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地球信息科学学报 >

2016 , Vol. 18 >Issue 10: 1341 - 1351

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2016.01341

可配置地质环境评价系统研究与应用

  • 喻孟良 , 1, 2 ,
  • 诸云强 , 3, 4*, * ,
  • 邢丽霞 2 ,
  • 郑跃军 2 ,
  • 罗侃 3 ,
  • 侯志伟 3, 5 ,
  • 王东旭 3, 5
展开
  • 1. 中国地质大学（武汉）,武汉 430074
  • 2. 中国地质环境监测院,北京100081
  • 3. 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101
  • 4. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京 210023
  • 5.中国科学院大学,北京100049
*通讯作者：诸云强（1977-）,男,博士,研究员,江西广丰人,研究方向为地学数据共享、资源环境信息系统。 E-mail: zhuyq@igsnrr.ac.cn

作者简介：喻孟良（1978-）,男,博士生,高级工程师,贵州六枝人,研究方向为地质环境信息化。E-mail:

收稿日期: 2015-10-09

  要求修回日期: 2015-11-06

  网络出版日期: 2016-10-25

基金资助

国土资源大调查项目(O9L90100AJ)

科技基础性工作专项重点项目（2013FY110900）

贵州省公益性基础性地质工作项目“贵州省岩溶地下水系统功能可持续利用性研究”

国家自然科学基金项目（41371381）

收起

Research and Application of Configurable Geological Environment Evaluation System

  • YU Mengliang , 1, 2 ,
  • ZHU Yunqiang , 3, 4, * ,
  • XING Lixia 2 ,
  • ZHENG Yuejun 2 ,
  • LUO Kan 3 ,
  • HOU Zhiwei 3, 5 ,
  • WANG Dongxu 3, 5
Expand
  • 1. China Geoscience University (Wuhan), Wuhan 430074, China
  • 2.China Institute of Geological Environmental Monitoring, Beijing 100081, China
  • 3. State Key Lab of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
  • 4. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
  • 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
*Corresponding author: ZHU Yunqiang, E-mail:

Received date: 2015-10-09

  Request revised date: 2015-11-06

  Online published: 2016-10-25

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

摘要

地质环境评价是掌握地质环境时空格局、变化趋势,开展地质环境防治保护管理工作的必要前提和重要手段。根据不同的应用目的,地质环境评价需采用不同的指标体系和数据,而且随着地质环境业务的发展,指标体系和数据也会不断扩展和变化。为了适应地质环境评价发展的需要,本文提出并研发了可配置的地质环境评价系统,该系统围绕地质环境评价核心过程,通过配置层可以对地质环境评价指标因子及权重、指标数据源及获取方法、指标评价计算方法,以及指标分级标准与空间可视化方法等多个环节进行灵活设置。与传统的地质环境评价软件相比,可避免地质环境评价指标或数据源发生变化时,需要重新进行软件编码、重新组织数据库等问题。唐山市应用实践表明,该系统具有良好的可配置能力、扩展性和应用性。

关键词： 地质环境; 评价系统; 可配置; 数据服务; 计算方法

本文引用格式

喻孟良 , 诸云强 , 邢丽霞 , 郑跃军 , 罗侃 , 侯志伟 , 王东旭 . 可配置地质环境评价系统研究与应用[J]. 地球信息科学学报, 2016 , 18(10) : 1341 -1351 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2016.01341

Abstract

Geological Environment Evaluation (GEE) is not only the necessary pre-condition to master the temporal-spatial distribution pattern and change trend of geological environment, but also the critical method for conducting the prevention & protection management work of geological environment. There are diverse evaluation indices and corresponding computing models for different thematic and purposeful GEE. Meanwhile, in the big data era, the geological environmental data are always characterized to be of multi-sources, heterogeneous formats and storage modes, as well as having diversified service patterns. As a result, the geological environment evaluation system (GEES) is necessary to meet the above changes and requirements. Firstly, this paper puts forward the concept model of GEE, and analyzes the general workflow of GEE. Secondly, the authors propose and design a configurable software method for GEES. Based on the core process of GEE, this method can configure not only the indices and their weights, but also the indices' data sources and data retrieving measures, indices' value dimensionless processing approach, the computing approach of evaluation value according to the evaluation spatio-temporal extent, as well as the classification and spatial visualization of the indices and evaluation results. Finally, with the support of geography information technology and Java programming language, a Configurable Geological Environment Evaluation System (C-GEES) is developed. It includes five logic tiers from the bottom up, i.e. the data tier, index tier and model tier as well as the function tier and service tier. Specially, the function tier is divided into two layers: one is the configuration layer which mainly implements the above mentioned configuration functions for system administrators, and the another is the application layer which provides lots of data querying and browsing, evaluation, and analysis functions for users. It provides the one-click or step-by-step GEE with different evaluation indices and application purposes. A verification test is conducted in Tangshan city of Hebei province, China. The result shows that C-GEES is good at configuration which makes it powerful in its expansibility and applicability.

Key words： geological environment; evaluation system; configurable management; data service; computing model

