沈陽市地下水資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理示范系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

馮 琳

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

1 背景及意義

水是人類生存發(fā)展的必備資源，地下水作為重要水源，在人類生活社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。地下水監(jiān)測(cè)是地下水規(guī)范管理和水資源優(yōu)化配置調(diào)度的重要基礎(chǔ)工作。如何及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握地下水時(shí)空變化規(guī)律，是每一位水資源管理者需要面對(duì)的一項(xiàng)重要課題。“沈陽市地下水資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理示范系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”作為沈陽市公益性研究及科技服務(wù)專項(xiàng)項(xiàng)目，便是在這一迫切需求背景下啟動(dòng)的。本研究充分結(jié)合實(shí)際需求，合理整合自動(dòng)化采集資源，研發(fā)了專業(yè)分析模型，對(duì)地下水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的挖掘，解決了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果

本研究在充分進(jìn)行業(yè)務(wù)需求分析、數(shù)據(jù)流分析和軟件開發(fā)構(gòu)架模式分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要成果如下：

(1)系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)采用生命周期法和原型法相結(jié)合模式，系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)架采用C/S與B/S相結(jié)合模式。數(shù)據(jù)采集接口、專業(yè)分析評(píng)價(jià)模型部分采用C/S模式(采用VB開發(fā))，成果發(fā)布功能采用B/S模式(采用JAVA開發(fā))。數(shù)據(jù)庫(kù)采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER管理系統(tǒng)開發(fā)。

(2)數(shù)據(jù)流分析

系統(tǒng)是以地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和綜合分析所需其他相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以水資源管理專業(yè)業(yè)務(wù)涉及各級(jí)別用戶的需求為核心，以局域?qū)＞W(wǎng)和internet公網(wǎng)為平臺(tái)，為各級(jí)管理、工作人員提供常態(tài)化業(yè)務(wù)工作和專業(yè)分析支持與息化服務(wù)，數(shù)據(jù)流如圖1所示。

(3)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

通過數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、開發(fā)及相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全、高效和優(yōu)化。通過系統(tǒng)功能的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和原始參數(shù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、批量導(dǎo)入和交互錄入。

(4)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用矢量概化圖和3DGIS聯(lián)動(dòng)模式，結(jié)合菜單和圖形化工具欄導(dǎo)航，構(gòu)建可視化、易操作的優(yōu)化交互平臺(tái)。

(5)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在進(jìn)行充分的工作需求分析的基礎(chǔ)上，通過定制開發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)管理工作所需的各項(xiàng)支持功能，主體功能包括：數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)查詢管理、數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)整編管理、成果發(fā)布管理等其他功能。另外，通過對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行用戶權(quán)限定制實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)別用戶的全方位工作支持，系統(tǒng)功能見表1。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖(E-R圖)

序號(hào)分項(xiàng)功能編號(hào)子功能一二三四五六數(shù)據(jù)采集管理數(shù)據(jù)庫(kù)管理數(shù)據(jù)查詢管理專業(yè)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)整編管理其他1采集接口模塊2歷史數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入3人工錄入4參數(shù)設(shè)置5數(shù)據(jù)表維護(hù)(記錄添加、刪除、修改)6數(shù)據(jù)備份7數(shù)據(jù)恢復(fù)8數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)優(yōu)化9歷史數(shù)據(jù)綜合查詢10數(shù)據(jù)表形式實(shí)時(shí)查詢11概化圖形式實(shí)時(shí)查詢12GIS空間查詢13報(bào)表統(tǒng)計(jì)14統(tǒng)計(jì)圖15等值線分析16相關(guān)分析17三級(jí)實(shí)時(shí)告警(數(shù)據(jù)異常、超差異常、超限異常)18趨勢(shì)預(yù)警(短期趨勢(shì)異常、長(zhǎng)期規(guī)律異常)19綜合評(píng)價(jià)(灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊綜合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法)20～24日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表、自定義時(shí)段報(bào)表、自定義格式報(bào)表25～29成果web發(fā)布、系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、系統(tǒng)介紹、使用幫助

3 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)成果

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口開發(fā)

