数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统集成

２０　文章编号：１００７—２２８４（２００５）１２—００２０　０３　中国农村水利水电・２００５年第１２期　数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统集成　钟名军　，李　兰　，张　俐　，钟秀英。，史栾生。　（１．水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉大学，武汉４３００７２；２．广东省水文局，广东广州５１０１５０）　摘要：将先进的地理信息系统技术、计算机技术、遥感技术和河流大比例尺数字化地图与水环境管理问题相结合，　阐明了数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统的ＧＩＳ模块、专业模块、中间件技术及其他模块的组建技术。论述　了基于ＧＩＳ的“用户交互界面一业务逻辑一数据服务”三层结构体系，并结合西江广东段设计、建模、开发出数字水环境　管理系统和数字水质预警预报系统。将基于ＧＩＳ的信息管理系统应用于水环境部门管理工作，对提高我国水环境管理　工作的现代化具有重要意义。　关键词：地理信息系统；模型；水质；数据库；系统集成　中图分类号：ＴＶ２１３．４　文献标识码：Ａ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｗａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｆｏｒｅｃａｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＺＨＯＮＧ　Ｍｉｎｇ－ｊｕｎ　，Ｌｌ　Ｌａｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ　，ＺＨＯＮＧ　Ｘｉｕ—ｙｉｎｇ￣，ＳＨＩ　ｌｕａｎ—ｓｈｅｎｇ２　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７２；　２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｃｉｔｙ　５１０１５０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ＧＩＳ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＲＳ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍａｐ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ＧＩＳ，ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｓｐｅｃｉａｌｔｙ，ｌｉｎｋｉｎｇ，ａｎｄ　ｏｔｈｅｒｓ，ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｍｎｅｎｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ－ｑｕａｌｉｔｙ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ａｎｄ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｌａｙｅｒ　ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＩＳ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｕｓｅｒｓ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｌｏｇｉｃ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｓｅｒｖｉｃｅ，ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｃｏｍ—　ｂｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｅｓｔ　Ｒｉｖｅｒ，ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍａｎ—　ａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ—ｑｕａｌｉｔｙ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ａｎｄ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＩＳ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＩＳ；ｍｏｄｅｌ；ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ；ｄａｔａｂａｓｅ；ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　０引　言　地理信息系统（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ）是整个地　球或部分区域的资源、环境在计算机中的信息化，是反映人们　赖以生存的现实世界（资源或环境）的现状与变迁的各类空间　数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件的　支持下，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用　的技术系统。地理信息系统ＧＩＳ随着计算机技术、空间技术和　现代信息基础设施的飞速发展，在全国信息化进程中的重要性　与日俱增。