基于GIS的北京市取水許可管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳愛華

(北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038)

1 引言

北京是我國嚴(yán)重缺水的城市之一，人均水資源占有量只有 300 m3，是全國人平均水平的1/8，是世界人平均水平的1/30，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超低于國際公認(rèn)的人均 1 000 m3的下限［2］。隨著北京城市規(guī)模和人口的急劇增長，加之連續(xù)12年干旱少雨，北京地下水位逐年下降，地表水庫蓄水能力嚴(yán)重不足，水資源的供需矛盾問題日益突出。

基于上述原因，北京市水務(wù)局提出要落實(shí)“最嚴(yán)格的水資源管理制定”，要以更加科學(xué)、嚴(yán)密的方式審批核查取水許可、控制核算取排水量、合理配置調(diào)度水資源，最終實(shí)現(xiàn)水資源配置管理“總量控制，定額管理”的目標(biāo)［3］。

北京市取水許可管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，旨在以業(yè)務(wù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，以GIS技術(shù)為核心，綜合運(yùn)用空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)等信息化技術(shù)建立準(zhǔn)確、全面、規(guī)范的地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對北京市水資源管理行政許可業(yè)務(wù)(含取水許可和鑿井許可)工作的分析和支持，為北京市實(shí)施水資源總量控制，實(shí)現(xiàn)水資源業(yè)務(wù)管理的科學(xué)化、信息化提供必要的依據(jù)和手段。同時(shí)為朝陽和平谷兩個(gè)區(qū)縣級(jí)水資源管理分中心試點(diǎn)建設(shè)提供技術(shù)框架，逐步將水資源管理體系延伸至區(qū)縣及三級(jí)水管單位，全面提升水資源綜合管理能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下原則［4］:①標(biāo)準(zhǔn)化與可擴(kuò)展原則，嚴(yán)格遵循現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，充分利用先進(jìn)的軟件開發(fā)理論、技術(shù)，使搭建的系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性、開放性，能適應(yīng)業(yè)務(wù)的增長和擴(kuò)充。②實(shí)用、易操作、便于維護(hù)原則。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的實(shí)用性，操作簡單快捷，界面友好，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)易于部署、維護(hù)、更新和管理。③高性能和安全性原則。系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的性能，確保較高的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，保證相關(guān)數(shù)據(jù)的安全。

2.2 系統(tǒng)總體建設(shè)思路

北京市取水許可管理系統(tǒng)，涉及用戶為社會(huì)公眾(取用水戶)和內(nèi)網(wǎng)用戶(水務(wù)行政主管審批部門)，總體建設(shè)思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

外網(wǎng)取水用戶(社會(huì)公眾)通過北京市水務(wù)局外網(wǎng)申報(bào)系統(tǒng)填寫取水許可申報(bào)信息(含鑿井許可和取水許可)，內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換通道實(shí)時(shí)將外網(wǎng)申報(bào)數(shù)據(jù)同步至局中心內(nèi)網(wǎng)前置機(jī);與此同時(shí)，外網(wǎng)申報(bào)系統(tǒng)調(diào)用取水許可管理系統(tǒng)提供的WebService數(shù)據(jù)接口，將申報(bào)數(shù)據(jù)(位于局中心內(nèi)網(wǎng)前置機(jī))同步寫入取水許可管理系統(tǒng)。最終辦結(jié)結(jié)果也以這種方式，實(shí)時(shí)向外網(wǎng)公布。

內(nèi)網(wǎng)審批人員通過登陸內(nèi)網(wǎng)統(tǒng)一門戶(水務(wù)信息平臺(tái))訪問局中心OA行政審批系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與CA統(tǒng)一認(rèn)證集成，可以以鏈接方式直接查看取水許可管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)申報(bào)表單，解決了局中心OA行政審批系統(tǒng)與取水許可管理系統(tǒng)的無縫集成問題。

取水許可證文件服務(wù)器存儲(chǔ)北京市13個(gè)區(qū)縣的取水許可證備案數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由各區(qū)縣負(fù)責(zé)審批，利用ETL工具定時(shí)抽取最終匯交到市水務(wù)局。區(qū)縣前置機(jī)存儲(chǔ)試點(diǎn)區(qū)縣朝陽、平谷兩個(gè)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫通過共享交換平臺(tái)實(shí)時(shí)與鑿井、取水分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享交換。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)

鑿井與取水分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格遵循模型－視圖－控制器(MVC)分離原則，采用了Dojo+DWR+Hibernate的J2EE結(jié)構(gòu)多層開發(fā)架構(gòu)［5］，架構(gòu)圖如2所示。

