，并通过GIS和数据中心技术进行集成。数据库提供数据服务、流程管理、数据交换、接口管理和空间分析等应用。

图2 系统数据库设计图

1.5 主要功能模块设计

天然辐射环境移动数据采集平台包括手持端和桌面端，总体功能模块设计见图3。手持端功能包括主界面、数据管理、现场监测、样品采集、样品流转、更多功能等模块，主要完成野外数据现场采集录入，支撑离线和在线数据录入和查询、检索、支撑基于GIS的数据展示和野外GPS定位，为野外数据采集提供信息化协助。桌面端功能包括数据处理、数据建库、数据交换、数据输入、数据查询、成果展示、设备管理、消息管理、用户管理等模块。

图3 总体功能模块设计图

2 系统实现案例

基于上述系统设计原理，开发了广东省天然辐射环境移动数据采集平台，包括手持端和桌面端。手持端主要实现监测数据、样品数据的采集及回传，桌面端主要实现数据的管理及成果的分析展示。

2.1 桌面端开发

天然辐射环境移动数据采集平台桌面端的开发遵循大数据平台设计总体框架，采用“统一领导、统一规范、统一服务、统一建设、统一管理”的指导思想，在充分利用云架构、大数据等新一代信息技术的基础上，立足天然辐射环境工作实际进行研发。

1）主界面。如图4所示，广东省天然辐射环境数据采集平台桌面端主界面包括地图显示区、功能模块区。地图显示区主要用于显示调查点空间信息和属性信息。功能模块区包括了任务管理、进度管理、数据管理、数据审查、通信服务等一级和二级菜单功能。

2）任务管理。任务管理模块包括项目管理、任务管理、调查点管理和调查小组管理等功能。针对计划任务，管理人员可以组建针对本任务的调查小组，向调查小组成员推送该任务，调查小组人员用自己的账号登录桌面端或者移动端，即可看到具体的任务情况，接收任务推送的相关信息和提醒。

3）进度管理。进度管理模块包括工作进度查询和工作质量报表等功能。工作进度查询实现监测进度和采样进度查询、筛选、统计功能。工作质量报表以任务完成耗时为指标，进行工作质量统计分析。

4）数据管理。数据管理模块包括采集数据管理和资料归档功能。采集数据管理实现编辑、导出、查看仪器读数、查看照片信息、删除和新建等功能。资料归档功能可以按调查表格模板实现一键归档。

5）数据审查。数据审查模块包括我的待办箱、我的候选箱、我发起的流程、我参与的流程、部署管理、分组管理功能。

6）应急响应。应急响应模块包括调查小组位置监控和调查小组检查分级结果功能。用户通过手持端及时回传的调查小组人员位置信息，可以对调查人员位置信息进行基于时间轴的回放。对于调查小组上传的野外监测分级结果，桌面端可同步显示，1级为绿色点、2级为黄色点、3级为橙色点、4级为红色点。

7）通信服务。通信服务模块包括我的消息和消息发布功能。用户可发送和接收移动终端消息。

8）辅助工具。辅助工具模块包括坐标系转换和格拉斯法则检验工具。坐标系转换包括WGS84坐标系统和2000国家大地坐标系之间的转换，大地坐标系与平面坐标系间的转换。格拉斯法则检验工具，即对原野伽玛辐射剂量率、道路伽玛辐射剂量率和室内伽玛辐射剂量率提供Grubbs法则的科学性检验。

9）系统设置。系统设置模块包括用户管理、部门管理和角色管理。

2.2 手持端开发

手持端主要完成野外信息的现场采集录入，支持离线和在线数据录入和查询、检索，支持基于GIS的数据展示和野外GPS定位。

1）主界面。如图5所示，手持端主界面包括快速定位区、功能模块区、任务显示工具区、底图管理区、工作区等。

2）数据管理。数据管理模块包括地图管理和任务管理。任务分为采样点任务和监测点任务。

3）现场监测。现场监测实现对原野γ辐射剂量率、道路γ辐射剂量率、室内γ辐射剂量率、土壤氡浓度、空气氡浓度、就地γ能谱等监测任务的数量、监测进度、预警分级统计分析。现场监测的监测列表页面上方分别展示各类监测点的数量；中间展示工作进度，包含已监测的监测点数量和占比，待监测的数量和占比；下方展示预警分级各级别的监测点数量和占比情况。

图6 手持端现场监测界面

4）样品采集。样品采集实现对土壤、岩石、水体、底泥、动物、植物等采样任务的数量、监测进度统计分析。样品采集的采样点列表界面上方分别展示各种采样点的数量；中间展示工作进度，包含已采样的采样点数量和占比，待采样的数量和占比。列表右侧的导航和定位按钮可进行空间位置交互。

5）样品流转。在手持APP中快速生成二维码及扫描功能，可以识别采样品实物二维码标签，扫描成功后将得到物品编码，通过物品编码在数据库中查询对应的原始资料并入库对应的成果资料，保证样品在流转过程中信息的无缝衔接。

6）更多功能。更多功能包括设置，小组和消息。其中设置按钮可查看和维护个人信息、仪器参数管理，频率设置、查看系统信息等。

7）地图管理。地图管理包括地图缩放、地图漫游、用户定位、图层控制、卫星数量显示、用户坐标显示、地图量算等。

8）轨迹管理。手动开启用户轨迹收集服务，适用于用户随时开启和关闭轨迹收集服务。

2.3 关键技术研究

1）基于二维码的样品信息传输技术。手持端采集的土壤、岩石、水体、底泥、动植物等样品信息，需传输到辐射实验室LIMIS管理系统。基于二维码技术，在手持端的样品流转模块，先生成采样点的二维码，后将二维码传输至打印机进行打印。辐射实验室再通过扫码枪扫描二维码，最后将样品信息传输到辐射实验室的LIMIS管理系统中。

2）Grubbs准则剔除可疑值技术。根据HJ 61-2021《辐射环境监测技术规范》等相关要求，现场监测的原野、道路和室内伽玛辐射剂量率仪器读数，应先进行Grubbs法则检验，以剔除可疑值。为提高工作效率，将Grubbs准则剔除可疑值技术嵌入到手持端中，即在手持端现场监测模块，对原野、道路和室内伽玛辐射剂量率现场监测类要素，在输入完仪器读数后，进行Grubbs准则检验。对仪器读数不符合Grubbs准则的T值进行标识，剔除仪器读数异常值后不符合Grubbs准则要求个数（不少于8个）的，该组数据不允许输入手持终端。

3 结语

利用移动GIS技术，从需求分析、系统作业流程、总体架构设计、数据库设计、功能模块设计等方面阐述了天然辐射环境移动数据采集平台的系统设计方法，为验证该方法的可行性，开发了广东省天然辐射环境数据采集平台。该平台的开发，解决了天然辐射环境外业调查采用常规纸质手薄方式的缺陷，实现了天然辐射环境野外调查数据的信息采集、智能校验、实时上传与有效管理，简化了填报程序，规范了填报内容，提高了工作效率。实践证明，移动GIS技术可有效应用于天然辐射环境移动数据采集平台建设，进而实现天然辐射环境野外调查工作的数字化、智能化。