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基于GIS放射性数据管理系统设计与开发建设研究

2023-08-30 69 上传者：管理员

摘要：为有效解决宁夏地区放射性环境调查、铀矿地质找矿等数据分散、标准不统一、数字化滞后、管理覆盖不足、使用率低、成果转化难、综合应用服务能力低等问题，文中基于国产化新一代全空间智能GIS平台MapGIS 10.6提供的组件式开发技术，采用B/S和C/S混合架构设计方式，结合数据库、三维建模和二三维可视化等技术，采用C#作为开发语言，设计开发了放射性数据管理系统，实现了多源异构放射性数据和资料的统一管理、无缝融合、三维建模分析、快速成图、二三维可视化、综合评价分析和共享服务等功能，并对外提供放射性数据一张图和地质信息的发布服务，进一步促进放射性数据管理体系智能化、标准化建设，从而为政府制定资源战略规划和放射性生态环境评价等提供科学技术手段、放射性信息化数据支撑和辅助决策依据。

关键词：
C/S架构
MapGIS 10.6
地理信息系统
放射性数据
数据库
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引言

地理信息系统（Geographic Information System,GIS）因具备地理信息可视化、空间统计分析、数据共享利用及海量空间数据组织与管理等功能[1]，可为管理者提供科学辅助决策依据，已在自然资源管理[2]、景观保护规划与开发[3]、生态环境保护[4]、农作物病虫害评估[5]、地质灾害风险预测评价[6]、城市空间规划[7]、食品质量安全[8]以及政府管理部门等诸多领域得到广泛应用。当前，大数据、云计算、物联网、AI等新一代信息技术又深刻引发了GIS领域的技术变革，使GIS成为重塑中国社会经济和重组各类资源要素的重要技术力量[9]。

经过多年的放射性调查工作，宁夏地区积累了大量的放射性地质及环境等数据和资料，其中大部分数据和资料以纸质形式保存，数据分散、标准不统一、数字化滞后、管理覆盖不足、使用率低、成果转化难、综合应用服务能力低是目前存在的主要问题。因此，有必要通过GIS技术建设宁夏放射性数据库及管理系统，深入挖掘放射性资料的潜在利用价值，以适应新时期放射性调查工作转型发展需要，研究和设计开发基于GIS的放射性数据管理系统，具有重要的现实意义和应用服务价值。

1、系统总体设计

1.1建设目标

通过开发建设放射性数据管理系统，统一集成管理放射性环境地质调查、铀矿地质找矿、放射性地质钻孔、DOM遥感影像、无人机倾斜摄影三维模型及旅游地质调查等多源、异构数据和资料。系统开发建设完成后可提供数据和资料入库、标准化处理、查询、展示、快速成图及综合统计分析等功能，同时能够对各类调查数据、图件、文字报告等进行集中和直观展示。

1.2设计思路

1）放射性数据管理系统建设涉及纵向、横向上的互联互通与对接，需坚持以下三个原则：一是立足基础、统筹建设；二是开放共享、确保安全；三是边建边用，以用促建[10]。

2）本系统可基于B/S和C/S混合架构模式，采用新一代面向服务的GIS地理信息系统MapGIS 10.6作为基础支撑平台，结合数据库、三维地质建模和二三维可视化等技术，开发放射性数据管理系统。

3）数据库建设分为属性数据库、空间数据库和文档资料数据库，分别存储属性数据、空间图件及文档资料三大类数据[11]。属性数据库和空间数据库采用开源数据库PostgreSQL，文档资料数据库采用MongoDB,MongoDB是一个基于分布式文件存储的数据库。

4）放射性数据管理系统主要功能包含：数据管理与维护子系统和二三维分析评价子系统。

5）加强数据与系统安全设计，重点对主机安全、应用安全、数据安全与备份恢复以及用户名、口令等关键信息加强安全保护，根据数据敏感程度进行分级管理。

2、系统研究与开发建设

2.1技术路线

技术路线主要包括：数据建库标准规范制定，主要技术方法应用，放射性数据分析与规范化处理，系统功能研发，地质信息服务，具体路线图如图1所示。

图1技术路线图

2.2数据库建设

数据库是系统建设的核心内容，应具备合理性、先进性和扩展性等特点[12]。数据库建设流程主要包括建库前数据准备，空间矢量及文本、表格、元数据建库以及最后的质量检查[13]。本系统数据库建设成果分为属性数据库、空间数据库和文档资料数据库。

