云南省河流污染源排查系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊美菊+龍華+李宇昊+邵玉斌+杜慶治+楊曉紅

摘要：為解決人工排查河流突發(fā)水污染事件排污企業(yè)名單時，工作效率低、可靠性差等問題，針對云南省河流數(shù)量龐大、分布廣的特點，基于BS模式，利用Java編程語言及DBSCAN聚類算法、WebGIS的富客戶端技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了云南省河流污染源排查系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)云南省內(nèi)6大水系干流及其一級支流和排污企業(yè)的信息化管理，并在發(fā)生水污染事件時及時排查出導(dǎo)致水污染事件發(fā)生的疑似企業(yè)名單，為環(huán)保部門分析及執(zhí)法提供決策依據(jù)，提高環(huán)保部門的工作效率。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：水污染；Java；排查系統(tǒng)；WebGIS

DOIDOI：10.11907/rjdk.171905

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011005804

0引言

環(huán)保部《2016年全國環(huán)境應(yīng)急管理工作要點》提出做實環(huán)境安全隱患排查治理監(jiān)管工作，各地環(huán)保部門要督促企業(yè)開展環(huán)境安全隱患排查治理，健全環(huán)境安全隱患治理制度，建立環(huán)境安全隱患排查治理檔案，深化重點領(lǐng)域環(huán)境應(yīng)急管理工作[1]。信息化手段是環(huán)境應(yīng)急管理的必要技術(shù)手段，各地環(huán)保部門只有通過信息化建設(shè)，充分掌控所管企業(yè)的涉污數(shù)據(jù)，才能有效地督促指導(dǎo)污染企業(yè)開展環(huán)境風(fēng)險評估，制定切實可行的預(yù)案并備案，從而及時防范并妥善應(yīng)對突發(fā)環(huán)境事件[2]。

由于沿河居民日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對河流水資源的依賴程度較高，因此提升水污染事件排查效率尤為重要[3]。云南水資源豐富，總量僅次于西藏、四川兩省區(qū)，居全國第3位。省境內(nèi)有大小河流600多條，其中水能資源蘊(yùn)藏量在1萬千瓦以上的有300條。然而，根據(jù)2016年云南省國家重點監(jiān)控企業(yè)名單顯示，云南省共有廢水國家重點監(jiān)控企業(yè)78家，廢氣國家重點監(jiān)控企業(yè)87家，污水處理廠國家重點監(jiān)控企業(yè)98家，涉污國家重點監(jiān)控企業(yè)256家，危險廢物國家重點監(jiān)控企業(yè)32家[4]。除此551家登記在國家重點監(jiān)控企業(yè)名單的企業(yè)外，還有許多企業(yè)存在排污。這些企業(yè)中的很大部分企業(yè)排污設(shè)施不完善，有些甚至直接將工業(yè)廢水直接排入附近河流。當(dāng)發(fā)生突發(fā)性水污染事件時，相關(guān)部門除了制定相關(guān)措施處理被污染水源外，還需要迅速定位污染排放企業(yè)，從源頭上迅速堵截污染，并對相關(guān)企業(yè)進(jìn)行追責(zé)。近年來，各級環(huán)保部門紛紛把制定突發(fā)性污染實踐應(yīng)急預(yù)案作為維護(hù)社會安全穩(wěn)定的主要措施[5]。因此，河流污染源排查系統(tǒng)設(shè)計在相關(guān)部門中的應(yīng)用尤為必要，可在很大程度上緩解手工排查污染企業(yè)費時費力的弊端。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1基于WebGIS的河流標(biāo)定

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)云南省河流與污染企業(yè)的電子地圖展示，以及污染源排查結(jié)果的地圖顯示。因WebGIS（Web Geographic Information System）在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢，可實現(xiàn)圖形、圖像、地理信息數(shù)據(jù)在空間框架下的動態(tài)鏈接，富客戶端技術(shù)又使得程序部署靈活且用戶交互性較強(qiáng)、用戶體驗豐富[67]。因此，系統(tǒng)調(diào)用高德地圖Javascript API（Javascript Application Programming Interface）接口進(jìn)行GIS顯示。然而，河流在電子地圖中展示需要已知一系列的點才能在地圖上進(jìn)行描繪。因此，需要先獲取河流上一系列點的坐標(biāo)。

