（环境工程专业论文）内蒙古阿盟孪井灌区地下水环境信息系统的设计与实现.pdf

叮1 髓船产墼丛型塑 内蒙古阿盟孪井灌区地 下水环境信息系统的设计与实现 摘要 h 亥选题是作为课题”内蒙阿盟孪井滩扬水灌区地下水环境及十壤 盐渍化评价与预测”( 简称为主课题) 的子课题而提出的，同时它也 是主课题所采用的工作方法之一。该系统结合了主课题的工作内容、 方法、流程，以地理信息系统一i ：具m a p g i s 平台为主控模块，采用数 据库软件a c e s s 建立了属性数据库，耦合了地f 水模拟模犁 m o d f l o w 。它一方面实现了信息化、规范化管理灌区环境水文地质数 据，另一方面利用系统集成的应用模型为主课题的研究工作提供了服 务。 本文是一篇应用研究，它对基y - g i s 技术的灌区地下水环境信息 系统的建立进行了分析、设计。卞要包括g i s 平台与专业模型耦合以 充分利用g i s 强大的空间分析功能、空间数据库的建立、数据的分类 体系等。木 论文的第一部分讨论了课题的立项背景、目的、研究的理论意 义和实际意义。 论文的第二部分首先分析了一般组成。它包括硬件组成和软件 组成。其次从g i s 的文件结构、原始数据的分类体系、对空间数据的 管理、分析、处理等方面分析了g i s 技术的功能特征。最后对g i s 技术应用于系统集成中的可行性进行了分析。 在论文的第三部分中分析厂系统实现的技术路线，卡要讨论了 数据的分类体系、元数据的编码方案、工作流程的划分、平台的选择 等。 在第四部分中主要分析了集成系统的开发平台和地下水模拟计 算模型的功能的逻辑组成、数据格式，开发工具等内容。 在第五部分中讨论并完成了系统集成目标设计、系统集成的业 务分析和工作流程、系统集成的概念模型设计。f 在以上工作的基础上 、 实现了系统的集成d 文章的最后一部分对系统集成过程中的一些问题进行了总结、 分析和讨论。主要从数据字典的建立、g i s 技术在专业领域中应用的 深化、分布式集成系统的形式、专业模拟模型开发等内容并提出了自 己的解决方法。 关键词：地理信息系统地下水环境 系统集成耦合模型 1 、_ o 、 青岛海洋，：学顺i ：论文 t h e d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no f g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e mo f l u a n j i n gi r r i g a t i o nr e g i o n b a s e do ng i s a b s l r a c 。i t h i sd i s s e r t a t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r da st h es u b j e c to f r e s e a r c ht a s k ， t h e f o r e c a s t i n g a n de v a l u a t i o no fs o i ls a l i n i z a t i o na n d g r o u n d w a t e r e n v i r o n m e n ti n n e i m e n g g up r o v i n c el u a n j i n gi r r i g a t i o na r e a ( n a m e d m a i n p r o j e c ti nt h ef o l l o w i n g ) ，a sw e l la so n eo fi t sw o r k i n gm e t h o d s t h es y s t e mw a sb u i l dw i t ht a k i n gg i sf i a ta si t sm a i nc o n t r o lm o d u l e ， f u l l yc o n s i d e r i n gt h em a i np r o j e c tw o r k i n gf l o w , w o r k i n gm e t h o d ，t a k i n g t h ed b m sa c e s st oe r e c ti t sa t t r i b u t e d a t a b a s e ，c o u p