（环境科学专业论文）基于gis技术的九洲江流域水环境信息系统的开发.pdf

中山人学硕：l 学位毕业论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h egi s b a s e dw a t e r e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ns y s t e mo f j i u z h o u j i a n gr i v e rb a s i n m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：q u a nl i s u p e r v i s o r ：p r o f p i n gh u a n g a b s t r c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i t y , t h ew a t e rp o l l u t i o np r o b l e m sa r eb e c o m i n g m o r ea n d m o r es e r i o u s w en e e dt or e l i z et h em o d e r n i z a t i o ni no r d e rt oe n h a n c et h e w a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n tl e v e l t ou s et h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt od e v e l o p ap o w e r f u la n du s e r - f r i e n d l yw a t e re n v i r o n m e n t a i n f o r m a t i o ns y s t e mw o u l dp l a ya i m p o r t a n tr o l et op r o m o t e t h em o d e r n i z a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a im a n a g e m e n t t h ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo ft h eg i s b a s e dw a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mi sd i s c u s s e d t h ed e v e l o pt e c h n o l o g yo fw a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mh a st w oc o r e ，o n ei st h eg i st e c h n o l o g y , t h eo t h e ri st h ew a t e re n v i r o n m e n t m o d e l a n dt h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ew a t e re n v i r o n m e n tm o d e ij st h ew a t e r q u a l i t ym o d e l i nt h i sp a p e t h ed e v e l o p m e n to fg i sa n di t si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y w i t he n v i r o n m e n tm o d e i sd i s c u s s e d a n dt h ei n t e g r a t i o ns t r a t e g yo fw a t e rq u a l i t y m o d e ia n dw a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d b yt h ed e v e l o p m e n t o fw a t e re n v i r o n m e n t a ii n f o r m a t i o ns y s t e mo fj i u z h o u j i a n gr i v e rb a s i n ，t h eg i s t e c h n o l o g ya n d e f d cm o d e la r ei n t e g r a t e di nt h es y s t e m ，a c h i e v i n gt h ec o m b i n a t i o n o ft h e o r ya n dp r a c t i c e w i t hv i s u a ib a s i ca st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h ew a t e re