北京巖溶水資源信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 院,許苗娟,趙 佳,黃昱琪,李小龍

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

北京巖溶水資源信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 院1,許苗娟1,趙 佳2,黃昱琪1,李小龍2

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

著重研究系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織和管理以及系統(tǒng)專業(yè)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)基于.NET平臺和ArcGIS二次開發(fā)而成，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的可視化管理及應(yīng)用。

巖溶水資源；信息系統(tǒng)；二次開發(fā)

0 引言

北京水資源短缺，供需矛盾突出。為尋找供水安全保障途徑，北京市開展了巖溶水資源勘查評價(jià)工程。巖溶水由于其含水介質(zhì)的特殊性，勘查工程投入的調(diào)查、勘探、試驗(yàn)等工作量巨大，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)多樣，為有效管理和應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，需要建立有效的數(shù)據(jù)組織和功能強(qiáng)大的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

北京巖溶水資源信息系統(tǒng)以管理和應(yīng)用北京市巖溶水勘察評價(jià)工程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)調(diào)查數(shù)據(jù)、勘察數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、地質(zhì)剖面圖、分析成果圖等多類型數(shù)據(jù)的入庫，瀏覽、查詢、水資源分析評價(jià)及三維地質(zhì)建模功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用C/S（客戶/服務(wù)器）體系架構(gòu).N ET Framework平臺開發(fā)，在Windows 7環(huán)境下，通過數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)訪問引擎層、業(yè)務(wù)邏輯組件層、應(yīng)用組件層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層的系統(tǒng)集成耦合，形成便于數(shù)據(jù)管理、專業(yè)分析，三維建模、成果發(fā)布的系統(tǒng)，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)遵守完備性、適用性等原則[1]，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為北京巖溶水資源數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)管理與服務(wù)子系統(tǒng)，巖溶水資源分析子系統(tǒng)、三維建模子系統(tǒng)、綜合展示子系統(tǒng)五部分。其中空間數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)庫引擎為各子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持和更新；數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)入庫界面實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)入庫和數(shù)據(jù)空間管理功能；分析系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)水資源評價(jià)、模擬預(yù)測等功能；三維地質(zhì)建模系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)北京巖溶區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模功能；成果綜合展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“北京巖溶水資源勘查評價(jià)工程”成果綜合展示功能。

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

北京巖溶水勘察評價(jià)工程數(shù)據(jù)來源包括：研究區(qū)以往的研究成果、水文、氣象等收集的文檔和數(shù)據(jù)；實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)，水位、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，遙感解譯、物探、鉆探等勘察數(shù)據(jù)；項(xiàng)目產(chǎn)生的成果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)種類包括：數(shù)據(jù)表、成果圖、收集的文檔以及成果文檔。根據(jù)其數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)種類將數(shù)據(jù)庫按邏輯劃分為：資料匯總庫和空間數(shù)據(jù)庫（圖2）。

圖2 北京巖溶水資源數(shù)據(jù)庫邏輯組成

資料匯總庫相當(dāng)于數(shù)據(jù)倉庫，包括所有收集的歷史數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫包括各類調(diào)查點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)、圖形成果數(shù)據(jù)、地質(zhì)模型數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫中各類調(diào)查數(shù)據(jù)表按照《區(qū)域地下水資源調(diào)查評價(jià)數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)》（DD2010-03）、《巖溶地區(qū)1：5萬水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)(1.1版)》（中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所2011年4月）進(jìn)行建設(shè)，制作數(shù)據(jù)表模版。各類調(diào)查點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)主要通過MS SQL Server 2008進(jìn)行組織及存儲；圖形成果按照ArcGIS支持的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲；地質(zhì)模型數(shù)據(jù)主要包括兩類模型數(shù)據(jù)，一種是三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型數(shù)據(jù)，一類是數(shù)值模型的成果數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的入庫校驗(yàn)，瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)、基礎(chǔ)圖表制作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、交換、數(shù)據(jù)管理等功能，能夠進(jìn)行圖形放大、縮小、全圖顯示等操作，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。資料匯總庫支持所有電子數(shù)據(jù)格式的入庫?？臻g數(shù)據(jù)庫中調(diào)查點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)需要按照數(shù)據(jù)模板入庫同時(shí)進(jìn)行完整性、規(guī)范性以及格式內(nèi)容等校驗(yàn)?；A(chǔ)圖表制作包括柱狀圖、曲線圖、鉆孔柱狀圖的制作，系統(tǒng)還提供MapGIS和ArcGIS文件格式轉(zhuǎn)換的工具使MapGIS格式的數(shù)據(jù)能夠存儲在系統(tǒng)中并可用于空間分析。

圖3 北京市數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)功能框架

3.3 巖溶水資源專業(yè)分析系統(tǒng)

巖溶水資源專業(yè)分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)巖溶水的資源評價(jià)和模擬預(yù)測功能。系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將需要檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸入，選擇檢驗(yàn)條件，形成正態(tài)分布圖，判斷離群值，從而選擇出符合要求、用于專業(yè)分析的數(shù)據(jù)。專業(yè)圖表制作主要根據(jù)不同的差值方法繪制不同等值線圖或者分區(qū)圖。專業(yè)分析功能主要進(jìn)行巖溶水資源評價(jià)，采用的方法可以是水均衡法、泉水動態(tài)分析法、抽水試驗(yàn)法等。系統(tǒng)集成了一些專業(yè)模型如：動態(tài)變化相關(guān)分析模型、脆弱性評價(jià)模型、巖溶區(qū)水流數(shù)值模型。通過系統(tǒng)可展示或運(yùn)行其他專業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與其他專業(yè)模型的無縫鏈接，系統(tǒng)功能框架如圖4。

