基于GIS的智慧河湖管理信息系統(tǒng)研究

莊寶慶，謝錫剛，朱海，華敏偉

（1.無錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無錫 214000；2.無錫錫東新城商務(wù)區(qū)開發(fā)建設(shè)管理中心，江蘇 無錫 214000）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)河湖健康評(píng)估取得了優(yōu)異成績(jī)，國(guó)外大部分發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)河湖生態(tài)健康概念提出了較多的評(píng)估指標(biāo)體系，而國(guó)內(nèi)學(xué)者也針對(duì)黃河長(zhǎng)江等主要河流湖泊提出了相對(duì)應(yīng)的健康評(píng)估體系。由于河湖健康評(píng)估指標(biāo)因子的數(shù)量較多，實(shí)踐計(jì)算操作也較為復(fù)雜，所以科研學(xué)者開始利用信息技術(shù)手段進(jìn)行處理。GIS技術(shù)作為近年來最常用的現(xiàn)代化信息技術(shù)，不僅在處理大規(guī)模且復(fù)雜化的數(shù)據(jù)信息中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，還可以利用圖形界面直觀呈現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 需求分析

基于GIS的智慧河湖管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究主要是用來評(píng)估河流健康，這項(xiàng)工作是指融合了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性事務(wù)，在實(shí)踐發(fā)展中需要遵守真實(shí)性和客觀性的原則，并選用科學(xué)且規(guī)范的理論方法，而后從工程學(xué)實(shí)踐角度對(duì)各個(gè)區(qū)域的河湖健康進(jìn)行完善評(píng)估與分析[1]。由于管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含內(nèi)容較多，實(shí)踐數(shù)據(jù)類型過于復(fù)雜，在實(shí)踐發(fā)展中具有動(dòng)態(tài)變化性，所以在設(shè)計(jì)研究系統(tǒng)之前需要考慮以下幾點(diǎn)問題：

第一，智慧河湖管理信息系統(tǒng)應(yīng)用分析需要考慮觀測(cè)站、水文局等單位機(jī)構(gòu)，他們?cè)趯?shí)踐發(fā)展中都會(huì)儲(chǔ)備與自身業(yè)務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)資料，但這些內(nèi)容并沒有得到集中處理，因此很難進(jìn)行全面評(píng)估和利用。而利用GIS構(gòu)建系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫對(duì)各部門數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合管理，可以在共享數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，為河湖健康評(píng)估提供有效依據(jù)。

第二，河湖健康評(píng)估管理涉及的數(shù)據(jù)信息較為龐大，傳統(tǒng)工作所選用的人工記錄方式并不方便展示和查閱，且會(huì)影響實(shí)踐工作效率和質(zhì)量。

第三，手工處理的管理信息無法及時(shí)得到更新，且每一次更新都需要重新采集和記錄相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

面對(duì)上述問題，基于GIS研究設(shè)計(jì)智慧河湖管理信息系統(tǒng)，不僅能為各級(jí)政府管理和湖流域提供有效的評(píng)估方法，還可以在全面研究中提出更為完善的處理對(duì)策。從實(shí)踐角度來看，本文研究以GIS技術(shù)為核心的智慧河湖管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在全面管理數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行全面評(píng)估，以此為合乎管理提供可視化的決策服務(wù)[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行必須要保障內(nèi)部具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而相關(guān)數(shù)據(jù)也是智慧河湖管理信息系統(tǒng)運(yùn)行的核心內(nèi)容，更是后續(xù)進(jìn)行健康評(píng)估的主要依據(jù)。根據(jù)實(shí)踐河湖信息管理情況分析可知，在設(shè)計(jì)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的過程中可以從兩方面思考，一方面是指空間數(shù)據(jù)，另一方面是指屬性數(shù)據(jù)。前者是指測(cè)試區(qū)域采集到的點(diǎn)線面數(shù)據(jù)，而后者是指合乎自身具有的水文、水質(zhì)、水生生物等相關(guān)信息。

一般來講，空間數(shù)據(jù)是對(duì)獲取地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化獲取的，而屬性數(shù)據(jù)是在網(wǎng)上檢索或文獻(xiàn)查詢中獲取的。為了保障本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以有序運(yùn)行，科研學(xué)者要在完善智慧河湖管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出明確的入侵檢測(cè)算法。其中差分進(jìn)化算法。這類算法是指模擬遺傳學(xué)的復(fù)制、變異、雜交來設(shè)計(jì)遺傳算子，屬于一種以群體差異為核心的啟發(fā)式隨機(jī)搜索算法[3]。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要分為三層：首先為應(yīng)用層，主要利用Arc GIS技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)；其次為中間服務(wù)層，主要集成地理信息系統(tǒng)和河湖健康評(píng)估模塊；最后為數(shù)據(jù)層，主要用來儲(chǔ)存與河湖有關(guān)的矢量圖層數(shù)據(jù)和所對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取的調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

功能設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)開發(fā)關(guān)注的主要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)提出的需求分析和系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，具體如圖2所示。