1 引言

地质环境是人类和其他生物赖以生存和活动的载体,是人类社会发生发展过程中所依托的地球表层岩、土、水共生的地质系统,也是地质灾害发生的母体[1-2]。地质环境评价是对地质环境形成条件、结构、状态、功能现状进行分析,在自然条件和人类活动影响下对可能发生的变化趋势进行预测,对其与社会经济发展活动的协调性进行定性或定量的评估。
根据评价范围的不同,地质环境评价可分为区域、流域、城市和矿山地质环境评价等;根据人类活动与地质环境的关系,可分为地质环境质量、容量和承载力评价等;按照评价对象不同,可分为土壤、地下水和生态环境评价等;按照人类对地质环境的要求不同,可分为地质环境适宜性、危险性和风险性评价等[3]。
根据不同的评价目的,国内外研发了大量的地质环境评价相关的信息系统,在不同的时空范围开展了不同主题的地质环境评价。Mejia-Navarro等[4]运用GIS及数学模型建立了自然灾害及风险评估决策支持系统;Uricchio等[5]研发了基于模糊知识的地下水污染风险评估决策系统;英国政府支持开发的地质环境决策支持系统[6],包含了地下水保护、土壤退化、滑坡预警等11项环境主题,为英国土规划和工程建设提供了有力的技术支撑。Lee等[7]利用GIS技术构建了韩国地质灾害信息管理与评价系统等。中国在矿山、地下水、农业地质环境等方面也开展了大量研究工作[8-13]。中国地质环境监测院[13-19]陆续完成了地下水监测信息采集与处理服务系统、全国矿山环境地质调查信息系统、地质环境信息服务平台等;沈芳等[20]基于地理信息系统空间分析方法,结合地质环境模型,开展了区域地质环境评价;武健强等[21]基于Arc/Info的二次开发,建立了苏、锡、常地区地质环境信息系统,并结合多种地质环境因素对苏、锡、常地区进行了地质环境评价;张江华等[22]研发了区域矿山地质环境信息系统,实现了对矿山地质环境数据的空间再现和动态管理;戴福初等[23]开展了地理信息系统（GIS）支持下的城市地质环境评价研究等。
已有的地质环境评价系统,采用不同的技术体系和功能模块,对不同的区域进行了不同主题的地质环境评价,有力支持了区域地质环境管理与地质灾害防范。但大部分的地质环境评价系统,缺乏对评价数据源、指标数据获取方法、标准化方法和评价计算方法、分级标准等的灵活设置,难以适应评价指标体系和数据源的变动需求,因此很难利用同一套软件系统对不同区域和主题的地质环境进行评价,造成软件系统开发的浪费,以及评价结果难以对比分析等问题,不利于全国地质环境的综合评价分析。为了解决上述问题,本文在系统分析地质环境评价模型和流程的基础上,提出并研发了可配置的地质环境评价系统,并以河北省唐山市为例进行了应用示范研究。

2 地质环境评价概念模型与流程

2.1 地质环境评价概念模型

地质环境评价涉及指标体系、指标数据、计算模型、分级标准4大核心要素,其概念模型如式（1）所示。
GER = { IS , D , M , C } （1）
式中：GER表示地质环境评价结果（Geo-environment Evaluation Result）;IS表示地质环境评价指标体系（Indexes System）;D表示地质环境评价数据资源（Data Resources）;M表示地质环境评价计算模型（Models）;C表示地质环境评价分级标准（Classification）。
地质环境评价指标体系包含指标因子及其权重（式（2））。
IS = { I , W } （2）
式中：I表示指标因子。合理选择对评价目标起主导作用、可以获取数据、可量化计算的因子是地质环境评价的关键。指标的选取一般遵循科学性、代表性、简明性、独立性和数据易获取性等原则。地质环境评价指标随评价目的不同而不同,主要包括地质灾害、地下水、矿山地质环境、地质遗迹等评价主题,涵盖地质环境孕育背景(如地形、地貌、地质构造、岩性等内部因子,以及如气象、水文、土地覆被等外部因子）、分布规模（空间分布、数量规模等现状因子）、破坏/污染程度（如地下水超采、污染情况等）和防治/保护程度（如地质灾害拆迁搬移情况、地质公园设置情况等）等方面;W表示指标因子权重,反映不同评价因子间重要性程度的差异。
地质环境评价数据资源是指支撑地质环境评价的各类数据资源,往往需要从原始的调查考察、监测测试、统计分析以及基础图件中提取,并经标准化处理消除量纲影响后才能参与具体的评价（式（3））。
D = S ( F ( x ) ) （3）
式中：x表示地质环境原始数据;F表示由原始数据到指标数据的抽取模型,如利用地下水综合污染指数模型,由原始的地下水水质监测数据计算出地下水综合污染指数;S表示标准化计算模型,主要用于消除数据的量纲影响。
地质环境评价计算模型既包括上述的指标数据抽取、标准化计算模型,也包括评价计算模型式（4））。
M = { F , S , E } （4）
式中：F表示指标数据抽取计算模型;S表示指标数据标准化计算模型;E表示评价计算模型,如层次分析模型、模糊数学模型、灰色系统模型等。
地质环境分级标准,包括指标的分级标准,以及各评价结果的分级标准。通常要确定分几级以及各个级别的最大、最小值域范围（式（5））。
C = { N ( V min , V max ) , T } （5）
式中：N表示级别总数;Vmin表示每个级别对应的最小值;Vmax表示每个级别对应的最大值;T表示该级别的描述信息。如地下水水质分为5类（地下水质量标准（GB/T 14848-93）。）：I类（适用于各种用途）、II类（适用于各种用途）、III类（集中式生活饮用水以及工、农业用水）、IV类（适用于农业和部分工业用水外,适当处理后可作生活饮用水）和V类（不宜饮用）。

