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基于g ls 的环境突发事故应急处理系统的研究 摘要 随着我国经济的迅速发展，突发性环境污染事故已成为不可忽视的重大问 题。突发性环境污染事故由于没有固定的排放方式和排放途径，事故发生的时间、 地点、环境也具有很大的不确定性，因此处理起来难度比较大。 本文构建的环境突发事故应急处理系统以地理信息系统( g i s ) 、专家系统为 基础，通过电子地图实现对辖区内所有固定及移动的在线监测设备的实时监控， 将发生污染事故的危险降到最低限度。对于已经发生的污染事故，能够及时调度 环境监测车辆对污染事故进行定位跟踪监测，根掘现场数据生成模拟扩散模型并 利用环境事故处理专家系统提出合理、准确的事故应急处理方案，为突发性环境 事故的预警、处理提供了先进的技术手段和决策支持。 论文第二章介绍了地理信息系统与专家系统的基本原理和概况，其中包括地 理信息系统的基本概念、专家系统的基本知识以及g i s 技术和专家系统相结合的 优势。基于此，第三章详细介绍了环境突发事故应急处理系统的设计思路、各个 模块的设计和实现。论文第四章讨论了系统中部分实现技术。论文最后提出了一 种新的基于聚类的数据预处理算法，该算法通过在数据预处理阶段有效的平滑噪 声数据，显著提高了学习算法的学习效率和收敛速度，从而提高数据挖掘结果的 质量。 关键词：环境：突发性污染事故：地理信息系统( g l s ) ：专家系统 r e s e a r c ho fs u d d e ne n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o na c c i d e n t s e m e r g e n c yc o n t r o ls y s t e mb a s e do ng i st e c h n o l o g y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nc h i n a , s u d d e ne n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o na c c i d e n th a sb e c o m eai n e l i g i b l ep r o b l e m a st h e r ei sn op a t t e r no f p o l l u t a n tl e a k a g eo rd i s p e r s a l ，a n dt h el o c a t i o n ，t i m e e n v i r o n m e n to ft h ea c c i d e n ti s h i g h l yu n p r e d i c t a b l e ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt od e a lw i t he n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n a c c i d e n t s i nt h i sp a p e r , i td e s i g na l le m e r g e n c yh a n d l i n gs y s t e mf o rs u d d e ne n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o na c c i d e n t s t h i ss y s t e mi sb a s e do ng i sa n de x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g y b ym a k i n gu s eo fg i s ，i tc a nr e a l i z er e a l t i m es u r v e i l l a n c eo fb o t hi m m o b i l ea n d m o b i l ee q u i p m e n t s ，a n di tc a nm i n i m i z et h ed a m a g ec a u s e db yt h ea c c i d e n t s i nc a s e t h ea c c i d e n th a p p e n s ，t h i ss y s t e mc a nb eu s e dt or e d e p l o yt h es u r v e i l l a n c ev e h i c l e st o c o l l e c tr e a l t i m ed a t a , u p o nw h i c h ，t h es y s t e mw i l lb u i l dad i s p e r s a lm o d e lo ft h e p o l l u t a n tt h r o u g hs o f t w a r es t i m u l a t i o n t h es u d d e ne n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n