基于GIS技術(shù)的地下水管理系統(tǒng)研究

葉劍鋒，劉小勇

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機械交通學(xué)院，烏魯木齊830052)

隨著計算機技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，物質(zhì)世界中的任何事物都被賦予時空屬性，由此使得社會生產(chǎn)活動中的信息和地理空間位置密切相關(guān)。各社會部門在深入研究與應(yīng)用GIS的同時，要求建立適合本領(lǐng)域(部門)的專業(yè)化地理信息系統(tǒng)也越來越強烈，采用GIS技術(shù)對地下水資源進行動態(tài)管理，可以及時地將地下水賦存介質(zhì)和地下水運動規(guī)律從可視化的角度得到展現(xiàn)[1]，為區(qū)域地下水監(jiān)測、開采控制、管理決策提供科學(xué)依據(jù)。此外，開發(fā)簡單、移植性好、便于維護的組件式(Com GIS)開發(fā)模式成為主流。用Com GIS技術(shù)建立的南疆地下水資源管理系統(tǒng)(以下簡稱南疆系統(tǒng))，進一步對GIS在地下水管理中的應(yīng)用進行研究，以提升新疆南疆地下水資源管理的信息化水平。

1 開發(fā)平臺

本系統(tǒng)在Visual Basic環(huán)境下，用組件式GIS的基本思想將SuperMap Objects各個控件堆積起來，根據(jù)定義完成不同的功能，形成最終的GIS應(yīng)用。同時以事件驅(qū)動的編程機制，充分利用應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，動態(tài)鏈接庫(DLL)、對象的鏈接與嵌入(OLE)、開放式數(shù)據(jù)連接(ODBC)等技術(shù)，高效、快速的開發(fā)圖形界面豐富的GIS軟件系統(tǒng)。平臺如圖1所示，其中SQL Server為數(shù)據(jù)庫支持，SuperMap.ocx為地圖控件，SuperLegend.ocx為圖層控件，Super-Layout.ocx為圖層列表控件，SuperTopo.ocx為拓撲控件，WkspManager.ocx為工作空間管理控件。

圖1 開發(fā)平臺

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 需求分析

地下水資源是支撐社會可持續(xù)發(fā)展、保障國家安全的基礎(chǔ)資源，由于地下水資源的大量開采，以及地下采礦疏干排水，地下水環(huán)境惡化的趨勢愈演愈烈。南疆系統(tǒng)建立為科學(xué)有效地利用地下水資源、加強地下水資源保護提供有效管理模式[2]。根據(jù)研究區(qū)概況與研究對象的特點分析和用戶需求調(diào)查，南疆系統(tǒng)具有以下主要功能:①監(jiān)測井水位數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、更新和編輯;②基本工具(放大、縮小、漫游、鷹眼、距離與面積量測等);③空間查詢與分析;④水資源信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與數(shù)據(jù)共享;⑤空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的顯示與打印(下載);⑥應(yīng)用模型管理子系統(tǒng)等。

2.2 技術(shù)流程及功能框架

流程描述屬性與空間兩個核心數(shù)據(jù)庫建庫過程，功能框架為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)具體地圖矢量化、屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計等建庫工作和詳細的系統(tǒng)功能框架不加詳示。

圖2 技術(shù)流程及功能框架

2.3 地理數(shù)據(jù)庫

(1)空間數(shù)據(jù)庫。地圖的矢量化是空間數(shù)據(jù)庫建立的重要內(nèi)容，分層處理是其主要工作。每層空間實體代表不同的專業(yè)分類，為構(gòu)造針對不同需求的空間查詢、分析及應(yīng)用模型的運行等帶來極大的方便[3]，本系統(tǒng)采用1∶10 000地形圖，掃描后在MAPINFO中編輯(共26層)，轉(zhuǎn)成Supermap的SDD格式，主要類圖層如圖3所示。

