大連市水資源優(yōu)化配置決策方案評價可視化系統(tǒng)研究與應用

王 子 茹， 羅 寶 力， 牛 云 格

(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

0 引 言

水是基礎性的自然資源和戰(zhàn)略性的經濟資源，是生態(tài)環(huán)境的控制要素.隨著信息技術的飛速發(fā)展，水利信息化建設在水資源管理中的重要性日益凸顯.計算機技術、科學可視化滲透在整個水資源管理系統(tǒng)中，為實現水資源的動態(tài)監(jiān)測、水資源的調查和評價、水資源可持續(xù)利用和優(yōu)化配置以及提高水資源的管理水平，提供了前所未有的技術保障和決策支撐手段.

近年來，利用計算機可視化技術進行水資源管理方面已開展了大量的研究工作，文獻[1、2]應用地理信息和可視化技術，建設了市級水資源管理系統(tǒng)，實現了區(qū)域水資源的動態(tài)監(jiān)測以及水資源的評價、分區(qū)等；文獻[3]以VB為開發(fā)平臺，以區(qū)域水資源經濟凈效益最大化為目標函數，建立了多目標規(guī)劃模型，得到水資源利用的最佳方案；文獻[4]將GIS應用于地下水模擬、評價和管理，為地下水信息化工作引進了新的技術手段.

上述研究無疑推動了我國信息技術在水資源管理方面的應用和發(fā)展，為數字水利提供了先進的技術支持.但就已有研究成果中，應用陳守煜于2005年創(chuàng)建的可變模糊集理論[5～7]，對區(qū)域水資源配置方案進行評價優(yōu)選，并將其以可視化的形式表達尚未見到.本文將VC＋＋可視化編程技術和GIS結合，采用文獻[8]的評價方法，建立區(qū)域水資源優(yōu)化配置決策方案評價可視化系統(tǒng)，并以大連市水資源優(yōu)化配置為例，對多種方案進行優(yōu)選，為水資源合理配置提供決策支持.

1 水資源優(yōu)化配置決策方案評價模型簡介[8]

設xi(i＝1，2，…，m)為已知待評對象u的指標特征值，依據m個指標c個級別的指標標準矩陣M＝(Mih)(i＝1，2，…，m；h＝1，2，…，c)進行綜合評價.

根據文獻[8]，評價對象u指標i對級別h的相對隸屬度公式為

又根據文獻[8]評價對象u對級別h的多指標綜合相對隸屬度模型為

α為模型優(yōu)化準則參數，當α＝1時，優(yōu)化準則相當于最小一乘方；α＝2時，優(yōu)化準則相當于最小二乘方.p為距離參數，當p＝1時，為海明距離；p＝2時，為歐氏距離.兩者可組成模型的4種組合:(1)α＝1，p＝1；(2)α＝1，p＝2；(3)α＝2，p＝1；(4)α＝2，p＝2.

應用文獻[6]中的級別特征值公式

應用文獻[7]中歸屬等級判斷準則

2 系統(tǒng)的設計與實現

2.1 系統(tǒng)的總體結構和功能

基于Windows操作平臺，利用VC＋＋中的MFC框架和GIS功能組件 MapObjects2.0集成，以大連市水資源配置方案為依據，應用可變模糊評價模型，開發(fā)建立了水資源優(yōu)化配置可變模糊評價可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖1所示.該系統(tǒng)由方案可變模糊評價子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)和GIS水系圖子系統(tǒng)組成.系統(tǒng)的主要功能如下:

圖1 系統(tǒng)的總體結構Fig.1 The general structure of the system

(1)方案可變模糊評價子系統(tǒng)

根據陳守煜最新提出的基于辯證法三大規(guī)律之一的質量互變規(guī)律的質量互變定理的水資源可持續(xù)利用可變模糊集模型，采用模塊化和參數化的設計理念，通過建立方案參數、標準區(qū)間、相對隸屬度、確定權重以及評價結果等菜單，開發(fā)出了基于可變模糊的水資源優(yōu)化配置評價子系統(tǒng).并以大連市水資源優(yōu)化配置方案為例，對大連市2020年水資源優(yōu)化配置方案進行評價優(yōu)選.