a c c i d e n t se x p e r ts y s t e mc a nb r i n go u ta ne f f e c t i v ed i s p o s a ls c h e m ef o rt h ea c c i d e n t t h es c h e m ec a nb eu s e da sah i - t e c hm e t h o da n da sad e c i s i o ns u p p o r tf o ra c c i d e n t t r e a t m e n ta n de s t i n m t i o n i n c h a p t e r2 ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e sf u n d a m e n t a l k n o w l e d g ea n d c u r r e n t d e v e l o p m e n to fg i st e c h n o l o g i e sa n de x p e r ts y s t e m ，i n c l u d i n gb a s i cc o n c e p t so fg i s ， a b co fe x p e r ts y s t e ma n dt h es u p e r i o r i t yo fi n t e g r a t i n gg i sa n de x p e r ts y s t e m t e c h n i q u e b a s e do nt h e s e ，i nc h a p t e r3 ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ei d e a so f s y s t e md e s i g n ， t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe v e r ym o d u l ei nd e t a i l i nc h a p t e r4 ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s s o m ei m p o r t a n ti m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e si n t h i ss y s t e m an e wd a t ap r e t r e a t m e n t b a s e do nc l u s t e r i n ga l g o r i t h mi sg i v e na tt h ee n do ft h i sp a p e r t h i sa l g o r i t h mc a n e l i m i n a t en o i s ef r o md a t a b a s ei nd a t ap r e t r e a t m e n t , i tm a k e st h em a c h i n el e a r n i n g a l g o r i t h mm o r ee f f e c t i v ea n dm o r ee f f i c i e n t f u r t h e r m o r e ，i ti m p r o v e st h eq u a l i t yo f t h ed a t am i n i n gr e s u l t k e 3 7w o r d s ：e n v i r o n m e n t ；s u d d e nc o n t a m i n a t i o na c c i d e n t s ；g i s ；e x p e r ts y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 掘我所知，除了文中特另r i d l ：l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得l 连! 塑丝直墓丝盖墨挂型童明 的本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一竺竺兰兰受陛兰三竺鲨二三尘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠姗糍各氍 签字开期吲年门穹同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 獭绷 签字隅叼年r 叼同 | 电话： 邮编： 皋十g i s 的m 、境突发事故心急处理系统的研究 1 绪论 1 1 研究背景 随着工业的迅速发展，突发性环境污染事故已成为现代人类社会不可忽视的 重大问题，1 9 8 4 年拥有7 0 余万人口的印度博帕尔市某农药厂4 0j 力升异氰酸甲 酯储罐发生泄漏事件，短短几天，毒气夺走2 5 0 0 多人的生命，1 0 多万人终身残 废，5 0 余万人遭到不周程度的毒害。前苏联切尔诺贝利核电站泄漏事件中及以 后的数十年，数万人因此而丧生，数万平方公里的土地受到放射性污染。 