研發(fā)了基于硬件和軟件兩種接口形式。硬件接口形式是通過開發(fā)采集接口協(xié)議模塊，從前端采集設(shè)備直接接入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本成果開發(fā)的轉(zhuǎn)換協(xié)議模塊包括：RS485-串口(RS232)、RS485-網(wǎng)口(RJ45)、串口(RS232)-網(wǎng)口(RJ45)，具體采集中只需設(shè)置采集參數(shù)即可。軟件接口形式，主要是從采集硬件系統(tǒng)外部獲取數(shù)據(jù)?？梢杂行Ы鉀Q不同采集自動(dòng)化系統(tǒng)硬件接口問題。成果可支持三種導(dǎo)入模式，手工錄入模式、格式報(bào)表批量導(dǎo)入模式(TXT、execl文本)和數(shù)據(jù)庫(kù)接口批量導(dǎo)入模式，支持所有關(guān)系型數(shù)據(jù)，支持周期人工導(dǎo)入和觸發(fā)器實(shí)時(shí)同步兩種方式。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL server系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，課題組設(shè)計(jì)研發(fā)了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。包括4類：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)站屬性庫(kù)、基本參數(shù)庫(kù)，均采用SQL語言通過代碼編程方式實(shí)現(xiàn)，后期推廣應(yīng)用只需根據(jù)需求利用程序生成數(shù)據(jù)庫(kù)表，無需重新開發(fā)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括：地下水位、水溫、水質(zhì)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獨(dú)立成表，便于擴(kuò)展。

3.3 系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了邏輯概化圖、屬性數(shù)據(jù)、GOOGLE earth三位一體的聯(lián)動(dòng)的操作模式，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果，其界面如圖2所示。其中概化圖功能采用了矢量化動(dòng)態(tài)生成技術(shù)，可通過人工拖拽和編輯的方式維護(hù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，將水資源專業(yè)人員從負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和代碼操作模式解放出來。在操作過程中，用戶只需單擊形象的概化圖即可在地圖區(qū)實(shí)現(xiàn)快速飛行定位，在屬性區(qū)動(dòng)態(tài)切換到該測(cè)站的基本屬性、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和過程曲線。同時(shí)點(diǎn)擊屬性欄和地圖中相應(yīng)的測(cè)站也可以實(shí)現(xiàn)其他兩個(gè)工作區(qū)的同步切換，所有功能具有極強(qiáng)的可操作性、友好性和便捷性。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)界面圖

3.4 概化圖查詢

該功能實(shí)現(xiàn)了概化圖和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表同步實(shí)時(shí)顯示功能，如圖3所示，可直觀快速的獲取用戶關(guān)心的監(jiān)測(cè)信息，并支持一鍵發(fā)布功能。本功能創(chuàng)新之處在于可動(dòng)態(tài)生成概化圖，通過開發(fā)CreateDatabasePage功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)站信息自動(dòng)生成概化圖，同時(shí)根據(jù)用戶的時(shí)間要求從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成概化圖數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)表。

圖3 概化圖查詢功能界面圖

3.5 本地化3DGIS空間查詢

本地化3DGIS空間查詢功能采用Google Earth ActiveX二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)可以充分利用Google的基礎(chǔ)地理資源數(shù)據(jù)，所有用戶信息和監(jiān)測(cè)地標(biāo)數(shù)據(jù)采用kml文件形式進(jìn)行管理，并利用二次開發(fā)方式動(dòng)態(tài)加載到gis圖層中，最終實(shí)現(xiàn)本地化Google Earth的應(yīng)用效果。另外，本成果還采用了定制緩存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Google Earth空間資源數(shù)據(jù)的本地化管理，在實(shí)際應(yīng)用中通過接入internet網(wǎng)，可實(shí)時(shí)加載地圖信息，若無法上網(wǎng)可自動(dòng)加載預(yù)存到緩存文件中的基礎(chǔ)地圖資源信息。通過該方法解決了傳統(tǒng)3D GIS系統(tǒng)需要定制大量空間基礎(chǔ)信息和需要圖形工作站和空間屬性數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器支持的開發(fā)和應(yīng)用模式。極大的提高了3D GIS系統(tǒng)的開發(fā)效率和應(yīng)用體驗(yàn)效果。本地化3DGIS疊加等值線分析成果如圖4所示。

另外，本研究采用定制開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)分布采用距離加權(quán)法模型和克立格法進(jìn)行網(wǎng)格化內(nèi)插計(jì)算，并形成等值線數(shù)據(jù)，生成kml文件，可利用Google Earth二次開發(fā)技術(shù)加載到3DGIS系統(tǒng)圖層中，取得良好的結(jié)合效果。

