毕业论文（设计）基于GIS 的铜川新区水环境管理决策支持系统.doc

-水资源研究第25卷 第2期(总第91期)2004年6月-基于GIS的铜川新区水环境管理决策支持系统阮仕平1 党志良1 胡晓寒1 马 飞1 张孟涛2 （1.西安理工大学 环境科学研究所，陕西 西安 710048； 2.北京市自来水集团公司 供水分公司，北京 100034）摘 要： 在西部缺水地区建设生态城市，关键是水的问题，做好水环境管理是建设生态城市的关键，也是建设生态城市的保证。介绍了基于GIS的铜川新区水环境管理决策支持系统（简称TNWEMDSS）的研制过程，系统的基本结构、硬件环境、系统数以及系统软件，分析了系统的技术特点和主要功能。该系统的建立对其它新兴城市的水环境管理信息化工作具有一定的借鉴意义。关键词： 水环境管理； 地理信息系统； 模型库； 决策支持系统 1 概 述 陕西省铜川市地处陕北黄土高原与关中盆地的交接地带，属于西部缺水地区。铜川老区是一个因煤而兴的矿业城市，全市工业以煤炭、水泥等资源型产业为主，目前正面临经济结构单一、环境污染和生态环境破坏严重、矿竭城衰等一系列问题1。经有关部门批准，1993年11月，铜川市委、市政府在铜川市南部开始铜川新区的建设。铜川市在1997年11月就被国家发展计划委员会、国家科技部列为中国21世纪议程8个试点城市之一，1998年4月被联合国开发计划署（UNDP）列为支持中国地方21世纪议程能力建设3个试点城市之一1。水是人类环境的主要组成部分，更是生命的基本要素3，在西部缺水地区建设生态城市，关键是水的问题。做好水环境管理是建设生态城市的关键，也是建设生态城市的保证。因此，水环境管理决策支持系统的建立已成当务之急。2 TNWEMDSS系统目标 (1) 对影响水环境的各因素进行定性分析和定量计算，以辅助决策者把握水环境现状，并对未来的水环境状况做出预测；(2) 根据预测结果对影响水环境的各个因素进行分析评价；(3) 建立决策分析模块，提出多种水污染控制、水环境保护的可行方案，为水环境管理提供决策支持；(4) 水环境数据管理与应用，如数据查询、统计、空间分析等；(5) 环境信息共享和发布等。3 TNWEMDSS系统分析3.1 系统用户 系统设计以铜川市环境保护局作为开发原型，因此作为环境决策主体的铜川市环境保护局的各级管理人员是系统的服务对象和最终用户。此外，系统的直接用户还包括关心铜川环境的Internet用户。3.2 系统数据分析 本系统所需信息源主要有：空间信息（行政区划、地形、水系、道路、植被、土壤、降雨量、土地利用、土地类型、水质监测站点、城镇、污染源等专题图层）、水环境质量信息、水污染源信息及水文信息。系统这4方面的信息需经过汇集分析，分类编码后，设计成适用各类功能的数据库，在功能程序模块与水环境模型的驱动下实现系统需求2。为了维护系统数据的安全，对发布数据建立单独的发布数据库，其内容采自其它数据库。Intranet和Internet在逻辑上分为两段，采用间断性复制功能，把Intranet网上的发布信息复制到Internet网上。系统的数据流程见图1。（略）3.3 系统开发的软硬件需求 (1) 硬件需求。由于地理信息系统（GIS）数据运算量大，要求较快的CPU处理速度，并且空间及属性数据需占用较大的外存2，所以系统采用Pentium 以上机型，128M内存，40G硬盘。(2) 软件平台需求。软件平台采用MapInfo公司的MapInfo Professional 7.0 SCP、Microsoft Access 2000数据库管理系统、VB编程语言，地图发布采用国家遥感应用工程技术研究中心的地网GeoBeans4.5。由于系统中存在大量的环境模型计算，仅使用VB自带的基本数学函数库不仅使系统开发工程量大，而且执行效率不高。因此系统的模型计算部分采用Matrix VB。