l i n g t h e m a j o r m o d u l e i tc a nn o r m a l i z e d m a n a g e t h ed a t a b a s e s e c o n di ta l s ob e n e f i t st o t h er e s e a r c ho ft h em a i np r o j e c t w o r k i n g t h ed i s s e r t a t i o ni sa na p p l i c a t i o nr e s e a r c h i t d e s i g n sa n da n a l y z e s i r r i g a t i o n a r e a g r o u n d 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 mb a s e do n g i st e c h n i q u e i t si l l u s t r a t i o n m a i n l yi n c l u d e ss u c ha s p e c t sa sh o wt h e g i sf i a tc o u p l i n gw i t hm a j o rm o d u l e ，t h eb u i l d i n go f s p a c ed a t a b a s e ，t h e c l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo fd a t a t h ef i r s ts e c t i o ni nt h ep a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h e r e s e a r c hm e a n i n g s ，t h e p u r p o s eo f i t st h er e s e a r c ha sw e l l t h es e c o n d p a r tf i r s t l ya n a l y z e st h ef e a t u r e so f g i s f u n c t i o n ，g e n e r a l c o m p o s i t i o n s e c o n d l y t h i s p a r t d i s c u s s e st h e f e a s i b i l i t y o fg i s t e c h n i q u e si m p l e m e n t i n gi n t os y s t e mi n t e g r a t i n g a tl a s ti ta d d r e s s e st h e p r o b l e m s n e e dt os e t t l ed u r i n gt h ec o u r s eo f i n t e g r a t i n g t h et h i r ds e c t i o nd i s c u s s e st h e t e c h n i q u e r o u t i n eo ft h e s y s t e m ， w h i c hi n c l u d e st h e c l a s s i f i c a t i o n s y s t e m o f d a t a ，c o d i n g m e t h o d m e t a 。d a t a ，t h el a y o u to f w o r k i n gf l o w , c h o i c eo ff l a t t h ef o u r t h p a r t d i s c u s s e ss o m e q u e s t i o n s a b o u t d e v e l o p i n g e a v i r o n m e n ts u c ha s l o g i cc o m p o s i t i o no fg i sf i a t ，s i m u l a t i o nm o d u l e 青岛j 母洋人学坝i ：论史 a n dd a t af o r m a te t c t h ef i f t h p a r td i s c