圖2 功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

上述系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)模塊：第一，數(shù)據(jù)管理。這一模塊作為系統(tǒng)運(yùn)行期間數(shù)據(jù)維護(hù)應(yīng)用的基礎(chǔ)保障，可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)更新，并對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。第二，系統(tǒng)評(píng)估。這一模塊作為智慧河湖管理信息系統(tǒng)運(yùn)行的重難點(diǎn)，不僅要對(duì)以及評(píng)估因子進(jìn)行逐一研究，還要根據(jù)實(shí)時(shí)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行針對(duì)性評(píng)估，從而為后續(xù)決策服務(wù)提供有效依據(jù)。第三，基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。這一模塊是為了保障系統(tǒng)用戶操作而設(shè)計(jì)的模塊，用戶在進(jìn)入系統(tǒng)肋部后，輸入用戶名和賬號(hào)密碼就可以對(duì)圖層進(jìn)行平移、縮放等操作。第四，數(shù)據(jù)查詢。這一模塊主要分為兩種查詢方式，一種是指空間選擇，另一種是指屬性數(shù)據(jù)。用戶不僅可以通過點(diǎn)擊圖層的某一個(gè)河段來查閱相關(guān)信息，也可以根據(jù)輸入關(guān)鍵字來完成搜索[4]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

GIS作為20世紀(jì)60年代發(fā)展提出的全新信息技術(shù)理念，在實(shí)踐探究中應(yīng)用屬于一門具有交叉性的學(xué)科，其在設(shè)計(jì)研究中融合了社會(huì)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息管理等多門學(xué)科，在現(xiàn)代城市建設(shè)發(fā)展中具有非常重要的作用。一個(gè)完善的地理信息系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、管理以及分析顯示等多項(xiàng)內(nèi)容。在構(gòu)建智慧河湖管理信息系統(tǒng)的過程中，利用GIS技術(shù)會(huì)將目標(biāo)的地理位置和相關(guān)視圖融合到一起，并根據(jù)用戶需求對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，而后利用數(shù)據(jù)挖掘、網(wǎng)絡(luò)分析、疊置研究等方式為用戶提供所需數(shù)據(jù)信息，并為相關(guān)決策提供技術(shù)支撐。

根據(jù)上文對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析可知，整體模塊包含了基礎(chǔ)GIS、業(yè)務(wù)評(píng)估、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢這四項(xiàng)內(nèi)容。下面對(duì)模塊功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

第一，基礎(chǔ)GIS。用戶在點(diǎn)擊相應(yīng)軟件按鈕后會(huì)彈出登錄界面。這一模塊主要為用戶提供基本的GIS技術(shù)功能，其中涉及的圖片的放大、縮小或漫游等。本文在研究期間選用了瓦片柵格地圖技術(shù)，確保用戶不需要進(jìn)行多次刷新，只需要將其調(diào)整到對(duì)應(yīng)的切圖分級(jí)就能獲取所需信息，這樣不僅能提升實(shí)踐操作效率，還可以強(qiáng)化圖片展現(xiàn)效果。

第二，業(yè)務(wù)評(píng)估。一方面要根據(jù)河湖健康評(píng)估實(shí)際需求對(duì)單向因子的健康情況進(jìn)行逐一評(píng)估，另一方面要根據(jù)智慧河湖管理要求在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行綜合評(píng)估，而最終評(píng)估結(jié)果要選用分段方式進(jìn)行呈現(xiàn)管理。

第三，數(shù)據(jù)查詢。一方面，數(shù)據(jù)庫作為信息管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容，在查詢屬性數(shù)據(jù)時(shí)必須要對(duì)內(nèi)部包含數(shù)據(jù)內(nèi)容、類別和數(shù)量進(jìn)行全面了解；另一方面，空間查詢作為管理信息系統(tǒng)關(guān)注的焦點(diǎn)，所構(gòu)建數(shù)據(jù)庫要具備空間查詢方式。

第四，數(shù)據(jù)管理。用戶在管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常利用的方式有修改、刪除、新增等內(nèi)容。以數(shù)據(jù)修改為例，其作為數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)的主要方式，對(duì)保障管理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫維護(hù)而言具有積極作用。根據(jù)實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)分析可知，用戶要在查詢數(shù)據(jù)之后，選擇某航數(shù)據(jù)并點(diǎn)擊修改按鈕，而系統(tǒng)就會(huì)彈出，這航數(shù)據(jù)的修改窗體，在結(jié)束修改之后要點(diǎn)擊保存，系統(tǒng)會(huì)彈出保存成功的窗口[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，河湖健康管理評(píng)估作為城市建設(shè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)革新的重難點(diǎn)，同樣也是當(dāng)前河湖管理部門員工關(guān)注的焦點(diǎn)。不管是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行還是對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而言，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段構(gòu)建智慧型河湖管理信息系統(tǒng)都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文在整合當(dāng)前地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)各地河湖管理需求構(gòu)建了具有針對(duì)性的管理信息系統(tǒng)，并在實(shí)踐工作中取得了優(yōu)異成績(jī)。需要注意的是，本文針對(duì)河湖健康管理所構(gòu)建的智慧信息系統(tǒng)還存在不足，在未來研究探討中，要根據(jù)實(shí)踐管理案例和技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用成果進(jìn)行深入探討，并注重培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才，以此為系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)保障。