摘  要： 介紹了基于數據可視化環境質量評估系統的設計與實現，具體包括系統體系結構、數據庫以及基于EIS的數據可視化等。
關鍵詞： 環境信息；可視化；ArcIMS

　環境信息系統EIS（Environmental Information System）是基于現代計算機技術和通信技術，實現環境信息的收集、傳遞、存儲、加工、維護和利用，為環境管理服務的系統[1]。城市生態環境質量評估系統是以城市系統中城市建設區以及周邊影響區為研究對象，從城市系統的結構、輸入與輸出、過程與效能等方面，以城市系統可持續性與和諧發展為目標，通過構建城市系統構成與格局、功能與活力、抗性與協調性等方面的指標來綜合評估城市生態環境狀況的過程[2]。數據可視化就是關于數據的視覺表現形式的研究。這種數據的視覺表現形式被定義為一種以某種概要形式抽提出來的信息，包括相應信息單位的各種屬性和變量。數據可視化主要是借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。當前，隨著經濟的飛速發展，對環境信息的管理提出了更高的要求[3]。“數據可視化”實現了成熟的科學可視化領域與較年輕的信息可視化領域的統一。將數據可視化應用到環境質量評估系統中去，可以更加形象直觀地表達出環境信息，從而提高環境決策部門的工作效率。
1 系統的主要功能
　近年來，基于網絡、面向Web 的環境信息系統，為解決EIS的發展而面臨的降低環境空間數據采集成本、提高環境信息的共享程度和范圍等問題提供了良好的基礎條件，適應了EIS 的社會化、大眾化和網絡化的要求，因而得到快速發展[4]。本系統正是基于以上背景針對全國主要城市進行構建的。系統主要從目標層、準則層、方案層三個層次，對環境信息進行準確地評估。特別是方案層的評估，實現了對環境信息的60個指標的不同組合來評估城市的環境質量。整個系統中，對環境質量的評估結果都是以可視化的形式展現出來。這些可視化形式包括電子地圖、視頻、星形圖、雷達圖、柱狀圖等。系統的研發目的在于讓相關部門方便地獲取、存儲、管理和表達各種環境信息，從而為環境工作提供全面、及時、準確、客觀的信息服務和支持。系統的邏輯結構圖如圖1所示。

2 系統的設計與實現
　本系統主要特點是根據權重分析（層次分析法）進行城市生態環境質量評估，具體提供了60個指標評估城市各類生態系統的狀況和主要特點。指標體系除了能反映城市生態環境質量現狀外，還綜合考慮了引起城市生態環境變化的影響因素，以及由于城市生態環境變化給人類自身及整個城市生態系統造成的影響、社會對此采取的措施等因素，因此，該體系還能在一定程度上反映城市生態環境變化的趨勢，方便進行回顧性評估以及變化趨勢預測。
　系統設計達到了直觀、交互的數據可視化效果，具有以下主要特點：
　（1）交互性：地理圖層、平行坐標表達以及常用可視化工具之間實現互動、互相聯系、優勢互補，在需要時可隨時調用。
　（2）地圖表達：地理對象的空間位置用圖層的形式表現，直觀且易操作。
　（3）個性化設置：系統中實現了用戶數據與環境數據的獨立管理，可以很方便地更新用戶信息以及環境信息，便于系統的維護和管理。
　（4）多種可視化表達方式相結合：數據通過地圖、視頻、圖形符號、圖像、圖表等組合來展示可視化效果。
2.1 體系結構
　本系統采用Browse/Server體系結構，在邏輯上分為客戶端、應用服務器與Web服務器、數據庫服務器三個層次，如圖2所示。客戶端（即瀏覽器）負責提交用戶的請求以及數據結果的顯示；地圖服務器以及Web服務器負責響應用戶的請求；而數據庫服務器則負責各類環境數據的存儲與管理工作。所有的地圖數據和應用程序都放在服務器端，客戶端只需要發送請求。而且所有的響應都在服務器端完成，只需在服務器端進行系統的維護，大大降低了系統的工作量[5]。

