（农业水土工程专业论文）基于GIS的辽宁省农田水利管理信息系统的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 主孳 时间：仰g 年z 月子日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的内容。 研究生签名： 导师签名 3孑 厶，十。 q 楸鞠代 时间：卯g 年多月9 日 时间；6 年6 日g 日 沈阳农业人学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的发展和人口的快速增长，水资源短缺已经成为全球性危机，如何合 理、科学、高效的分配水资源，应用现代化的技术手段，实现科学的取水、输水、配水、 用水，实现水利工程管理的自动化信息化已经成为影响我国农业甚至整个国民经济持续 发展的关键问题。 地理信息系统( g i s ) 是集计算机科学、信息科学、现代地理学等诸多学科为一体 的新兴学科，它集空间数据的获取、管理、分析、建模和显示于一体。应用地理信息系 统的空间技术分析功能和数据管理功能，建立农田水利空间数据库和属性数据库，管理 大量的农田水利工程，对提高农田水利工程管理水平、增加决策的科学性有很积极的意 义。本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 结合“辽宁省农田水利管理信息系统”的研究、设计和开发，详细介绍了地 理信息系统的组成、原理、功能和应用，并对农田水利管理流程和数据进行了分析，提 出了辽宁省农田水利管理信息系统的基木模块和功能，确定了系统的结构体系。 ( 2 ) 利用数据库技术和面向对象技术，对辽宁省农田水利管理信息系统所研究的 对象进行了分类和讨论，建立了空间数据库和属性数据库，用a r c s d e 和s o ls e e r 对空间数据和属性数据进行了统一管理，实现了关系型数据库和面向对象数据模型的结 合。 ( 3 ) 应用m 印o b j e c t s 组件，结合s u a l c + + 开发平台，开发出了运行稳定、功能 强大的农田水利管理信息系统，实现了多种查询和空间分析功能，为农田水利的管理和 决策提供重要的参考。 本文所研究和开发的农田水利管理系统已经在辽宁省某地进行了试用，效果良好， 具有很高的推广价值。 关键词：地理信息系统，农田水利，面向对象，空间数据库 摘要 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca i l dp o p u l a t i o n ，w a t c rr e s o u r c eh a sb e c o m ea t e r r i b i ec r i s i so f t l l ee n t i r ew o r l d i ti st h ek e yp o i n tt od c v e l o p m e n te c o n o m i ca 1 1 da 鲥c u l t l l r e t h a th o wt od i s t r i b u t i o nw a t e rr e 8 0 u r c ew i t hr a c i o n a l ，s c i e n t m ca 1 1 de 伍c i e n tf o ra c h i c v i n g h y d r a u l i ce n 百n e 甜n gm a n a g e m e n ta u t o m a t i o na 1 1 di n f o m a t i o nt e c h n o l o g y g i si san e wd i s c i p i i n em i x e do nc o m p u t e rs c i e n c e ，i n f o n i l a t i o ns c i c n c ea 1 1 d g e o g m p hy i tc a nc o m p l e t es p a t i a ld a t aa c q u i s i t i o n ，d a t am a n a g e m e n t ，a n a l y s i s ，m o d e l i n g a n dd a t as h o w s i ti sv e up o s i t i v ei m p l i c a t i o n st h a tm a n a g e i n e n th y d r a u l i ce n g i n e 丽n g 们t h g i s ，b u i l d i n gs p a t i a la i l di d e n t i t yd a t a b a s e ，s p a t i a la n a l y s i sa i l dd a t am a l l a g e m e m i ti sa l s o b e l l e f i tf o rr a i s i n gm a l l a g e m c i l t l e v e la 1 1 di n c r c a s i n gt h es c i e n t i f i co f d e c i s i o n i