特别是当今“数字地球”概念的提出，进入２０世纪　信息系统ＧＩＳ和数据库管理系统ＤＢＭＳ为开发平台，面向管理　和决策层的可视化动态信息系统。本系统的目标是利用先进　的地理信息系统技术、计算机技术、遥感技术和河流大比例尺　数字化地图相结合，通过ＧＩＳ的强大的空间分析能力，直观分　析和显示河流水环境现状、水环境质量评价、水环境预警预报、　水功能区划、水环境容量与纳污总量的时空分布情况。本文重　点介绍以西江干流广东省境内封开至马口段为实例开发出数　字水环境管理系统和数字水质预警预报系统。　１　系统模块的组建技术　１．１　系统的“用户交互界面一业务逻辑一数据服务”　三层结构　系统通过“用户交互界面～业务逻辑～数据服务”三层结　９０年代以来，地理信息系统在全球得到了空前迅速的发展，广　泛应用于各个领域，产生了巨大的经济和社会效益。　数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统是以地理　构来实现系统数据的存放、执行和表现。数据层使用关系型数　收稿日期：２００５—０１～１４　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５４９０１７）。　作者简介：钟名军（１９８１一），男，硕士研究生。　据库来实现属性数据和空间数据的一体化管理，向业务层和表　现层提供数据；业务层通过ＣＯＭ　技术将各种ＧＩＳ应用操作及　分析封装在一个或几个ＣＯＭ组件中，并通过表现层向外提供　维普资讯 http://www.cqvip.com

数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统集成　钟名军　李　兰　张俐等　２ｌ　信息服务；计算模块通过调用制定的动态库来实现计算功能，　并结合ＧＩＳ显示功能通过表现层向外提供信息服务；表示层使　用ＭａｐＯｂｊｅｅｔｓ组件对象作为用户的地图表现界面，文本、报表　等业务信息通过浏览器组件提供，系统的服务器端负责处理客　户通过客户端发出的各种数据请求，专项数据分析处理实现分　布式处理。　１．２系统的主要功能　系统的主要功能如下。　（１）建立流域１：２５万、１：０．５万等多比例尺基础地理信　息数据库，实现对流域基础多要素地理信息的查询检索。　（２）实现流域相关环境信息如监测点位、排污口、取水口、　污染源等要素的标注，实现主要相关环境要素的准确定位。　（３）建立流域历年水质监测数据库，实现流域原始数据和　评价结果的查询检索，并实现结果的综合分析和空间分析呈　现，建立流域相关污染源数据库，实现污染源数据的空间检索　和空间分析等。　（４）建立流域排污Ｖ１、取水Ｖ１、监测站数据库，实现排污Ｖ１、　取水口、监测断面监测数据的查询检索和空间分析。　（５）实现污染源、排污口、取水口、监测断面及相关地理信　息的综合空间分析。　（６）流域主要污染物的水环境容量和纳污能力计算。　（７）流域的主要部分实现三维模拟飞行，纵览主要环境　要素。　（８）实现相关法律法规和标准的建库和全文检索。　（９）实现流域有关社会经济、自然环境信息、污染源、河流　水文水质监测数据、排污口数据的更新维护。　１．３系统的数据组成　本系统涉及到的数据如下。　（１）基础地理（地形）数据：包括１：２５万、１：０．５万基础地　形矢量数据、ＤＥＭ数据、１：０．５万航道数据。　（２）媒体数据：包括图片、视频、音频和文本数据等。　（３）法规：国家、行业以及地方有关的法律法规文件等。　（４）模型和方法库：水质评价、水质预报、突发事故预警和　损失评估、水环境容量、纳污总量等模型库和决策库。　（５）水质专题数据：水文、水质监测站点、取水口、排污口、　污染源以及监测数据。　（６）社会人文经济数据：人口、工业产值、用水量、生活污水　量、工业废水量。　１．４系统的组成结构及集成　数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统是集数据　库技术、ＧＩＳ技术、计算机技术等多种现代信息技术于一体的　综合性信息管理平台。为此，系统总体结构分为３个子系统：　统管理子系统；环境信息管理子系统；水质预警预报子系统。　１．４．１系统管理子系统　系统管理子系统是一个以地理信息系统和数据库为开发　平台，面向管理和决策层的可视化动态信息子系统。本子系统　的基础就是数据库。数据层使用空间数据引擎（ＡｒｃｓＤＥ）来实　现空间数据的集中管理，同时使用关系型数据库来实现属性数　据的管理，该关系型数据库同时可作为空间数据引擎的宿主数　据库，保障公共基础空间数据库业务数据的完整性、安全性和　灾难防护，实现数据的一体化管理。其工作机理是运用ＳＱＬ　语言向后台数据服务器获得数据，通过编写基于ＶＢＡ的ＧＩＳ　的语言对数据进行处理，对处理后的数据运用ＧＩＳ的ＭａｐＯｂ—　ｊｅｅｔｓ组件的强大表现能力放到表现层（见图１）。此外，本子系　统还对后台数据服务器进行管理，包括数据库备份、数据导出、　用户权限管理等。　图１系统界面图　１．４．２水环境信息管理子系统　水环境信息管理子系统利用ＧＩＳ的ＭａｐＯｂｉｅｅｔｓ组件对象　作为地图表现界面，文本、报表等业务信息通过浏览器组件来　实现水环境信息的空间分析定位、空间查询、属性查询、报表生　成、多媒体以及三维动态演示等管理工作。主要包括水质评　价、辅助决策、统计查询、ＧＩＳ管理、多媒体以及三维动态演示。　（１）水质评价包括排污口排放总量预测、水质评价和趋势　分析３部分。排污口排放总量预测在污染源调查的基础上，确　定各排污口的污染物来源区域范围，在分为工业污染源、生活　污染源和农业面污染源分别进行污染排放量的预测。水质评　价主要实现按月、旬、年或指定时段进行西江水质评价，根据调　查和实测数据，采用国家水环境评价规定的方法进行水质定量　评价，得到符合用户要求的各类数据，并用图表方式表现。水　质趋势分析有水质浓度趋势分析和输送率趋势分析。使用肯　达尔非参数检验法（Ｋｅｎｄａｌ１）和季节性肯达尔斜率估计法。通　过水质浓度趋势分析和输送率趋势分析可以判断各监测断面、　各污染因子随时间的变化趋势。　（２）辅助决策是基于对对象的分析计算，在计算数据的基　础上做出相应的规划和控制措施。辅助决策包括水功能区划　查询和显示以及水环境容量计算。系统从污染物总量控制角　度出发，对不同水功能区划水域，设计不同污染物总量削减方　案条件下，利用干流水质模型进行水质预测计算，分析干流水　质达标状况，计算突发污染事故的经济损失，为领导决策提供　技术支持，并将各决策方案存储在辅助决策库中。本系统水环　境决策与决策支持的实质是：各河段根据水功能区划分确定控　制目标一标准值，从可能出现水污染开始跟踪、预测污染排放　量、主要污染物和主要污染源评价、河流水质现状综合评价、污　染扩散、污染分布计算、水质预报、超标和突发事故预警、灾害　损失评估、减灾方案、水环境容量计算、允许排污量计算、排污　维普资讯 http://www.cqvip.com