圖4 巖溶水資源專業(yè)分析系統(tǒng)功能框架

3.4 三維地質(zhì)建模系統(tǒng)

三維地質(zhì)建模系統(tǒng)主要提供建模的窗口，包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理及建模操作。系統(tǒng)提供多種建模方式有剖面建模、鉆孔建模、鉆孔與剖面聯(lián)合建模等。將鉆孔數(shù)據(jù)、剖面數(shù)據(jù)處理成符合三維建模系統(tǒng)格式要求的數(shù)據(jù)，進(jìn)入建模系統(tǒng)中，選擇建模方法，按照建模操作流程實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型建設(shè)。三維地質(zhì)模型可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，如模型的可視化（線框圖、顏色渲染、紋理渲染、地質(zhì)體透視、地下漫游等）和分析（表面積、體積計(jì)算、切割、切片、柵欄圖制作、開挖、推進(jìn)等）。

3.5 綜合展示系統(tǒng)

綜合展示系統(tǒng)是獲取巖溶水勘查評價(jià)項(xiàng)目概況和成果的窗口，提供成果數(shù)據(jù)的信息查詢、檢索、展示等功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

組件式技術(shù)具有開發(fā)、更新、維護(hù)方便靈活的特點(diǎn)，是地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)的主要模式[2-5]。ArcGIS具有強(qiáng)大的地圖制作、空間分析能力，同時(shí)ArcGIS Engine開發(fā)包提供多種開發(fā)的接口，是專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)二次開發(fā)的首選。Creatar是北京超維創(chuàng)想公司研發(fā)的真三維地學(xué)軟件，具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性，便于二次開發(fā)，為三維建模子系統(tǒng)的開發(fā)提供基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)采用.NET平臺進(jìn)行部署，.NET Framework系統(tǒng)架構(gòu)的底層是內(nèi)存管理和組件加載層，最高層提供了顯示用戶和程序界面。系統(tǒng)應(yīng)用組件在ArcGIS、Creatar基礎(chǔ)上二次開發(fā)，最后通過數(shù)據(jù)接口規(guī)范將巖溶水資源數(shù)據(jù)庫和4個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)集成，同時(shí)設(shè)計(jì)友好的用戶界面，形成便于用戶操作的系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺及應(yīng)用環(huán)境

（1）開發(fā)環(huán)境

主要開發(fā)環(huán)境：VS2010

主要開發(fā)語言：C#、.NET Framework版本：3.5

二次開發(fā)包：Arc Engine10.0、Creatar

（2）應(yīng)用環(huán)境

硬件環(huán)境

服務(wù)器配置：IBM System x3850 X5(7143i19)，硬盤6塊600G硬盤。

客戶端配置：CPU Intel core i2以上，內(nèi)存1G，網(wǎng)絡(luò)適配器。

軟件環(huán)境

服務(wù)器端操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，數(shù)據(jù)庫為MS SQL Server 2008。

客戶端操作系統(tǒng)為Windows 7，安裝Creatar、ArcGIS10、mapgis67環(huán)境。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)經(jīng)開發(fā)、集成，形成便于用戶操作的應(yīng)用系統(tǒng)，最大限度滿足了用戶需求?？蛇M(jìn)行數(shù)據(jù)管理、成果綜合展示、巖溶水資源評價(jià)、巖溶水水質(zhì)綜合評價(jià)、三維建模等多方面內(nèi)容，如圖5所示。

5 結(jié)語

北京巖溶水信息系統(tǒng)能夠高效存儲和處理、分析龐大的數(shù)據(jù)量，同時(shí)具有專業(yè)分析和三維建模功能，為巖溶水專業(yè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和管理提供了便捷的操作平臺。系統(tǒng)開發(fā)采用在已有GIS軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，縮短開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與其他專業(yè)模型的無縫連接，體現(xiàn)了系統(tǒng)的完整性和先進(jìn)性，也是系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。隨著系統(tǒng)開發(fā)集成技術(shù)的日漸成熟，地下水信息系統(tǒng)建設(shè)也會日臻完善，系統(tǒng)建設(shè)將逐漸走向系統(tǒng)化和開放化，重復(fù)開發(fā)工作減少，系統(tǒng)利用率將逐步提高。

[1]陳正江，湯國安，任曉東.地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].科學(xué)出版社，北京2005.2.

[2]魏加華,王光謙 ,李慈君.GIS 在地下水研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)2003，2：94～98.

[3]魏加華，王光謙，李慈君等. 地下水地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，水利學(xué)報(bào)，2003.11(11):59～63.

[4]諸云強(qiáng),宮輝力,趙文吉等. 基于組件技術(shù)的地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)- 以地下水資源空間分析系統(tǒng)為例[J].地理與地理信息科學(xué). 2003 ,19(1):l6～19.

[5]陳 剛,陳植華,李門樓. 基于GIS 的水資源管理信息系統(tǒng)[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),1998 ,6 :4～6.

The Design and Application of Beijing Karst Water Resources Information System

ZHANG Yuan1, XU Miaojuan1, ZHAO Jia2, HUANG Yuqi1, LI Xiaolong2

（1.Beijing Institute of Geological Engineering Investigation, Beijing 100195；2.Beijing Geology Prospecting and Developing Bureau, Beijing 100195）

This arctic focuses on the system overall structure, data organization and management and professional function of the system design and realization. The system is secondary developed base on NET platform and ArcGIS software. Ultimately the informatization and visualization of engineering data management are realized.

The karst water resources; Information systems; Secondary development

TP319

A

1007-1903（2013）03-0045-05