近年来，我国环境污染问题也日益严重，各类危及国家和人民群众生命安全 的突发性环境污染事故灾害时有发生。2 0 0 5 年1 】月1 3 同，吉林石化公司双苯 厂一车间发生爆炸。截至同年1 1 月1 4 日，共造成5 人死亡、1 人失踪，近7 0 人受伤。爆炸发生后，约1 0 0 吨苯类物质( 苯、硝基苯等) 流入松花江，造成了 江水严重污染，沿岸数百万居民的生活受到影响。2 0 0 5 年1 】月2 1 日，哈尔滨 市政府向社会发布公告称全市停水4 天，“要对市政供水管网进行检修”。此后市 民怀疑停水与地震有关出现抢购。同年1 1 月2 2 日，哈尔滨市政府连续发布2 个公告，证实上游化工厂爆炸导致了松花江水污染，动员居民储水。同年n 月 2 3 日，国家环境总局向媒体通报，受中国石油吉林石化公司双苯厂爆炸事故影 响，松花江发生重大水污染事件。这一事件不仅仅给沿岸居民造成不便，还引 起了俄罗斯方面因松花江水污染对中俄界河黑龙江( 俄方称阿穆尔河) 造成的影 响的关注。我国不得不向俄道歉，并提供援助以撩助其应对污染。国家环境总局 副局长潘岳透露，自0 5 年松花江水污染事件以来，中国平均两三天发生一起与 水有关的污染事件，目前己达一百五十多起。仅2 0 0 6 年8 月一1 1 月问发生的影 响重大的环境事故就有：8 月，吉林省蛟河市吉林长白精细化工有限公司在异地 处理生产废液的运输途中，将约l o 立方米废液人为倒入牟亡牛河内，致使河水受 到污染；9 月，甘肃徽县的铅污染事件，致使数百名儿章血液中铅含量超标，其 中不少被确诊为重度铅中毒，引起轩然大波；同是9 月，湖南省岳阳县城饮用水 源地新墙河发生水污染事件，致使砷超标l o 倍左右；1 1 月，四川省泸州市川南 电厂发生燃油泄露，污染长江，造成不良后果。 萆于g i s 的列- 境突左事故一急处理系统的研究 在中国科学院社会学所、社科文献出版社2 0 0 6 年1 2 月2 5r 共同发布的社 会蓝皮书 2 0 0 7 年：中国社会形势分析与预测中，环境污染己成为与“看病 难”、“就业失业问题”等社会热点并列的十大问题之一。 突发性环境污染事故由于没有固定的排放方式和排放途径，事故发生的时 间、地点、环境也具有很大的不确定性，事故发生突然、来势凶猛，事故污染源 在瞬时或短时间内大量地排出污染物质，因此会对人们赖以生存的自然生态环境 造成严重污染和破坏，给国家和人民财产造成重大损失。根据污染物性质及常发 生的方式，突发性环境污染事故可分为：核污染事故：溢油事故：有毒化学 品的泄漏、爆炸、扩散污染事故：非f 常大量排放废水造成的污染事故4 大类 “1 。突发性环境污染事故呈现的主要特性可总结为：发生的突发性、形式的多样 性、危害的严重性和处理处置的艰巨性。 为有效防范环境污染事故，特别是重大、特大环境污染事故的发生，及时、 合理处置可能发生的各类重大突发性环境污染事故，有效控制和消除污染，减少 损失，维护自然生态环境，保障人民身心健康及f 常生活、生产活动的进行，建 立统一高效的指挥协调系统，处理突发环境污染事故刻不容缓。随着我固环境产 业的快速发展和环境管理工作的不断深化，信息化成为提高环境管理与决策水平 的重要技术基础。“数字环境”工程建设已被国家列为“十一五”重点丌发项目， 数据仓库、网络技术、移动互联等各类新兴信息技术将为我国环境产业及i t 产 业实现跨越式发展提供新的机遇。 1 2 课题研究现状及意义 自7 0 年代开始，国外的一些政府机构和大的软件丌发商就开始着手j ；i = 境管 理信息系统的开发和完善，如美国环保局的s t o r e t 系统和a i r s 系统、英国环保 局的w q i s 系统、联合国环境规划署( u n e p ) 的g r i d 系统( g l o b a lr e s o u r c e i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ) 等。莱茵河沿河国家在1 9 8 7 年制订了“莱茵河行动计划”， 联合丌发了方便快捷的计算机决策支持系统模型，定期检查沿河工厂设备安全情 况等。 为了应付突发性环境污染事故，世界各国相继制定了应对措施，美国、加拿 幕千g i s 的环境突发事故随急处理系统的研究 大、同本和荷兰等国家分别制定了突发性环境污染事故紧急处理的法律。1 9 8 9 年联合国环境规划署提出了“地区级紧急事故的意识和准备”，即“a p e l l 计划”。 1 9 9 3 年美国u s e p a 发布了“化学品事故排放风险管理计划”。闩本对其海洋建立 了以内阁总理大臣在内的政府组织的完备预防和应急反应体系。与这些应对措施 同步发展的是防范突发性环境污染事故的技术方法基于计算机信息管理的应急 决策支持系统也如雨后春笋般发展起来。法国于1 9 9 2 年丌发出一个称为“s e a n s ” 的软件包，可为突发性水污染事故提供应急决策”1 。d e s i - m o n e 等。把人工智能 和模式识别技术用于溢油事故过程的模拟、应急计划的评估，能够对大型溢油事 故应急处理设施的选择和人员的配备进行辅助决策。 我国近年束也逐渐开始重视环境工作。国家环境总局成立了突发性环境污染 事故调查工作小组，中华人民共和国环境保护法和建设项目环境保护管理 办法也明确规定，儿对环境有影响的建设项目必须执行环境影响评价制度，其 中应对可能出现的突发性环境污染事故的项目进行风险评价，以防患于未然。