2.2 地质环境评价流程

基于地质环境评价概念模型,地质环境评价主要分为6个步骤（图1）：明确评价目的与范围、确定评价指标体系、数据资料收集与预处理、地质环境计算评价、地质环境评价分级与可视化、地质环境评价结果分析。
（1）明确评价目的与范围。确定评价目的和主题,以及评价的时空范围及粒度。时空粒度是指时间评价尺度（多年平均、逐年、逐月等）和空间评价单元（具有相同特性的最小地域单元,同一评价单元在地质环境条件方面具有一致性,而不同的评价单元之间应具有可比性）。常用的评价单元包括行政区、地质环境分区、三角网格、规则网格等。对于地质环境评价通常采用环境地质分区作为评价单元,但是为了方便管理,评价结果往往需要落实到行政区中或者以行政区作为地质环境评价单元。中国的环境地质分区是在综合地质环境特征、人类工程-经济活动的强度和主要环境地质问题的基础上进行划分的[24],包括6个环境地质区和25个亚区。其中,环境地质区包括：华北、东北平原丘陵山地环境地质区;华南丘陵山地环境地质区;西北盆地、山地、高原环境地质区;黄土高原、山西山地环境地质区;秦巴、西南中山高原环境地质区;青藏高原环境地质区。
（2）确定评价指标体系。根据评价目的,筛选确定评价指标因子、权重以及分级标准。进一步确定指标数据计算及标准化方法、地质环境评价计算模型等。
（3）数据资料收集与预处理。依据评价指标,收集或集成地质环境评价所需的各类数据资料。根据指标数据要求,对数据资料进行预处理;同时,根据数据资料收集情况,调整评价指标。
（4）地质环境计算评价。基于地质环境评价指标体系和计算方法,利用地质环境数据资源,进行指标数据抽取计算、标准化处理;利用层次分析模型等,实现地质环境分类、分级评价,得到指定时空范围内各评价单元的评价结果。
（5）地质环境评价分级与可视化。依据地质环境评价分级标准,对地质环境评价指标因子及其评价结果进行分级。通过表格、统计图表和地理信息技术等,对地质环境评价指标因子及其评价结果进行多维、联动的可视化表达。
（6）地质环境评价结果分析。利用地理空间分析和回溯分析方法等,对地质环境评价结果时空分布规范及变化趋势,以及影响评价结果的主要因子进行分析。
Fig. 1 The flowchart of geological environment evaluation

图1 地质环境评价流程

Fig. 2 Data services based geological environment data integration and access

图2 基于数据服务的地质环境数据集成访问

Fig. 3 XML-based database service representation example

图3 基于XML的数据库服务表达示例

3 地质环境评价系统配置要素

3.1 指标体系配置

不同目的和主题的地质环境评价,指标体系并不一样,即使是同一套指标体系,在不同区域应用时,由于区域自然条件以及地质环境问题不同,其适用的指标略有不同,且对应的数据源可能也不相同。因此,可配置的地质环境评价系统需要实现以指标为核心的包括指标数据获取、评价计算等全过程的配置。传统地质环境评价系统,一般可以进行指标体系的维护管理,但缺乏完整支持上述地质环境评价各环节的配置。因此,本系统的配置不仅包括已有系统常见的指标因子及其权重的配置,还包括指标数据获取方法、评价计算方法和分级标准与可视化方法的配置。
指标因子及权重的配置主要解决指标体系本身扩展或变更的问题;数据获取方法配置主要解决如何利用分布式数据源或数据源变更时系统仍可以通过配置,从而正确获取各指标数据源的问题,具体通过数据服务的方式实现（详见3.2节）;评价计算方法配置主要解决基于数据源,如何计算得到指标值,以及指标值如何进行标准化处理,如何依据评价时空范围计算评价值的问题,具体通过数学置标语言保存各类计算公式的方式实现（详见3.3节）;分级标准与可视化方法配置主要解决如何基于评价值分级显示各指标的问题,具体通过配置文件来实现（详见3.4节）。
当新添加或更改一个指标因子时,必须手工添加或修改上述的各项配置,也可以通过模板的方式,实现指标因子的快速配置。模板中保存有指标因子代码、权重、数据获取方法、评价计算方法以及分级标准与可视化方法。当选择某一个模板时,系统会自动继承上述配置信息,然后根据实际情况对上述信息进行微调即可。例如,在进行“淮阳山地-东南丘陵山地环境地质亚区”地质环境评价时,可以继承“湘桂低山丘陵环境地质亚区”模板中的指标配置信息,然后根据实际情况添加“海水入侵”等地质灾害因子即可。

3.2 数据获取方法配置

地质环境数据从内容上,包括地下水、地质灾害、矿山地质环境、地质遗迹等专题数据[19];从更新周期上,既包括实时更新、周期更新的地下水、地质灾害监测数据,又包括相对稳定的基础地质、水文地质图件等;从生产方式上,既包括调查、监测、统计的数据,又包括模拟计算、遥感反演的数据等;从存储服务方式上,既包括保存在研究报告、纸质图件上的数据,又包括数字化建库的数据库、查询系统等,这些数据资源可能分散在不同的地方和部门。因此,为了能够利用这些多源、分散、异构,服务形式多样的地质环境数据,地质环境评价系统必须能够对获取这些数据资源的方法进行配置。
数据获取方法配置主要通过数据服务的方式实现。数据服务的核心是通过统一的数据服务模型和数据访问中间件的结合,实现数据资源的无缝访问。统一的数据服务模型如图2所示,通过服务标识、服务类型、服务协议、服务参数等统一描述各种数据资源,进而屏蔽异构地质环境数据资源底层差异。
根据数据类型和存储状态的不同,数据服务实例可分为文件服务、数据库服务、地理信息服务等。各种服务的协议和访问参数不尽相同,如数据库服务主要包括数据库类型、数据库IP地址、端口号、用户名、密码、数据库ID等（图3）。地理信息服务主要包括地理信息服务类型、地图服务器地址、端口号、地图服务名称等。
在实际操作时,系统根据数据服务模型自动生成数据服务参数输入界面,然后管理员需要配置可连接的数据服务（填写数据服务各个参数,并进行在线测试,以确保数据服务的可用性）。配置好数据服务后,再将数据服务与特定的指标因子绑定,并基于数据服务指定指标因子的具体数据内容。例如,对于数据库服务,有时某个指标可能是数据库中的一个表,有时可能是表中符合查询条件的部分记录,此时需要进一步配置指标因子的数据记录（可以直接指定数据服务中的表,也可以是SQL语句）。数据调用时,系统根据数据服务类型,自动解析数据服务中的参数,并调用相应的数据访问中间件,从而实现基于数据服务的异构数据源的配置 获取。