圖2 系統(tǒng)分層開發(fā)架構(gòu)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)在Oracle 10g中，但是本系統(tǒng)并不直接操作該Oracle 10g，而是通過DB2數(shù)據(jù)總線來進(jìn)行間接的操作。數(shù)據(jù)訪問層使用Hibernate框架。Hibernate是Java平臺(tái)上的一種成熟的、全功能的 O/R Mapping(對象/關(guān)系映射)開源框架，它封裝了所有數(shù)據(jù)訪問細(xì)節(jié)，使業(yè)務(wù)邏輯層可以專注于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯。

業(yè)務(wù)層使用Spring框架。Spring可以輕松地管理應(yīng)用組件以及它們之間的依賴性，同時(shí)Spring還提供事務(wù)管理框架、DAO支持、支持主流O/R Mapping框架的集成、支持各種標(biāo)準(zhǔn)J2EE組件技術(shù)的集成。

在服務(wù)層，對于空間數(shù)據(jù)以及地圖，使用ArcGIS Server 9.3發(fā)布為Web服務(wù)。而對于業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)與信息，使用DWR框架將其發(fā)布為Web服務(wù)。

用戶界面層使用Dojo JavaScript庫。Dojo設(shè)計(jì)的包加載機(jī)制和模塊化的結(jié)構(gòu)，能保持更好的擴(kuò)展性，提高執(zhí)行性能，減輕了用戶開發(fā)的工作量，并保持一定的靈活性(用戶可以自己編寫擴(kuò)展)。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.1 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)的類型來看，可以將系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水資源規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)共5類數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)圖

(1)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基礎(chǔ)空間位置參考。包括:水系及附屬設(shè)施、地址地貌、植被、居民地、工礦及附屬設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、境界等7大類要素。

(2)水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

機(jī)井、用戶取水口數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)圖層。它們不僅要體現(xiàn)各類機(jī)井、取水口的空間位置，而且要可以查詢到某一個(gè)機(jī)井、取水口的對應(yīng)屬性。包括機(jī)井用水單位、取水用途、水源類型、井深、年取水量等。

(3)水資源規(guī)劃專題數(shù)據(jù)

水資源規(guī)劃專題數(shù)據(jù)是系統(tǒng)輔助決策分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)人員用于分析是否可以鑿井、取水的重要依據(jù)。包括水資源保護(hù)區(qū)規(guī)劃、地下水超采區(qū)范圍、地下水埋深變化、松散巖層孔隙水富水性分區(qū)、地下水功能區(qū)劃等。

(4)元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)是用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，主要包括對空間圖層使用投影、坐標(biāo)系、比例尺、采集人、采集時(shí)間等的說明［6］。

3.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫由兩個(gè)許可業(yè)務(wù)(鑿井許可和取水許可)申報(bào)數(shù)據(jù)、備案數(shù)據(jù)以及輔助決策的配置數(shù)據(jù)組成。主要包括:鑿井工程申報(bào)表、取水許可申報(bào)表;鑿井許可證、成井驗(yàn)收單、水源熱泵備案表、取水許可登記表、取水許可證等。配置數(shù)據(jù)主要包括:可開采水資源量、區(qū)縣計(jì)劃水量、監(jiān)測井埋深、業(yè)務(wù)分析結(jié)果及用戶管理、權(quán)限控制等系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)組成。

4 功能設(shè)計(jì)

取水許可管理系統(tǒng)分為申報(bào)備案管理子系統(tǒng)、證書管理子系統(tǒng)、鑿井GIS決策分析子系統(tǒng)、取水GIS決策分析子系統(tǒng)、綜合統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)、服務(wù)接口管理系統(tǒng)、系統(tǒng)配置管理子系統(tǒng)。功能框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能框架圖

(1)申報(bào)備案管理子系統(tǒng)

為辦理鑿井許可和取水許可的單位或個(gè)人提供申報(bào)材料和備案材料的網(wǎng)上錄入、刪除、修改、查詢功能。包括鑿井許可申報(bào)管理、鑿井許可備案信息管理、取水許可申報(bào)管理、取水許可登記管理功能。

(2)證書管理子系統(tǒng)

包括鑿井許可證和取水許可證的生成及打印、許可證變更、作廢、延續(xù)、到期提醒、過期等常用功能。

(3)鑿井許可GIS分析子系統(tǒng)