u s s e st h ed e s i g no fs y s t e mi n t e g r a t i n gg o a l ，t h e 8 n 8 l y 8 1 50 to p e r a u o n t h ec o n c e p t u a lm o d u l ed e s i g na n dt a l k sa b o u tt h e r e a l i z a t i o no f i n t e g r a t i n gs y s t e ma tl a s t t h el a s tp a r to ft h ep a p e rt a l k sa b o u tt h eq u e s t i o n sm e e t i n g d u r i n g h e i n t e g r a t i n go fs y s t e m a u t h o rt a k e st h ea c t u a l o b j e c ta se x a m p l et o 1 j i u s t r a t et h ep r o c e d u r eo f g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n ti n f o m a t i o ns v s t e m i n t e g r a t i n g w i t ht h ec o m p l e t i n go ft h ed i s s e r t a t i o n ，a u t h o r f i 譬u r e so u t t h a t i m p l e m e n t i n gt h i st e c h n i q u ei n t og r o u n d w a t e rr e s e a r c hf i e l d i st h e c o l o n i z i n go f g i s a p p l y i n gr e s e a r c hi no n ef i e l d b u tt h eg i s t e c h n i q u e c a n n o t r e p l a c eo ft h e m a s t e r yo fm a j o r k n o w l e d g e f o rg i si so n l ya p o w e r f u lt o o lt oo u rr e s e a r c h k e y w o r d s ：g i sg r o u n d w a t e r e n v i r o n m e n t m o d u l e c o u p l i n g s y s t e mi n t e g r a t i n g 青岛海洋人学硕士论文 第一章论文选题背景 第一节”内蒙阿盟孪井滩扬水灌区地下水环境 及土壤盐渍化评价与预测”课题介绍 建立基于地理信息系统技术的内蒙古阿盟孪井灌区地下水环境 信息系统这个选题( 以下简称为集成系统) 是来源于课题”内蒙阿盟 孪井滩扬水灌区地下水环境及土壤盐渍化评价与预测”( 以下简称为 主课题) 。主课题的主要工作目的是对地处干旱区，完全依赖引黄河 水灌溉的内蒙阿拉善盟孪井滩扬水灌区，地下水环境变化与土壤发生 盐碱化的可能性进行评价预测，并制订出相应防治对策。此项研究课 题所产生的成果将对孪井滩扬水灌区的建设与发展有重要的指导意 义。 1 主课题的立项背景 主课题的研究工作区一内蒙阿拉善盟孪井滩扬水灌区位于贺兰 山、祁连山之间的封闭盆地内，北部、西部与腾格里沙漠相连，气候 干旱、少雨。该地区由于过度放牧，草场迅速退化、沙化，乃至近些 年来该地区已成为我国北方沙尘暴的主要发源地之一。为了改变当地 的农牧业结构以保护当地脆弱的生态环境，在该地理位置上预计开发 土地面积11 5 0 0 公顷，但项目设计中存在的严重问题是大水漫灌，灌 溉面积近1 0 0 0 0 公顷。而d i f f ( 灌区中的喷灌建设项目) 项目投资 建设的喷灌土地面积仅占1 8 0 0 公顷。考虑到该地区气候干旱，所以 这种开发方式是具有极大风险的，灌区将面临严重的土地盐碱化和地 下水成化威胁。d i f f 项目的评估报告也认为按现在的设计进行项目 投资是不适当的。灌区开发项目的总投资预计为3 亿元人民币，目前 已经投入近2 亿元人民币i l 2j 。