3.3 评价计算方法配置

地质环境评价计算包括指标数据计算、标准化处理和分级评价计算3个环节。地质环境评价指标可分为单一指标和复合指标：单一指标一般可以从原始数据中直接或经过简单变换后获取（如地质灾害发生数量、规模等）,复合指标则需要通过一定的计算方法由若干原始数据计算（如地下水污染程度等）。获取指标数据后,由于各个数据的物理意义不同,其量纲也不一样,数值大小会存在数量级的差距,因此必须进行数据标准化处理。数据标准化方法主要包括标准差变换、极值化变换、均值化变换等。指标数据标准化后,可根据评价的时间粒度和空间单元分级评价指定时空范围的地质环境状况。在指定的时空范围内,指标数据往往有很多记录,故评价时必须按照时间粒度和空间单元进行数据的合并计算（由多个指标数据,合并成评价时空单元中的一个评价值）。合并计算后,利用层次分析方法等进行分级、分类评价计算和综合计算。
依据上述分析,本文采用可视化配置的方式,在指定了指标数据源的基础上,首先对每个指标数据计算方法进行配置（可以实现一张表/一个图层不同字段的计算,也可以实现跨表/跨图层间字段的计算,甚至是不同数据服务字段的计算）;然后,再对指标数据的标准化方法进行配置（先选择指标数据的类型,对于定量指标需要进一步选择是正向指标还是负向指标,再选择标准化方法,而对于定性指标,需要进行定性指标赋值映射,可以直接选择对应的字典表或实时添加映射进行配置）;最后,对指标合并计算方法进行配置（由于数据源是灵活配置的,因此首先需要配置合并计算用以选择数据记录的“时间”、“地点”以及“指标值”字段,然后再配置合并计算的方法,如求和、求平均、取最大值等）。

3.4 分级标准与可视化配置

为了便于掌握和对比地质环境各级指标以及评价结果的现状和时空分布规律,需要对指标数据以及评价结果进行分级,并对分级结果进行空间可视化。为了确保能够灵活对各级指标及评价结果进行分级展示,本文实现了指标分级标准和空间可视化的配置。
指标分级的配置包括分级类型（按评价值分级、按指定数分级）以及分级参数。按评价值分级是指评价结果中有多少个评价值,就分为多少个级别,此时不需要设置分级参数;按分级数分级则需要明确分多少个级别,然后配置每个级别的值域范围（最大值、最小值）。
空间可视化配置则根据数据类型的不同而不同：（1）对于统计型数据,直接基于行政区划图层,通过行政区代码关联,将统计值赋给对应的行政区空间要素后,通过空间柱状图或分值（分类）颜色渲染即可;（2）对于离散型监测数据,需要以监测点所在区域的空间图层为底图,先生成监测点图层,再将监测值赋给各监测点空间要素后,通过空间柱状图或分值（分类）颜色渲染进行空间化表达;（3）对于空间连续分布的指标数据（如气温、降水数据）,首先需要生成监测点图层,再利用空间插值算法,生成连续分布的栅格图层。因此,空间可视化配置需要指定空间化类型（统计型、离散型、连续型）、空间底图（与需要空间化的数据对应的空间范围与粒度）、图数关联字段（如经纬度坐标、行政区代码等）、空间展示字段、空间插值算法（可选）、空间渲染方式（单一、按记录值、分类颜色/符号空间渲染,柱状图、饼状图空间渲染）等。空间可视化配置基于地理信息功能模块,通过向导式的方式实现。

4 可配置地质环境评价系统实现

4.1 系统体系结构

可配置地质环境评价系统逻辑上分为数据层、模型层、指标层、功能层和服务层5个层次,相互依赖和相互调用,构成一个完整的体系（图4）。
Fig. 4 The architecture of configurable geological environment evaluation system

图4 可配置地质环境评价系统体系结构

数据层是支撑地质环境评价的基础,主要存储和管理：地质灾害发育、发生、调查、监测、防治数据;地下水污染、超采、调查、监测、保护数据;矿山地质环境破坏、调查、监测、整治数据;地质遗迹调查、保护数据;基础地理数据、遥感影像数据;基础地质数据等业务数据。同时,还包括系统用户、权限、系统操作日志等系统数据。
指标层是指可用于地质环境不同目的和主题评价的指标体系。例如,中国地质环境监测院2011年提出的地质环境监测综合信息服务指标体系、2014年提出的包括地质环境指标在内的国土资源综合监测指标体系 [31],以及周爱国等[3]提出的城市建设用地地质环境评价指标体系、矿山地质环境评价指标体系等。
模型方法层主要存储地质环境评价过程各环节中的计算方法和模型,包括地质环境各个指标数据的计算方法（如地下水综合污染指数计算模型）、指标数据标准化计算方法、以及合并计算方法等。
功能层是系统的核心。与传统地质环境评价系统不同的是,本系统功能层包括配置层和应用层2部分。其中,配置层主要面向管理员,提供本文提出的指标体系、数据获取方法、评价计算方法、分级标准与可视化等配置功能。当评价指标体系、数据源以及计算方法变动后,只需要通过简单的配置,而不需要调整软件代码,就能够进行地质环境评价;应用层主要面向用户,提供评价指标查询浏览、数据源查询浏览、指标数据计算与分级/分类评价、评价结果分析与影响因子追溯等应用功能。
服务层是系统功能对外服务的接口。采用Web Service技术对系统对外提供的核心功能进行封装,如地质环境指标、数据、评价结果查询接口等,为其它系统调用和整合地质环境评价系统功能提供规范化接口。

4.2 系统开发实现

可配置地质环境评价系统基于B/S结构,基于WAF.NET集成框架,采用ASP.NET（C#）等编程语言开发,后台数据库采用Oracle 10g,地理信息服务功能遵循OGC的WMS、WFS规范,利用ArcGIS Server for Flex开发实现,指标因子各类计算处理方法采用数学置标语言（Mathematical Markup language,MathML）[25]来描述和保存。MathML通过XML来描述数学表达式的结构和内容,从而可以在网络上接收、处理和利用数学公式[26]。
系统包括系统管理、指标体系配置、数据源配置、计算评价和评价结果分析5大功能模块,如图5所示。系统可以支撑“一键式”（配置好指标数据、计算模型,选择评价的时空范围与粒度后,一次性完成评价）和“向导式”（以向导的形式,一步步指导用户完成地质环境评价）2种模式的地质环境评价。
指标体系配置管理界面如图6所示,可灵活设置指标的权重、指标数据计算方法、数据标准化、指标数据合并计算方法等;地质环境评价数据源配置界面如图7所示,参与评价的数据资源可以是远程的数据库表、本地数据库表/文件,也可以是地理信息服务等。根据选择的服务类型不同,需要配置的服务参数也不同;评价结果影响因子回溯分析界面如图8所示,可以回溯评价过程,并分析出影响评价结果最大的3个因子。
Fig. 5 The function modules of configurable geological environment evaluation system