n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o ns y s t e mo fj i u z h o u j i a n gr i v e ri n t e g r a t e dt h ec o m p o n e n tg i sc o n t r o l s ，a n d w i t hs e l f - c o d i n g ，a c h i e v e st h eg i sm a pf u n c t i o n t h i ss y s t e mi n t e g r a t e dt h ee f d c m o d e ib yi n v o k et h ee x e ( e x e c u t a b l ef i l e ) ，a n dc o d et h ed l lt oa c h e v et h ep a r a m e t e r t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ee f d cm o d e ia n dt h es y s t e m t h es y s t e mp o s s e st h e d a t a b a s eo p e r a t i o nf u n c t i o na n dt h eg i sf u n c t i o n ，a tt h es a m et i m e ，t h ep o w e r f u i n u m e r i a c a la n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o nc a p a b i l i t i e sa r ei n t e r g r e t e di nt h i ss y s t e m t h i s w a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m m u s t g r e a t l yi m p r o v e t h ew a t e r e n v i r o n m e n t a ii n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n - m a k i n gl e v e io fj i u z h o u j i a n g r i v e r k e v w o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i st e c h n o l o g y , e f d cm o d e l 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：参象 日期：加7 年6 月乡d 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：摹智l 导师签名：一一参季 日期：哆年6 月0 日 中山大学硕：i ：学位毕业论文第1 章引论 第1 章引论 1 1 本文研究的背景和意义 随着社会经济的飞速发展，生产力的不断提高，环境污染日趋严重，其中水资 源短缺和水污染加剧是我们必须面对的重要环境问题之一。我国水资源保护形势 甚为紧迫，水环境恶化和水体污染迅速发展，已经到了极为严重的地步，如果不 及时加强科学管理和科学利用，势必给我国经济的可持续发展带来难以逾越的障 碍。 解决水环境危机的出路在于科学的水环境管理，然而“水资源环境社会经 济 是一个复杂庞大的系统，主要体现在其时空分布、各状态、各子系统间的相 互作用关系相当复杂，信息量十分庞大。无论是对流域的管理、水资源的利用还 是决策的最后确定，都是建立在这些数据量大、纷繁复杂的流域信息的基础上的。 因此，如何流域的有关信息的收集、储存、分析和利用对水资源管理水平是十分 重要的。随着社会经济的飞速发展，传统的信息管理方法已经不能满足现代水环 境管理的需要，其主要体现在一下三个方面：( 1 ) 庞大的空间数据即使对专业人 员来说，完全清楚并充分利用于问题分析也是相当困难，对管理机构来讲更是如 此；( 2 ) 与水环境管理相关联的各子系统都具有时间变化特点，现代的管理要求 高效实时地利用这些动态数据分析系统特性，以便于制定决策；( 3 ) 随着技术的 进步和管理的深化，要求对时空信息进行定量化分析，但对于诸如图形的多层次 迭加等，手工数据维护几乎是不可能的。地理信息系统因为其高效的空间数据和 属性数据的维护能力及强火的检索查询功能，为在水资源管理过程t ，实i r , j 获取信 息和决策分析提供了一个有效的工作平台和可靠的技术支持。因此，g i s 技术在 流域水环境管理中的应用具有普遍推广的意义。 九洲江是一条跨广东、广西两省( 区) 的独流入海的河流，发源于广西陆川县， 流经广西陆川、博白两县进入广东省湛江市的廉江市，并于廉江市安铺镇黎头沙 及营仔圩出海。流域面积3 3 3 7 平方公里，河流长度1 6 2 公里，河床坡降0 4 7 。 中山大学硕士学位毕业论文第1 章引论 其中廉江市境内面积2 1 3 7 平方公里，河长8 9 公里。随着流域经济的发展，九洲 江的水环境受到了严重的危险。