tc o v e r s ： ( 1 ) b a s c do nl i a o n i n gi r r i g a t i o na 1 1 dd r a i n a g eg i sp r o j e c t ，t h ep a p c rd i s c u s st h e c o m p o s i t i o n ，p r i n c i p l e s ，f i l n c t i o n sa n da p p l i c a t i o n so fg i s t h ep 印e ra l s od e t c n n i n et h e s 仉l c t l 】r e ，b a s i cm o d e l sa i l d 如n c t i o n so f t l l es y s t e m ( 2 ) t h ep 印e rd i s c u s s e sa n dc l a s s i f i e st h eo b j e c t so f “a o n i n gi r r i g a t i o n 锄dd m i n a g e g i s ，a 1 1 db l l i l do ns p a t i a la n di d e n t i t yd a t a b a s e i ta l s oa c h i c v e sau n m e dm a n a g 锄e n to f s p a t i a ld a t aa n di d c n t i t yd a t at h i 。o u 曲a r c s d ea n ds q ls e r v c r ，s ot 1 1 a tt 1 1 eo b j e c t s o r i e n t e d d a t a b a s e sa 1 1 dr e l a t i o n s h i p - b a s c dd a t a b a s e sb e c o m eu n i f o r n l ( 3 ) w i t hm 印0 b j e c t sa n d s u a lc + + ，t h ep a p c rd e v e l o p st h el i a o n i n gi r r i g a t i o na n d d r a i n a g eg i s ，w h i c hi s a l lo p c r a t i o n a ls 协b i l i t ya l l dp o w e m l n l es y s t 锄a c h i e v e se n q u m e s a n ds p a t i a la n a l y s i ss om a ti tc a nb eag o o dr e f b r c n c eo f d e c i s i o n t h es ”t 锄w h i c hi sd i s c u s s e di nt h ep a p c rh a sb e c nt e s t e di ns o m e w h e r ea i l dr c c e i v e d g o o dr e s u i t s k e yw o r d s ：g i s ，i r r i g a t i o na n dd r a i n a g e ，o b j e c t o r i e n t e d ，s p a 廿a ld a t a b a s e 2 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章序言 1 1 研究背景及意义 水是维系人类生存、保障经济建设、维护社会发展所必须的基础自然资源，是支撑 可持续发展的基础条件之一。随着世界各围经济和人口的增长，水资源的需求量不断增 加，水资源短缺已经演变为全球性危机。联合国在对世界淡水资源的全而评价报告 中指出：“缺水问题将严重地制约2 l 世纪经济和社会的发展，并可能导致国家间的冲 突”。 我国是个农、| p 大国，水资源短缺问题十分严苇，全年降雨量偏少，年内降雨分配不 均匀，许多地区处于干旱、半十早地带，农作物牛长所需要的水分主要靠灌溉供给，农 业发展对灌溉的依赖性很大，发展水利工程是解决这一矛盾的重要手段之一。我围也是 个具有悠久灌溉历史的文明古围，从郑围渠、都江堰到近代的红旗渠、长江三峡，水利 工程一直伴随着华夏文明的发展，成为中华民族的骄傲。建国以来，我国的水利工程基 础建设取得了显著的成果，建成r 种类繁多数量庞大的水利工程，这些工程在抵御洪水、 抗早保收、水资源调配等方面发挥了巨大的作用，取得了重大的社会和经济效应，成为 促进绛济发展、保障社会繁荣的中坚力量。 然而，我国现阶段大多数水利t 程兴建于2 0 世纪6 0 、7 0 年代，甚至更早，因为数 量庞大、经费短缺、管理混乱，导致许多工程处于“带病作业”的状态，尤其是农田水 利工程，问题更加严重，水利工程急需普查和整修。但由于受传统管理思维的束缚，对 农出水利上程的投入不够，当前水利部门对农田水利工稗的管理还处于采用传统方式进 行管理的阶段，通常使用各级水利部门人工汇总的纸质文件、报表等进行层层上报，存 在着较大的随意性和误差，对工程数据的整理、查询、技术参数的统计和分析都非常不 便，难度大、效率低下、时效差的问题非常严重。