同 时，在项目运行过程中，也应对可能发生环境污染事故的隐患加强监督检查，并 制定切实有效的防范、应急抢险措施，在事故发生时及时控制污染，把各种破坏 损失降至最低。在此背景下，“数字环保”工程建设被国家列为“十一五”重点 开发项目，而加强突发环境污染事故应急监测、研究其处理处置方法、对污染物 的扩散进行预报是环境污染防治领域中非常重要的工作。 环境突发事故应急处理系统是基于g i s 技术、g p s 技术和专家系统的区域环 境污染事故应急系统，通过对固定和移动污染源的实时监控，将发生污染事故的 危险降到最低限度，对于已经发生的污染事故，能够立即启动环境突发事故应急 处理辅助预案，针对事故的污染物种类、地点、周围居民情况等各类详细信息， 利用专家系统提出合理、准确的事故应急预案，并能够显示环境应急车辆到达事 发地点的最短路径，及时调度应急车辆自d 往事发地点，为突发性环境事故的预警、 处理提供了先进的技术手段和决策支持，最大限度地实现环境保护的数字化、网 络化、智能化和可视化。 1 3 国内外专家系统的应用 基于g 1 s 的环境窆发事故j 二 急处理系统的 i j 究 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 也称为专家咨询系统，是人工智能研究的 主要领域。专家系统实质上是一种计算机程序，它能够以人类专家的水平完成特 别困难的某一专业领域的任务。在设计专家系统时，知识工程师的任务就是使计 算机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题的决策和工作过程，即模仿人类专家 如何运用他们的知识和经验来解决所面临问题的方法、技巧和步骤。 专家系统作为人工智能领域的一个重要分支，从1 9 6 0 年中期以来得到了快 速的发展。它将领域专家的知识存入到计算机，根掘用户给出的事实和存入知识 库中的知识进行推理，得出一定的结论，满足用户的咨询。因此专家系统广泛应 用于决策支持系统和非数值问题求解过程中，比较早的主要有：地矿勘探专家系 统( p r o s p e c t o r ) 拥有1 5 种矿藏知识，能根据岩石标本及地质勘探数掘对矿产 资源进行估计和预测，能对矿床分布、储减量、品位、开采价值等进行推断，制 定合理的丌采方案，成功地找到了超亿美元的钼矿。专家系统( m y c i n ) 能识别 5 1 种病菌，正确使用2 3 种抗菌素，可协助医生诊断、治疗细菌感染性血液病， 为患者提供最佳处方，成功地处理了数百个病例“。特别是8 0 年代中期以来， 专家系统的研究与丌发进入了快速发展的时期，出现了很多实用的专家系统，特 别是i n t e r n e t 出现以后，专家系统又有了飞快发展”3 。这一时期主要有：精神 病治疗专家系统p s y c h i a t r i ct r e a t m e n t ( g e o t h ea n db r o n z i n o1 9 9 5 ) ，咨询 系统a d v i s o r ys y s t e m ( k o s ee ta l1 9 9 5 ) ，电力规划e l e c t r o n i cp o w e r p l a n m n g ( r a h m a na n dh a z i m1 9 9 6 ) ，汽车制造规划a u t o m o b i l ep r o c e s s p l a n n i n g ( s a b o u r i na n dv i l l e n e u v e1 9 9 6 ) ，酒生产a l c o h o lp r o d u c t i o n (6 u e r r e i r oe t a l1 9 9 7 ) ，d n a 柱状图解释d n ah i s t o g r a m i n t e r p r e t a t i o n ( m a r c h e v s k y ，t r u o n y ，a n dt o l m a c h o f f1 9 9 7 ) ，行程安排策略 s c h e d u l i n gs t r a t e g y ( z u p a na n dc h e n g1 9 9 8 ) ，通信系统故障诊断 c o m m u n i c a t i o ns y s t e mf a u l td i a g n o s i s ( l e o n ，m e j i a s ，l u q u 8 ，a n d6 0 n z a l o 1 9 9 9 ) ，材料加工设计m a t e r i a lp r o c e s s i n gd e s i g n ( k i ma n di m1 9 9 9 ) ，资源 利用r e s o u r c eu l t i l jz a t i o n ( m c c o ya n dl e v a r y2 0 0 0 ) ，农业规划a g r i c u l t u r e p l a n nj n g ( p l a n ta n dv a g s s i e r e s2 0 0 0 ) ，货物运输调度l o a ds c h e d u l j n g ( c r o c e e t a l2 0 0 ( 5 ) ，养蜂方面a