图5 可配置地质环境评价系统功能模块

Fig. 6 The configuration management interface for geological environment evaluation indices

图6 地质环境评价指标体系配置管理界面

Fig. 7 The configuration management interface for geological environment evaluation data resources

图7 地质环境评价数据源配置管理界面

Fig. 8 The retrospective analyze interface for geological environment evaluation results

图8 地质环境评价结果回溯分析界面

5 可配置地质环境评价应用示范

为了验证系统的可配置性,利用中国地质环境监测院提出的国土资源综合监测指标体系[27]和地质环境数据中心中的数据资源,采用层次分析评价方法,基于本文系统进行了2010年河北省唐山市国土资源综合评价。其以实现国土资源及地质环境状况综合评价和宏观形势研判为总体目标,定期客观评价中国不同时间尺度和空间尺度的土地资源变动和地质环境变化态势,为国土综合规划与管理提供技术支撑和决策依据。
国土资源综合监测指标体系以“状态-压力-响应-行动”为主线[24],包括国土开发适宜性（如地质环境适宜性）、国土开发利用强度（如工矿开发程度）、国土资源及地质环境影响程度（如地质灾害综合灾度）、国土整治与保护水平（如：地下水环境保护程度）4个方面的三级指标。其中,一级指标4个,二级指标21个,三级指标96个。
唐山市国土资源综合评价应用示范主要的配置流程如下：
（1）将国土资源综合监测指标体系添加到系统,配置好各指标的权重。由于地质环境数据中心只有79个指标的数据,因此,基于该指标体系,生成唐山市国土资源综合评价应用模板,将未收集到数据的指标剔除,并调整相应的权重。
（2）配置指标的数据获取方法（只对末梢的三级指标进行配置）。首先,了解地质环境数据中心的数据资源,建立可服务于国土资源综合评价的数据服务,分别建立水文地质数据服务、地质灾害数据服务、地下水数据服务、矿山环境数据服务等;然后,将评价指标绑定到具体的数据服务中,通过浏览数据服务中的数据内容,进一步限定指标数据的内容。
（3）配置指标标准化（无量纲处理）方法（只对末梢的三级指标进行配置）。对于定量指标（如地质灾害死亡人数）,进一步选择是正向指标还是负向指标,再选择标准化计算方法（在应用示范中选择标准差变换法）;对于定性指标（如地质灾害规模）,直接指定到定性类别字典表中,确定每一类别的指标标准值。
（4）配置指标合并计算方法（只对末梢的三级指标进行配置）。选择每个指标用以合并计算查询数据记录的时间、空间和特征值字段。例如,地下水监测数据,指定“统一编号”作为空间区域上的合并字段。同时,指定各个指标特征值合并计算的方法,如“地质灾害死亡人数”采用“求和”的方法。
（5）配置指标分级和空间可视化方法（对一、二、三级指标都可以进行配置）。指定每次指标的分级标准,以及空间可视化的底图、关联字段、可视化字段以及空间可视化渲染方式等。例如,“地质灾害经济损失”采用分县的行政区划作为底图,通过行政区代码进行关联,将地质灾害经济损失的评价值,直接赋予各个行政区,通过柱状图的形式,表征各区域地质灾害经济损失的高低。
完成上述配置后,选择“2010年”、“年均”作为评价的时间范围和粒度,选择“唐山市”作为评价空间范围,点击“一键式”或“分步向导式”完成唐山市2010年国土资源与地质环境状况评价。评价结果显示,唐山市2010年国土资源与地质环境健康指数达标,也可以进一步查看各级（一、二、三级）各类（国土开发适宜性、国土开发利用强度、国土资源及地质环境影响程度、国土整治与保护水平）的评价结果（图9）。
Fig. 9 The geological environmental evaluation result of Tangshan city

图9 唐山市地质环境评价结果界面

6 结论

已有地质环境评价系统由于固化绑定指标数据、标准化处理方法、评价模型,而造成只能适用于特定主题的地质环境评价,难以复用和扩展。针对此问题,本文研究设计并实现了一种可配置的地质环境评价系统。该系统的优点主要体现在：
（1）通过数据服务有效集成分散在各个地质环境监测管理部门中地质环境评价所需要的各类原始监测、调查、统计等数据。
（2）为了适应数据源变更和评价指标体系的调整与扩展,通过可配置的方法,实现了评价指标数据获取、指标数据无量纲处理、指标数据合并计算以及评价模型、评价指标分级和空间化方法的灵活定制。
（3）基于可配置的地质环境评价系统,可以根据不同目的和主题,配置不同的评价指标体系,方便对不同环境地质分区进行分类、分级的评价和综合评价,评价结果可以通过表格、统计图表和地图服务等多种方式对外共享。
（4）系统可推广应用到国土资源（开发适宜性、开发利用强度、整治水平）和生态环境质量评价等其它领域。
未来需进一步优化和完善可配置方法等,特别是对数据服务安全的保护,以及对复杂评价模型的可配置支持。
致谢：本论文得到国家留学基金资助。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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刘传正,张明霞,刘艳辉.区域地质环境可持续利用评价体系初步研究[J].地学前缘,2006,13(1):242-245.地质灾害是地质环境极端恶化的 一种表象。通过简要回顾中国的环境地质工作与存在问题,初步架构了山地区域工程地质环境质量评价—功能区划—工程容量评价—地质灾害风险管理等四阶段递进 的研究框架。地质环境质量主要研究地质环境自身的工程属性。功能区划是基于地质环境质量研究提出地质环境的最佳土地开发利用方式或工程类型。针对地质环境 与工程建设的相互作用特点,容量研究具体给出某一地质环境功能区对工程规模、数量、作用强度与持续时间的响应能力或包容能力。风险评估主要研究工程建设与 运营过程中遭遇地质灾害风险的概率、可接受性和减灾对策。