1）空间坐标系统

平面坐标系统采用国家2000大地坐标系，6°带高斯投影，中央子午线为东经105°00'00″；高程系统采用1985国家高程基准。

2）属性数据库

属性数据库包含放射性环境调查、旅游地质调查、放射性地质钻孔3个专题的属性数据，以及由用户信息、角色信息、权限信息和目录资源组成的系统运维属性数据。

3）专题业务属性数据

汇总现有属性表格成果数据，最终存入PostgreSQL数据库中。目前基于3个业务专题的属性数据共建表11张，其中放射性环境调查专题有6张表，旅游地质调查专题有2张表，地质钻孔专题有3张表，建库建表情况见表1，示例属性结构见图2。

表1专题业务属性数据情况

图2γ辐射剂量率及核素浓度记录表结构

4）空间数据库

空间数据库主要包括基础地理、放射性环境调查、放射性矿产、旅游地质调查、放射性地质钻孔等资料空间矢量数据和栅格数据，空间数据库以项目为概念进行设计，可按照不同项目导入GIS数据库进行管理和调用。系统提供了符号库、图件实体和元数据三位一体的管理模式，有效解决空间数据因不同生产单位、不同项目来源而引起的多符号库问题。

5）文档资料数据库

文档资料数据库主要包括成果目录、成果报告、专题图件三大类，数据格式包括文档报告、图件扫描件、野外照片、视频及项目元数据等。

2.3系统整体架构

放射性数据管理系统总体架构见图3，具体包括：

1）基础设施层：基于服务器资源，包括存储资源、计算资源、网络资源等基础硬件支撑能力以及操作系统基础软件，满足目前系统建设以及数据体量的要求。

2）数据资源层：由系统运行所需的各类数据和信息资源库组成，逻辑上分为基础数据、专业数据、管理数据等，物理上包括元数据、空间数据、属性数据以及地质文档资料等综合数据。

3）平台支撑层：将GIS技术与云技术模式融合，构建数据服务和资源管理体系框架，实现对目录服务、要素服务、地图服务和处理服务资源的发布，通过统一的接口标准为上层应用提供全面的服务资源支持。

4）业务应用层：面向各级管理部门、相关政府机构提供符合其权限的应用与服务，实现数据资料的统一管理与应用。

图3系统总体框架

2.4系统功能模块设计

在设计本系统功能时，充分考虑了系统须具备操作性、扩展性和共享性[14]，系统总体功能框架见图4。

2.4.1数据管理与维护子系统

数据管理与维护子系统主要完成数据库创建和管理，将复杂不规范的数据数字化、标准化后，分类导入数据库，从而实现统一存储和数据综合集成管理[15]。系统各界面如图5～图7所示。

图4系统总体功能框架

图5服务器连接

图6放射性数据入库管理（放射性数据管理与维护子系统主界面图）

数据管理与维护子系统主要功能模块如下：

1）数据管理模块

(1)数据提交入库：属性数据库实现包括空气中氡浓度、水中氡浓度等专业放射性调查成果数据的统一建库、存储、管理；空间数据库支持将MapGIS 6.7和MapGIS 10格式的空间数据统一上载到GIS管理器中进行管理，GIS空间数据库用HDF文件格式进行存储，可将各专题不同比例尺的地质图件数据按照树目录层次进行有序上载和管理，图件数据可建立树节点，并根据用户浏览需要进行切换。

图7系统运行状态监控

(2)数据编辑与处理：系统针对导入数据和图层属性数据提供编辑功能。

(3)数据质检：系统可对数据库中各类数据进行逻辑检查，将错误信息写入日志，方便数据修改。

(4)数据转换：系统可提供多种空间数据格式的兼容和转换功能，包括ArcGIS、AutoCAD、3DMax、3DMine和tiff等影像数据，同时支持Excel、Access或MySQL数据库与数据管理与维护子系统的互导。