p i c u l t u r e ( m a h a m a ne t a l2 0 0 2 ) ，农业诊断咨询 a g r i c ur u r a ld j a g n o s t i c a d v i s o r y ( m a h a m a n ，p a s s a m ， s i d e r i a l i s a n d 4 苹于g i s 的王 境突发事故心急处理系统的研究 y i a l o u r i s2 0 0 3 ) ，地球科学方面g e o s c i e n c e ( s o b ，t s a t s o u i s ，g i n e r i s ，a n d b e r t o i a2 0 0 4 ) ，教学辅导系统t u t o r i n gs y s t e m ( h a t z i l y g e r o u d i sa n dp r e n t z a s 2 0 0 4 ) 。这一时期专家系统的应用己广泛地渗透到许多领域，而且越来越实用。 和国外相比，国内对专家系统的研究相对较晚，大约始于7 0 年代末期。但 相对来说，其发展速度比较快。我国e s 开发工作最初在医疗领域展开，先后出 现了肝炎诊断治疗专家系统，中医诊断专家系统等。8 0 年代初期丌始进入到农 业领域，1 9 8 0 年浙江大学与中国农科院蚕桑所合作，开始研究蚕育种专家系统： 1 9 8 3 年中国科学院合肥智能研究所与安徽农科院台作，开发出了砂姜黑土小麦 施肥专家系统；9 0 年代，国际上举办了多次有关农业专家系统的会议，我国专 家系统的研究更是蓬勃发展，出现了许多农业专家系统，如小麦高产技术专家系 统，水果果形判别人工神经网络专家系统，基于规则和图形的节果、梨病虫害诊 断及防治专家系统，农业资源高效利用技术集成专家系统的设计，生态农业投资。 项目外部效益评估的专家系统，基于作物生长特征的作物栽培专家系统，基于生1 长模型的小麦管理专家系统等。在这一时期，我国专家系统的开发也相继渗透到 交通运输、地质勘探、气象预报等领域。其中清华大学研制的汽车运输规划调度。 系统、吉林大学研制的岭南地区钨锡矿勘探专家系统、浙江大学的地质探矿专家 系统、国家气象局研制的暴雨预报专家系统等。这时期还有吉林大学的湿疹皮二 炎中医诊断专家系统，沈阳自动化所研制的石油侧井曲线解释专家系统和东南大 学的中医诊治专家系统等。特别是到了8 0 年代中后期，我国专家系统的应用领 域迅速扩大，在数学、物理、化学、工程、机械、经济、教育、军事、体育等领 域先后有一批专家系统问世，如上海工业大学的r e t r i e v e r 、浙江大学的 z d e s t - i ，中科院计算机所的i s l 、北京航空学院的k i p s 8 5 、东南大学的t m e g i 等，其中吉林大学的专家系统开发工具m e s 在国际人工智能界学术水平最高的 i j c a i 8 5 会议上受到会议程序委员会主席的高度评价“3 。而在环境保护领域也 有专家提出了利用专家系统指导环境事故处理的思想。 1 4 论文的内容组织结构 本论文完成的工作如下： 毕于g i s 的叫：境突发事故心急处理系统的耐f 究 ( 1 ) 将g i s 技术与m i s 结合，实现了环境保护监控的数字化、可视化。 ( 2 ) 完成了环境突发事故应急处理专家系统的设计。 ( 3 ) 提出了基于聚类的数据预处理算法。通过仿真试验说明了该方法的有效 性。 本论文的内容组织结构如下： 第2 章地理信息系统( g i s ) 及专家系统( e s ) 的介绍。介绍了本文所用到 的g i s 技术及专家系统的基本原理和基本知识。 第3 章基于g i s 的环境突发事故应急处理系统的设计与实现。详细叙述了 该系统的需求分析及各模块的详细设计。 第4 章系统中主要技术的设计与实现。 第5 章提出了基于聚类的数据预处理算法，对算法进行了详细描述和分析， 并进行了仿真试验。 第6 章本论文的工作总结，并讨论了进一步研究的方向。 筚十6 1 s 的于 一境突发事故j 二j 急处碰系统的研宄 2 地理信息系统( g is ) 技术及专家系统( e s ) 2 1 地理信息系统( g l s ) 简介 2 1 ，1g i s 的产生和含义 地理信息系统是一种决策支持系统，简称g i s 。在传统的信息系统中，数据 主要保存在数掘库中，如果数掘库中的数据仅以文字的形式表现出来，不仅形式 呆板，而且可能将一些重要的信息隐藏在文字背后。不仅如此，在实际工作中有 许多问题必须借助地图来解决，然而最原始的解决方案是使用一张纸地图，在上 面将数据库的数据标出，然后在地图上分析，很明显这种方法将会非常的繁琐。 如果能够开发种在计算机上存储和管理信息的系统，并且该系统能够将复杂无 序的数据通过图形生动的表现出来，这将会具有非常深刻的现实意义，在这样的 历史背景下g i s 产生了。 g i s ( 地理信息系统) 的英文全称是：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 或 者：g e ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上 存在的东西和发生的事件进行成图和分析。g i s 技术能够把地图这种能够给人提 供独特的视觉化效果和地理分析功能的工具与一般的数据库操作( 例如查询和统 计分析等) 集成在一起。