河流可視為一條起伏的曲線。在此，本文給出關(guān)于河流拐點的定義，拐點即地圖在某一縮放級別時，描繪河流曲線上的轉(zhuǎn)折點。當(dāng)拐點附件折線段范圍無限小，則拐點就是極值點。假設(shè)將河流某一段抽象表示為二元函數(shù)表達(dá)式Z=f（lng，lat），其中l(wèi)ng和lat分別為點坐標(biāo)的經(jīng)度與緯度。則拐點為這一段中的極大值或者極小值，例如當(dāng)P0坐標(biāo)為（lng0，lat0）時使得Z=Zmin或者Z=Zmax，則P0點為拐點。

通過人工取點的方式從電子地圖中取得云南省6大水系干流及其一級支流拐點經(jīng)緯度數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中。

1.2污染源排查算法

污染源排查算法是污染源排查系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)中除了保存河流拐點信息，還將統(tǒng)計到的污染企業(yè)信息及其地理坐標(biāo)也存儲于數(shù)據(jù)庫中。在污染源排查過程中通過對比提交的污染源地理坐標(biāo)信息與數(shù)據(jù)庫中的河流及企業(yè)數(shù)據(jù)，找出污染來源上游的疑似排污企業(yè)，再根據(jù)污染源信息與企業(yè)排污成分對比和搜查范圍劃定最后的疑似排污企業(yè)名單。

檢索污染源位于哪條河流拐點附近時，先確定污染源所在簇，由簇序號在河流表中確定與污染源距離最近的拐點。通過該拐點向上游拐點追溯，由上游某一范圍內(nèi)的拐點依次調(diào)用距離計算函數(shù)求出距離河流上游指定距離企業(yè)名單，再通過污染成分篩查即可確定最終疑似企業(yè)名單。從地圖中取出的拐點數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度、緯度。在系統(tǒng)中為了加速污染定位排查速度，使用DBSCAN（DensityBased Spatial Clustering of Applications with Noise）聚類算法對河流拐點經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，基于簇的核心對象建立索引[8]。DBSCAN聚類算法的核心對象是給定對象在ε鄰域（搜索半徑）內(nèi)的樣本點數(shù)大于等于MinPts（最小點數(shù)）[9]。本文設(shè)置ε=0.1，MinPts=4，然后將得到的每個核心對象的坐標(biāo)范圍和所包含的對象ID存到數(shù)據(jù)庫表中。在數(shù)據(jù)庫中，河流表以【id |河流id |點序號 |經(jīng)度 |緯度 |所在簇序號】 的格式存儲。

例如，假設(shè)污染源P的坐標(biāo)為（Plng，Plat），集合 C={Ci，i=1，2，…}為河流拐點簇的集合，集合中的某個簇Ci={Pj，j=1，2，…}為部分拐點的集合。則距離污染源最近的河流拐點滿足以下兩個條件：

Cilngmin≤Plng≤Cilngmax

Cilatmin≤Plat≤Cilatmax（1）

Pjlng≤Plng≤Pj+1lng或Pj+1lng≤Plng≤Pjlngendprint

Pjlat≤Plat≤Pj+1lat或Pj+1lat≤Plat≤Pjlat（2）

其中，Plng和Plat分別為污染源的經(jīng)度與緯度；Cilngmin和Cilngmax為某個簇經(jīng)度的最大值和最小值；Cilatmin和Cilatmax為某個簇緯度的最大值和最小值；Pjlng和Pjlat分別表示所找到的簇中某一拐點的經(jīng)度與緯度。