地理實體具有空間屬性的數(shù)據(jù)同樣是地理數(shù)據(jù)庫的重要內(nèi)容，該部分數(shù)據(jù)的準確性、實時性將決定地理實體表達的精度，并影響到模型和決策系統(tǒng)的運行。本文因其對地理實體的依賴性而歸為空間數(shù)據(jù)庫當中，同時也便于突出GIS的圖查屬性特點。表1-2列出了監(jiān)測井及河流的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖3 主要矢量化圖層(類)

表1 監(jiān)測井參數(shù)

表2 河流參數(shù)

(2)屬性數(shù)據(jù)庫。屬性數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括地理實體的非空間信息(如項目井的建設(shè)時間、所用設(shè)備、通訊號碼等)和非地理實體信息(如行政單元內(nèi)降雨量、蒸發(fā)量、人文描述等)。該屬性數(shù)據(jù)承載的信息包含各自內(nèi)部及兩種信息之間存在的直接聯(lián)系和間接聯(lián)系。因此，屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系和掛接具體表現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫表中的主鍵和外鍵的關(guān)系上，并以此為基礎(chǔ)建立視圖和存儲過程。本系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型、表分類和表設(shè)計如表3所示(其中S:對象;f:模型(視圖);n:編碼;t:時間;m:監(jiān)測數(shù)據(jù);i:說明;d:行政區(qū)劃;g:等級;r:流量;a:面積;p:人口;c:權(quán)限;k:類別)。單個表結(jié)構(gòu)以井監(jiān)測數(shù)據(jù)表為例，如表4所示。

表3 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計

表4 監(jiān)測井數(shù)據(jù)

3 主要功能實現(xiàn)

3.1 空間數(shù)據(jù)的輸入和編輯，存儲與管理

將地下水資源環(huán)境的空間數(shù)據(jù)有效地輸入到地理信息系統(tǒng)中，包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將Mapinfo的.mif格式圖層經(jīng)過嵌入程序運用數(shù)據(jù)泵轉(zhuǎn)換成SDB格式導(dǎo)入。其存儲形式仍根據(jù)表達的內(nèi)容差異分層存儲，空間數(shù)據(jù)操作時能實現(xiàn)點、線、面的編輯。程序如下:

(1)定義一個數(shù)據(jù)泵并導(dǎo)入?yún)?shù)對象[3]Dim objDP As soDataPumP Dim objIP As solmportParams

(2)獲取數(shù)據(jù)泵對象，設(shè)置數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)Set objDP=SuperWorkspace1.Datasources(1).Datapump With cdlfile1.DialogTitle=“輸入文件”.InitDir=“C:/yjdxs”.Filter=“MapInfo的 mif文件(*.mif|*.mif)”

(3)轉(zhuǎn)入為Supermap GIS圖層:點圖層objIP.DatasetPoint=“pointZR”線圖層 objIP.DatasetLine=“l(fā)ineZR”面圖層 objIP.DatasetRegion=“regionZR”文件標記objIP.DatasetText=“textZR”

轉(zhuǎn)化完成后可在程序中直接使用程序語句打開，也可以編寫導(dǎo)入窗口，可在不同工作空間中可視化切換，窗口運行如圖4所示。

3.2 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的互操作

該功能主要突破了傳統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)查詢方式，可以實現(xiàn)屬性查圖和圖查屬性的雙向功能，從而使屬性數(shù)據(jù)可視化，增強其操作性和準確性。突破空間想象的局限。圖查屬性關(guān)鍵語句如下:

圖4 數(shù)據(jù)導(dǎo)入窗口

(1)提取所選對象的屬性數(shù)據(jù)Set objRecordSet=Map.Selection.ToRecordset(False);(2)移到第一條屬性objRecordSet.MoveFirst;(3)得到屬性名For i=1 To objRecordSet.FieldCount strName(i-1)=objRecordSet.GetFieldInfo(i).Name;(4)得到屬性值 strValue(i-1)=objRecordSet.GetFieldValue(i)

3.3 監(jiān)測管理子系統(tǒng)