(2)信息查詢子系統(tǒng)

以VC和MapObjects相結合的形式開發(fā)了水資源優(yōu)化配置可變模糊評價系統(tǒng)中信息查詢子系統(tǒng).主要功能是:

①可變模糊評價信息查詢(包括水資源優(yōu)化配置方案信息查詢、指標標準矩陣查詢、可變模糊評價模型查詢、評價等級查詢等).可以根據分析要求，查詢到不同參數下的級別特征值.

②大連市各行政區(qū)水資源狀況的空間屬性查詢，主要是水資源管理業(yè)務查詢(水資源基礎資料:地表水、地下水、海水、中水、外調水等).

③系統(tǒng)考慮到MapObjects組件的功能特點，將地理信息與屬性信息有機地結合在一起，實現圖文互動的功能，更直觀地查詢水資源狀況.

(3)GIS水系圖顯示子系統(tǒng)

主要實現GIS的基本地圖操作功能，包括地圖的縮放、漫游和全圖顯示等，可使決策者對大連市轄區(qū)范圍內的水資源分配情況有更加直觀、準確的了解.

2.2 系統(tǒng)主界面設計

本系統(tǒng)基于MFC應用程序向導[9]，以CFormView類為基類，建立具有參數化功能的水資源優(yōu)化配置方案可變模糊評價系統(tǒng).通過插入MapObjects的Map控件來進行GIS圖形顯示，系統(tǒng)主界面如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 The system main interface

2.3 VC＋＋和MapObjects的集成

2.3.1 生成水系圖 在ArcMap下繪制大連市水系圖[10]，將GIS組件MapObjects與VC相結合，將繪制好的水系圖通過Map控件添加到VC環(huán)境中，實現系統(tǒng)的集成，實現大連市水系圖在VC環(huán)境下的可視化顯示，并且生成的水系圖具有平移、縮放、漫游和地圖標注等功能.具體做法如下:

(1)空間數據的建立

在地理信息系統(tǒng)中，空間數據與屬性數據通過拓撲關系來建立聯系.本系統(tǒng)以空間數據為研究基礎.首先啟動ArcCatalog，在ArcCatalog目錄窗口中，選擇New／Shapefile…，進入新建Shapefile對話框.根據空間數據劃分的情況，鍵入Name內容和選擇Point、Polyline、Polygon等要素類，以及進行要素屬性表(Feature Attribute Table)的編輯.然后，啟動ArcMap，選擇主菜單File／Add Data，加載新建的Shapefile，進行水系圖的編輯.

(2)利用 MFC AppWizard創(chuàng)建應用程序

本系統(tǒng)開發(fā)一個基于MFC的單文檔(SDI)應用程序.選擇 MFC AppWizard(exe)來創(chuàng)建應用程序.

(3)添加 MapObjects控件

選 擇 菜 單 Project→ Add to Project→Components and Controls Gallery， 加 入MapObjects控件模板，將Map控件添加到Form中，并定義變量.

(4)加載圖層

通過設置Map Control控件的屬性對話框來加載要顯示的圖層數據[11].利用Class Wizard向CWaterMapView中添加 WM＿SIZE事件，在OnSize方法的函數體中添加代碼.

(5)地圖注記

MapObjects中用于添加注記的對象是CMoLabelRender對象和CMoLabelPlacer對象，這兩個對象是常用的注記標注工具.本文采用CMoLabelPlacer對象，可以自動添加圖層上對象的標注.

2.3.2 實現水資源優(yōu)化配置情況的查詢 以VC和MapObjects相結合的形式開發(fā)了水資源優(yōu)化配置可變模糊評價系統(tǒng)中的信息查詢子系統(tǒng)，實現了大連市各行政區(qū)的水資源狀況的空間屬性查詢以及水資源配置方案的信息查詢等.

查詢方式有兩種:菜單選擇和GIS地圖選擇.通過菜單下拉項選擇查詢目標，操作簡單；地圖選擇則是在GIS地圖上選擇需要查詢的行政區(qū)域的水資源狀況，鼠標點擊水系圖上任意圖層，則該圖層閃亮顯示，彈出一個窗口，顯示該圖層的屬性信息，為該區(qū)域的水資源狀況.實現查詢區(qū)域閃爍效果使用的是MapObjects組件的FlashShape()方法[12].