此系統(tǒng)篩選出來的疑似排污名單可為環(huán)保部門工作人員提供走訪調(diào)查依據(jù)，大大節(jié)省人工排查污染企業(yè)的人力與物力投資，提高排查準(zhǔn)確性。污染源排查具體流程如圖1所示。

圖1污染源排查流程

2系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)以信息化手段支持對涉污企業(yè)的管控，提高管控的及時性和高效性。開發(fā)云南省河流污染源排查系統(tǒng)，通過建立云南省國家重點監(jiān)控涉污企業(yè)信息管理數(shù)據(jù)庫，以電子地圖的可視化方式，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析模型與技術(shù)，從地理空間、時間和污染關(guān)聯(lián)因素等多方面直觀展現(xiàn)云南省國家重點監(jiān)控涉污企業(yè)分布情況、企業(yè)基本信息和其特征污染因子等信息，并通過信息間的關(guān)聯(lián)檢索，快速篩查和鎖定污染企業(yè)，并將污染企業(yè)的基本情況和其特征污染因子以圖表形式展示，為水質(zhì)預(yù)警預(yù)報和應(yīng)急提供基礎(chǔ)資料。系統(tǒng)將完成以下7方面內(nèi)容：①設(shè)計涉污企業(yè)信息管理平臺硬件和軟件構(gòu)架；②實現(xiàn)涉污企業(yè)信息管理系統(tǒng)的服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建；③涉污企業(yè)監(jiān)管信息數(shù)據(jù)的采集和入庫，包括涉污企業(yè)基本數(shù)據(jù)、污染因子數(shù)據(jù)、主要污染物、數(shù)量等數(shù)據(jù)；④實現(xiàn)基于電子地圖的BS工作引擎，加載云南省電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)云南省6大水系及其一級、二級支流的地圖數(shù)據(jù)矢量化，并為其構(gòu)造相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，完成污染源水系的查詢和顯示；⑤完成對采集數(shù)據(jù)的多方位查詢應(yīng)用，并得出輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析；⑥基于GIS的可視化前臺應(yīng)用界面，實現(xiàn)基于電子地圖的污染源數(shù)據(jù)分析，并以圖表形式展示出分析結(jié)果；⑦數(shù)據(jù)后臺管理應(yīng)用界面，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的錄入和管理、用戶管理和安全管理等后臺功能。

圖2系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用軟件架構(gòu)設(shè)計分為7層：基礎(chǔ)軟件層即為服務(wù)器基礎(chǔ)平臺，包括操作系統(tǒng)、Web服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫軟件；數(shù)據(jù)層即基于MySQL數(shù)據(jù)庫的各種數(shù)據(jù)存儲，分為WebGIS數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)兩大類；在數(shù)據(jù)層之上，是為用戶提供數(shù)據(jù)查詢檢索、編輯錄入以及用戶管理等基本功能的基礎(chǔ)功能層，通過基礎(chǔ)功能層提供的功能模塊，形成業(yè)務(wù)應(yīng)用層上的各種業(yè)務(wù)組合，包括后臺維護(hù)應(yīng)用和基于GIS用戶界面的前臺業(yè)務(wù)應(yīng)用等；通信層即業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，用戶通過業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)以瀏覽器方式訪問Web服務(wù)器上的業(yè)務(wù)應(yīng)用，從而構(gòu)成業(yè)務(wù)應(yīng)用的軟件系統(tǒng)。

3系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

采用BS架構(gòu)，服務(wù)器由Web服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件構(gòu)成，用戶通過瀏覽器進(jìn)行交互，實現(xiàn)前臺業(yè)務(wù)應(yīng)用和后臺數(shù)據(jù)管理。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2010，Web服務(wù)器為Resin，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，應(yīng)用軟件采用Java和JSP編程實現(xiàn)。

3.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫可以存放企業(yè)、河流和用戶基本信息，系統(tǒng)中共建立了用戶表USER_LIST、權(quán)限表PERMISION_LIST、企業(yè)信息表COMPANY_INFO、河流表RIVER_LIST、污染物信息表POLLUTENT_INFO等 20張數(shù)據(jù)表。企業(yè)信息表的表結(jié)構(gòu)如表1所示。