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[ Liu C Z, Zhang M X, Liu Y H.A system of geo-environment evaluation based on sustainable land use[J]. Earth Science Frontiers, 2006,13(1):242-245. ]

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邢丽霞,罗跃初,李亚民,等.我国地质环境监测现状及对策研究[J].资源与产业,2011,13(3):110-115.地质环境一般是指地球表层岩石、土壤以及地下水等组成的综合地质体,它是国土资源和人类工程经济活动的承载体。当前,我国经济建设与资源开发对地质环境的扰动日益强烈,地质环境问题愈加突出。虽然地质环境监测工作在近10年取得一些成效,但仍然不能满足社会经济发展和人民安全生活的需求,特别是在地质环境监测体系建设方面存在一些亟待解决的问题。本文以科学利用和保护地质环境为目的,从科学和历史的角度,分析了推进地质环境监测工作的必要性和紧迫性,对未来的地质环境监测工作提出了一些对策和建议。

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[ Xing L X, Luo Y C, Li Y M, et al.Status and approaches to China's geological environmental monitoring[J]. Resources & Industries, 2011,13(3):110-115. ]

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周爱国,周建伟,梁合诚,等.地质环境评价[M].武汉:中国地质大学出版社,2008.

[ Zhou A G, Zhou J W, Liang H C, et al.Geological environmental evaluation[M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2008. ]

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Mejía N M, Wohl E E, Oaks S D.Geological hazards, vulnerability, and risk assessment using GIS: Model for Glenwood Springs, Colorado[J]. Geomorphology, 1994,10(1):331-354.After geological hazards were defined for the study area, we estimated the vulnerability ( V e ) of various elements for an event of intensity i . Risk is assessed as a function of hazard and vulnerability. We categorized the study area in 14 classes for planning procedures; 7 classes defined as areas suitable for human settlement, and 7 classes defined as unsuitable for building, and most effectively reserved for parks and forests.

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Uricchio V F, Giordano R, Lopez N.A fuzzy knowledge-based decision support system for groundwater pollution risk evaluation[J]. Journal of Environmental Management, 2004,73(3):189-197.<h2 class="secHeading" id="section_abstract">Abstract</h2><p id="">In this paper we propose a decision support system that can provide information on the environmental impact of anthropic activities by examining their effects on groundwater quality. We use the combined value of both intrinsic vulnerability of a specific local aquifer, obtained by implementing a parametric managerial model (SINTACS), and a degree of hazard value, which takes into account specific human activities. Incomplete information is notoriously common in environmental planning. To overcome this deficiency we apply an algorithmic and a qualitative approach, based on expert judgment incorporated into the system's knowledge base. The decision support system takes into account the uncertainty of the environmental domain by using fuzzy logic and evaluates the reliability of the results according to information availability.</p>

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Culshaw M, Nathanail C, Leeks G, et al.The role of web-based environmental information in urban planning—the environmental information system for planners[J]. Science of the Total Environment, 2006,360(1):233-245.The Environmental Information System for Planners (EISP) is a proof of concept web-based system designed to support decision making within the UK planning framework by making information on environmental issues more widely accessible. It incorporates relevant outputs from the Natural Environment Research Council (NERC) Urban Regeneration and the Environment (URGENT) research programme and from research directly commissioned by the Office of the Deputy Prime Minister (ODPM). It supports three principal planning functions carried out by local authorities: pre-planning enquiries, development control decisions and strategic planning. Eleven environmental science themes are incorporated: Air quality, Shallow undermining, Landslide susceptibility, Groundwater protection, Flood risk, Drainage, Land contamination, Proximity to landfill, Biodiversity, Natural and Man-made heritage. Decision flow diagrams represent detailed analysis of workflow in each theme, taking account of best practice, regulatory responsibilities and planning guidance. Industry-standard web technologies integrate the flows and provide access to the system via secure web pages. Underpinning the system is an environmental geographical information system (GIS) containing up-to-date data, information and models relevant to each theme. The modular system design allows new legislation and local priorities and datasets to be easily incorporated. Web technology delivers information and research data that have hitherto been difficult for the non-specialist to access and have therefore been under-exploited. The study has demonstrated a successful application of the principles of e-Governance in an area where informed decisions commonly require specialist information. The system, if rolled out nationally, offers potential economic benefits and efficiency savings for both planners and developers.

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Lee S, Choi U.Development of GIS-based geological hazard information system and its application for landslide analysis in Korea[J]. Geosciences Journal, 2003,7(3):243-252.<a name="Abs1"></a>Techniques for geological hazard management, assessment and prediction must be developed for the prevention and mitigation of geological hazards. To enable this, data sets related to geological hazard prevention related must be constructed, analyzed and distributed to customers. For this, a spatial database (SDB) including geological hazards, basic maps, damageable objects, satellite imagery, meteorological data and terrain analysis data was constructed using GIS, and to manage the SDB, a geological hazard information system (GHIS) was developed. The SDB is covering most area of South Korea and was formed at national, regional and medium scales separately in the form of index and administrative district unit. Using the GHIS, the SDB can be selected according to scale, locality and different types of data, and can be edited and manipulated. For the application of the constructed SDB, landslide hazard was analyzed for the Janghung area, Korea. Landslide susceptibility was analyzed using the landslide-occurrence factors by frequency ratio model. For the verification, the result of the analysis was applied to study areas. The verification results showed satisfactory agreement between the susceptibility map and the existing data on landslide locations.