含鑿井許可GIS分析、取水許可GIS分析功能。鑿井許可GIS分析主要是依據(jù)當(dāng)前申報(bào)件的申請信息，綜合申報(bào)件所在區(qū)域的地下水開采量和控制量、各類水資源規(guī)劃專題圖、鑿井對周邊機(jī)井可能產(chǎn)生的影響、鑿井地點(diǎn)的地下水動(dòng)態(tài)變化情況4個(gè)比較重要的方面進(jìn)行鑿井許可分析，最終形成電子評(píng)價(jià)報(bào)告供局辦公OA系統(tǒng)使用。

(4)取水許可GIS分析子系統(tǒng)

提供地表水取水許可、地下水取水許可和再生水取水許可的審批決策分析功能。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前申報(bào)件的申報(bào)位置，與北京市地址地名數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模糊匹配至取水周邊位置，同時(shí)綜合考慮取水位置與取水口的關(guān)系以及所在區(qū)縣的開采量和控制量，最終形成電子評(píng)價(jià)報(bào)告供局辦公OA系統(tǒng)使用。

(5)綜合統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)

為用戶提供關(guān)于機(jī)井類型、機(jī)井深度、地下水埋深變化、取水量、取水用途、業(yè)務(wù)辦理情況等各類信息的橫向、縱向統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果以直觀的統(tǒng)計(jì)圖表形式展現(xiàn)，供業(yè)務(wù)人員和水務(wù)局領(lǐng)導(dǎo)宏觀決策使用。

(6)服務(wù)接口管理子系統(tǒng)

對區(qū)縣取水許可證和機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)匯交接口、數(shù)據(jù)更新接口、數(shù)據(jù)抽取ETL包等進(jìn)行管理，包括服務(wù)及接口權(quán)限、更新方式、更新周期。

(7)系統(tǒng)配置管理

主要包括系統(tǒng)權(quán)限、用戶管理、數(shù)據(jù)配置管理等。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)基于ArcGIS Server 9.3.1的Javascript API開發(fā)，空間數(shù)據(jù)庫引擎為 ArcSDE 9.3.1 for Oracle 10g R2。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線DB2訪問。開發(fā)架構(gòu)采用Dojo+DWR+Hibernate的J2EE結(jié)構(gòu)，前端基于Ajax技術(shù)，極大豐富客戶端的應(yīng)用體驗(yàn)及交換操作，開發(fā)工具為myEclipse 6.5。部署開發(fā)環(huán)境時(shí)，需要一臺(tái)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。另外，需要3臺(tái)前置機(jī)集成來自外網(wǎng)的申報(bào)數(shù)據(jù)、取水許可證數(shù)據(jù)、朝陽平谷業(yè)務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境由4臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(1臺(tái)為主數(shù)據(jù)庫服務(wù)，另3臺(tái)為前置機(jī)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)、1臺(tái)GIS服務(wù)器、多臺(tái)客戶機(jī)組成。其中主服務(wù)器是局中心綜合數(shù)據(jù)庫，安裝Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE采用分布式安裝模式，與ArcGIS Server一同安裝在GIS服務(wù)器上。

5.2 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

(1)鑿井許可GIS決策支持

如何設(shè)計(jì)便捷、友好的鑿井和取水GIS輔助決策功能，實(shí)現(xiàn)與局辦公OA審批系統(tǒng)的互為補(bǔ)充是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一?？紤]業(yè)務(wù)辦理人員操作方便和長期習(xí)慣，鑿井許可GIS決策功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)步驟如下:

①業(yè)務(wù)人員登錄取水許可管理系統(tǒng)或通過局OA系統(tǒng)直接跳轉(zhuǎn)定位到申報(bào)件管理窗口(圖5)，點(diǎn)擊申報(bào)件管理窗口的“分析”按鈕，開始進(jìn)入GIS分析。

②進(jìn)入GIS分析界面后，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前申報(bào)件的位置坐標(biāo)X、Y，高亮并自動(dòng)定位到當(dāng)前申報(bào)件的位置(圖6)，系統(tǒng)底圖為北京市行政區(qū)劃圖疊加全市機(jī)井分布圖，地圖上右上方Widget信息面板為當(dāng)前申報(bào)件的鑿井基本申請信息。包括:申報(bào)位置所屬區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、取水單位、年取水量、年回灌量、取水用途、機(jī)井類型等信息。

圖5 鑿井許可申報(bào)件查詢界面

圖6 鑿井許可GIS分析主界面

圖7 鑿井許可GIS決策綜合評(píng)價(jià)