3.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計實現(xiàn)

河流污染源排查系統(tǒng)用戶登錄后，主界面使用HTML

中的frameset標(biāo)簽設(shè)置頁面框架為頂部、左部和中部3個模塊。其中頂部顯示系統(tǒng)名稱、登錄用戶信息和重新登錄鏈接等信息，左部為導(dǎo)航欄，中部嵌套顯示左部導(dǎo)航欄中的頁面內(nèi)容，用戶點擊導(dǎo)航欄模塊，頁面局部刷新操作結(jié)果，使得操作者具有良好的用戶體驗。系統(tǒng)包含以下6個功能模塊：用戶管理、企業(yè)信息、河流信息、污染源排查、污染物信息、法律法規(guī)模塊。云南省河流污染源排查系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3云南省河流污染源排查系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）用戶管理模塊。用戶角色不同，該用戶在系統(tǒng)中能夠訪問的功能模塊則不同[10]。管理員可以添加、刪除、修改用戶，并分配用戶權(quán)限。權(quán)限分以下8種：參觀、業(yè)務(wù)操作、污染物管理、企業(yè)信息管理、地圖配置管理、用戶管理、權(quán)限分配、日志管理等權(quán)限。管理員根據(jù)用戶職能范圍給用戶分配具體權(quán)限，比如一般職員只有參觀者權(quán)限，即允許參觀瀏覽，但不能使用系統(tǒng)業(yè)務(wù)。此外，如管理員發(fā)現(xiàn)用戶操作異常，可在用戶管理中凍結(jié)用戶權(quán)限。

（2）企業(yè)信息模塊。在企業(yè)信息管理模塊，以列表的形式將企業(yè)信息展現(xiàn)給用戶。用戶和管理人員可以查詢、查看、添加、編輯、修改企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶可以依據(jù)企業(yè)名、地址或者類別查詢企業(yè)信息，并生成查詢結(jié)果報表以Excel表格形式導(dǎo)出；通過頁面上的地圖顯示操作按鈕，在地圖上查看該企業(yè)的具體位置；通過污染物管理操作按鈕，將企業(yè)排污種類更新到數(shù)據(jù)庫中。目前更新的污染物有：

（3）河流信息模塊。在河流信息管理模塊，河流信息以列表方式呈現(xiàn)，用戶可根據(jù)水系或者河流名稱查詢河流基本信息，如需查看具體河流的拐點或者位置信息，可點擊河流輔助編輯工具按鈕在地圖頁面通過輸入河流ID查看該河流在地圖上的具體位置。如發(fā)現(xiàn)河流拐點信息與地圖圖層上的河流有偏差，可拖動相應(yīng)拐點，之后以更新所有點標(biāo)記的方式更新拐點信息有誤的河流。因河流拐點信息數(shù)據(jù)為排查的基本數(shù)據(jù)，不能隨便更改，因此只有管理員或者具有地圖配置管理權(quán)限的用戶才能操作。

（4）污染源排查模塊。污染源排查模塊，在地圖上將所有污染企業(yè)以點標(biāo)記，河流以折線的方式將信息加以展示。用戶可以通過添加污染源、污染物及需要搜索的范圍（默認(rèn)值5 000m），提交后臺計算之后得到疑似企業(yè)信息。這些檢索出來的疑似排污企業(yè)以點標(biāo)記的形式展示在地圖上，并且河流上下游以污染源為分界線，標(biāo)記不同的顏色。執(zhí)法人員或決策分析人員將根據(jù)排查結(jié)果，對疑似企業(yè)進(jìn)行走訪調(diào)查。endprint

如圖4所示，在地圖上的信息框中添加污染源報告點，設(shè)置范圍為3 000m，污染物為鉛，提交后臺檢索得到3家疑似排污企業(yè)。點擊其中一個點標(biāo)記，可查看具體企業(yè)信息，如圖中所點擊查看的企業(yè)為“昆明市XX礦業(yè)有限公司”。