更重要的是，g i s 给信息系统带来的不仅仅是显示地图 的锦上添花，面是将数据进行直观的、可视化的分析和查询，发掘隐藏在文本数 据之中的各种潜在的联系，为用户提供种崭新的决策支持方式”“。这种能力 使g i s 与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释 事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。地理信息系统是将计算机硬件、 软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对任意形式的地理信息进行高效获 取、存储、更新、操作、分析及显示的系统集成。 2 1 2g i s 的组成 g i s 由五个主要的元素所构成：硬件、软件、数据、人员和方法。 牡十g i s 的升- 境突发事故心急处理系统的研究 ( 1 ) 硬件 硬件是g i s 所操作的计算机。今天，g i s 软件可以在很多类型的硬件上运行。 从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。 ( 2 ) 软件 g i s 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件 部件有： 输入和处理地理信息的工具 $ 数据库管理系统( d b m s ) 支持地理查询、分析和视觉化的工具 水容易使用这些工具的图形化界面( g u i ) ( 3 ) 数据 一个g i s 系统中最重要的部件就是数据了。地理数掘和相关的表格数据可以 自己采集或者从商业数掘提供者处购买。g i s 把空间数据和其他数掘源的数掘集 成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系 统来管理空间数据。 ( 4 ) 人员 g s 技术如果不能应用于实际问题，将没有什么价值。而使用g i s 的用户范 围不仅包括从设计和维护该系统的技术专家，还有那些使用该系统并完成他们每 天工作的普通人员。 ( 5 ) 方法 成功的g i s 系统，具有好的设计计划和自己的事务规律，这些是规范而且对 每一个公司来说具体的操作实践又是独特的。 2 1 3g 1 s 经历的发展阶段 g i s 技术自2 0 世纪6 0 年代诞生，7 0 年代开始快速发展，2 0 世纪8 0 年代丌 始大量应用，经过这些年的研究、开发、应用，现在g i s 正在全球范围内以前所 未有的速度迅速发展，并且超过了遥感的发展速度”1 。我国的地理信息系统方面 的工作是从2 0 世纪8 0 年代初开始的，以1 9 8 0 年中国科学院遥感应用研究所成 苹十g i s 的环境突发事故晦急处理系统的研究 立的全国第一个地理信息系统研究室为标志”。如今，我国已经建立了1 ：1 0 0 万 和l ：2 5 万国土基础信息系统以及其他的许多专业信息系统，国产的g s 基础软 件业在2 ( ) 世纪9 0 年代逐步实现了实用化“。3 。近些年来，我国的g i s 系统进一步 迅速的发展。从发展历程看，g i s 经历了以下几个发展阶段。图2 一l 为g i s 软件 发展历程图。 g l s 鼓起 l 也成一弋g i s l 一一一i _ ：j l 饪 ：化g i s ； 二- _ _ = 二一 i 嘞一g , s l = g i s ； o 乏兰：三= 二= ? 气一 臣互三堕习7 矗 至亘三 图2 - ig i s 软件发展历程 ( 1 ) g i s 模块 在g i s 发展的早期，由于受到技术的限制，g i s 软件往往是只能满足某些要 求的功能模块，没有形成系统，各个模块之间没有协同工作能力。 ( 2 ) 集成式g i s 随着理论和技术的发展，各种g i s 模块走向集成，逐步形成g i s 软件包( g i s p a c k a g e ) ，称之为集成式g i s ( i n t e g r a t e dg i s ) 。集成式g i s 是g i s 发展的一 个里程碑，它的优点是集成了g i s 各个模块的功能，形成了一个完整的系统，缺 点是系统复杂庞大，成本高，难于和其他的程序和系统集成。 ( 3 ) 模块化g i s 模块化g i s ( m o d u l a xg i s ) 的基本思想是把g i s 按照功能划分为一系列的 模块，运行于统一的基础环境之上( 如m i c r o s t a t i o n ) ，模块化g i s 具有较大的 工程针对性，便于开发和应用，用户可以根据需求选择所需模块，但是集成g i s 和模块化g i s 都无法与管理信息系统( m i s ) 以及专业应用模型集成高效、无缝 的g i s 应用。 ( 4 ) 核心式g i s 肇十g i s 的环境突发事故心急处理系统的研究 核心式g i s 是为解决集成g i s 与模块化g i s 的缺点而被设计出来的。w i n d o w s 系列操作系统上的核一d 式g i s 提供了一系列动态连接库( d l l ) ，开发g i s 应用系 统时可以采用现有的高级编程语言+ ，通过应用程序接口( a p i ) 访问内核所提供的 g i s 功能。它提供了动态连接库一级的更底层的组件化方式，给用户提供更大的 灵活性。