“重建设，轻管理”的现象已经严重 的影响j ，农田水利工程的发展，威胁到粮食的生产和增收。 2 1 世纪是“信息”的时代。随着计算机技术和人工智能等现代化手段的提高，人 类对信息利用的广度和深度也达到了前所未有的高度。现代信息技术为处理海量数据提 供了高教、方便的途径，许多行业的自动化、信息化程度也越来越高。信息化已经成为 各行各业发展的方向。特别是将地理信息系统应用于水利工程管理巾，将工程的空间信 息和属性信息相结合，为全力位正确描述一个水利工程提供了方便的条件，对提高水利 工程的管理水平具有划时代的意义。 ， 水利信息化是水利现代化的重要标志。应用现代化的技术于段，实现科学的取水、 输水、配水、用水，建立水利工程监测与控制系统，实现水利工程管理的自动化、信息 化已经势在必行。 化已经势在必行。 第一章序肓 辽宁省地处东北地区南部，大致分为辽东、辽西山地丘陵、辽河平原三大区域，总 面积1 4 7 5 万k m 2 ，共有1 7 个县级市、2 7 个县，5 6 个市辖区，总人口4 1 3 5 万人。辽宁 省属于半干旱地区，水资源十分缺乏，是我国北方严重缺水的省份之一，人均水资源占 有量只及全国人均占有量的1 3 。地表河川径流量1 0 4 7 6 亿m 3 ，地下水资源量7 4 9 7 亿 m 3 ，均不及全国总量的2 。水是十分宝贵且有限的自然资源，也是影响辽宁省社会经 济发展和人民生活水平提高的关键因素之一。辽宁也是全国的粮食生产大省，是重要的 水稻生产基地，农田水利是粮食牛产和农村经济发展的基本保障。只有根据有限的水资 源条件，适当调整产业结构，合理配置牛活、生产和生态环境用水，加强对农田水利的 灌溉、排涝、抗旱、农村饮水等工程动态信息的实时掌握，科学决策，才能保证农业和 整个社会经济的健康、持续、稳定、快速的发展，为实现“社会主义新农村”打下良好 的基础。 1 2 地理信息系统的产生和发展 1 2 1 地理信息系统的定义 随着社会的发展，人类活动与地理位置之间的关系结合的越来越紧密。特别是信息 时代的到来，将计算机技术和系统分析方法应用于现代地理学，为地理学信息的采集、 管理、分析、应用提供了准确高效的手段，为地理学的发展注入了新的活力，开创了新 的应用前景，地理信息系统技术便由然而生。 地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示地球表层物体及环境 所固有的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律，是对表征地物特征与地理现象 之间的地理数据的解释。地理数据包括空间位置、属性、时域三部分特征。空间位置描 述地物所在位置，如在农田水利工程中渠道、闸门所在的地理位置；属性数据描述地物 的特性或者定量指标，如渠道等级、断面形式、过水流量；时域特征描述地理数据采集 或地理现象发生的事段( 时刻) ，如卫星图片拍摄的时间。空间位置、属性、时间是地 理分析的三个基本要素。从地理实体到地理数据，再到地理信息的发展，反映了人类认 识的巨大飞跃。 地理信息系统( g e o 笋a p h i ci n f o m a t i o ns y s t 锄，简称g i s ) 是一种兼容、存储、管理、 分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的应用技术。它 产生于2 0 世纪6 0 年代，近二十年得到了迅猛发展，已由最初的单纯解决地理问题发展 成为如今涉及测绘科学、环境科学、计算机技术、信息系统等等多学科交叉的新兴技术， 并被应用于国民经济的许多重要领域，为推动社会生产力的发展起到了巨大的作用，成 为世界各国激烈竞争的高科技热点之一( j c o p p o c k 等，1 9 9 1 ) 。 4 沈阳农业大学硕士学位论文 1 2 2 地理信息系统的产生与发展概况 2 0 世纪6 0 年代初，计算机技术开始被用于地图量算、分析和制作。由于其具有快 速、灵活、易于更新、质量可靠、便于存储、量测、分类、合并和覆盖分析等优点而迅 速发展起来。1 9 6 3 年，加拿大测量学家r ft o m l i n s o n 首先提出“地理信息系统”这一 术语，并建立了世界上第一个地理信息系统( c g i s ) 加拿大地埋信息系统。随后，美 国哈佛大学研制出了s y m a p 系统软件，并提出建立地理信息系统软件的思想，引起了 强烈的社会反响。 2 0 世纪7 0 年代，由于计算机软硬件水平的提高，一些经济发达的国家先后建立了 许多专业性的g i s ，主要应用于对自然资源的管理和规划领域。1 9 7 0 年到1 9 7 6 年，美 国国家地质调查局就建立了5 0 多个地理信息系统，加拿大、德国、瑞典和日本等国也 相继建立了自己的地理信息系统。这个时期的g i s 系统，数据分析能力尚处于起步阶段， 能力较弱。 2 0 世纪8 0 年代，地理信息系统得到了大力发展，应用领域也迅速扩大，许多国家 纷纷制定了本国地理信息系统的发展规划，建立起政府性、学术性、区域性机构。我国 于1 9 8 5 年成立了“资源与环境信息系统国家重点实验室”；美国于1 9 8 7 年成立了“国 家地理信息与分析中心( n c g m ) ”；英国于1 9 8 7 年成立了“地理信息协会”。