投资如此巨大的项目，如发生土地盐 碱化及地下水成化，将遭受巨大经济损失并造成极坏的社会影响。因 此，尽快进行灌区地下水咸化及土壤盐碱化评价与预测，提出相应对 青岛海洋人学顺卜论上 策措施，是十分必要的，这是关系到该项目能否持续发展，能否发挥 效益的关键问题。这也是主课题的工作意义和研究目的。 2 主课题工作内容 主课题为了进行灌区地下水环境及土壤盐渍化评价与预测工作， 所要展开的主要工作内容包括如下几个方面： ( 1 ) 区域地质条件调查 查明区域地层岩性、构造发育情况，沉积盆地的构造特征。 ( 2 ) 灌区环境水文地质条件调查 调查灌区内地层渗透性，含水层分布状况，地下水的补径排特征，包 气带的岩性结构，相对隔水、阻盐地层的分布特征。 ( 3 ) 土壤、包气带结构及残余可溶盐分布规律 在灌区的土壤类型、土壤结构及可溶盐含量等资料已较全面的现实条 件下，须在典型地段选择剖面进行包气带土层盐分分布状况调查，查 清残余盐分的分布状况及运移规律。 ( 4 ) 灌溉条件下盐分的运移、积聚规律研究 通过灌溉试验研究不同灌溉方式、灌水量、土壤类型及包气带岩性的 条件下，灌溉水回归入渗的途径、入渗时间、入渗量和盐分在土壤层 及包气带中的运移与积聚规律，即查清现行灌溉方式下现代积盐的基 本规律。 ( 5 ) 灌区土壤盐碱化、地下水咸化的预测、评价及对策措施对黄 河水带入盐分的再分配及灌区的总盐分平衡进行研究，建立灌区土 壤及地下水中盐分运移的数学模型，进行土壤盐碱化及地下水成化 的预测与评价，并针对目前灌区设计方案及运行方式提出相应对策。 措施。 3 主课题工作流程 主课题的工作流程可以用图1 1 来描述： 残余盐分的1 生 1 灌溉方式f 分布状；兄及i各种环境水ll 现代积盐的 运移规律 ll 文地质数据l 基本规律 十壤盐碱化、地r 水成化 的预测、评价 图1 1 主课题工作流程 f i g 1 一lt h ew o r k i n gf l o wo l 、m a j o rt a s k 第二节论文选题介绍 内蒙古阿盟孪井灌区地下水环境信息系统是作为主课题的一个 分支课题和所主要采用的工作方法之一，其最根本的出发点是服务于 主课题的工作目的、工作内容、方法和工作步骤的，这些也是建立该 集成系统的业务需求和基础。此选题作为一个应用研究，在技术上采 用以g i s 为主控平台，结合专业工作流程，应用g i s 强大的数据采 集、管理、显示、分析功能，在现有数据的支持卜，对g i s 平台和已 有的地下水专业模拟模型进行耦合集成，并做出分析、设计和实现。 1 选题的目的 本论文选题为实现下列两个目的。其一，建立基于地理信息系统 技术的内蒙古阿盟乱井灌区地下水环境信息系统是主课题的子课题 之一。其二，它为主课题的研究工作提供服务，利用自身的功能解决 主课题研究中的些问题。这些问题描述为以下： ( 1 ) 数据的管理 由于研究的深入和需要，在研究工作中将会产生或者收集到众多 环境水文地质数据。如地下水水位埋深分布、土壤盐分分布特征、包 气带厚度变化等。这些数据除了具有多层次、多因素、时变性、非线 性变化、不确定性等特点外还具有空间特性。大都是以专题图形方式 或与图件紧密联系的，也就是这些数据都带有明显的空间特征。如何 对它们进行规范化、信息化管理以使这些数据更加符合研究工作的需 要，并且随着研究的深入如何方便地对它们按专业工作流程进行处理 使之发挥更大的作用。 ( 2 ) 专业应用模型的建立与管理 在研究过程中要建立起该地区地下水运动模拟模型，能否突破传 统地下水建模步骤、方法，形成快速、准确、直观的方法，并且使模 拟模型直接利用数据分析、处理过程中所产生的新的结果数据形成模 拟模型的输入数据如计算区边界条件，同时将模拟模型计算所产生的 结果数据直观的显示出来。 ( 3 ) 预测、评价及对策措施 针对不同灌溉方式、灌水量、土壤类型及包气带岩性的条件，查 清灌溉水回归入渗的途径、入渗时间、入渗量和盐分在土壤层及包气 带中的运移与积聚规律，即查清现行灌溉方式下现代积盐的基本规 律，在这样前提下能否利用专业知识，按工作流程组织起有关数据进 行给定条件下的预测、评价并提出对策措施。 ( 4 ) 结果数据的显示、输出 在研究过程中，所收集的资料、研究结果都需要有一个图形化的 表达方式，如何在满足以上要求的同时，可以方便、快捷的进行图形 的制作、打印、显示等。 2 选题的意义 目前，地理信息系统技术已经应用在诸多的领域中并取得了有益 青岛海洋火学硕上论文 的成果。