地下水水位數(shù)據(jù)的實時更新。通過GSM通信技術(shù)，可對水位等水文參數(shù)遙測，然后顯示在監(jiān)測系統(tǒng)界面，通過存儲過程將接收到的參數(shù)寫進數(shù)據(jù)庫，達到監(jiān)測的目的。若監(jiān)測數(shù)據(jù)超出設(shè)置范圍，則發(fā)出水位閃爍警報，該功能實現(xiàn)方法[4-8]:(1)獲取跟蹤圖層Set objT rackingLyr=Map.T rackingLayer;(2)對象都添加到跟蹤圖層 objTrackingLyr.ClearEvent objRcd.MoveFirst;(3)獲取記錄的幾何對象Do Until objRcd.IsEOF Set objGeometry=objRecordset.GetGeometry();(4)閃爍風(fēng)格objStyle.BrushColor=vbBlue.PenColor=vbRed.Pen-Width=6.SymbolSize=70;(5)比較添加并顯示實例 Map.T rackingLayer.AddEvent objGeometry，objStyle。

監(jiān)測子系統(tǒng)運行如圖5所示，通過選擇監(jiān)測系統(tǒng)MAP中的監(jiān)測井，在界面的左半部分實現(xiàn)當前監(jiān)測狀態(tài)的瀏覽，而界面的底端提供數(shù)據(jù)庫的添加、刷新、關(guān)閉監(jiān)測等功能。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)

3.4 專題圖

專題地圖按照地圖主題的要求，突出而完善地表示與主題相關(guān)的一種或幾種地理要素，使地圖成為內(nèi)容專題化、形式各異、用途專門化的地圖。基本流程可分為數(shù)據(jù)采集與輸入、地圖制作與編輯、地圖輸出三個階段。SuperMap Objects提供單值、范圍、統(tǒng)計、等級符號、標簽等類型的專題圖制作。如圖6所示的研究區(qū)行政單元土地面積專題圖中從單值色階變化、圓形等級(半徑越大面積越大)、標簽三個層次直觀顯示。

圖6 專題圖

3.5 其他功能

系統(tǒng)其他功能中如空間數(shù)據(jù)的多種方式輸出;屬性數(shù)據(jù)的輸出可附著空間數(shù)據(jù)，也可單獨以報表的方式進行打印;網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與數(shù)據(jù)共享;利用WEBGIS技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的空間及屬性數(shù)據(jù)的發(fā)布、查詢?yōu)g覽、數(shù)據(jù)訪問等功能限于篇幅不再列舉。

4 基礎(chǔ)空間與統(tǒng)計分析

空間分析是基于模型的基礎(chǔ)之上，是地下水地理信息系統(tǒng)的核心功能。系統(tǒng)通過對模型嵌入，達到緩沖分析、回歸分析、監(jiān)測預(yù)報等功能，為管理者提供決策參考。

4.1 柵格分析

柵格分析是GIS應(yīng)用系統(tǒng)中空間分析的基礎(chǔ)，系統(tǒng)中某行政單元內(nèi)水安全等級的各種因子可抽象為矢量要素，對自身所在單元及以距離按指數(shù)衰減方式對外單元產(chǎn)生影響[5]。如某開采井的取水量對該行政單元及符合衰減指數(shù)距離內(nèi)的水位影響。步驟及主要語句如下:

(1)獲取表面分析對象:Set objSurfaceAnalyst=frmMain.Analyst.SurfaceAnalyst

(2)獲取表面分析操作對象:Set objSurfaceOperator=objSurfaceAnalyst.Surface

(3)獲取等值線[4]:Set objSurfaceAnalyst.AnalysisEnvionment=frmMain.objAnalystEnvmnt，Set objDtv=objSurfaceOperator.Isoline(objDtRst，CDbl(txtGrads.TextCInt(txtSmooth.Text)，objDs，strTmp)If Not objDtv Is Nothing Then