如何利用计算机信息技术，开发出功能强大的水 环境信息系统，加强流域的水环境管理，是应对日益加剧的水环境问题的重要一 步。 1 2 国内外研究现状 环境信息系统( e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称e i s ) ，是为环境管理服 务的，是基于现代计算机技术和通信技术，实现环境信息的收集、传递、储存、 加工、维护和利用的系统【1 l。管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ， 简称m i s ) 自1 9 5 8 年由s t o l l e r 和v a n h o r n 提出依赖，其内容和结果都得到不断 完善和变化，随着工业发达国家对日趋严重的环境问题的关注，e i s 逐渐发展起 来。 在国外，美国环保局( e p a ) 较早开展这方面的研究工作，由其主持开发的系统 e a d s 用于辅助环境评价、污染源表征及控制技术的发展；h e e d a 通过对结构与 毒性关系的研究，达到从化学结构预测毒性的目的；s a r o a d 和s t o r e t 为国家 和政府提供环境决策支持【2 1；d d r p ( t h ed i r e c t d e l a y e dr e s p o n s ep r o i e c t ) 用于预 测、调查地表水化学物质对持续酸沉降的长期响应关系；m a n n a g e 用于区域土 地利用的污染风险评价；欧共体开发的e c d i n 系统能够对环境信息进行全面综合 的管理；英国国家环保局主持开发的w q i s 系统可以辅助水质管理；由英国人类 可靠性联合公司和伦敦经济政治大学共同研制的影响与评价决策支持系统 i m a s ，具有专家知识管理模型与即时响应功能【3 j 。 我国的e i s 建设起步较晚，“七五 期间我国开始环境信息标准化与环境数据 库的开发研究，此后我同环境信息化进展较快，取得了一定的成效，不仅建立了 批国家级e i s ，同时也建立起省市级、区县级e i s 以及流域e i s ，这些系统为我 国环境管理的现代化水平起了很大的推动作用。国家级e i s 主要有：“七五期 间国家投资开发的国家环境信息系统，国家宏观决策支持系统、国家环境统计信 息系统、国家污染控制管理信息系统【4 1 、危险废物管理信息系统【s 1 等。 目前，e i s 的发展趋势主要有以下几点：( 1 ) 环境信息管理标准化、规范化； 2 中山大学硕士学位毕业论文第1 章引论 ( 2 ) 3 s 技术的应用；( 3 ) 与专家系统的进一步结合；( 4 ) 虚拟现实技术的结合。 纵观国内外环境信息系统的发展，我们不难发现，g i s 进入e i s 领域，对e i s 的发 展是起到了巨大的推动作用的。 然而基于g i s 的e i s 仍面临着一些问题：首先，环境要素及其变化过程具有 明显的时空动态特征而g i s 在表示复杂的地理要素、时空动态变化等方面还存在 着难以克服的问题；其次，环境要素运动过程模拟需要复杂的数学模型，而g i s 在模型模拟方面的功能尚有欠缺等，这些都大大限制了g i s 技术在e i s 中的进一 步发展，因而也是今后g i s 技术与e i s 更深层次结合所急需解决的问题。 对于水环境信息系统而言，将g i s 与水模型集成到一起是水环境e i s 发展的 必然趋势。由于通过水质模型可以定量计算出水质环境状况及变化，水质模型在 实际应用中已经取得了较好的效果。但是基于数学模型的水质模型对于空间数据 的处理有很大难度，其计算结果的显示输出还无法实现水质与环境空间的结合以 及二者关系的可视化表达。g i s 的空间分析和空间数据管理的优势可以为环境模 型提供一整套基于g i s 逻辑原理的空间操作规范，用于具有空间分布特性的环境 模型研究对象的迁移、扩散、动态变化及相互作用等。但g i s 不能单独解决水质 模拟计算问题，因此，将g i s 与水质模型有机结合，可以使二者相互取长补短： 一方面把g i s 与水质模型结合，弥补了g i s 不能进行复杂算法的缺陷，并能充分 发挥其空间数据管理、分析和显示的优势；另一方面，g i s 的介入使水质模型的 检验、校正更加容易，g i s 的空间表现能力使水质模型的视觉效果有质的飞跃 f 2 j o 到目前，g i s 技术与水质数学模型结合应用于水环境方面，在国内外己经取 得了一些成果。m i c h a e l 等人【6 】把g i s 技术、释氯模型与经济分析相结合，对高 含氮地区的地下水进行评价分析，计算种植物地区地下水中硝酸盐氮的含量。l e e 等人 7 1 利用g i s 为农业非点源污染模型a g n p s 开发了一个g i s 界面。h e 等人【8 】 将a g n p s 、地理资源分析支持系统g r a s s 及g r a s sw a t e rw o r k s 集成，综合评价 了非点源污染对密歇根州c a s s 河水质的影响。d a p r a t 等人【9 】用g i s 技术，将遥 感数据处理、建模、统计分析集成在一起，对近海湍羽流进行了分析研究，了解 b r o w a r d 海岸带悬浮物的分布情况。c a r l w c h e n 等人【1 伽开发了基于g i s 的水体 最大污染负荷决策支持系统t m d 。