(5)元数据管理：实现对空间图件和文档资料的元数据字段进行管理，可新增、删除、修改元数据的字段。

2）数据更新维护模块

(1)数据更新：保证所有入库数据具备现势性。

(2)数据备份：支持从数据库备份数据内容，以数据库形式导出到本地，作为数据库备份文件。

(3)数据迁移：提供数据恢复功能。

3）数据监控模块

(1)运行状态监控与数据统计。

(2)日志管理。

(3)用户权限管理：数据权限的粒度可以细化到系统数据树目录和节点。

2.4.2二三维分析评价子系统

二三维分析评价子系统基于C/S模式进行开发，该子系统主要功能模块如下：

1）数据快速成图模块主要通过预制模板和读取数据库中存储的数据，自动实现所需图件的快速制作，可实现属性数据、空间数据和资料数据的二维可视化表达，以及钻孔柱状图、平剖面图、点位图、等值图、多要素综合图等图件的生成与编辑[15]。钻孔柱状图预制模板示例如图8所示。

图8钻孔柱状图预制模板示例

2）三维地质建模模块可将分散的、不同类型、不同层位的地质数据在三维空间进行有效组合，从而实现三维表面模型、三维块体模型的建立，对地质界面和地质体空间特征及组合关系进行三维可视化展示，并基于构建模型进行地下空间分析。用户通过获取建模区钻孔的基本信息和分层信息，设置建模的相关参数，即可快速地根据钻孔信息构建区域钻孔实体模型以及地质体模型。三维钻孔及地质体模型如图9所示。

图9三维钻孔及地质体模型

3）综合评价分析模块包括基础分析模块和专业应用评价分析模块。其中：基础分析模块主要实现不同类型格式数据的联动展示、查询统计、快速成图、报表分析等功能；专业评价功能模块主要利用计算机编程语言和系统提供的操作对象和常用模型列表开发建立不同专业的评价模型。将综合评价法、层次分析法与GIS强大的空间分析功能相结合，采用合适的分析因子和评价模型建立各专业应用服务功能，进行各专业数据的综合评价分析，如核素模拟扩散分析、放射性土壤污染评价、放射性水环境污染评价、核辐射环境质量评价、放射性污染危害等级评价等。核素模拟扩散分析如图10所示，放射性数据二三维分析评价子系统主界面如图11所示。

图1 0核素模拟扩散分析演示图

图1 1放射性数据二三维分析评价子系统主界面图

3、结论

将GIS技术应用于铀矿地质找矿预测分析和放射性环境调查评价中，可大幅提高工作效率，提升各类放射性数据资源的综合评价分析能力和空间展示纬度，促进放射性数据管理体系智能化、标准化建设。本文基于MapGIS 10.6基础平台提供的Objects组件式开发技术，采用B/S和C/S混合架构设计方式，综合利用现代数据库、GIS及二三维一体化等技术，采用C#作为开发语言，设计并实现了放射性数据管理系统，完成了数据综合集成管理、数据二三维可视化展示、数据快速成图、三维地质建模及专业数据统计分析等模块的构建，实现了铀矿地质找矿、放射性环境调查及旅游地质调查等多源、异构数据建库、管理、查询、成图及分析的全流程信息化，从而为政府制定资源战略规划和放射性生态环境评价等提供科学技术手段和辅助决策依据，同时系统具备数据与功能的开放性、服务资源的开放性、二次开发的开放性三个显著特点。后续将根据实际应用需求，继续开展该系统的二期规划开发建设，建立更加精准的综合分析评价模型，例如可基于本系统进行放射性氡气在地热资源中的寻找分析研究，通过圈定放射性异常范围，可进行放射性矿产的成矿预测以及开发核辐射应急管理应用系统等[16]，进一步促进放射性数据与GIS等信息化技术深度融合发展和应用研究。

参考文献:

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[2]马锦,邱月.基于GIS山地城市土地开发适宜性评价研究[J].城市勘测,2022(5):19-25.

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[4]王潇凯,马昕立,武田诚,等.基于GIlS的平面二维水质模型构建及其对广域平原河网水系数值模拟的适用性分析[J].环境科学学报,2023,43(4)377-390.

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[8]宗良,刘晨,刘官菁.全球数字经济格局变革前景与策略思考[J].中国经济评论,2022(3);85-88.

基金资助:宁夏回族自治区自然科学基金资助项目(2021AAC03472);宁夏回族自治区财政厅财政资助项目(NXCZ20220207);

文章来源:马海涛,潘进礼,李建华等.基于GIS的放射性数据管理系统设计与开发建设研究[J].现代电子技术,2023,46(17):133-138.