　本系統基于Web的應用開發，主要是對服務器端進行開發，瀏覽器端只負責提交請求與顯示數據。下面簡單介紹服務器端：
　（1）地圖應用服務器。使用ArcIMS 9.3作為地圖發布服務器，它是基于WebGIS構建的，與javascript、htnl等技術結合，從顯示出地圖數據到Web頁面上。
　（2）Web服務器。以網頁的形式向用戶提供信息。采用了JSP、HTML、CSS等相關技術，用戶可以通過瀏覽器實現與服務器的交互，并以圖形的形式顯示出相關結果。
　（3）數據庫服務器。主要用來管理所有的環境數據，并提供用戶查詢，供管理員查詢、新增、刪除、修改等操作。
2.2 數據可視化
　該系統可以將數據庫中的信息以文字、地圖、圖片（像）等形式進行顯示，并為用戶提供開窗、放大、縮小、地物的分層顯示等功能；系統改變了為用戶管理提供單一的圖表與數據信息形式，在管理空間信息的同時，對圖形、圖像等形式的信息進行管理，大大增強了信息的表現能力，通過對生態環境的實物圖片、文獻資料等的綜合演示，直觀、生動、全面地反映了城市生態環境的概況。系統主要使用JSP語言來進行前臺頁面的開發。JSP頁面由HTML代碼和嵌入其中的Java代碼所組成。服務器在頁面被客戶端請求以后對這些Java代碼進行處理，然后將生成的HTML頁面返回給客戶端的瀏覽器。JSP具備了Java技術的簡單易用、完全地面向對象、具有平臺無關性且安全可靠、主要面向因特網的所有特點。
2.2.1 ArcIMS Server 9.3發布地圖
　ArcIMS的運行機理是由客戶端根據用戶的某一操作，轉換為一個具體指令發送給Web服務器，再通過某個連接器提交給應用服務器（ArcIMS Application Server）處理，應用服務器根據客戶端的具體請求和客戶端的類型、配置，提交給空間數據服務器（Spatial Server）去讀取數據集，進行具體的處理。
　本系統使用ArcIMS的Author、Administrator、Designer 3個組件來定制地圖。每個組件分別對應一種地理信息資源：Author用來制作地圖，對應地圖配置文件；Administrator用來管理地圖的發布，對應地圖服務；Designer用來配置地圖頁面，對應著Viewer。系統中的地圖都是使用HTML Viewer 的方式定制，這樣用戶就不需要自己給地圖添加數據，而且只需要使用一個地圖服務。
2.2.2 評估結果的可視化
　本系統的最大特點在于通過將60個相關的環境指標以不同的可視化表示方法顯示環境信息，供用戶查詢，直觀而且方便，并且實現了基本的圖形操作以及系統數據維護與管理等功能。系統中提供了城市選擇，從而可查看相應城市的地圖。并且每個城市都有對應指標層次的12張電子地圖調用。每張地圖上，用戶可以對單獨的圖層進行操作。
　常用的地圖工具如圖3所示。

　另外，本系統通過折線圖來描述不同城市中各個環境指標歷年的變化趨勢。用戶可以選擇相應的城市和年份以及對應的指標層次，然后查詢出對應的環境信息。這些數據信息都是保存在數據庫中，管理員可以很方便和及時地更新數據信息，從而向用戶直觀地展示出最準確的環境信息。這對于環保部門預測環境變化趨勢從而及時地制定有效的環保措施有很大的幫助。指標變化趨勢圖如圖6所示。

2.3 數據庫設計
　數據庫設計是信息系統建設的關鍵，良好的數據庫設計對于系統的管理、維護、擴展尤為重要。本系統中數據信息主要分為用戶數據庫和環境信息數據庫。系統使用SQL Server 2000作為數據庫服務器來存儲數據。
　用戶數據庫用來保存本系統的登錄用戶的相關信息，主要包括：用戶名、用戶密碼、用戶年齡、用戶郵箱等信息。系統中實現了對用戶數據信息的增加、刪除、修改以及查詢等功能。這些功能只有管理員賬戶才能使用，而一般用戶是沒有這個權限的，保證了系統的安全。
環境信息數據庫存放的數據量比較大，并且更新的可能性也比較大。主要包括各個城市在不同年份的60個指標信息的環境數據。同時系統中也實現了對這些環境數據的增加、刪除、查詢、修改等功能，為及時地更新城市的環境信息數據提供方便。
　環境信息數據雖然很多，但是利用這些數據從多層次、多角度地對環境信息進行正確地評估并以可視化的形式直觀地表示出來顯得越來越重要。這樣可以讓環保及科研部門清晰、直觀地看到環境現狀及影響，從而有助于及時、準確地決策與管理。環境質量評估系統的建設是一個探索和完善的過程，需要各個方面的支持，使其能更好地發揮應有的作用，實現環境的可持續發展。
參考文獻
[1] 孫水裕，王孝武.環境信息系統[M].北京：化學工業出版社，2004.
[2] 袁清珂，王海燕，趙汝嘉，等.數據可視化的研究與發展[J].計算機工程，2002，28（8）.
[3] 陳述彭，周學軍.地理信息系統導論[M].北京：科學出版社，2000.
[4] 張橋，陳學民，伏小勇，等.環境信息系統的設計與實現[J].計算機工程，2007，33（7）.
[5] 黃詩峰，李紀人，徐美，等.基于WebGIS的全國水環境信息系統的設計與初步實現[J].水文，2003，23（4）.