綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

周 維，張 凱，張麗娟

(成都華興眾智工程項目管理咨詢有限公司，四川成都 610047)

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綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

周 維，張 凱，張麗娟

(成都華興眾智工程項目管理咨詢有限公司，四川成都 610047)

著重介紹了基于ArcEngine平臺的綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程；對設計系統(tǒng)的原因、系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵問題以及系統(tǒng)的關鍵功能進行了詳細闡述，其中對綠地雨水的過程模擬模型進行了重點研究；探討了使用組件技術構建GIS系統(tǒng)的技術方法及取得的實際應用效果。

綠地雨水；生態(tài)管理；ArcEngine；設計；實現(xiàn)

近年來，快速發(fā)展的城市化與氣候變化使得城市暴雨呈上升趨勢。由于國內很多城市特別是大城市所處地勢較低，加之市政排水設施標準相對偏低，汛期若突降暴雨常造成城市內澇。發(fā)達國家從20世紀60年代起開始研制滿足城市排水、防洪、環(huán)境治理等方面要求的城市雨洪模型，其中應用較廣泛的為城市雨洪管理模型SWMM[1-4]，其可對徑流水量水質進行單一事件或連續(xù)模擬，已被廣泛應用于解決城市排水及環(huán)境整治等問題[5-7]。SWMM模型是一個開源軟件，利于二次開發(fā)[8-10]。筆者以該模型為基礎，在GIS平臺下構建了城市綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠對城市綠地雨水參數(shù)進行實時動態(tài)監(jiān)測，還可以進行雨水的水文模擬，對城市綠地雨水的智能化管理具有重要的現(xiàn)實意義，可為相關部門及時處置城市內澇提供技術支持和決策依據(jù)。

1　總體設計

綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)設計的基本思想是以綠地雨水數(shù)據(jù)為基礎，以城市雨水智能控制的應用服務為導向，以多源、多主題數(shù)據(jù)的管理為核心，綜合運用數(shù)據(jù)存儲技術、數(shù)據(jù)庫技術、GIS技術等先進技術，采用面向對象的方法和“高內聚，低耦合”的設計思想對系統(tǒng)進行開發(fā)。該設計應遵循以下原則：一是以綠地雨水實測數(shù)據(jù)作為管理系統(tǒng)設計的基礎；二是以數(shù)據(jù)分析作為綠地雨水數(shù)據(jù)管理和設計的核心；三是以綠地雨水數(shù)據(jù)的應用作為系統(tǒng)功能設計的出發(fā)點。

1.1技術架構

1.1.1體系結構和總體框架。根據(jù)分層的結構思想，該系統(tǒng)采用靈活的多層體系結構，包括數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問層、組件層和應用層，其C/S架構如圖1所示。整個系統(tǒng)是依據(jù)相關標準和管理規(guī)范進行建設，并依據(jù)相應的數(shù)據(jù)管理策略和信息安全體系而構建，與存儲設備、存儲管理軟件結合，并在存儲設備上建立此綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)，最終為用戶提供相應的服務。綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

1.1.2開發(fā)策略。系統(tǒng)采用.NET技術，開發(fā)過程采用反復增量模型，使用Microsoft Visual Studio.NET 2012作為開發(fā)工具，同時采用Developer Express Inc.公司的.Net系列組件實現(xiàn)界面框架的開發(fā)，利用ESRI公司提供的ArcGIS Engine和ArcSDE專用開發(fā)包提供的強大功能的COM組件構建滿足業(yè)務功能需求的集成化數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)C/S層次構架Fig.1　Framework of system C/S layer

圖2　系統(tǒng)總體架構Fig.2　System general structure

1.2關鍵技術

1.2.1系統(tǒng)算法。綠地雨水水文模擬采用分布式水文流程，通過GIS的模塊構建功能并利用C#編程語言實現(xiàn)，具體如圖3所示。模型中出現(xiàn)的點狀數(shù)據(jù)主要應用克里格插值法來實現(xiàn)面狀區(qū)域的構建；出現(xiàn)的面狀數(shù)據(jù)主要應用轉換功能，按屬性將其轉化為統(tǒng)一大小的柵格；管網(wǎng)數(shù)據(jù)將利用矢量功能將其做成網(wǎng)絡結構。

