摘要: 介紹了研制基于組件技術的城市空氣質量系統的解決方案。首先討論了組件技術的特點及GIS組件的優勢，分析了質量基礎空間數據及屬性數據結構；按照組件集成技術的要求，設計了其體系結構及功能模塊；分析了現有的各種空氣質量評價方法，提出了性能價格比高、可操作性強的基于GIS的空氣質量評價新方法。

   關鍵詞：地理信息系統  空氣質量    自動

1 引言

     利用地理信息系統技術，可以把信息點的空間性質和超媒體屬性性質有機地結合起來，為信息的現代化管理提供保障，這是信息管理領域的發展趨勢。領域正在實施的衛星聯網工程，將構筑信息網絡平臺，要求GIS信息的公眾化；同時，傳統的Client/Server 結構、群件、中間件等大型軟件系統的構成形式，都將在組件的基礎上重新構造。基于組件技術的GIS軟件的出現帶來了GIS領域的革命，也使得GIS面向公眾成為可能，在領域采用組件GIS技術來構建不同規模的應用系統非常值得我們研究。

2 組件GIS技術

 組件對象模型是為了促進軟件交互使用而設計的，它容許2個或多個應用程序(或組件)方便地合作。采用這種技術，程序開發者將要實現的任務分成若干個組件對象模型，分別進行設計，從而大大地簡化了軟件開發，并增強了應用程序的功能。

 組件化結構是軟件發展的趨勢，體現了完全面向對象的思想和原則，它具有以下特征：（1）封裝性：實現信息隱藏、模塊化、組件化和抽象化；（2）多時態：同一信息傳送到不同的對象，各個對象接受消息后，獨立地響應；（3）繼承性：在原有的類上可以定義新的類和操作，做到代碼重用和代碼有組織；（4）動態鏈接：對象可以來自任何地方，包含網絡，編程人員在編寫代碼時，可以不需要知道對象的類別，而將消息傳遞給對象。

 組件在對象通過方法驅動和消息響應來互相通訊的過程中得以體現，組件之間也可通過消息傳遞來互相通訊。組件接受到消息后，便選擇一個方法執行。方法定義組件初始化的操作。對初始化變量的管理則應用對象的方法，在組件化結構中，類與類之間可能有一些方法是同名的，1個組件對消息的響應取決于組件本身，即多時態性。

 經歷30多年的發展，GIS正在形成完整的技術系統并逐漸建立其理論體系。GIS應用也已形成一個多層次和不同尺度的應用格局，成為信息產業的重要組成部分。而計算機技術和全球信息網絡技術的飛速發展，更是對GIS產生直接影響。WEB GIS把現在仍龐大的兩段式客戶服務器GIS分解為可自我管理的組件（或稱對象），它們建立在分布式的對象結構基礎上。應用最新的分布式技術如OMG的CORBA和Microsoft 的OLE/COM，以及SUN的Java技術，這些組件之間可以跨網絡和跨操作系統進行互操作，應用開發人員可以很容易地通過對這些組件的組裝去發展新的應用軟件。

    組件式GIS系統把GIS的功能適當抽象，以組件形式供開發者使用，帶來許多傳統GIS工具無法比擬的優勢：

 (1) 可以大規模降低系統成本。普通GIS在每個客戶端都要配備昂貴的專業GIS軟件，造成了極大的浪費。采用組件GIS其軟件成本與全套專業GIS相比明顯要節省得多。

 (2) 更簡單的操作。要廣泛推廣GIS，使GIS系統為廣大的普通用戶所接受，而不僅僅局限于少數受過專業培訓的專業用戶，就要降低對系統操作的要求，通用的最貼近用戶習慣的界面無疑是降低操作復雜度的最好選擇。

    (3) 新的GIS 組件都是基于32 位系統平臺的，無論是管理大數據的能力還是處理速度方面均不比傳統GIS 軟件遜色。小小的GIS 組件完全能提供拼接、裁剪、疊合、緩沖區等空間處理能力和豐富的空間查詢與分析能力。

    (4) 傳統GIS 開發平臺均采用專門設計的開發語言，延長了應用產品的開發周期；傳統GIS系統中的空間數據管理和數據庫管理系統通常均直接由GIS 廠商提供，大大提高了應用開發與系統建設的成本。

3 基于組件GIS的空氣質量信息管理系統

3.1空氣自動信息管理系統

    將地理信息系統技術引入信息管理是信息技術發展的趨勢。根據信息的特點及空氣自動的實際情況，我們采用組件GIS技術來開發空氣自動信息管理系統。

南京市空氣質量網絡系統具有較高程度的自動化，目前已建立了包括6個空氣質量子站在內的空氣質量信息采集網絡系統，隨著站內部局域網的建設及與相關單位的網絡互聯，建立了信息的網絡化處理及深層次處理所需的支撐。該系統集GIS與MIS于一體，采用C/S、B/S體系的空氣質量信息管理系統軟件(見圖1)。

                             

圖1 基于組件GIS的空氣質量自動系統體系結構示意

    根據目前部門工作現狀，研制的軟件系統結構兼容于目前的空氣質量自動網絡系統，支持城市級地理信息系統標準。本系統所建立的空間數據庫應遵循世行貸款B-1擴展項目中有關的標準和已建成的南京市超媒體保護地理信息系統的有關標準，符合軟件開發潮流。本系統研制的GIS軟件系統利用組件GIS技術，應能夠通過網絡，為非GIS專業技術人員提供有關的應急解決方案。