Matrix VB是Mathwoks公司针对VB提供的一个MATLAB组件库（Component Object Model Library），它提供了大量的有效算法，可以加强VB内建数学运算与图形展示功能。其函数库的功能大致可分为8大类，即：矩阵运算、运算符重载、最优化运算、多项式、信号处理、随机与统计分析、图形图像处理、控制系统，它们可以完成大部分MATLAB能够完成的工作并实现了脱离MATLAB环境对MATLAB函数和过程的有效调用4，5。3.4 系统的功能需求 根据上述系统目标，为满足铜川新区水环境综合管理与决策的需要，采用系统集成的方法，将GIS与数据库系统相结合，发挥各自的优点，使系统应用更加实用化、智能化。铜川新区水环境管理决策支持系统按功能需要分为数据库管理、地理信息与决策和信息发布3部分。系统可以实现以下功能：图形与属性数据的双向查询、数据统计与分析、许可证管理、环境水质评价、GIS专题图形输出、水污染模拟预测及GIS图形显示和环境信息发布等功能。系统功能要求如图2所示。（略）4 TNWEMDSS系统设计 铜川新区是一个新兴城市，目前监测资料十分缺乏。因此系统必须采取模块化设计的思想，并设置相应的程序接口，以期在系统建成后即可发挥其应有的指导作用，在将来增设监测项目之后，系统不用做出大的调整即可满足功能模块扩充的需要。4.1 系统数据库设计 本系统的基础是空间数据库和属性数据库的建立，它对于整个系统的建立起着至关重要的作用。系统采用双数据库存储模式，即空间数据与属性数据分开存储。属性数据存储在关系数据库的若干属性表中，而空间数据则以MapInfo的自定义格式保存于电子地图之中，两者之间通过唯一标识的关键字段建立联系。数据库联结模式如图3所示。（略）4.1.1 空间数据库的设计 空间数据包括基础底图和环境专题图两类。其中基础地图包括行政区划、水系、居民地、城市、铁路、公路、湖泊、水利设施等要素；环境专题图包括污染源位置、水环境质量监测断面/垂线、环境质量监测点、地下水监测井位、水环境功能区划分等。为了提高查询和处理效率，MapInfo采用层次结构对空间数据进行组织，即根据不同的专题将地图分层（图层还可以分割成若干图幅），每个图层存储为若干个基本文件。此部分数据是在110 000纸质地图的基础上采用MapInfo软件平台利用数字化采集和信息录入，并根据需要对各类基础地理要素进行增加、删除、编辑修改，建立比例尺与精度相统一的空间数据库。4.1.2 属性数据库设计 系统所需属性数据分为3类： 自然属性数据（包括各类河流属性、湖库属性、下垫面属性等）； 社会属性数据（包括经济、工农业发展及人口数据等）； 系统运行参数（包括各类模型参数、系统设置参数等）。4.1.3 系统功能设计 本系统采用组件式GIS（Component GIS）的设计思想，将整个系统划分为：废水重点源与许可证管理子系统、水环境质量管理与评价子系统、水污染控制辅助决策子系统、水环境功能区及水文信息管理子系统和综合信息发布子系统。废水重点源与许可证管理子系统具有数据装载、随机查询、排序、分类汇总统计功能，并能用GIS图形及多种统计图形实时反映铜川新区废水重点源的分布与主要污染因子，许可证实施及8种国控污染物总量及废水排放、达标排放等情况。水环境质量管理模块即是对铜川新区的常规监测断面和污染因子以及3个水期的环境质量监测数据进行管理。水环境质量评价模块则是对这些数据随机进行选年、选水期、选污染因子进行评价，其水环境评价方法包括单因子评价和综合因子评价两种。系统可以随机查询不同水期、断面的水环境质量，单因子、水质指数综合因子评价以及用GIS专题图和统计图动态反映铜川新区的水环境质量现状与现状评价的功能。水污染控制辅助决策子系统用GIS地图将水质目标与污染源的控制动态变化显示出来。采用水质模型进行水污染控制动态模拟，并将铜川新区按管理需求分为4个水污染控制单元，对于每一个控制区域都可以将河段概化为：上游进口端、下游控制出口端、其间各点源、支流汇入，还有取水点取水（排污集中的点源，可概化为一集中排污口）。