圖4 本地化3DGIS疊加等值線分析成果圖

3.6 綜合評(píng)價(jià)模型開發(fā)

綜合評(píng)價(jià)模型是系統(tǒng)的主要功能，研究成果對(duì)模型的輸入、計(jì)算、輸出、成果管理進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件支持與數(shù)據(jù)庫(kù)支持。成果主要支持模型包括：灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)模型、模糊綜合評(píng)價(jià)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系建立、指標(biāo)權(quán)重分析、模型庫(kù)管理、綜合趨勢(shì)分析等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行定制開發(fā)，形成工具包。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 綜合評(píng)價(jià)功能結(jié)構(gòu)圖

通過上述專項(xiàng)功能模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了地下水狀態(tài)的綜合趨勢(shì)分析功能，通過分析可計(jì)算出相對(duì)于某一評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)的量化評(píng)價(jià)成果值，通過長(zhǎng)序列分析，便可繪制出根據(jù)評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)狀態(tài)趨勢(shì)變化曲線，從而輔助管理者掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的總體狀態(tài)。研發(fā)成果如圖6所示。

圖6 綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用成果圖

4 結(jié)語

本系統(tǒng)面向沈陽市地下水資

源管理工作需求，充分運(yùn)行現(xiàn)代信息技術(shù)研發(fā)的示范系統(tǒng)，通過在沈陽市的示范應(yīng)用取得了良好的效果。主要特點(diǎn)：

(1)基于邏輯概化圖、屬性數(shù)據(jù)、GOOGLE earth的三位聯(lián)動(dòng)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了全拖拉式互動(dòng)操作，具有良好的便利性和友好性。

(2)系統(tǒng)采用的空間數(shù)據(jù)緩存管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了GOOGLE earth數(shù)據(jù)本地化，擺脫了常規(guī)第三方GIS系統(tǒng)(如Arcgis系列、Mapinfo系列等)需要空間數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和本地?cái)?shù)據(jù)支持的模式。

(3)通用型評(píng)價(jià)體系構(gòu)建支持系統(tǒng)，可支持在線生成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、專家打分、一致性檢驗(yàn)和權(quán)重計(jì)算功能，結(jié)合沈陽市節(jié)水型城市建設(shè)目標(biāo)研究制定了與之相結(jié)合的地下水資源評(píng)價(jià)體系指標(biāo)，研發(fā)了模糊綜合評(píng)價(jià)和灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)聯(lián)動(dòng)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了地下水綜合狀態(tài)的趨勢(shì)分析。

(4)本成果具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，成果的應(yīng)用可有效提高管理者的工作效率，節(jié)省人力物力，提高數(shù)據(jù)分析的及時(shí)性、規(guī)范性。應(yīng)用開源免費(fèi)的GoogleEearth API技術(shù)和本地空間數(shù)據(jù)緩存管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)良好3DGIS互動(dòng)效果的同時(shí)，節(jié)約了大量的專業(yè)地理信息系統(tǒng)組件采購(gòu)和空間基本信息處理費(fèi)用，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

[1] 董海天. 關(guān)于“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(02): 22- 24.

[2] 王永亮. 新時(shí)期3S技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)中的作用初探[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017(01): 30- 31+137.

[3] 武建, 金幫琳, 張小青, 等. 水利信息化技術(shù)在灌區(qū)節(jié)水灌溉工程中的應(yīng)用分析[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(01): 63- 64+75.

[4] 劉梅, 閆健卓, 于涌川. 北京“智慧水務(wù)”框架下的數(shù)據(jù)資源體系研究[J]. 水利信息化, 2014(04): 5- 10.

[5] 吳慶林. 信息技術(shù)在水利工程建設(shè)管理中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2014(07): 8- 10.

[6] 張弛. 基于Surfer軟件的地形圖快速繪制方法[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2009(03): 41- 43.

[7] 劉月. 山東省典型地下水源地水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)研究[D]. 山東大學(xué), 2016.

[8] 楊建青, 章樹安, 陳喜, 等. 國(guó)內(nèi)外地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理比較研究[J]. 水文, 2013, 33(03): 18- 24.

[9] 高飛. 天坪寨隧道地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息的應(yīng)用研究[D]. 西南交通大學(xué), 2013.

[10] 戴長(zhǎng)雷, 遲寶明, 林嵐, 等. 基于GIS的地下水監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)(GMSMIS)分析與設(shè)計(jì)[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2005(06): 625- 629.