g u m b r i c h t 等人1 1 1 】将g l s 应用于流域的水质 3 中山人学硕士学位毕业论文第1 章引论 动态检测系统中，可实现2 4 小时的适时监控与数据更新。英国o x f o r ds c i e n t i f i c s o f t w a r e 研究小组以地理信息系统的形式开发的水资源系统模拟模型一一 a q u a t o r 【1 2 1 。 在国内，孙启宏等【1 3 l 利用g i s 的动态分段技术实现了河流一维水质扩散模 拟和空间显示分析。张俐、李兰等 1 4 j 进行基于g i s 的二维水质网格计算研究， 建立了西江水质预警预报系统。许裙【1 s 】等运用t m 影像和s p o t 影像，结合遥 感和g i s 技术，进行了台湾基隆河流域的水体悬浮固体制图和环境背景遥感制图， 并对环境背景和城市污染的关系做了分析。江毓武等1 1 6 】人利用g i s 的数字高程 模型( d e m ) 以及矢量与栅格数据的转换功能生成厦门海域水深等值线图和网格化 岸线，结合三维水质模型进行该海域水质模拟计算，实现结果的显示输出与查询。 董志别1 7 】等借助于g i s 强大的空间分析功能，采用共享软件，对水质进行预警， 并将预警结果与其它地理信息相叠加，提出了g i s 支持下的水质预警的方法和流 程。詹世平【1 剐等利用g i s 技术，针对大连湾水运动和水质模型的数值计算结果， 通过m a p l n f o 对栅格地形图矢量化，然后创建与地形图对应的水污染物浓度分布 关系数据表，把表和地形图连接起来，得到了基于大连湾地形图的水质污染物浓 度分布情况等值线图形及相关信息。张行南掣1 9 1 在地理信息系统平台上，利用 其强大的空间数据分析能力，研制了水质模拟软件系统，系统包括了水质模型输 入数据的处理，实时模型计算及模拟结果的可视化输出。该系统在江苏省水环境 容量信息管理系统的应用中取得了较好效果。马蔚纯等2 伽运用水质数值一维模 型及其与g i s 相结合的技术，以污染源调查数据为基础，研究了上海市苏州河水 体水质的时空变化规律，并将a r c i n f o 中的空间叠置功能运用于污染源分析， 为水质数值模拟提供基于空间分析的污染源负荷输入。 随着网络技术的不断发展，w e b g i s 作为一门新兴的技术学科，成为地理信 息系统理论研究和技术创新的增长点。同时，由于w e b g i s 具有开放性、访问的 范围更广泛、平台的独立性、系统成本较低、操作简单方便等优点，目前己在各 行各业被广泛地应用。至于在水环境方面的应用，国内己有不少报道【2 1 1 。在 i n t e r n e t 上采用w e b g i s 技术，可以实现水环境信息的公开、直观发布，使公众 及时了解水体质量信息，从而积极引导和促进公众广泛参与环境管理，具有重要 的应用价值。 4 中山火学硕十学位毕业论文第1 章引论 1 3 主要内容及技术路线 本文主要是通过探讨基于组件式g i s 控件m a p o b j e c t s 2 0 的九洲江水环境信 息系统的研制与开发，主要内容包括： ( 1 ) 对g i s 及其开发做简单的介绍，并讨论了g i s 与水环境信息系统的集成策 略，分析各种策略的优缺点。 ( 2 ) 简单回顾了水质模型的发展和现状，并讨论了水质模型与水环境信息系统 的集成策略，及各种策略的实现。 ( 3 ) 介绍系统的设计思路及其实现方法。对系统采用的开发技术、选取工具、 接口设计等开发细节进行阐述，并简单介绍了系统的一些主要功能。 技术路线如图1 1 所示： 5 中山大学硕上学位毕业论文第1 章引论 图1 - 1 技术路线图 6 中山大学硕= 二学位毕业论文第2 帝g i s 与水环境信息系统的集成 第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 2 1g i s 的开发 国内一般比较权威的，对g i s 的定义是：“在计算机软件和硬件支持下，集地 理环境信息的采集、存贮、管理、分析和输出于一体，运用系统工程和信息科学 的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规戈0 、管理、 决策和研究所需的技术系统。” 2 2 1 。g i s 主要具有以下一些特点：( 1 ) 具有采 集、管理、分析和输出多种地学空间信息的能力，具有空间性和动态性；( 2 ) 以 地学研究和地学决策为目的，以地学模型方法为手段，具有区域空间分析、多要 素综合和动态预测能力，产生高层次、高质量的地学派生信息；( 3 ) 由计算机支 持空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地学分析方法或模型，作 用于空间数据，产生有用信息，快速、准确地提供科学决策依据。【冽 2 4 1 对于地理信息系统研究和应用的工程技术人员而言，开发和设计地理信息 系统具有两个方面的含义：一是从底层开发一个通用的地理信息系统，即通用平 台的开发；二是在商业化地理信息系统( 主要是通用的地理信息系统开发平台) 的基础上进行二次开发，完成专用地理信息系统的开发。二次开发又可分单纯二 次开发与集成二次开发。【2 5 l 独立开发是指从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有 的算法都有开发者独立完成，不借助任何g i s 工具。