圖4污染源排查

（5）污染物信息模塊。該模塊以列表的方式展示涉污企業(yè)排放的所有污染物種類、排放標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)介紹。目前，系統(tǒng)中錄入的污染物有總磷、總氮、氨氮、銅、鎘、汞、砷等16種。如企業(yè)生產(chǎn)工藝改變或新增企業(yè)類型與現(xiàn)有類型都不同，需增加或刪除污染物類型時，執(zhí)法或者辦公人員可根據(jù)變更信息在頁面中添加、刪除或修改污染物信息并保存，以更新數(shù)據(jù)庫中的信息。

（6）法律法規(guī)模塊。該部分以列表的方式羅列了環(huán)保部門常用的法律法規(guī)，執(zhí)法或者辦公人員可以輸入關(guān)鍵詞檢索符合要求的法律法規(guī)，然后根據(jù)自己的需求查看某部法律法規(guī)的詳細(xì)信息，解決在執(zhí)法過程中遇到的問題。系統(tǒng)中使用jspSmartUpload上傳、下載組件，完成新增法律法規(guī)的上傳。如需補(bǔ)充新的法律法規(guī)，可以文本文檔形式或者直接將內(nèi)容粘貼到編輯框完成上傳更新。

4結(jié)語

本文以軟件工程設(shè)計思想為指導(dǎo)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，實現(xiàn)基于JSP和WebGIS的云南省河流污染源排查系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于B/S架構(gòu)的Web Service技術(shù)，同時融合了數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等最新前沿技術(shù)，實現(xiàn)了河流及污染企業(yè)管理信息化。一是結(jié)果顯示直觀，將WebGIS技術(shù)應(yīng)用于河流污染源排查，查找統(tǒng)計結(jié)果可直接在地圖上顯示，使用戶可以直觀看到排查結(jié)果；二是準(zhǔn)確性提高，通過后臺直接進(jìn)行經(jīng)緯度及距離運算，與人工比對企業(yè)及河流信息的方式相比，準(zhǔn)確性更高；三是工作效率提升，對比人工篩查方式，利用DBSCAN智能算法大大縮短了篩查時間，減少了人力物力投入，提升了相關(guān)部門的工作效率。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

[1]重慶市西南區(qū)環(huán)境保護(hù)局.2016年全國環(huán)境應(yīng)急管理工作要點[EB/OL].[20160331].http：//www.cqbnhb.gov.cn/Html/1/tzgg/20160331/2903.html.

[2]YIKANG RUI，DINGTAO SHEN，SHOAIB KHALID，et al.GISbased emergency response system for sudden water pollution accidents[J]. Physics and Chemistry of The Earth，2015（7982）：115121.

[3]彭程，吳華瑞，繆祎晟.村鎮(zhèn)河道水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2015，36（9）：25612566.

[4]中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部辦公廳文件.關(guān)于印發(fā)2016年國家重點監(jiān)控企業(yè)名單的通知[EB/OL].[201614].http：//www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201602/t20160204_329897.htm.

[5]趙艷民，秦延文，鄭丙輝，等.突發(fā)性水污染事故應(yīng)急健康風(fēng)險評價[J].中國環(huán)境科學(xué)，2014，34（5）：13281335.

[6]杜克明，褚金翔，孫忠富，等.WebGIS在農(nóng)業(yè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（4）：171178.

[7]徐小鈺，朱記偉，李占斌，等.國內(nèi)外突發(fā)性水污染事件研究綜述[J].中國農(nóng)村水利水電，2015（6）：15.

[8]董志.地理本體知識約束下的DBSCAN空間聚類算法及應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2016（2）：3337.

[9]安計勇，韓海英，侯效禮.一種改進(jìn)的DBscan聚類算法[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2015（7）：6871.

[10]張澤，雷光波.基于Java Web的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（2）：113115.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）endprint