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李思发,李亮,赵伟立,等.基于RS和GIS的贵州大湾煤矿区矿山地质环境评价[J].工程地球物理学报,2014,11(5):731-735.根据贵州大湾煤矿区矿山开发多目标遥感调查资料，利用RS与GIS技术，在综合考虑研究区自然地理、地质背景、资源损毁、地质环境等基础上，构建了4个子评价系统15个指标因子的评价指标体系；用层次分析法来确定评价因子的权重，选用加权综合评价法，对贵州大湾煤矿区矿山地质环境进行了定量评价，并绘制了研究区矿山地质环境综合评价图；通过与矿山地质环境现状对比分析，其结果相吻合，评价结果真实反应研究区矿山地质环境现状。

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[ Li S F, Li L, Zhao W L, et al.The evaluation of mine geological environment in Guizhou Dawan coal mine area based on GIS and RS[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2014,11(5):731-735. ]

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杨乐,彭海游,周莫林,等.基于层次分析法的奉节县城地质环境承载力评价[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2014,33(2):95-99.在考虑地域地质特点基础上,首先构建奉节新县城地质环境承载力评价指标体系,然后运用层次分析法确定出评价指标权重,借助GIS技术对评价指标图层提取、分析、处理,最后得到奉节县城的地质环境承载力分区图。研究成果可为奉节新城今后的建设规划提供科学依据,并可为类似库区迁建城市以及丘陵山区的城市建设和地质灾害防治等提供宝贵方法借鉴。

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[ Yang L, Peng H Y, Zhou M L, et al.Assessment of geological environment carrying capacity of Fengjie county based on AHP[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2014,33(2):95-99. ]

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杨青华,李艺,杜军.基于GIS和RS的黄石市矿山地质环境定量评价[J].长江科学院院报, 2010,27(8):70-73. 采用 GIS 和 RS 技术，以黄石市（黄石港区、西塞山区、下陆区、铁山区）为研究对象，利用 2009 年 1 月 27 日和 2008 年 12 月 16 日 SPOT5 遥感数据，结合研究区的地形图及采矿登记权等相关资料，建立矿山地质环境评价体系。针对各指标，提出与之相适应的 GIS 和 RS 提取方法，得到单因子分级图。运用层次分析法，给各指标因子赋权重。再根据评价指标分级体系和矿山地质环境综合评价模型，运用 GIS 的栅格运算功能，对各指标因子进行栅格计算、空间叠加，最终得到黄石市矿山地质环境评价分区图。该研究结果为黄石市矿山地质环境保护与恢复治理规划提供了有益的参考和借鉴，并为矿山地质环境定量评价研究奠定了一定的理论基础。

[ Yang Q H, Li Y, Du J. Quantitative assessment on mining geological environment in Huangshi city with GIS and RS[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010,27(8):70-73. ]

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刘晓龙,刘占宁.矿山地质环境综合评价方法研究[J].地质灾害与环境保护,2014,25(3):49-55.以扎赉诺尔区矿山地质环境治理为例,分析矿山地质环境现状及投入情况,构建矿山地质环境综合评价指标体系。该体系中增添了以往矿山地质环境评价中较少出现的区位置和治理可行性两个方面的指标。将层次分析方法和模糊数学方法应用于对治理区的综合评价,提出治理顺序,实现治理资金的合理利用。这种评价方法效果显著,与实际相符,为矿山地质环境治理评价提供新的思路。

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[ Liu X L, Liu Z N.Methods for comprehensive evaluation of mine geo-environment[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2014,25(3):49-55. ]

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蔡鹤生,周爱国,唐朝晖.地质环境质量评价中的专家_层次分析定权法[J].地球科学,1998,23(3):83-86.在地质环境质量评价中,往往要选择多个环境因子一起参与评价,确定它们的权值就显得十分重要.在分析权值及定权模型含义的基础上,探讨了专家-层次分析定权法的基本原理和方法,并进行了实际应用.应用结果表明,该定权法合理、可行.

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[ Cai H S, Zhou A G, Tang Z H.Expert-analytic hierarchy weighting process in geological environmental quality assessment[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 1998,23(3):83-86. ]

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汤连生,廖化荣,廖志强,等.珠江三角洲环境地质分区及其特征[J].中山大学学报(自然科学版),2004,43(S1):229-233.依据珠江三角洲的地质环境及气候条件,结合地质环境质量及已知的主要地质灾害类型的组合和灾害的发育程度,建立数学模型,综合考虑环境质量及地质灾害分布的共同影响,对珠江三角洲的地质环境进行分区评价,把珠江三角洲划分为:Ⅰ、西部山地丘陵中灾害地质环境质量良好区,Ⅱ、东北部平原丘陵中灾区地质环境质量中等区,Ⅲ、中部三角洲平原弱灾害地质环境质量差区和Ⅳ、南部丘陵重灾害地质环境质量中等区四个区,并对每个分区的环境地质特征进行了阐述,为珠江三角洲的环境地质问题的预测和治理、合理开发和利用资源,对地质灾害的预报和预防以及社会经济发展提供服务。

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[ Tang L S, Liao H R, Liao Z Q, et al.The geological environment zoning and character in the Pearl River Delta[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitaties Sunyatseni, 2004,43(S1):229-233. ]

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张进德. 基于WebGIS的地下水环境监测信息发布系统研究[J].水文地质工程地质,2004(6):82-85.基于WebGIS 的地下水环境监测信息发布系统涉及了网络技术、地理信息系统技术、数据库技术、软件工程等.本文简要介绍了WebGIS的关键技术,并从数据库、 WebGIS综合管理服务、Web服务器和Web浏览器4个方面阐述了构成地下水环境监测信息发布系统的技术框架.根据系统的设计方案进行了相应的开发和 配置,并以山东省地下水环境监测数据为例,实现了基于WebGIS 的地下水环境监测信息发布.

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[ Zhang J D.Studies of a WebGIS-based system for information release of groundwater monitoring[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2004,6:82-85. ]

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张鸣之,喻孟良,王勇,等.国家级地质环境数据仓库的设计与实现[J].地球科学(中国地质大学学报),2013,38(6):1347-1355.