而在地下水研究领域中，g i s 在这方面的应用才刚刚起步。 目前，国际上g i s 技术在地下水研究领域中的应用主要集中在以 下几个方面：地下水资源评价与管理、地下水水质监测、地下水运动 分析、城市地下水资源管理等。但是，这些应用研究还没有解决好 g i s 与地下水专业模型的有机结合问题j 。凶此没有允分发挥g i s 的 强大的空间分析功能，而在国内很少有g i s 技术在地下水模型领域中 应用的实例。然而将地理信息系统技术与专业应用模型相结合，是它 的一个重要的发展趋势，也是对它的功能在各个应用研究领域中的进 一步拓展1 4 。j 。 在国际和国内还很少有将g i s 技术应用于土壤盐碱化及地下水 成化的预测与评价的应用研究：本文所分析的“基于地理信息系统技 术的内蒙古阿盟乱井灌区地下水环境信息系统分析与设计”这一应用 研究则对g i s 技术如何在该研究领域中发挥作用，特别是如何与地下 水专业应用模型进行耥合进行j 探讨分析。在上面的基础上还分析j 7 运用g i s 技术进行一些数据处理时可以产生丰富的决策支持信息如 最优化灌溉水量、土壤类型盐份分布评价、灌区下游发生盐碱化条件 评价，这些都可以为灌区的发展规划提供决策服务更是直接服务于主 课题。 该地下水环境信息系统可以将研究过程中所搜集的各种环境水 文地质数据进行信息化、规范化的管理。对各种成果图件可以方便、 快捷的制图、显示、输出，满足了课题的基本要求。所以本文的选题 无论在理论上还是实践上都具重要的意义。 第二章g i s 技术的基本特征及在系统集成中的应用分析 g i s 是英文g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 的缩写即地理信息系 统。地理信息系统是一门建立在地理信息的基础上，集计算机科学、 地理学、遥感测绘学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和 管理科学为一体的边缘科学。它是以采集、管理、存储、分析和描述 青岛；妊洋人学坝i ：论殳 整个或部分地球表面( 包括大气层在内) 与空间和地理分布有关的数 据的空间信息系统6 一i 。它兴起于6 0 年代，目前该技术的发展方兴未 艾，应用于各个专业研究领域中。 第一节g i s 的一般组成分析1 8 地理信息系统作为与计算机技术密切相关的一门复合的边缘科 学，一种管理信息系统它的组成可以分为硬件组成和软件组成。 1 g i s 的硬件组成 g i s 的硬件组成如图2 1 所示。其中由计算机核心硬件在物理上 进行空间数据的存储与分析处理。数字化仪等外部设备提供录入空间 数据的手段，键盘等提供录入属性数据的手段。通过绘图仪及显示屏 幕将按照定目的处理形成的结果进行可视化表达或打印输出。当 然，在以上的基础上还应该有g i s 的开发人员、数据操作人员、管理 人员，他们也是建立和发挥g i s 作用的关键因素。 2 g i s 的软件组成 g i s 的软件组成是建立在深入分析各种应用问题的数据来源的 类型、处理功能的要求、结果的表达形式以及相应的软件环境的基础 上，进而把它们之中的共性部分抽象出来，按照软件工程的方法研制 而成的一种通用计算机程序软件。一般的g i s 软件主要由以下的功能 模块组成。如图2 2 所示。 ( 1 ) 数据输入模块 按地理坐标或特定的空间位置，收集图形、图象和文字资料并最 终由外围设备转化成点、线、面等图形文件和相应的属性数据，空间 数据按照一定数据结构如栅格结构、矢量数据等进行组织，以便于后 来分析过程中进行空间运算。 ( 2 ) 空间数据库管理模块 青岛海洋大学硕士论文 它是g i s 平台用来统一管理属性、栅格和矢量数据，可以对图形 数据进行分幅管理、按照一定的属性格式形成不同的库类文件。以便 用户有效的对数据进行提取、检索、更新及共享等。 ( 3 ) 空间查询检索模块 该模块是实现空间定位、属性查询、拓扑运算等主要功能的。如 根据一定的目的，按地理坐标、空间位置进行专题敏感图形的检索， 并将检索结果进行属性分析、b u f f e r 分析进而衍生出模型所需要的数 据文件。 ( 4 ) 应用模型模块 具有对数字模型管理及应用的功能，并包括了一些常用的模型。 如网络分析、多变量统计、数字地形模型等以及为用户设置的模型等。 ( 5 ) 整饰输出模块 将分析或处理分析的结果交给用户，以各种形式如报表、查询应 答或地图形式显示在屏幕上或打印输出等。 ( 6 ) 用户界面 是用户与系统交互的工具，使不同领域的用户都能较好使用g i s 图2 - 1 g i s 的计算机硬件组成 f i g2 - 1h a r d w a r ec o m p o n e n t so f g i s 图2 2g i s 的功能模块组成 f i g 2 - 2t h e c o m p o n e n t s o f f u n c t i o n a l i t ym o d u l eo fg i s 软件工具以解决各自的问题。增强了地理信息系统的通用性和友 好性。在集成系统中，正是通过界面来屏蔽一些功能，并从新组织功 能。以上所分析的是g i s 平台的般组成、通用软件模块组成。一般 在以g i s 平台为依托来进行系统集成时，应该兼顾上面的组成使集成 系统具有相应功能。 第二节g i s 的基本特征分析 这里的特征主要从内部文件组织、原始数据分类、功能等方面分 析。 1 内部文件结构 g i s 平台将这些二维或三维的原始空间数据包括空间位置、拓扑 关系、属性等以栅格结构、矢量结构、栅格矢量一体化结构进行 组织( 不同的g i s 平台会侧重不同的数据结构) 9 1 。这几种数据结构 是实现其各种空间分析功能的基础。在此简要分析这几种结构。 栅格结构 栅格结构是最简单、直观的空间数据结构，是指将地球表面划分为大 小均匀紧凑相邻的网格阵列，每个网格作为个像元或像素山行、 列号定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包 含指向其属性纪律的指针。遥感影像、扫描输入的图像都属于典型的 栅格结构，每个像元的数字形式表示影像的灰度等级。栅格结构具有 以下特点： ( 1 ) 栅格结构中包含了网格之间的空间关系： ( 2 ) 在进行多员数据叠加时比矢量结构更简单，计算机也不容易 出错： ( 3 ) 它可以快速获取大量数据，如航片。 ( 4 ) 不同来源的数据都有各自的格式，数宁综合处理时比较耗时： ( 5 ) 它的精度取决于原始数据像元的大小； ( 6 ) 表示不规则多边形时与矢量数据结构相比数据容量消耗大： 矢量结构 矢量结构是g i s 平台中一种常用的图形数据结构，即通过记录坐标 的方式尽可能精确的表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为 连续，允许任意位置、长度和谣积的精确定义，其精度仅受数字化设 备的精度和数值记录字长的限制。在一般情况下，比栅格结构精确得 多。由数字化仪采集的数据一般为矢量数据结构。这种数据结构具有 以下特点： ( 1 ) 分辨率高，表达精度高： ( 2 ) ，输出简单容易： ( 3 ) 数据处理和操作容易，如放大、缩小： ( 4 ) 数据量的多少取决于数字化采样点的密度： ( 5 ) 数据中包含空间关系的内容： 一 ( 6 ) 进行不同层次数据叠和时，计算机容易出错： 一般，在指标量算、图形编辑、矢量绘图领域应用教多。 栅格一矢量一体化结构 青岛海洋大学硕士论文 该种结构综合了栅格和矢量两种结构的优点而形成的一种混合数据 结构，既保证最高效率的处理，又保证了最高的量算精度和多种输出 方式。是一种即有矢量特点又有栅格性质的数据结构。 所要进行管理的原始数据以数字化仪或扫描数据流录入计算机 中。在g i s 平台中或者以栅格结构或者在经过拓扑编辑建立拓扑关系 后以矢量结构存在于空间数据库中。并且以点文件、线文件、面文件、 网格文件等文件格式组织为拓扑图形库中的不同专题库类。如公路交 通网、地下水等水位线分布、土壤盐分等。g i s 平台的各种空间分析 功能正是建立在对这样的数据结构的运算基础上的。 2 对空间数据的管理 在上一节的分析中，从g i s 的功能组成上可以看到g i s 技术中 的一个显著的基本特征是：它可以实现对带有地理信息的空间数据的 管理。对比一般的d b m s ( 数据库管理系统) ，它实现了除了提供对 一般属性数据的存储和管理外，还实现了对具有地理信息的空间数据 的信息化、规范化的管理。从概念上讲前者的功能范围与后者的功能 范围上是子集与父集的关系。由此可以实现由属性数据到地理空间信 息的双向定位，将图形与专业属性紧密地结合起来。由于g i s 平台的 d b m s 主要是为了管理它的空间信息的拓扑关系，所以对于专业属性 数据的管理所提供的功能不够完善，为了弥补本身的不足，一般都要 和商用d b m s 作为外挂数据库进行集成，如s y b a s e 、s q l s e v e r 、a c e s s 等数据库管理系统。