这种方法的优点在于不借助 尚业工具，所以在成本上可以大幅度减少，但对于大多数开发者来说，由于时问、 人力、物力的限制，其开发出的成品难以和商业软件相媲美。 单纯的二次开发是只借助g i s 工具软件提供的开发语言进行系统开发。此方 法比独立开发更省时问和精力，但由于用于二次开发的宏语言只能算是二流的语 言，功能极弱。集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件( 如a r c v i e w 、m a p l n f o 等) 实现g i s 的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如v i s u a l 7 中山入学硕士学位毕业论文第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 b a s i c 、d e l p h i 、v i s u a lc + + 等作为开发平台，进行二者的集成开发。 目前集成二次开发的方式主要有两种：( 1 ) 采用o l ea u t o m a t i o n 技术或d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) ，用软件开发工具开发前台可执行应 用程序，以o l e 自动化方式或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台执行，利用回 馈技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能。( 2 ) 组件式 g i s ( c o mg i s ) ，利用g i s 工具软件生产商提供的建立在o x c ( o l ec u s t o mc o n t r o l ， o l e 自定义控件) 技术基础上的g i s 功能控件，如e s r i 的m a p o b j e c t s 、m a p l n f o 公司的m a p x 等，以高级编程语言作为开发平台，然后将g i s 控件嵌入其中，从 事实现地理信息系统的各种功能。 上述g i s 开发方式各有利弊，表2 1 比较了各个方式的优缺点，开发人员应 该根据实际情况来决定采取何种开发方案。【2 5 j 表2 - 1 建立g i s 应用方案的比较 2 2g i s 与环境模型的集成 g i s 与环境模型的集成，在结合方式和数据交换形式上有四种集成方式：【2 6 】 【2 7 l【2 8 】 ： ( 1 ) 分离应用：g i s 和环境模型分属两个独立的系统，两个系统拥有自己的界面， 并且可能在不同的硬件环境下运行。两个系统通过用户手工操作，来完成数据的 8 中山大学硕一：学位毕业论文 第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 交换。这种方法不需要编制程序，开发工作量少，但操作极为不便，特别是数据 量大而且交换频繁的情况。这个方法主要是早期的工作站版本的g i s 软件和微机 环境下的模拟模型的结合方式，目前已不多见。 ( 2 ) 松散集成：g i s 和环境模型仍分属两个不同的模块，但二者拥有共同的用户 界面。用户通过编制某种格式定制的文件，对不同的数据模型进行交叉索引， g i s 和模拟模型通过数据联接，这种方式可以在同一个工作站或局域网实现数据 在线传输。此方法集成效率低，系统整合性差。 ( 3 ) 紧密集成：g i s 环境内部发展起来的，在统一的用户界面下，结合g i s 和环 境模型开发环境模型专用的g i s 软件。环境模型作为分析功能的一部分或g i s 作 为环境模型的一部分，借助于g i s 的开发语言和o d e 与环境模型开发工具混合编 程，使环境模型运行于g i s 内部，由g i s 管理环境模型所需的空间数据和属性数 据并对运算结果进行分析处理和显示。在这种集成模式中，系统与模块之间多采 用动态链接库( d l l ) 的形式链接，使各个模块在g i s 的环境中进行完全封装为一个 整体，是一种紧密的结合体系。此种结合体系使模型开发者能够在建造模型和应 用模型解决实际问题时提高效率。 ( 4 ) 完全集成：这种情况从用户的观点出发，将g i s 和模拟模型设计在一个共 同的系统内，使用共同的数据模型，数据纳入到共同的数据库管理系统，这种情 况下，两个子系统的相互调用变得简单而有效，但必须使用共同的标准化计算机 语言，从系统底层做起，开发代价很大。 从上述四种集成方式来看，完全集成在技术上最为g i s 学者所推崇，但环境 模型和g i s 数据结构不完全兼容，环境模拟模型的专业性又比较强，完成起来难 度大；从目前g i s 的发展趋势看，g i s 软件的组件化以及二次开发能力的扩展， 比完全集成更具现实意义。 组件化g i s 技术，又叫c o mg i s 技术，是指基于组件对象平台，以一组具有 某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件所提供的g i s 组件之间以及g i s 组 件与其他组件之间可以通过标准的通信接口实现交互。