２２　数字水环境管理系统和数字水质预警预报系统集成　钟名军　李兰　张俐等　削减量计算、允许入河量计算等控制措施的全过程，目的是利　用各种分析、预报预警与控制手段，改变污染现状，实现水环境　保护，如图２所示。　图２环境容量计算及界面显示图　（３）统计查询包括各地物类（水质站点、水文站点、行政区、　河流水系等）的空间查询、水质水资源等专题数据的录入、各种　专题属性数据的统计查询和统计分析等功能。数据是决策分　析的基础，面对查询要求的不同，系统提供多种查询方式：快速　查询、高级查询等。地图上的数据是数据查询的一个重要条　件，系统采用了地图选择与条件输入同步的方法，如在水质监　测数据查询中，用户在地图窗口／条件窗口中选择某个断面，条　件窗口／地图窗口相应显示该断面，即无论从哪个方面进行查　询，都可以在另一方面看到相应的变化。文档查询利用图形和　表格控件对流域的基本社会经济情况、相关法律法规和污染物　毒理毒性等查询。统计报表利用报表控件对各类信息进行查　询、统计和分析，生成需要的各类报表，主要包括水质监测成果　报表、水质特征值年统计报表和水质状况通报表，并提供报表　打印和保存功能。　（４）ＧＩＳ管理基于ＡＲＣ／ＩＮＦＯ８．３平台开发，在系统中集　成ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ控件，用于对ＧＩＳ的开发和管理。ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ　是一组供应用开发人员使用的制图与ＧＩＳ功能组件。它由一　个ＯＬＥ控件和一系列可编程ＯＬＥ对象组成。利用ＭａｐＯｂ—　ｊｅｃｔｓ，开发人员可以在应用程序中添加制图和ＧＩＳ功能（放大、　缩小、漫游、查询等）。开发人员可在熟悉和喜欢的开发环境中　利用ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ开发出系统开销小的ＧＩＳ应用，或在现有的　应用中添加ＧＩＳ功能，比如现在流行的ＶＢ、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋　＋、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ａｃｃｅｓｓ、Ｖｉｓｕａｌ　ＦｏｘＰｒｏ等程序设计环境。　（５）多媒体演示利用多媒体技术将计算机技术与通信传播　技术融为一体，综合处理、传送和贮存多媒体信息，有信息量大　等优点。为了使各种多媒体信息能够相互融合和优势互补以　及网络传输，其中声音、图像、视频等大数据量信息格式经过压　缩处理。三维动态演示是在ＡｒｃＯｂｊｅｃｔｓ控件基础上，采用个性　定制功能，加载ＤＥＭ高程数据和河道边界数据，将整个流域地　形以三维形式展现，其功能包括放大、缩小、全屏显示、断面显　示、移动、旋转等功能，如图３所示。　１．４．３水质预警预报子系统　水质预警预报目的是及时、快速的获得污染物的扩散影响　图３三维动态图　范围以及污染物的浓度分布特征，对污染物浓度超标断面或区　域进行告警提示。利用已经建立好的西江干流水质模型，对两　类污染情况——排污口常规排污和突发性污染事故进行水质　预报及预警。该子系统既能处理突发水污染事故等紧急事务，　又能处理日常水质水环境的管理和一般技术性预报工作及事　务性工作。主要包括点源污染情况下河流水质预警预报、突发　事故预警预报等。点源污染情况下河流水质预警预报和突发　事故报警是重点和核心内容。本子系统建立数学模型库，把水　质预警预报内容归纳到模型库，为决策支持提供模型支柱。通　过编写ＶＢ调用ＤＬＬ库的调用模块实现Ｆ（）ＲＴＲＡＮ与系统软　件平台结合。水质预警预报系统的水量水质预报模型要求将　河道地形进行数字化前处理。首先将１５３张流域１：０．５万的　地形图扫描，利用ＡｒｃＧＩＳ８．３软件将流域１：０．５万的扫描地形　图数字化，再将这些数字化后的图层转换成矢量文件，并且拼　接成流域的河道地形图；最后插补生成栅格（ＧＲＩＤ）；开发出基　于ＧＩＳ的河道贴体网格转换控件，以便生成河道贴体网格，从　提供计算的网格文件到计算结果的ＧＩＳ图表现实现了ＧＩＳ到　水动力学模型之间的关键接口。可将预警预报结果直观显示　在ＧＩＳ的河道上。从而完成水质数学模型与ＧＩＳ数据的结合，　实现数字水质预警预报系统的集成。　２结语　本文从实际生产课题——西江水质预警预报系统开发的　基础上出发，详细介绍了该系统的ＧＩＳ模块、专业模块、中间件　技术及其他模块的组建技术。尤其在水环境管理工作方面，对　ＧＩＳ与本行业知识相结合并应用到系统中作了较详细的论述，　对于提高水环境信息管理工作的现代化进程和实施水质作业　预报工作等具有重要意义。　口　参考文献：　［１］黄瑞，徐学军．基于ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ的流域系统开发及应用［Ｊ］．　计算机工程，２００３，２９（１３）：１８６—１８８．　［２］邬伦，刘瑜．地理信息系统——原理、方法和应用［Ｍ］　北　京：科学出版社，２００２。　［３］ＡｒｃＧＩＳ　８　Ｄｅｓｋｔｏｐ　地理信息系统应用指南［Ｍ］　北京：清华大学　出版社，２００３．