同时，以 地理信息系统软件的开发和销售为主的商业性软件制造商和咨询公司也大量涌现，并推 出了许多优秀的商业化g i s 系统，比较著名的有：美国e s 刚公司的m c i n f o 系列； m a p i n f o 公司的m a p i n f o 系列；i n t e 呵印h 公司的m g e 系列等。 2 0 世纪9 0 年代至今，地理信息系统得到全面快速的发展，进入了用户时代。g i s 的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用领域，渗透于社会生活的各个行 业，形成了“地理信息系统”这个新兴的产业，成为现代社会中不可缺少的组成部分。 未来的g i s ，将随着网络传输手段和计算手段的提高，向着网络化、大众化、区域 化的方向发展，网格g i s 、3 d g i s 、v r g i s ( 虚拟现实g i s ) 等新技术的兴起，必将会 把g i s 的应用带入更加广阔美好的新时代。 1 2 3 国内地理信息系统发展概况 我国地理信息系统事业虽然起步比较晚，但发展迅速，已在许多部门和领域得到成 功的应用，并引起了政府部门的高度重视。地理信息系统在矿产资源开发、水资源利用、 环境保护、城市规划建设、土地管理、交通、能源、通讯、地图测量、林业、房地产开 发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油和天然气、军事、犯罪分析、运输与导 航、公共卫生系统、社会治安、公共汽车调度、出租车安全管理等方面得到了具体的应 用。目前我国拥有一大批自丰知识产权、自丰研发的地理信息系统软件，如原武汉测绘 科技大学的g e o s t a r ，北京大学的c i t y s t a r ，中国地质大学的m 印g i s 等，都是国内g i s 第一章序言 软件的佼佼者。一批高等院校相继设立了与g i s 有关的专业和学科，培养了一大批专业 技术人才。社会上从事g i s 产业活动的高新技术企业纷纷成立。所有这些都大大推动了 我国地理信息系统的建设与应用。 经过广大地理信息系统科研工作者的不懈努力，我国的地理信息系统事业进入了从 无到有、从小到大的艰苦历程，如今，已经从研究走向应用，并逐步走上了产业化的发 展道路。 1 3 地理信息系统的组成及功能 1 3 1 地理信息系统的组成 一个典型的地理信息系统应包括四个基本组成部分：计算机硬件系统、软件系统、 空间数据库系统( d b m s ) 和组织与管理人员( 胡和平等，2 0 0 3 ) 。 图卜1 地理信息系统的组成 f 嘻i - ls l m c t h 陀可g g r 印h l ci n ，o n n a t i o n 姆s t e m ( 1 ) 硬件。g i s 系统中所使用的硬件大多是计算机通用设备，如输入设备、存储 设备、输出设备、通讯传送设备等。使用小规模数据库的g i s 系统，只需个人电脑( p c ) 管理即可，专业级和区域级的g i s ，则需要由多台工作站级计算机组成通信和计算网络 来支持。计算机硬件制造工艺的飞速发展使得硬件条件已不再是推广和应用g i s 系统的 瓶颈。 ( 2 ) 软件。g i s 软件系统由核心软件和应用软件组成。核心软件包括数据处理、 管理、地图模拟和空间分析等。特殊的应用软件与核心模块相连，并面向一些特殊的应 用问题，如网络分析、数字地面模型( d t m ) 分析等。目前，国际上常用的g i s 软件达数 百种之多，在国内市场较为流行的国外软件有：a r c i n f o 、m a p i n f o 等，国内软件有 g c o m a p 、m 印g i s 、g e o s t a r 等，成为我国民族g i s 软件工业的骄傲。 ( 3 ) 数据。数据是g i s 系统的灵魂。g i s 系统的数据大致分为空间数据和属性数 据，通常由地理数据库( g e o g r a p h i cd a t a b a s e ，g d b ) 系统管理。地理数据库系统由数 据库( d a t a b a s e ) 实体和地理数据库管理系统( g e o 乒a p h i cd a t a b a s em a n g e rs y s t e m ， g d b m s ) 组成。数据是g i s 应用中最难解决的问题，也是投入最多的环节，笔者在参 与本论文的实践研究过程中深有体会。数据会牵涉到许多部门，有时部门间数据处于种 沈阳农业大学硕+ 学位论文 种原因相互保密，导致很多重复工作，造成很大的浪费，数据因此成为g i s 项目开发和 实施过程中的瓶颈问题。虽然国内有关部门已经研究和呼吁了很长时间，也开通了“国 家基础地理信息系统( n f g i s ) ”网站，但目前在数据标准的制定、数据共享和数据安 全等方面仍然存在许多急待解决的问题。 ( 4 ) 组织与管理人员。g i s 要得到充分的利用，仪仪靠提高技术手段是远远不够 的，更需要有高层次的机构或协调委员会，制订相关规划，组织与协调地理信息标准、 规范、政策、法规的制定，加强宏观协调与管理。同时，必须要有具备较高业务素养的 g i s 技术员来担任日常管理人员、系统分析人员、程序员、制图技术员、数字化操作人 员等职位。 