用户可任选某一相邻交界站间的河段进行污染物COD的水质预测与控制模拟（即若预测浓度较控制断面要求的浓度高，则算出COD的允许入河浓度及入河消减量，再按达标排放后算出一个入河消减量），并在GIS专题图上动态显示。水环境功能区是依据国家和地方有关法规及标准，在现状分析的基础上综合考虑铜川新区的发展规划而设计的，其管理功能主要以数据管理及查询为主。综合信息发布子系统是采用Intranet/Internet技术，将各个模块中产生的信息共享发布出来。(1) 数据库信息的发布。数据库查询检索功能可以完全转移到Intranet平台上来。系统支持在浏览器中查询原始数据和经过整理的重要指标，查询结果可用统计图表达。此外还可以与地理信息系统的Web查询集成，从而实现报表、统计图和地图的综合表达。(2) GIS信息的发布。用户能够在浏览器中实现地图的查询，可与数据库的查询集成，实现报表、统计图和地图的综合表达。(3) 其它信息的发布。包括铜川新区概况多媒体介绍、政务公开、环境政策与法规等，激发人们关心环境的热情，同时也树立铜川新区这一西部生态城市的新形象。5 TNWEMDSS技术特点 5.1 可扩充性和可维护性 (1) 系统总体采用组件式结构，维护方便，而且很容易嵌入MIS系统。(2) 系统的GIS功能、数据库管理功能、数据查询与统计分析功能具有通用性，只需增加相应的模型支持，即可为其它方面环境管理提供辅助决策。(3) 系统设计充分考虑目前铜川新区作为一个新兴城市，现有监测资料缺乏、可能增设的监测项目未知的现状，首先考虑在充分使用已有数据的前提下，各功能模块进行独立设计，以便将来增设监测项目之后，只需分别在数据库中增加相应的表和图元即可，不必改变系统和数据库结构。5.2 系统采用先进的软件平台，具有快速、高效特点 (1) 系统的GIS功能通过VB的OLE自动化方法调用MapInfo实现，从而可以快速高效地实现MapInfo的几乎所有功能。(2) 水环境模型部分采用Matrix VB组件编程，充分利用其强大的计算功能，不但缩短了开发周期，提高了系统的运行速度，而且增强了系统的模型计算功能。(3) 综合信息发布采用具有信息发布简单化、智能化的特点。GeoBeans提供一套简单易行的发布系统，整个过程不需用户具备很深的Web知识，就可以实现地图数据的发布。用户还能在此基础上，按不同的需求再进行二次开发6。5.3 安全性 系统的安全性主要体现在：系统级充分利用Windows 2000 Server平台的C2级安全机制；数据库级利用数据库内置的授权机制和账户管理机制，同时还具有自动备份功能；应用层级则使用电子签名，不同人员等级的权限限制，密码控制等多种控制手段来保证系统的安全保密性；综合信息发布系统采用专门的发布数据库，其数据从其它数据库复制得到；Internet和Intranet在逻辑上分为两段，采用间断性复制功能，把Intranet上的发布信息复制到Internet网上。5.4 辅助决策功能 系统采用先进的地理信息系统软件作为开发平台，有效地解决了数据可视化的问题，发挥了GIS软件强大的地图表达和地图处理能力。系统还将GIS图形技术和数据库管理技术以及模型库管理技术紧密结合，具有很强的辅助决策能力。系统界面友好，数据结构灵活，类型多样，实现了包括文本、表格、统计图形、数字地图等多种信息的综合应用功能。6 结 语 基于GIS技术的TNWEMDSS系统对铜川新区环境管理与决策、环境规划、环境评价具有十分重要的意义，该系统实现了GIS与环境模型的有机结合，系统的建立为铜川新区的水环境管理提供了重要的空间数据信息管理工具和辅助决策的支持手段，并为铜川新区实施可持续发展战略提供快速、直观、多层次的技术支持，其最终实施必将促进铜川新区生态城市建设的进程。参考文献：（略）Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.