③業(yè)務(wù)人員點(diǎn)擊地圖上右上方Widget信息面板的“綜合分析評(píng)價(jià)”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的專業(yè)評(píng)價(jià)方法生成電子評(píng)價(jià)報(bào)告供決策者使用。該評(píng)價(jià)方法綜合考慮了業(yè)務(wù)人員長久的業(yè)務(wù)辦件習(xí)慣，對常用水資源專題數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、加工入庫、集中管理，同時(shí)充分借用了GIS技術(shù)優(yōu)勢性，設(shè)計(jì)了4種綜合評(píng)價(jià)方法(圖7):水資源控制總量核對、水資源專題圖疊置分析、鑿井對周邊機(jī)井的影響、鑿井地點(diǎn)地下水動(dòng)態(tài)變化分析。

其中，水資源控制總量核對是指根據(jù)申報(bào)地點(diǎn)所在區(qū)域的地下水年可開采量、控制取水量、已批地下水取水量以及截至目前已審批的取水量之間的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算剩余水量，從而分析在該地點(diǎn)鑿井取水的合理性。

水資源專題圖疊置分析是指在北京市行政區(qū)劃圖上分別疊加北京市地下水功能區(qū)劃圖、平原區(qū)松散巖層孔隙水富水性分區(qū)圖、水資源保護(hù)區(qū)規(guī)劃圖等多種水資源專題圖層，分析鑿井地點(diǎn)是否違反了各類水資源規(guī)劃的要求。

周邊機(jī)井影響分析是指根據(jù)鑿井地點(diǎn)周邊機(jī)井的數(shù)量、具體分布情況、機(jī)井的密度、年取水量統(tǒng)計(jì)，分析新鑿機(jī)井是否對原有機(jī)井取水產(chǎn)生不利影響。

地下水動(dòng)態(tài)變化分析，即利用地下水歷年埋深數(shù)據(jù)，繪制地下水埋深等值線面、地下水埋深變幅等值線面，分析鑿井地點(diǎn)所在區(qū)域的地下水位變化情況，從而了解地下水位的變化趨勢。

(2)市區(qū)兩級(jí)水資源管理體系的初步建立

由于市局和區(qū)縣分局都有鑿井許可和取水許可審批的權(quán)限，但審批通過的機(jī)井和取水許可證數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)集成共享，導(dǎo)致審批過程參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料存在現(xiàn)勢性、準(zhǔn)確性較差等問題，達(dá)不到北京市執(zhí)行嚴(yán)格水資源管理制定的要求。本系統(tǒng)開發(fā)了機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)更新接口和取水許可證數(shù)據(jù)定時(shí)抽取模式，改變了長期以來市區(qū)水資源粗放管理的工作現(xiàn)狀，初步建立了市區(qū)兩級(jí)水資源共享管理體系，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、及時(shí)共享更新。下面是根據(jù)外網(wǎng)數(shù)據(jù)，開發(fā)的機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)更新片段代碼:

6 總結(jié)與展望

取水許可管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與水務(wù)局外網(wǎng)申報(bào)系統(tǒng)、水務(wù)局辦公OA系統(tǒng)的無縫集成，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)申報(bào)、行政審批、竣工備案全流程業(yè)務(wù)辦理的信息化支撐，改變以往紙質(zhì)檔案業(yè)務(wù)辦理模式，提高了辦公效率。尤其是引入GIS技術(shù)開發(fā)的決策支持模塊，使業(yè)務(wù)辦理人員能夠快速做出決策，有效節(jié)省審批人員翻閱資料的時(shí)間，很大程度上減少或避免取水的不合理性，實(shí)現(xiàn)水資源管理“總量控制，定額管理”的目標(biāo)。目前系統(tǒng)運(yùn)行于水務(wù)局內(nèi)網(wǎng)，就以后長遠(yuǎn)考慮，本系統(tǒng)應(yīng)考慮與水務(wù)局其他現(xiàn)行系統(tǒng)(比如水量月報(bào)管理系統(tǒng)、水源地管理系統(tǒng)、地下水超采區(qū)管理系統(tǒng))的集成，逐步實(shí)現(xiàn)水資源的精細(xì)化管理。

［1］中華人民共和國水法［M］.中國民主法制出版社.

［2］邱化蛟，程序，常欣等.北京市水資源現(xiàn)狀分析［J］.北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(4)

［3］胡軍，吳愛華.基于WebGIS的取水許可管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.北京水務(wù)，2010(6)

［4］楊驥，林繼賢，湯堅(jiān).基于GIS的用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪通報(bào)，2011(6)

［5］劉光，唐大仕.ArcGIS Server JavaScript API開發(fā)GeoWeb 2.0應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010

［6］劉濤，彭清山，張淼.基于GIS的城市規(guī)劃管理系統(tǒng)的研究［J］.測繪通報(bào)，2011(6)

［7］王玲玲，劉驚雷，馬曉敏.基于GIS的污染源管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(1)