1 3 2 地理信息系统的功能 地理信息系统可以完成如下几个方面的功能： ( 1 ) 空间分析功能。这是g i s 的核心功能，也是它与其它计算机系统的根本区别。 g i s 的空间分析功能分空间检索、空间拓扑叠加分析、空间模拟分析三个层次。 ( 2 ) 数据采集、检验与编辑功能。这是g i s 的基本功能之一，主要用于获取数据， 保持其数据库中的数据在内容与空间上的完整、数据值逻辑一致、无错等。g i s 数据库 的建设占整个系统建设投资的7 0 以上。 ( 3 ) 数据操作功能，包括数据格式化、转换和概化。数据的格式化是指在不同数 据结构的数据问的转换，这是一种耗时、易错、需大量计算的工作。数据转换包括数据 格式转化、数据比例尺的变换等。 ( 4 ) 数据的存储与组织功能。这是建立g i s 数据库的关键，它包括空间数据和属 性数据的组织，栅格模型、矢量模型或栅格矢量混合模型的存储等。 ( 5 ) 分析、查询、检索、统计和计算功能。这是g i s 应用深化的重要标志。g i s 完成如图形、图像叠合和分离、缓冲区分析等功能。通过菜单或命令驱动完成信息的检 索和查询，通过模型数据库完成统计和计算。 ( 6 ) 空间显示功能。g i s 具有良好的用户界面，二维和二维的动态显示功能。直 观和方便的显示方式对辅助决策极为有用，特别是政府职能部门g i s ( g o v e m m e n tg i s ) ， 需要有简便而符合自身特色的显示功能。 1 4 地理信息系统在水利行业中的应用现状 水利部未来规划中明确指出：“利用水利信息化推动水利现代化”。汪恕诚部长曾在 2 0 0 1 年全国水利厅局长会议上明确指出：“要充分利用科学技术发展创造的有利条件， 坚持用高新技术对水利传统行业进行技术改造，特别要注意采用计算机技术、微电子技 第一章序言 术、现代通信技术、遥感技术( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 及 自动化技术等，实现水利信息化。” 水利行业许多领域研究的问题都与水利要素的空间运动过程有关，带有明显的三维 空间性质，空间数据分布相当复杂，对空间信息的管理与分析则正是g i s 的优势，因此 g i s 在水利行业中各领域的发展很快，在国内外水利行业中得到了广泛的应用。如防洪 减灾、防汛指挥、防洪决策支持、水土保持研究、工程施工管理、流域降雨径流模拟、 水量平衡计算、地下水模拟、流域规划与管理、水环境模拟及管理等方面都得到应用。 近年来，在农田水利和灌区管理方面也得到了大量的应用。 ( 1 ) 在灌区管理中的应用 利用g i s 数据管理和空间分析功能，建成灌区的空间数据库和属性数据库，对灌区 和区域供水系统进行科学的管理，进行水资源分配、需水量预测、农作物优化配置等， 实现正确的运行评价和经济评价，建立灌区管理辅助决策支持系统等。 国外1 钮o m v i c 等在2 0 0 0 年应用a r c e w ，在用a v c n u e 语言进行二次开发的基础 上，开发出了意大利南部a p u l i a 灌区灌溉管理系统，该系统划分了灌溉需水和缺水区 域，用不同作物种植方式、气候条件( 丰枯年份) 、灌溉方式、灌溉水量和水系分布等特 征来估算灌溉需水，并考虑了g i s 数据库的扩展和灌溉方案的改进( y r m gx 等，2 0 0 0 ) 。 h e i n 锄a 1 1 n 等2 0 0 2 年在巴西t i b a 百河谷采用包含作物模型的空间应用系统的计算工具 来确定该地区主要作物的灌溉需水、年径流和年溶氮量，并用计算结果对当地的环境影 响做评价，同时证明了作物模拟模型与g i s 结合应用是一项重要的决策手段( h e i n e m a l l n 等，2 0 0 2 ) 。 近年来，我国各地的灌区都已逐步开始了信息化建设。从2 0 0 2 年开始，水利部农 水司就开始组织开展全国灌区信息化建设的规划工作，并在一些大型灌区进行了信息化 的试点工作( 胡和平等，2 0 0 4 ) 。卢麾等设计了一个将遗传算法和g i s 结合的灌区决策 支持系统，该系统由a r c i n f o8 和d e l p h i 共同开发，作者提出了田间灌溉模拟模型、优 化配水模型，并通过遗传算法对灌区作物种植比率进行优化，具有一定的通用性和可扩 展性( 卢麾等，2 0 0 2 ) 。崔琰利用组件式g i s 开发了冯家山灌区管理信息系统，为灌区 灌溉信息现代化管理和实现灌区信息资源的共享奠定了基础，对推动灌区的发展有着重 要的作用( 崔琰，2 0 0 3 ) 。李亚卿等将地理信息系统应用到河南鸭河口灌区中，利用空 间分析实现最优化配水的目的( 李亚卿，2 0 0 2 ) 。王玉宝等将g i s 应用于陕西泾惠灌区 管理中，实现了分析评价、模拟预测等功能，科学预测灌区用水需求，对提高灌区管理 水平，科学分配水资源，实现适时、适量的科学灌水具有重要的作用( 王玉宝，2 0 0 3 ) 。 张汉松等将网格g i s 应用到大型灌区管理中，将地理上分布、系统异构的各种计算机、 空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等，通过高速互连 网络连接并集成起来，把灌区内各种与水相关的信息通过各种技术手段，按照统一的数 据规则，集成到统一的地理信息平台上，实现灌区内与水相关的各种信息的统一管理， 沈阳农业大学硕士学位论文 为g i s 在灌区管理中的应用开辟了新的前景( 张汉松，2 0 0 3 ) 。 ( 2 ) 水资源和水环境 从2 0 世纪7 0 年代起，美国田纳西流域管理局就开始将g i s 应用于水文及水资源管 理中，处理和分析流域数据，为流域管理和规划提供决策服务。科罗拉多州的一些机构 将g i s 应用于流域空间的存储、检索、分析和显示，开发出了科罗拉多河决策支持系统。 宾夕法尼亚州将g i s 技术应用于暴雨管理中，为水文模型提供数据处理。美国国家和州 环保机构与污水处理控制部门将数据管理技术、计算机和g i s 相结合，开发出了一套管 理软件，把全美的流域数据、流域分析和水质分析软件等统一起来，为用户提供了一个 便于理解、易于使用的流域管理工具，将点源和非点源统一起来( u z a i r m 等，1 9 9 6 ) 。 欧洲一些机构也开发出了具有水文过程模拟、水污染控制、水资源规划等功能的流域规 划决策系统，g i s 主要用于存储流域的空间信息，为系统中的模型提供数据，显示和分 析模拟的结果。 在我国，最早将g i s 应用与水资源研究的是上海市环境管理部门，他们与上世纪 8 0 年代末就以g i s 为基础建立了黄浦江流域水环境系统。该系统具有动态监测显示、 水污染过程模拟及取水口水环境管理功能，并可对水质做出快速预测分析和预报。一些 科研部门和用水管理机构也先后将g i s 技术应用于防洪决策支持系统和洪水灾情快速 评估系统的开发。 虽然g i s 已经在国内被广泛应用于水利行业中的众多方面，但因起步晚，发展历程 较短而存在着一些制约g i s 技术向更高层次发展的不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 没有专门针对水利行业特点而研发的g i s 软件平台。纵观目前广泛使用的g i s 平台，如心c i n f o 、m a p i n f o 、m 叩g i s 等，虽然提供了功能强大的专业g i s 功能，但因 其没有特定水利专业领域的限制，而无法满足水利行业的需要。另一方面，专业领域繁 多，g i s 厂家也不可能提供一个能覆盖每个专业的大而全的g i s 平台，这也不符合事物 发展的自然规律，应该由本领域的专家学者与g i s 供应商和研究结构结合，共同开发面 向特定领域的专业g i s 平台。将g i s 与专业相结合，提供既符合专业领域需求又有强 大功能的g i s 平台是未来a i s 软件发展的一个趋势。 ( 2 ) 水利行业地理信息系统建设没有一个统一的规则和标准，数据共享闲难。各 部门闭门造车、各自为政，信息闭塞，致使其它部门并不清楚或者根本不知道自己所需 要的数据已被其它部门收集并掌握过了，从而需要自己重新采集和整理，浪费了大量的 人力、物力和财力。各个系统的开发方法也不一样，无统一的地理信息系统标准，软、 硬件平台无法互联，很难与其他系统实现资源共享，重复开发、重复建设却不能重复利 用，造成极大的浪费。 ( 3 ) 信息采集点少，对现有数据的管理手段单一落后。许多水文、水位测站覆盖 面积过大，数据采集精度不高。很多单位和部门，依然采用门人工保存档案、工程图纸， 手工汇总纸质文件、报表等传统的管理手段，带来了很大的随意性和人为误差。 第一章序言 ( 4 ) 重硬件，轻软件。决策和管理人员，为了短期效益，很重视硬件建设的投入， 却往往忽视了软件的建设，这样，不但不能完全发挥出硬件应有的作用，还为后期资料 的汇总和整理带来了额外的开销，反倒加重了信息和数据收集负担。 ( 5 ) 水利地理信息系统的综合集成能力差，信息表现形式单调。系统在设计和建 设时期，无法真正集成水利工程、水文、气象、水资源、社会经济等诸多重要因素空间 地理数据受到约束，对决策和分析起到不良影响，使得水利地理信息系统投入费用高， 产出效益却不尽如人意。 1 5 本论文研究内容 本论文以辽宁省水利厅“辽宁省农田水利管理信息系统”课题为基础，依照水利工 程管理的特点，详细研究了国内外地理信息系统在农田水利工程管理中的先进理论和经 验，在此基础上，结合北方地区的水文水资源和农田水利工程特征，运用先进的水利信 息化技术，对农田水利管理手段和方式进行发展和完善，建立了辽宁省农田水利信息数 据库标准，运用空间数据库技术和面向对象技术，使用a r c s d e 和m ss q ls e r v e r ，建 立了“辽宁省农田水利工程数据库”，并使用s u a lc + + 6 0 开发工具结合m a p o b j e c t s 地理信息组件，成功开发了具有界面美观、操作方便、适于推广的“辽宁省农田水利管 理信息系统”。 本文主要完成的工作如下： ( 1 ) 对国内外水利信息系统的发展历程、应用现状和存在问题进行了系统的研究， 阐述了开发农田水利管理信息系统的必要性和重要意义。 ( 2 ) 利用面向对象和地理信息系统知识，对农田水利业务进行了认真的分析，使 用空间数据库引擎建立了农田水利空间数据库，利用关系型数据库建立了属性数据库， 制定了符合当地实际的农田水利空间数据库编码规则，确立了数据模型结构、数据字典 和数据录入规则。 ( 3 ) 利用面向对象开发工具，结合地理信息组件，开发出了能够全面查询、检索、 分析农田水利工程空间信息和属性信息，自动完成统计、报表、地图输出等功能的地理 信息系统软件。 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章系统总体结构设计思想 地理信息系统( g i s ) 强大的空间分析和空间数据管理功能为农田水利管理信息系 统的建设提供了有力的技术手段，但系统的开发管理设涉及到社会、经济、水文、水资 源、水利工程、气象等多种因素，有大量的地形图、空间数据、属性数据等需要处理和 调查，所有的数据必须经过筛选核实才可以进入地理信息数据库，因此，必须根据项目 的具体情况，选择切实可行的设计思路和方法，设计出合理的系统体系，建立健全统一 的数据规则，选择适当的地理信息开发平台和数据库管理系统，为系统开发的顺利进行、 保质保量完成任务提供技术保障。 本系统采用面向对象的软件开发技术，结合空间数据库，以服务器客户端( c s ) 为通信模式，采用a r c i n f o 系列软件为g i s 开发平台，开发过程中主要使用桌面地 理信息系统软件a r c e w 、a r c m 印、c a t a l o g e 等，空间数据库引擎采用a r c s d e ，地理 信息组件选用m a p o b ：j e c t s ，关系型数据库管理工具采用m i c r o s o f ts q ls e n ，e r ，系统开 发工具采用s u a lc + + 6 o ，服务器操作系统采用w i n d o w s2 0 0 0s e r v c r 。 2 1 面向对象技术在地理信息系统中的应用 2 1 1 面向对象概况 面向对象( o b j e c t 0 r i e n t e d ，简称0 0 ) 技术源于2 0 世纪6 0 年代末的s i m u l a 计算机 语言，它首次引入了数据抽象和类的概念。面向对象技术充分体现了分解、抽象、模块 化、信息隐蔽等思想，可以有效的提高软件生产率、缩短软件开发时问、提高软件质量， 是控制软件复杂度的有效途径。 传统的结构化方法着眼于一个信息系统需要什么样的方法和处理过程，以过程抽象 来对待系统的需求，其主要思想就是对问题进行功能分解，如果分解后的功能过大，再 对此功能进一步分解，直到最后分解得到的功能可以比较方便的处理和理解为止，所以 结构化方法也称为功能分解法( f u n c t i o n a ld e c d m p o s i t i o n ) 。 与传统的结构化软件开发方法相比，面向对象软件开发方法在描述和理解问题域时 采用截然不同的方法。其基本思想是，对问题域进行自然分割，以更加接近人类思维的 方式建立问题域模型，从而使设计出来的软件尽可能直接地描述现实世界，具有更好的 可维护性，能适应用户需求的变化( 王少锋等，纽0 0 4 ) 。面向对象技术可用于系统分析、 系统设计、程序设计、数据结构设计、数据库谢计等方面。 第二章系统总体结构设计思想 2 1 2 面向对象的基本概念 面向对象由对象、类、封状、继承、多态、消息这六个基本概念组成( h a i g i l ，a 等， 2 0 0 3 ) 。 ( 1 ) 对象( o b j e c t ) 对象是系统中用来描述客观事物的一个实体，它是构成系统的基本单位。一个对象 由一组属性和对这组属性进行操作的方法组成。对象只描述客观事物的本质和与系统目 标有关的特征，而不考虑非本质的、与系统目标无关的特征。对象通过向另一个对象发 送消息获得某一个功能。 从系统的建模和实现而言，对象描述了客观世界的一个实体，它是构成系统的基本 单元，由一组属性和一组附属于它的行为组成。一个对象通常由对象名、属性、行为组 成。例如一辆汽车具有型号、外壳、车轮等特性，又有启动、加速、刹车等行为。在地 理信息组件m a p o b j e c t s 中，地图显示对象m 印既有长度、宽度、背景颜色、显示方法 等属性，又有地图加载( l o a d l a ”r ) 、地图放大( z o o m o u t ) 、地图缩小( z o o m i n ) 等行为。 ( 2 ) 类( c l a s s ) 类是一组具有相同属性和相同操作的对象的集合。类是对对象的抽象，它给出了属 于该类的全部对象的抽象定义，包括类的属性、方法和其它性质。一个具体的对象只是 类的个实例。 类所代表的只是一个抽象的概念或事物，而在客观世界中实际存在的事物是类的实 例，即对象。如在农田水利管理系统中，某一个具体的渠首引水闸门是对象，而“闸门” 就是个类，他是对所有闸门对象的抽象，反映了闸门的共性。“闸门”类有宽度、高 度、过水流量、建造年份、用途等属性，有开启、关闭等行为。这样，每个具体的闸门 对象就拥有了各自不同的属性值和行为。图2 1 是闸门类的结构示意图。 图2 1 类的结构 f i g2 一ls t m c m m c l n s s 沈阳农业人学硕士学位论文 ( 3 ) 封装( e n 唧s u l a t i o n ) 封装就是把对象的属性和方法结合成一个独立的系统单位，并尽可能地隐蔽对象的 内部细节。封装使一个对象形成了两个部分：接口部分和实现部分。对于用户来说，接 口部分是可见的，而实现部分是不可见的。 