[ Zhang M Z, Yu M L, Wang Y, et al.Designing and building the national geo-environment monitoring data warehouse[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2013,38(6):1347-1355. ]

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诸云强,周天墨,喻孟良,等.中国地质环境信息服务平台研究[J].地球科学与环境学报, 2013,35(2):120-126.

[ Zhu Y Q, Zhou T M, Yu M L, et al. Study on China geo-environmental information service platform[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2013,35(2):120-126. ]

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张进德,袁西龙.全国矿山地质环境调查信息系统及应用[J].中国地质灾害与防治学报, 2006,17(4):134-137.

[ Zhang J D, Yuan X L. Information system of geo-environmental investigation and its application in mining areas in China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2006,17(4):134-137. ]

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侯春堂,冯翠娥,王轶,等.全国1∶50万环境地质调查信息系统开发初探[J].地质通报,2003,22(7):540-544.即将完成的全国分省(区、市)1:50万环境地质调查取得了丰富 的、系统的、海量的、最新的调查信息.为全面提升国土环境地质调查研究程度和水平,根据多用户的需求,从信息集成模块和综合研究模块入手,构建了包括文字 资料查询、图形及空间数据库查询和综合研究成果查询3个子系统在内的全国1:50万环境地质调查信息系统,可建设成为国土资源地质环境主管部门的宏观决策 信息支持系统.

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[ Hou C T, Feng C E, Wang Y, et al.Development of the national 1:500000 environmental geological survey information system[J]. Geological Bulletin of China, 2003,22(7): 540-544. ]

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张鸣之,诸云强,罗德利,等.地质环境数据集成服务及其系统实现[J].中国地质灾害与防治学报,2013,24(3):84-89.地质环境数据集成与共享服务是充分发挥分散、多源、异构地质环境数据价值,支撑地质环境防治保护、预测预警与应急决策的重要保障。在分析地质环境数据现状的基础上,提出了数据目录为核心,静态集成、动态创建和远程链接三种模式相结合的数据集成方法,以及元数据服务、直接浏览服务、数据查询服务和数据空间化服务为一体的数据服务模式。利用ASP.NET、Flex、WebGIS等技术,设计实现了地质环境数据集成服务系统。实践表明,该系统能够有效集成分散、多源、异构的地质环境数据,面向不同层次的用户提供安全、便捷的数据共享服务。

[ Zhang M Z, Zhu Y Q, Luo D L, et al.Geo-environmental data integration and service research and software system implement[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2013,24(3):84-89. ]

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沈芳,黄润秋,苗放,等.地理信息系统与地质环境评价[J].地质灾害与环境保护,2000,11(1):6-10.地质灾害的频繁发生，给人类生命财产带来严重损失。因此，地质环境评价与地质灾害预测尤为重要。回顾国内外地理信息系统（ＧＩＳ）技术在地质环境评价与地质灾害预测中的研究现状，讨论ＧＩＳ在地质环境领域应用中的可行性及技术路线。试图基于ＧＩＳ空间分析法，结合地质环境评价模型，探索出一条地质环境评价ＧＩＳ系统的新途径。

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[ Shen F, Huang R Q, Miao F, et al.Geographic information system and geoenvironmental evaluation[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2000,11(1):6-10. ]

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武健强,余勤,陈福春,等.基于GIS的苏锡常地区地质环境现状评价[J].水文地质工程地质,2002,(3):63-65.苏锡常地区位于长江三角洲南部,随着经济发展,以地面沉降,地下水污染为主要特征的地质环境问题日趋严重.在GIS(地理信息系统)技术的支持下,结合多种地质环境因素对该地区进行了地质环境质量现状分析评价,结果表明区内大部分地区环境质量呈恶化趋势,地质环境严重地带沿运河方向展布,以三市为中心,具有明显的空间特征.文中除了论述评价因子的识别,重点讨论了评价模型的确立和基于GIS的分析方法,最后对评价结果作了分析.

[ Wu J Q, Yu Q, Cheng F C, et al.GIS-aided geo-environment assessment of Suzhou -Wuxi-Changzhou area[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2002,3:63-65. ]

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张江华,徐友宁.区域矿山地质环境信息系统建设[J].国土资源信息化. 2008(4):20-22.矿山地质环境调查研究工作刚刚起步,本文以西北地区矿山地质环境数据库及其管理系统为例,介绍了今后区域矿山地质环境数据信息化的可行途径,提出了今后开展此类工作的建议。

[ Zhang J H, Xu Y N.Construction of geo-environment information system of mining areas[J]. Land and Resources Informatization, 2008,4:20-22. ]

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戴福初,张晓晖,李军,等.地理信息系统GIS支持下的城市地质环境评价[J].工程地质学报, 2000,8(4):427-431. 以 GIS为支撑工具 ,对城市地质环境空间数据库的建立方法、城市建设用地类型的初步划分及城市建设用地与地质环境的协调性评价模型作了分析 ,并选取典型实例进行剖析 ,结果表明 GIS是城市地质环境研究的有效工具。

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[ Dai F C, Zhang X H, Li J, et al. A GIS-aided geo-environmental assessment in urban planning[J]. Journal of Engineering Geology, 2000,8(4):427-431. ]

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张倬元,刘汉超,黄润秋.中国地质环境的基本特征及其对人类工程活动的制约[J].地质灾害与环境保护,1997(1):1-18.为了协调人一地关系，首先需要认识地质环境本身的基本特征，从大地构造环境，自然地理环境，水文地质条件及自然地质作用的区域性特征四个方面论述了中国地质环境的基本特征，并讨论了这些基本特征对人类工程活动的制约。

[ Zhang Z Y, Liu H C, Huang R Q.Basic characteristics of Chinese geo-environment and constraints of human engineering activities[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation. 1997,1:1-18. ]

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邢丽霞,李采,郑跃军,等.国土资源综合监测指标体系研究[M].北京:地质出版社,2013.

[ Xing L X, Li C, Zheng Y J, et al.Land resources comprehensive monitoring indexes research[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2013. ]

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