但是，由于核心式g i s 提供的组件过于底层，给应用开发者带来一定难 度，也不适应可视化程序设计的潮流。 ( j ) 组件式g i s 随着计算机软件技术的发展，g i s 发展到了一个全新的阶段，出现了组件式 g i s ( 即c o m g i s ) 。组件式g j s 基于标准的组件式平台，各个组件之间不仅可以进 行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。组件式平 台主要有n i c r o s o f t 的c o n ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模 型) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，分饰式组件对象模型) 和o m g 的c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理体 系结构) ，目前m i e r o s o f t 的c o m d c o m 占市场领导地位。基于c o m d c o m ， m i c r o s o f t 推出了a c t i v e x 技术，a c t i v e x 控件是当今可视化程序设计中应用 最为广泛的标准组件。新一代的组件式g i s 也大都是a c t i v e x 控件或者其的身 o l e 控件。 ( 6 ) w e b g i s 几乎在开发组件式g i s 的同时，出现了w e b g i s 。w e b g i s 是i n t e r n e t 技术 应用于地理信息系统( g i s ) 开发的产物。g i s 通过w w w 功能得以扩展，真正成 为一种大众使用的工具，从w w w 的任意一个节点，i n t e r n e t 用户可以浏览 w e b g i s 站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析。 w e b g i s 不仅开拓了地理信息资源利用的新领域，而且为g i s 信息的高度社会化 共享提供了可能“。随着组件式g i s 的发展和分布式对象w e b ( d i s t r i b u t e d o b j e c tw e b ) 技术的逐渐成熟，w e b g i s 将是基于c o m a c t i v e x 或c o b r a j a v a 开发的分布式对象w e b g i s 。与此同时，g i s 软件的网络化应用也得到了很大的 发展，用户对于网络化应用的需求也越来越大。地理信息系统的网络化有利于充 分利用计算机资源，增强协同处理业务的能力，进行业务监控，方便查询和统计。 同时，网络系统通过与i n t e r n e t 或政府办公信息系统并网运行，可以实现面向 毕于g i s 的环境突发事故一急处理系统的研究 公众的信息发布，增加政策的透明度，有利于政府部门领导对部门业务的了解， 方便信息的共享和传输。 w e b g i s 作为数字地球的主要技术依托和载体，已经成为i t 领域十分重要 的研究方向。它具有以下几个方面的特点“3 “1 ：1 较低的丌发和管理成本。 w e b g i s 是利用通用的浏览器进行地理信息的发布，并使用通常是免费的插件 a c t i v e x 或j a v aa p p l e t ，从而大大地降低了终端客户的培训成本和技术负担。 而且利用组件式技术，用户可以根据实际需要选择需要的控件，这也最大限度地 降低了用户的经济负担。2 真f 的信息共享。w e b g i s 具有通过通用的浏览器进 行信息发布的特点，这使得不仅仅是专业人员，就连普通用户也能方便地获取所 需的信息。在全球范围内任意一个w w w 站点的i n t e r n e t 用户都可以获得w e b g i s 服务器提供的服务，真j 下实现了g i s 的大众化。3 巨大的扩展空间。i n t e r n e t 技 术基于的标准是丌放的、非专用的，为w e b g i s 的进一步扩展提供了极大的发挥 空间，使得w e b g i s 很容易与w e b 中的其他信息服务进行无缝集成，建立功能丰 富的具体g i s 应用。4 扩平台特性。传统的g i s 软件都是针对不同操作系统的， 对不同的操作系统，分别要使用相应的g i s 应用软件。而w e b g i s 则能做到“ 次编成，到处运行”，真正发挥跨平台的技术优势。 w e b g i s 模式下的客户端和服务器所完成的功能基本上与c l i e n t s e r v e r 模 式下的功能是一致的，但是它是通过中间件来实现的。也就是说，客户在向某一 个服务器提出服务请求时，它并不要求知道所要求的信息是否在这个服务器上以 及信息在哪，而是由服务器来解决。如果服务器发现所请求的信息不在服务器上， 它就会通过向其他服务器发送带u r l 的信息请求而找到所需的信息。因此，这种 网络拓扑结构与c s 结构已经有了较大的差别。