如图2 3 所示： 图2 - 3 系统集成形式 f i g 2 3t h es y s t e mi n t e g r a t i n gf o r m 这是我们存储、管理灌区环境水文地质数据所需要的基本功能之一。 青岛海洋大学硕士论文 3 空间数据的分析、处理功能 在上一节中可以看到g i s 具有很多应用功能模块，如b u f f e r 分析、离散数据网格化、数字高程模型等。它们实现了对平台所管理 的空间数据的分析、处理。这些功能就是建立在矢量结构、栅格结构 和栅格矢量一体化结构的基础上，进行各种拓扑运算、叠加分析 实现的。而且伴随着图形数据的操作，产生相应的新的属性数据。这 样可以循环进行，直至达到最终的结果。这样就可以结合各个专业工 作流程，对功能“按需所取“后，对原始数据操作提取出新的图形数 据或产生新的专业敏感属性。这些新生成的数据还可以利用平台来继 续管理【3 3 , 3 4 1 。另外，g i s 平台还提供了对单一的图形数据( 矢量形式、 栅格形式) 的编辑、显示、输出的功能。集成系统的数据处理如图 2 4 。 图2 4 集成系统数据处理 f i g 2 4t h e d a t a d i s p o s i t i o n o f i n t e g r a t i o ns y s t e m 4 原始数据的分类体系 g i s 技术对空间数据的强大处理能力，是建立在对原始录入数据 的合理组织的基础上的。图形数据和属性数据要分别考虑研究目的和 工作流程进行分类、重定位。其一，是为了便于进行诸如拓扑分析、 网络分析等空间操作；其二，是为了在该行业内，达到数据的共享、 可重复利用等，即数据的信息化和规范化的管理。每一种类型的空间 青岛海洋大学硕士论文 数据库和其相应的操作都是对现实中的问题进行抽象模拟并解决。所 以g i s 所管理和利用的数据，都是根据不同领域内各种业务主题的当 前和未来的需求，结合数据流向和空间位置属性描述及各种图形编绘 中图元定义等建立的数据库1 。g i s 数据还需要有一个长期的积累过 程，只有数据充分才可以支持形成完善的功能。 5 g i s 功能的组织和提供形式 g i s 平台的功能一般来说是模块化的，每一个模块下面包含若干 功能项，每一个功能项也都是相互独立的。为了满足更高层次的应用 开发的需要，一般的通用工具型g i s 平台都提供了二次开发功能，它 们或者以d o s 命令行形式如a r c i n f o ；或者以o c x 控件方式如 m a p i n f o t i t a n ( 加拿大) 或者以类库形式】如m a p g i s 等。现在随着面 向对象开发的日益流行，通用g i s 平台工具都提供功能丰富强大的类 库，我们除了一般的开发外还可以根据自己的需要进行继承、封装、 实例化。g i s 将平台的功能提取出来封装到开发函数中，同时保证对 各种开发工具的支持如v c + + 、d e l p h i 等。这样我们就可以借助这些 商用开发工具，将地理信息系统平台应用到不同的专业应用研究领域 中去，对所需要的功能进行“按需所取”以使功能更加贴近专业研究 的工作流程，形成不同专业领域中的应用型地理信息系统【l 引。 总之，地理信息系统的组成、基本特征从概念上可以描述为图 2 5 ，这些特征是我们采用它解决问题的技术关键所在。 第三节g i s 技术在系统集成中的应用分析 应用g i s 技术进行系统集成应用时，一般主要从以下四个方面进 行【3 5 】。 第一，对g i s 通用功能的开发。一方面是数据的分析处理的功能， 包括对其各种专业应用模块的开发，如网络分析管理、b u f f e r 分析 等。另一方面是对图形数据的管理和操作，如图形的空间定位、检索、 图形显示、打印、拓扑编辑等。再有是对属性数据的管珲功能如各种 简单和复杂的检索操作，这些往往是利用和g i s 平台外挂的商用 d b m s 的功能：通过对以上功能的开发来充分利用其特有的对空间数 据的处理和管理能力以及图形显示功能。 第二，将所研究领域的专业模拟模型和g i s 平台进行最大限度的 无缝耦合以实现它们的集成，由g i s 平台实现对模型的管理，以便更 好地服务于应用研究。