c o mg i s 技术既可以充分 利用可视化软件开发工具的高效方便的编程功能，又可以充分利用g i s 工具软件 对空间数据库的管理、分析处理功能，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统 的开发效率，而且使用面向对象的可视化软件开发出来的应用程序具有良好的外 9 中山大学硕士学位毕业论文第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 观、完善的功能、便于维护等优点，是小规模、低成本、短开发周期系统的首选。 2 2 1 组件式g i s 技术简介 c o m 是组件式对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 的英文缩写，是组件之 间相互接口的规范，是o l e 和a c t i v e x 共同的基础，其作用是使各种软件构件和 应用软件能够用一种同意的标准方式进行交互。c o m 不是一种面向对象的语言， 二是一种与源代码无关的二进制标准。c o m 所建立的是一个软件模块与一个软 降模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接口” 的机制来进行通信。 2 5 1 组件式g i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控件 完成不同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其他非g i s 控件之间，可 以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。控件如同 一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能，根据需要把实现各种功能的“积 木 搭建起来，就构成了应用系统。 同传统的g i s 比较，这一技术具有以下几个方面的优点：【2 5 1 1 2 9 , 3 0 a ) 高效无缝的系统集成； b ) 无须专门的g i s 开发语言； c ) 面向大众化的g i s ； d ) 成本低、周期短； e ) 可扩展性强。 组件式g i s 开发平台通常可设计为三级结构： ( 一) 基础组件：面向空间数据管理，提供基本的交互过程，并能以灵活的 方式与数据席系统连接； ( 二) 高级通用组件 由基础组件构造而成，面向通用功能，简化用户开发过程，如显示工具组件、 选择工具组件、编辑工具组件、属性浏览器组件等等。它们之间的协同控制消息 都被封装起来。这级组件经过封装后，使二次开发更为简单。如一个编辑查询系 统，若用基础平台开发，需要编写大量的代码，而利用高级通用组件，只需几句 中山大学颁：f = 学位毕业论文第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 程序就够了。面向通用功能； ( 三) 行业性组件 抽象出行业应用的特定算法，固化到组件中，进一步加速开发过程。以g p s 监控为例。对于g p s 应用，除了需要地图显示、信息查询等一般的g i s 功能外， 还需要特定的应用功能，如动态目标显示、目标锁定、轨迹显示等。这些g p s 行业性应用功能组件被封装起来后，开发者的工作就可简化为设置显示目标的图 例、轨迹显示的颜色、锁定的目标，以及调用、接受数据的方法等。 g i s 软件的模型包含若干功能单元，诸如空间数据获取、坐标转换、图形编 辑、数据存储、数据查询、数据分析、制图表示等。可以想象要把这些所有的功 能放在一个控件中几乎是不可能的，即使实现也会带来系统效率上的低下。一般 可以认为g i s 构件的设计主要遵循应用领域地需求。例如e s r i 的m a p o b j e c t s 就 是以空间数据访问、查询、制图为主要目标的g i s 构件。 g i s 组件的代表作应首推m a p o b j e c t s 以及m a p x 等。其中m a p o b j e c t s 由全球 最大的g i s 厂商e s r i ( 美国环境系统研究所) 推出；m a p x 由著名的桌面g i s 厂商美 国m a p l n f o 公司推出。另外还有加拿大阿波罗科技集团的t i t a n 等等。 2 2 2g i s 集成面临的技术问题 g i s 的发展更多地得益于社会对信息的管理功能而不是空间分析与模拟的需 求。【3 1 】考虑到市场和经济等诸方面因素，g i s 的发展必须满足绝大多数用户的 需求。现在，越来越多的g i s 研究人员己意识到g i s 空间分析能力的缺乏已经成 为g i s 进一步发展的障碍，集成作为多种技术融合的手段毫无疑问将为g i s 的深 入应用提供有效的帮助。然而，由于专业模型通常都是独立于g i s 在各自领域发 展起来的，其规棋和复杂程度可能和g i s 一样复杂而又庞大，同时，空问数据的 复杂性也进一步增加了g i s 和这些专业模型集成的难度，g i s 的数据模型仍然缺 乏环境模拟所需的时空结构，g i s 软件系统也不具有能够同时处理空间和时间数 据的结构化可变性以及建立和检验过程模型的算法可变性。【3 2 】 因此，尽管集成 的重要性已为人所共识，但是，g i s 与专业模型之间仍然缺乏必要的连结，本文 从数据及其规范、g i s 和模型三方面探讨集成所面临的技术问题。