(4)生成成功后刷新工作空間管理器:frmMain.WkspManager.Refresh

4.2 平均水位統(tǒng)計分析

平均水位統(tǒng)計功能可針對單個監(jiān)測井或全部監(jiān)測井水位就時間軸進行縱向或橫向比較分析，為管理決策提供依據(jù)。步驟及主要語句如下:

(1)創(chuàng)建并打開一個 recordset:Set conShape=New ADODB.Connection conShape.Open CONNECT_STRING

(2)用 recordset中的數(shù)據(jù)來填充圖表:Set rec-Shape=New ADODB.Recordset，recShape.Open SHAPE_COMMAND，conShape

(3)提取域并繪制曲線:ShowRecordsInChart rec-Shape，F(xiàn)IELD_X，F(xiàn)IELD_Y，F(xiàn)IELD_ZDo Until rec-Parent.EOF＇確認(row)為此X域sValue=FixNull(recParent.Fields(sFldX).Value，F(xiàn)alse)If Not IsKeyIn-Collection(cRows，sValue)ThenlMaxRow =lMaxRow+1 lRow=lMaxRow’存儲同行名相關(guān)的行索引 cRows.Add lRow，sValue.InsertRows lRow，1.Row Label(lRow，1)=sValue。運行效果如圖7所示。

圖7 平均水位

4.3 時間序列預(yù)測模型

時間序列預(yù)測法就是通過編制和分析時間序列，根據(jù)時間序列所反映出來的發(fā)展過程、方向和趨勢，進行類推或延伸，借以預(yù)測下一時段或若干年以后地下水流場、埋深、降深可能達到的水平[6]。模型首先建立二次曲線趨勢模型:yt=a0+a1t+a2t2方程中的三個未知參數(shù)a0，a1，a2根據(jù)最小二乘法求得。即對時間序列擬合一條趨勢曲線，使之滿足下列條件:∑(yt-t〔AKY〕2=最小值)，得到標準求解方程:

①∑Y=na0+a1+a2∑t2

②∑tY=a0∑t+a1∑t2+a2∑t3

③∑t2Y=a0∑t2+a1∑t3+a2∑t4

系統(tǒng)默認取時間序列的中間時刻作為原點來減少運算量，此時有∑t=0，求解簡化為:

①∑Y=na0+a2∑t2

②∑tY=a1∑t2

③∑t2Y=a0∑t2+a2∑t4

以上公式中:t——自變量(時間);yt——實際值;t[AKY]——趨勢值。運行效果如圖 8所示。

圖8 二次回歸

圖9 系統(tǒng)主要窗口運行效果

5 系統(tǒng)運行

啟動系統(tǒng)和關(guān)閉系統(tǒng)時特別要注意 LOAD加載:strfilename=“c:/dxsgl/yjdxs.smw”‘提取默認路徑Map.Connect Workspace.Handle’連接工作空間Map.OpenMap Workspace.Maps.Item(1)‘打開地圖SuperLegend1.Connect Map’圖層管理器連接WkspManager.Connect Workspace‘連接工作空間管理器。UNLOAD加載:Map.SaveMap’保存地圖Map.Disconnect‘斷開連接 Workspace.Close’關(guān)閉工作空間運行效果如圖9所示，其中前端窗口為總控制窗口，登錄后即可進入到各子系統(tǒng)當中，其后為空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)體現(xiàn)遙測管理的實時性和GIS在地下水管理中的高效決策、協(xié)作管理、界面友好等特點，使新疆南疆地下水資源管理邁上新臺階。系統(tǒng)實現(xiàn)地下水水位實時遙測和各職能部門水資源管理信息共享，提升了水信息效益價值，提高了工作效率，取得一定的成果。更重要的是系統(tǒng)不要求使用者深入掌握GIS技術(shù)，操作簡單方便，在基層水資源管理管理部門的推廣應(yīng)用有著很實際的意義。但課題在運用空間信息三維可視化技術(shù)建立虛擬分析系統(tǒng)[7-10]、水位等值線繪制等內(nèi)容上仍需進一步加以完善。

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