封装是一种信息隐藏技术，用户只能看见对象封装界面上的信息，对象的内部实现 对用户是隐蔽的。封装的目的是使对象的使用者和生产者分离，使对象实现模块化，同 时信息隐蔽，用户在使用一个对象时，对象都将内部属性数据和操作封装在这个黑盒子 里。 ( 4 ) 继承( 1 1 l l l 鲥t ) 继承是指子类( 特化类、派生类) 可以自动拥有父类( 基类、泛化类、超类) 的属性与 方法，同时子类中还可以定义自己特有的属性和方法。所以子类的属性和操作是子类中 的定义部分和其祖先类中的定义部分的总和。 继承是类间的基本关系，它是基于层次关系的不同类共享数据和方法的一种机制。 如果一个子类只有唯一的一个父类，这个继承称为单一继承。如果一个子类有一个以上 的父类，这种继承为多重继承。 ( 5 ) 多态( p o l y m o l p h i s m ) 多态是指一个名字具有多种语义，即“同一接口，多种实现”。在基类中定义的属 性和方法被子类继承后，可以具有不同的数据类型或表现出不同的行为。 在体现一般与特殊关系的一个类层次结构中，不同层次的类可以共享一个方法的名 字，但是却有各自不同的实现。当一个对象接收到一个请求进行某项服务时，将根据该 对象所属的类，动态地选用在该类中定义的操作。 多态性机制不但为软件的结构设计提供了灵活性，减少了信息冗余，而且也显著提 高了软件的可复用性和可扩充性。 ( 6 ) 消息( m e s s a g e ) 消息就是对象发出的服务请求，它包含了提供服务的对象标识、方法标识、输入信 息和回答信息等。面向对象的一个原则就是通过消息进行对象之间的通信。消息只告诉 接收对象需要完成什么操作，但并不指示接收者怎么样完成操作。消息完全由接收者解 释，接收者独立决定采用什么方法完成所需要的操作。 2 1 3 面向对象技术在辽宁省农田水利管理信息系统中的应用 面向对象技术的应用分两类：面向对象的分析( o b j e c t s o r i e n ta 蛳l y s i s ，o o a ) 和面 向对象的设计( o b j c c t o r i c n t e dd e s i 鲫，0 0 d ) 。 面向对象分析的目标是完成对所解问题的分析，确定待建的系统要做什么，并建立 系统的模型。面向对象分析的任务就是通过分析问题域建立系统的概念模型，并用相应 第二章系统总体结构设计思想 的符号表示。而模型一般由5 个层次构成，即主题层、类及对象层、结构层、属性层、 服务层。 面向对象设计是将0 0 a 所创建的分析模型转化为设计模型。是在面向对象分析的 基础上进行系统设计，包括交互过程和用户接口、任务管理、全局资源协调并确定边界、 各个类的存储和数据格式。 面向对象技术在农田水利管理信息系统中的应用： ( 1 ) 采用面向对方对农田水利管理信息系统进行数据建模。 在农田水利管理信息系统建模时，利用面向对象技术，把抽象的信息转化为具有相 互联系，并有一定约束条件的数据模型，产生出一个能反映农田水利管理需求的概念模 型。 农田水利管理信息系统所管理的数据庞杂，种类众多，限于篇幅，本文就不一一列 举出来，现仅以农田水利工程对象为例，介绍农田水利对象模型，模型如图2 2 。 图2 2 农田水利工程对象模型 f l g2 2 c l n s s m o d e l 可衙 g a t f o n n d d m i n o 詈e 农田水利工程是辽宁省农田水利管理信息系统中最重要也是最多的数据类型，主要 有：渠道、河流、湖泊、滩涂、农田、桥、涵、闸等类组成，农田类又分水田和旱田两 种子类。 ( 2 ) 采用面向对象的软件开发方式 地理信息系统的发展使得地理信息管理软件越来越复杂，规模也越来越大。在大型 项目中要尽可能做到各个模块的独立性较强、接口清楚、系统各功能封装性好，而一个 封装性差的系统会带来很多的错误隐患。充分利用“面向对象”的特点和现有的面向对 象的编程工具可以大大简化软件的设计、开发过程。 4 沈阳农业大学硕十学位论文 在辽宁省农田水利管理信息系统的开发过程中，选用面向对象的地理信息系统组件 m 印o b j e c t s 实现地理信息功能。 系统采用支持面向对象的s u a lc + + 为开发工具。m 印o b j e c t s 可以方便的嵌入到 s u a lc + + ，对空间信息实现可视化的显示，并能提供距离测量和面积量算等一些空间 分析的功能，实现了属性数据的统计分析，空间数据和属性数据的交互式查询，为管理 决策提供依据。图2 3 是m 印o b j e c t s 在v c 引用中部分类结构的示意图。 2 2 空间数据库技术 图2 3m a p o b j e c t s 的类示例 f i 9 2 3s n m p t e s m d p o b j e mc n s s 陈述彭院士曾经把地理信息系统中的数据比作水利设施中的水，没有了水，水利设 施便无法发挥作用。g i s 如果没有数据，就成了无源之水、无本之木。根据实践经验， 数据占g i s 应用系统投资的7 0 8 0 ( 毕硕本等，2 0 0 3 ) 。高质量的数据是保证g i s 强大功能发挥的前提和保证。 g i s 中的数据一般由空间数据、属性数据、多媒体数据、文档数据组成( 毕硕本等， 2 0 0 3 ) 。g i s 数据具有来源广泛、性质差异大、更新快、历史