    在本系統中我們采用B/S和C/S共存的結構，以C/S結構為主，輔之B/S結構的混合結構可以很好滿足管理的需求。系統維護及需要快速響應的功能，采用C/S結構以局域網為依托基于組件GIS技術開發；一般信息的瀏覽、查詢采用B/S結構，在服務端基于GIS組件開發來自客戶端不同請求的響應系統。

    B/S結構是目前流行的結構，具有良好的擴充性，客戶端沒有任何特殊的要求，只需支持網絡有瀏覽器即可。維護主要在服務端，系統所需GIS軟件在服務端運行，所有應用功能開發都基于WEB GIS，通過組件GIS的開發來響應客戶端的請求。  C/S結構具有較強的互動性，特別有利于系統的維護和復雜功能的實現，可以對信息進行各種操作，在高速局域網下可以滿足用戶的需求。

3.2 空氣質量基礎數據庫的組織

    支持應用系統的基礎是數據，包括空間數據與屬性數據，如何更好地組織好這些數據，對實際應用與應用系統的構造都有重要的意義。

3.2.1 空間數據結構

    根據地圖的應用特性，我們將其分為底圖與專題圖2類。在底圖中錄入盡量多的數據，并分層存放；在應用系統中提供有關功能，根據分層情況，提高檢索速度并解決視覺干擾的問題。

3.2.2 屬性數據結構

由于各類人員對系統的要求不同，故屬性數據庫必然極其龐大。為此我們采用數據倉庫技術，將數據按主題進行組織，分別滿足不同管理層的需要。這些數據存放在網絡下的原始數據庫中，通過ADO接口對其進行查詢分析。

3.3 功能設計

3.3.1 基本功能

3.3.1.1圖形顯示　圖形顯示功能主要包括基本顯示控制功能及要素動態顯示功能。

3.3.1.2圖文雙向查詢  這是本系統的重要功能之一，主要包括從空間到屬性的查詢以及根據屬性數據進行空間定位的邏輯查詢，并對查詢結果進行統計。

    (1) 點位查詢　可在地圖上指定所關心的點，系統即給出該點的有關信息，如SO₂、TSP、NOx的實時值及其年均值、最大值及最小值。

    (2) 數據查詢　系統將列出某類點所有點位的名稱供用戶選擇，通過點位驅動數據，完成選擇后系統將顯示該點的有關信息。

    (3) 空間分布查詢　固定時間變量，對某類點空間分布的總體情況進行查詢。如，可以查2000年南京市SO₂平均值最高及最低的點，亦可查詢其空間分布情況。另外還可繪制出全市SO₂分布情況的等值線圖并建立該項目值的數值分布模型，將結果與底圖進行疊加分析可以看出哪些區域濃度較大。

3.3.1.3 多媒體功能  利用多媒體手段，將抽象的點、線、面等圖符配以聲音、動畫、照片、圖表和文字等，多角度、多層次地再現信息。

3.3.1.4 等值線自動生成  根據空氣質量信息，可以產生空氣質量指數等值線圖，形象直觀地反映該地區的空氣質量狀況。

3.3.2 趨勢分析

    對空氣質量信息進行分析與對比，分析的結果可以按表格、統計直方圖、專題圖形式直觀地輸出顯示并可直接輸出成圖。對比分析使管理者對專業信息有直觀的了解，便于決策使用。

3.3.2.1時間序列分析　固定空間點，對該點的各種結果進行時間序列查詢，并繪制出相應的變化趨勢圖。如查詢某點SO₂值的變化趨勢以及在什么季節濃度最大、最小、隨季節變化的情況等。

3.3.2.2 時空變化分析　用于對時空兩方面都變化的情況進行查詢，如查某項目的季平均最大值，需要得到該最大值發生在具體的哪個點位及具體的季度情況。另外，以統計圖表的方式演示點的某項值隨空間分布、隨時間(如季節、年份)變化的情況(見圖3)。

圖3 空氣自動信息實時顯示及時間序列分析

3.3.3 決策支持功能

3.3.3.1 數據統計評價　主要完成一些常規的屬性數據的統計評價，以時間、空間為分析變量，確定值、超標情況，統計超標率等。確定不同時間尺度下，值的最大、最小，超標率的地域分布規律以及指數、綜合指數、統計中的趨勢分析等。                                      

3.3.3.2 基于地理信息的統計評價及分析　由于測點的非均勻分布導致該方法并不能很好地反映超標情況，通過地理信息系統的疊置分析功能及數據離散化建模技術，可以得到某指標在全市分布的數值模型，從而模擬指標值的地域分布規律，計算出超標面積與全市面積之比，這樣得到的超標情況更真實。同時，將超標區域與各種功能區進行空間運算，還可得到如居民區的超標情況、旅游區的超標情況、工業區的超標情況等；對超標等級進行劃分，得到各等級的面積情況，對超標情況有了更深層次的了解；對多個污染因素進行疊加，得到綜合指標，以此來評價南京市狀況，確定南京市狀況的地域分布規律，從而可知道空間某點所屬區域，即該點是在清潔區中還是在重污染區中。

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