这其实是一种i n t e r n e t 上的三 层c s 结构它实质上是c l i e n t s e r v e r 技术与i n t e r n e t 技术相结合的成果， 这种模式不仅利用了基于w e b 的i n t e r n e t 结构的简便和灵活性的特点，而且应 用c l l e n t s e r v e r 技术大大地强化了其事务处理和安全性、完整性约束能力，从 而实现了真正业务相关的w e b g l s “。 2 1 4g i s 的应用趋势 书十g i s 的j ：境突发事撒j ! 急处理系统的研究 g i s 作为计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的一门边缘 性学科，其发展与其他学科的发展是密切相关的。近年来g i s 技术发展迅速，其 主要动力来自于同益广泛的应用领域对地理信息系统的要求。另一方面，计算机 科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具和手段，许多计算机技术，如 i n t e r n e t 技术、面向对象的数据库技术、三维技术、图像处理技术和人工智能 技术等都可直接应用到g i s 中”。g i s 的应用趋势有以下几方面： ( 1 ) w e b g i s 。i n t e r n e t 改变了我们的世界。当前，i n t e r n e t 已不仅仅是一 种单纯的技术手段了，而且己演变成为一种经济方式网络经济。大量的应用 正由传统的( 客户机服务器) 方式向( 浏览器服务器) 方式转移，g i s 技术也是 如此。g i s 技术和i n t e r n e t 技术的融合，正逐渐形成一种新的技术，我们称之 为w e b g i s 。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这 一i n t e r n e t 所特有的优势大大方便了g i s 的数掘管理，使分布式的多数据源的 数据管理和合成更易于实现无论服务器客户机是何种机器，无论w e b g i s 服务 器端使用何种g i s 软件，由于使用了通用的w e b 浏览器，用户就可以透明地访问 w e b g i s 数掘，在本机或某个服务器上进行分布式部件的动念组合和空间数据的 协同处理与分析，实现远程异构数据的共享。要广泛推广g i s ，使g i s 系统为广 大的普通用户所接受，而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低 对系统操作的要求。w e b g i s 更易于操作，它是降低操作复杂度的最好选择。目 前，w e b g i s 在i n t e r n e t 的应用为典型的三层结构，包括客户机、应用服务器与 w e b 服务器、数据库服务器，这种方式又称为瘦客户机系统。所有的地图数据和 应用程序都放在服务器端，客户端只是提出请求，所有的口向应都在服务器端完成， 只需在服务器端进行系统维护即可，因此大大降低了系统的工作量。 ( 2 ) g i s 协助海量数据管理。g i s 技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数 据管理问题，因为对于一个城市级的g i s 系统，其数据量极其巨大，一般可达到 g 8 的数掘量级。传统的基于文件的管理方式显然不能处理这些问题，而利用面 向对象的大型数据库技术则能够有效地解决这一问题。在面向对象的空间数掘库 中，海量地图数掘的使用变得更加简单：只需建立单一图层，不必再进行分幅处 理。如果用户原来的数据源是分幅的，可将其全部存储到一个图层中，数掘库将 自动对其进行拼接和索引处理，即可形成一个完整的图层。在应用时，客户端只 2 幕于g i s 的耳境突发事故m 急处理系统的研究 需极少量的编程( 实际上只是指定数据源) ，就可实现对数据库里数据的动念显 示。数掘库会根据当前地图客户端的显示视野，自动将此范围内的图形检索出来， 并送到客户端显示。因此，即使服务器端的数掘是g b 级的，在客户端的数据量 却仅是几十k b 到上百k b ，大大减轻了客户端系统的配置需求，并减轻了网络流 量。 ( 3 ) 三维g i s 与虚拟现实。三维g i s 是许多应用领域对的基本要求。三维( ；i s 可以帮助人们更加准确真实地认识我们的客观世界。它可以支持真三维的矢量和 栅格数掘模型及以此为基础的三维空间数据库，孵决了三维空间操作和分析问 题。 ( 4 ) 高分辨率遥感与g i s 结合。g i s 为核心的高分辨率遥感影像与g i s 、g p s ( 全 球定位系统) 的集成，使得人们能够实时地采集数据、处理信息、更新数据以及 分析数据。g i s 已发展成为具有多媒体网络、虚拟现实技术以及数据可视化的强 大空间数据综合处理技术系统。高分辨率遥感影像是实时获取、动态处理空间信 息对地观测、分析的先进技术系统，是为g i s 提供准确可靠的信息源和实时更新 数据的重要保证。g p s 主要是为遥感实时数掘定位提供空间坐标，以建立事实数一 据库。它们之间的集成，不仅实现了互补，而且产生了强大的边缘效应，将极大 地增强以g i s 为核心的综合体系的功能。 ( 5 ) 无线通汛与g i s 。无线通讯改变了人们的生活和工作方式。随着无线通 讯技术的发展，特别是w a p 技术的应用，使无线通信技术与g i s 技术以及 i n t e r n e t 技术的结合成为可能，形成了一种新的技术一一无线定位技术 ( w