圖3　綠地雨水模擬系統(tǒng)流程Fig.3　Flow of greenland rain simulation system

1.2.2雨水數(shù)據(jù)接收接口。第三方的雨水數(shù)據(jù)接收可通過與第三方達成統(tǒng)一意見形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式規(guī)范。綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)中設計了獨立的數(shù)據(jù)監(jiān)聽接口，可24 h監(jiān)聽數(shù)據(jù)的接收，并對數(shù)據(jù)進行解析和入庫，保證數(shù)據(jù)可穩(wěn)定讀取和寫入。

2　數(shù)據(jù)庫設計

綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要是對城市綠地雨水相關的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。其需要管理和存儲的數(shù)據(jù)不僅包括水文實測數(shù)據(jù)，而且還包括矢量地圖、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)和系統(tǒng)維護數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)主要有3種：基礎地理數(shù)據(jù)、綠地雨水模擬數(shù)據(jù)和系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)?；A地理信息數(shù)據(jù)主要用于對分析后的柵格和矢量數(shù)據(jù)進行疊加分析并以此制圖，進而以豐富的圖形方式表達分析結果。基礎地理信息數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　基礎地理信息數(shù)據(jù)

雨水模擬是綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的核心部分。依據(jù)GIS技術對矢量或柵格數(shù)據(jù)進行運算和分析，所有的空間數(shù)據(jù)均必須進行歸一化處理，處理的數(shù)據(jù)必須完全符合ArcGIS GeoDatabase數(shù)據(jù)模型。雨水模擬主要涉及到的空間數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　雨水模擬空間數(shù)據(jù)

綠地雨水屬性數(shù)據(jù)主要用于維持系統(tǒng)的正常運行，其主要涉及用戶數(shù)據(jù)、權限、軟件配置參數(shù)等，屬性數(shù)據(jù)主要涉及的參數(shù)如表3所示。

表3　系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)

3　接口設計

3.1系統(tǒng)界面設計系統(tǒng)的用戶界面就是各模塊之間與界面的劃分，它可使不同功能模塊之間的接口、通訊、信息規(guī)范化、標準化，以便相互之間能“對話”或者具有互操作性。該系統(tǒng)的界面設計包括登錄界面和主界面。在登錄界面中，用戶需要輸入用戶名和密碼方可進入系統(tǒng)的主界面。在主界面中，通過各功能板塊的設計，將各個模塊集成在一起。

3.2系統(tǒng)接口設計各個模塊之間的軟件功能并不是相互獨立的，而是彼此之間有許多共同的部分。各模塊之間軟件的界面需考慮到系統(tǒng)中模塊之間的聯(lián)系和獨立，做到不同模塊之間的代碼共享，使設計的界面簡潔明了且功能完備。系統(tǒng)的內部接口如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)內部接口示意Fig.4　Schematic diagram of system internal interface

系統(tǒng)的外部接口有打印機、繪圖儀、終端工作站等，它們將數(shù)據(jù)通過標準接口的通訊方式向外傳輸，因此模塊應用軟件必須有一套與此相適應的接口界面軟件。從系統(tǒng)功能角度看，系統(tǒng)需充分考慮系統(tǒng)用戶的專業(yè)背景以及使用的方便性與操作的高效性。系統(tǒng)要做到界面友好則需采用符合工作習慣的鍵盤和鼠標操作方式。用戶只需簡單培訓后就能完全掌握該系統(tǒng)的操作。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的模擬試驗，需要實時接收雨水數(shù)據(jù)，并將接收到的雨水數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，以保證系統(tǒng)在模擬運行時有數(shù)據(jù)可以使用。該系統(tǒng)主要通過通用文件讀取的方式進行數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)接受流程如圖5所示。