【3 3 j 1 1 中山大学硕士学位毕业论文 第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 1 、数据与其规范 数据是集成的主要对象，但目前许多g i s 数据库中，数据的精度和质量都不 可知，数据的品质也得不到充分的反映，这些不确定性必然会导致系统运算结果 的不确定性。同时，数据时空尺度和分辨率也常常无法满足用户的需求。对于很 多环境模型，时序数据是必须的，但目前的g i s 系统却不支持时序数据。另外， 模型和g i s 往往是采用不同的形式和结果的数据，使得在系统使用时要将这些数 据进行交换。但有时候这种转换是很难实现的。 2 、g l s 虽然g i s 开发商为用户提供了许多商品化的g i s 组件软件，但这些软件普遍 都存在许多不足，使得系统在需要实现更高级功能的时候，往往四处碰壁。这些 不足主要体现在： 一、缺乏时序分析能力；二、不具备时间和空间插值和采样方面的能力；三、 目前大多数的g i s 组件都不具备三维分析、模拟及可视化的有效手段，没有足够 的三维体素操作来模拟三维的地球环境过程。四、许多g i s 对于模型用户而言仍 然太复杂、不易掌握且缺乏标准化的操作方法，模型用户仍然需要花费大量时间 去学习一种陌生的系统。 3 、模型 模型是集成系统深入应用的关键所在，然而模型由于其自身发展的特点，模 型又是难和g i s 系统及数据有效地连结起来。 3 3 j 这是因为i ( 1 ) 环境模型通常都是独立于g i s 开发出来的，它所要求的数据存储形式以及 内部据结构一般都不为g i s 所接受，很难直接有效地把模型纳入到g i s 之中。 ( 2 ) 模型开发人员缺乏对g i s 功能和缺陷的充分认识，很少利用g i s 的空间分 析功能进行模型的构造。 ( 3 ) 模型结构难以调整以融入新的技术与方法( 如空间模拟、可视化技术等) 。 ( 4 ) 模型参数的自动化率定程度不够，缺乏对某些参数( 尤其是空间参数) 对模 拟结果的可能影响程度的分析。 ( 5 ) 模型的基本假定与方法说明并未作为整个模型的一个有效成份，不利于用 户对型的选择与使用。 ( 6 ) 通常缺乏对模型运行过程中误差传播的分析，不能肯定模型结果的可靠 中山人学硕： = 学位毕业论文第2 章g i s 与水环境信息系统的集成 程度。 显然，g i s 与专业模型的集成需要从各自方面考虑彼此的连接问题，需要数 据开发人员、g i s 开发人员和模型开发人员的共同努力，从而建立起可运行的、 综合的、统一的集成环境。一方面，g i s 人员必须了解构模人员的需求，把更多 的数学功能和分析方法纳入到g i s 产品之中，另一方面，模型人员必须熟悉g i s 的功能，并充分考虑到g i s 的数据结构，从而在彼此之间找到共同的基础。 中山大学硕士学位毕业论文第3 章水质模型与水环境信息系统的集成 第3 章水质模型与水环境信息系统的集成 3 1 水质模型发展现状 水质模型( w a t e rq u a l i t ym o d e l ) 是根据物质守恒原理用数学的语言和方法描述 参加水循环的水体中水质组分所发生的物理、化学、生物化学和生态学诸方面的 变化、内在规律和相互关系的数学模型。它是水环境污染治理、规划决策分析的 重要工具3 4 ，3 5 1。对现有模型的研究是改良其功效、设计新型模型所必须的，研 究现有水质模型是为水环境规划治理提供更科学更有效决策的基础，是设计出更 完善更能适应复杂水环境预测评价模型的依据。 水质的计算是建立在水动力计算的基础上的，一个完整的水质模型必然包含 水动力部分。可以说水质模型的发展和水动力模型的发展是息息相关的。 3 1 1 水动力模型发展现状 水动力学模型源于1 9 世纪的s a i n t - v e n a n t 的理论。通过研究建立的 s a i n t - v e n a n t 方程奠定了非恒定水流的理论基础。二十世纪初，d e f a n t 和s t e m e c k 给出了一维潮流方程的数值解法，并且对一些狭长海域进行了计算，取得了较好 的结果。一维模型的研究成果为河口区域的工程开发、规划治理及二维、三维模 型的研究作出了巨大贡献。但是真正意义上的数学模型则是计算机诞生以后才开 始的，其发展过程大致分为三个阶段。 第一阶段：河口海湾地区的流体动力学研究开始于二十世纪五六十年代【3 0 ， 3 6 ，1 9 5 2 - - 1 9 5 4 年，l a s s c s o n 、s t o k e r 和t r o e s h 首次建立了m i s s i s s i p p i 河和o h i o 河部分河段的水流模型。1 9 5 2 年h a n s e n 利用潮汐运动的周期性简化基本方程， 提出了二维潮汐数值计算的边值方法，并借助计算机成功地对北海潮流场进行了 1 4 中山大学硕 ：学位毕业论文 第3 章水质模型与水环境信息系统的集成 数值试验。1 9 6 5 年，两位著名力学家z i e k i e m i c z 和c h e u n g 提出用有限元法解决 势流问题，使得基于经典变分原理的r e y l e i g h 、r i t z 和g a l e r k i n 方法在水流数值 计算中得以直接应用。【3 6 1 第二阶段：二十世纪七十年代，二维模型得到深入的研究和广泛的应用。