2.4 系統(tǒng)應用——以大連市為例

2.4.1 數據資料 根據大連市的社會、經濟和環(huán)境等因素，篩選出與水資源可持續(xù)利用和大連社會經濟發(fā)展有關的9個評價指標[13]進行評價:工業(yè)用水比例x1(%)，中水回用成本x2(106元)，外調水供水成本x3(106元)，地下水開發(fā)利用程度x4(%)，中水回用率x5(%)，污水處理率x6(%)，非傳統(tǒng)水源占總供水比例x7(%)，本地淡水資源利用率x8(%)，外調水量占總供水量比例x9(%).其中，外調水量占總供水量比例是外調水利用量／總供水量.考慮現在的成本有所提高，故將評價指標標準值x2、x3做了相應的調整.評價指標及各級標準值見表1.采用文獻[13]的有關數據，大連市2020年城鎮(zhèn)水資源優(yōu)化配置方案評價指標值如表2所示.

表1 指標分級標準值Tab.1 Index classification standard values

表2 大連市水資源配置方案評價指標值Tab.2 Water resources allocation plan evaluation index values in Dalian

采用文獻[13]的指標權重向量為

2.4.2 可變模糊評價子系統(tǒng)的實現 可變模糊評價子系統(tǒng)由方案參數輸入、指標分級標準值、指標相對隸屬度計算、指標權重、評價結果等系統(tǒng)菜單組成.評價時，在相應的對話框中輸入參數，即可得到該方案的評價結果(各種對話框略).

以方案1為例，通過可變模糊評價系統(tǒng)對其進行評價，最終將4組參數下的評價結果匯總，得出方案1的評價等級，如圖3所示.

圖3 評價結果匯總Fig.3 Integration of evaluation result

2.4.3 評價結果分析 應用可變模糊評價方法，采用可變模糊集中的4組模型分別對3套方案進行評判，評價結果見表3.

表3 大連市水資源優(yōu)化配置方案評價等級Tab.3 Rank of water resources optimizing allocation plans in Dalian

根據判斷準則式(5)，通過分析評價結果可知，3套方案的評價等級均為2級偏1級.但考慮到水資源系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，又考慮到在所選取的評價指標中有線性指標(例如中水回用成本等)，故采用α＝1，p＝1和α＝2，p＝1兩種參數組合的平均值作為最后的評價結果，如表4所示.由此可見，方案2的評價結果與其他方案相比較，相對于最優(yōu)級的隸屬度較高，故方案2的配置方案為最優(yōu)方案.

表4 兩種參數組合下的評價結果Tab.4 Evaluation result of two kinds of parameters combination

2.4.4 系統(tǒng)查詢

(1)菜單選擇查詢信息:通過菜單下拉項選擇查詢目標，圖4為指標值查詢.

(2)選擇GIS地圖查詢空間屬性:在GIS地圖上可以任意選擇需要查詢的行政區(qū)域的水資源狀況，點擊鼠標左鍵即可實現水資源狀況的空間屬性查詢.圖5為金州以南地區(qū)的空間屬性查詢.

圖4 指標值查詢Fig.4 Inquirement of index values

圖5 空間屬性查詢Fig.5 Inquirement of spatial attribute

3 結 語

利用可視化技術，以Windows系統(tǒng)為操作平臺，通過VC＋＋6.0中的MFC框架結合GIS技術，開發(fā)出了大連市水資源優(yōu)化配置方案評價可視化系統(tǒng).根據文獻[13、14]中的相關數據，系統(tǒng)實現了運用可變模糊集理論及模型對大連市城鎮(zhèn)水資源優(yōu)化配置方案的評價優(yōu)選，得出最優(yōu)方案.文獻[15]同樣說明了可變模糊集理論、模型與方法的科學性.實例表明，該系統(tǒng)運用于水資源優(yōu)化配置方案評價，具有復雜問題簡單化、計算方便快捷、人機界面交互性好的特點，為水資源優(yōu)化配置方案評價可視化提供了一個新平臺.

致謝:本文得到了陳守煜教授的悉心指導.

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