圖5　雨水數(shù)據(jù)接收模塊工作示意Fig.5　Working diagram of rain data receiving module

4　功能設計

根據(jù)系統(tǒng)實際用途，將綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的功能模塊主要分為6個部分：基礎操作模塊、綠地雨水接收、綠地雨水監(jiān)測、綠地雨水管理、綠地雨水模擬和綠地雨水設計。

4.1基礎操作模塊該模塊主要是進行一些基礎性的操作，包括放大、縮小、平移、后退、全圖、計算面積、計算長度、鷹眼窗口、圖層設置等。

4.2綠地雨水接收雨水數(shù)據(jù)接收為一個單獨模塊，隨計算機運行而運行，可時刻監(jiān)聽數(shù)據(jù)。其一旦接收到雨水數(shù)據(jù)會立刻解析數(shù)據(jù)，并將符合數(shù)據(jù)庫需要的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)使用。

4.3綠地雨水監(jiān)測該模塊主要設計了降雨量實時顯示，降雨量相關數(shù)據(jù)的查看，數(shù)據(jù)的輸出及對各個時間點的降雨量按照年、月、日等時間節(jié)點進行統(tǒng)計圖顯示。依據(jù)各個觀測點的經(jīng)緯度和降雨量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的插值算法(IDW、Spline、克里金)分析特定區(qū)域的平均降雨量。

4.4綠地雨水模擬該模塊包括雨水模擬所需數(shù)據(jù)的加載、降雨參數(shù)的輸入、排水網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的加載、綠地設計數(shù)據(jù)的加載、執(zhí)行模擬、數(shù)據(jù)輸出以及結果數(shù)據(jù)查看。

4.5綠地雨水設計該模塊可根據(jù)輸入的分析區(qū)域自動提取該區(qū)域內需進行綠地設計的區(qū)域，并自動生成相匹配的屬性字段。綠地編輯控制主要包括開始編輯、保存編輯、結束編輯、回退、前進等控制?！伴_始編輯”開關打開后才可以對綠地進行勾畫處理；“前進”是執(zhí)行上一步操作；“回退”是放棄當前操作；“保存編輯”是保存當前操作；“結束編輯”是退出綠地類型設計。

4.6綠地雨水管理該模塊包括對系統(tǒng)中的工程進行管理、對綠地設計圖層的管理、排水網(wǎng)絡圖層的管理、降雨量數(shù)據(jù)的管理、模擬結果數(shù)據(jù)的管理、區(qū)域水管理以及系統(tǒng)的總體管理。系統(tǒng)管理是提供給系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)進行維護和管理操作的，主要功能有用戶管理、權限管理、系統(tǒng)日志管理和數(shù)據(jù)字典管理等。系統(tǒng)管理保證系統(tǒng)的安全性和正常運行。

5　結論與討論

該研究所構建的綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)城市綠地雨水的智能一體化管理。但該系統(tǒng)也有不足之處，主要問題有2個方面：一是對于研究區(qū)域的地下管道排水設施等的考慮不足；二是雨水水文模擬需要各種參數(shù)的調整，目前缺乏實際的試驗。在下一步研究中，將對存在的問題進行完善與改進，促使其在城市綠地雨水的管理中發(fā)揮更實際、更準確的作用。

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Design and Implementation of Rainwater and Ecology Management System

ZHOU Wei,ZHANG Kai,ZHANG Li-juan

(Chengdu Huaxing Zhongzhi Engineering Consulting Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610047)

The design and implementation of the rainwater and ecology management system were mainly introduced based on ArcEngine platform.The reasons for the design system,the key issues of the system implementation and the key functions of the system were described in detail.The simulation of rainwater’s flowing in greenland was studied,and the method of constructing GIS system by using component technology was discussed.As a result,a good and practical application effect was obtained.

Rainwater in greenland;Ecological management;ArcEngine;Design;Implementation

四川省科技支撐計劃項目(2014SZ0144-03)。

周維(1980- )，男，四川成都人，高級工程師，從事生態(tài)環(huán)境保護研究。

2016-07-11

S 27

A

0517-6611(2016)25-230-03