如 l e e n d e r t s e 3 0 ，3 4 ，3 7 ，3 8 1 发展了有限差分法的半隐格式，b u t l e r 提出了全隐格式的 差分法y a n e n k o 和m a r e h u k 提出著名的分裂算子法【3 9 l，为丰富和发展水流模 拟做出了贡献。同时，二维的应用性研究也得到了发展解决了许多实际问题。 第三阶段：为适应应用性研究的深入和数学模型本身发展的要求，1 9 7 2 年 g e n d e y 和h e a p s 就试图获得速度的垂直分布，进行三维模型的研究。此后也陆 续出现了一些简单的三维模型，如l e e n d e r t s e 、c a p o n i 、b l u m b e r g 、d a v i e s 、t e e 和n i h o u l 等。二十世纪八十年代至今，基于二维数学模型的研究和应用同趋完 善和成熟的基础，二维数学模型的研究和应用迅速发展，特别是二十世纪九十年 代后，计算机技术的高速发展，为三维模型的应用提供了硬件保障，三维模型被 广泛应用于河口海岸的环境模拟中 3 7 , 3 8 , 4 0 , 4 1 1 。 目前，一维、二维的水动力模型已经相当成熟，但天然水体具有明显的三维 空间特性，因此数学模型需要以三维形式来模拟才能更全面地反映显示的情况。 但这样做却十分复杂，迄今为止，不仅对三维水流物理现象的了解还不够深入， 而且其相关基本理论尚不完善，体现在控制方程中的非线性项的存在、涡豁系数 的确定等。在具体计算时，又会遇到诸如自然边界的复杂多变、底床物质的错综 交叠，自由表面受气象因素制约，外边界难以正确把握以及水平和垂直尺度较大 等困难。尽管如此，由于解决实际问题的需要，学者们根据问题本身的物理特性， 提出了各种近似和假定，初步解决或缓解了其中的许多难题。其中较为著名的 有：b o u s s i n e s q 近似、b o u s s i n e s q 假定、静水压强假定，刚盖假定等。在上述假定 的基础上，建立并发展了各种不同的三维水动力学模型，除按照模型所采用的基 本方程的特点可分为线性和非线性外，其不同主要体现在垂向结构的处理上。 4 2 1 【3 4 ，3 5 1 3 1 2 水质模型的发展进程 1 5 中山大学硕：l 学位毕业论文第3 章水质模型与水环境信息系统的集成 和水动力模型一样，水质模型的发展也可以分为三个阶段m 】： 第1 阶段：二十世纪二十年代中期到七十年代初期，是地表水质模型发展的 初级阶段。该阶段模型是简单的氧平衡模型，主要集中于对氧平衡的研究，也涉及 一些非耗氧物质，属于一维稳态模型。 第2 阶段：二十世纪七十年代初期到八十年代中期，是水质模型的迅速发展 阶段，特点是开始出现了多维模拟、形态模拟、多介质模拟、动态模拟等特征的 多种模型研究。 第3 阶段：二十世纪八十年代中期至今，是水质模型研究的深化、完善与广 泛应用阶段，科学家的注意力主要集中在改善模型的可靠性和评价能力的研究。 该阶段模型的主要特点有：考虑水质模型与面源模型的对接；水质模型中状态变量 及组分数量大增，特别是针对重金属、有毒化合物的研究；考虑了大气中污染物质 沉降的影响；多种新技术方法，如：随机数学、模糊数学、人工神经网络、3 s 技 术等。 3 1 3 水质模型发展现状 水质模拟可以分为机理性水质模拟方法和非机理性水质模拟方法。机理性模 型是依据物质质量守恒和能量守恒原理，通过流体力学中连续方程、运动方程、 能量方程推导得出的：如考虑水质组分间的相互作用及其自身生化作用影响，从 而得出全面、综合的水质模型。非机理性水质模拟实际上是一种黑箱模拟方法。 此方法针对某一特点的质系统，通过数学统计或其他数学方法建立模型。目前， 应用的比较广泛的水质模型都是基于机理性的水质模拟，以下简单介绍当今用得 比较广泛的水质模型，3 1 ： ( 一) s t r e e t e r - - p h e l p s 方程( 简称：s p 方程) 4 5 1 s - p 方程是在以下2 个假定下导出的b o d d o 水质模型【7 】：只考虑好氧微生 物参加的b o d 一级衰减反应，用k l c 来表示。河流水体中溶解氧的减少只认 为是由微生物的作用使b o d 衰减而引起的，b o d 的反应速率与水体中溶解氧减少 的速率相应，复氧速率与水体中的氧亏量成正比，其微分方程为： a r u 兰= 一k c 1 6 中山大学颂：l 学位毕业论文 第3 章水质模型与水环境信息系统的集成 u 竽：一k c k 2 ( q s d ) 融 7 u 挈：k f k d 苏 2 式中，u 为断面平均流速( m s ) ；c 为断面平均b o d 浓度( m g l ) ；0 为断面平均 溶解氧浓度( r a g l ) ；x 为上、下断面的间距( k m ) ：d 为断面溶解氧亏损浓度，为 实测水温时的饱和溶解氧o s 与断面实测溶解氧o 之差( m g l ) ；k 1 为好氧微生物 分解b o d ，使b o d 减少的衰减系数，l d ：k 2 为水面从大气复氧的复氧系数，! d 。 s - p 方程及其修正式是水质模型发展历程中最早的一类模型，由于当时对水 质模型的研究还处于萌芽阶段，s - p 方程还只是简单的氧平衡模型，主要集中于 对氧平衡的研究，也涉及一些非耗氧物质，属于一维稳态模型，因此在复杂水环 境条件下的应用范围受到了限制。