这也是最为能够体现各个专业特点的方面，这 需要地下水应用模型的研制人员与应用g i s 的开发人员都要考虑的 连接桥梁的问题；地下水建模人员要熟悉g i s 的基本功能，充分考虑 到g i s 的数据结构；g i s 的研究人员也要充分了地下水建模人员的需 求和工作流程，以便达到较高的集成度和运行效率； 第三，对众多的专业应用模型，要研究和发展模型管理技术。形 成专业模型库，使之便于连接并在应用中发挥关键作用。 第四，在上面的基础上，充分利用数据分析、处理过程中产生的 丰富的决策信息，结合专家知识使之向着智能化专家系统、决策支持 方向发展【1 4 4 0 1 。这样才能真正提高应用g i s 技术的水平，并最终提高 解决复杂的地下水领域中的实际问题的能力。 总之，由于地理信息系统具有强大的对空间数据的管理能力和处 理分析能力，所以将这项技术应用于地学领域的研究中，可以发挥巨 大的作。 第三章系统实现的技术路线 第一节系统设计原则 对比一般商用d b m s ( 数据库管理系统) 管理专业属性数据， g i s 技术来管理、显示专业数据具有三个方面的特点t 3 6 l ： a 将属性数据与它的地理信息结合，实现数据的空间定位，对 空间数据进行管理。 b 除了对数据进行管理外，还提供了相应的处理功能，为专业 青岛海洋大学硕士论文 1 4 图2 - 5g i s 的概念描述框架 f i g 2 5t h ec o n c e p t u a lf r a m e w o r ko fg i s 研究提供服务。 青岛海洋大学硕士论文 c g i s 平台可以和专业模型进行耦合，为模型提供“前后处理” 同时对模型进行管理。 该地下水环境信息系统不应该是仅仅提供属性数据的简单的管 理。它还应该是一个面向空间数据库的管理与分析的系统，其中包括 地下水运动模拟的有关模拟计算模型。它所要解决的主要问题是其一 要对现有的灌区这些具有空间特征的数据信息化、规范化的管理并提 供相应的处理功能。其二要对模拟模型进行耦合。但这种耦合并不是 一个简单的数值计算程序包而是一个将空间数据管理和数值计算紧 密结合的集成系纠”1 。同时随着系统开发的深入进而形成适应于该工 作区的决策支持系统来进行该区地下水位的变化、土壤盐份变化的动 态监测与预报，下游地区发生盐碱化条件评价、灌区灌溉水量的优化 等。 所以综合以上两点在总的原则上，该地下水环境信息系统在技术 上采用以g i s 平台为主控模块，建立空间数据库，以外挂的a c e s s 数 据库提供对专业属性的管理，以商用的地下水运动模拟模型作为专业 应用模型进行系统集成，运行于单机上的信息系统。它的逻辑组成和 数据处理流程如图3 1 所示。 g i s 平台管理1 提交、更新 卒间数据 lg i s 空间数据处理i 后 jl 提取。 j 编辑。 萋 关键字段图形转 换接口 1r 文 t 件 一 模拟模犁模拟计算 d b m s 管理属 性数据 复原、放弃 图3 - 1 集成开发中的组成及处理过程 f i g 3 1t h ec o m p o s i t i o n a n dp r o c e s s o f d a t am a n i p u l a t i o ni ni n t e g r a t i o n d e v e l o p m e n t 第二节开发工具的选择 1 g i s 平台的选择 由于不同g i s 平台，在功能的构成细节和表现形式会有所差异， 会导致不同的平台适用于不同领域的应用研究中。如m a p g i s 和 m a p l n f o 相对比，前者由于是以拓扑关系来描述图形数据的结果，便 于进行空间运算、分析，后者是以关系表来组织数据具有极强的数据 管理功能，故前者更适用于地学研究领域。对于每一个应用研究都要 考虑所采用平台的本身功能特点、其数据结构、明码文件格式，数据 转换接口等，在系统集成时将它以恰当的表现形式和专业研究结合起 来，使在集成系统中实现对数据文件的兼容和对集成计算的支持。 在该应用系统设计中g i s 平台作为主要控制模块，应该具有较强 的空间数据的组织、管理功能，具有丰富的应用处理模型，可以方便 的实现地理信息的处理、变换，各种成果图件的制作、显示、输出。 另一方面，在开发中应该便于代码的编写、集成系统功能的实现和扩 展、模拟模型的连接耦合。在此采用中国地质大学的地理信息系统平 台m a p g i s 为二次开发平台，它可以很好地在实现对空间数据的管理 同时还具有众多的应用模块，比较适合于应用于地学领域的研究中。 它提供了对二次开发的支持，其开发函数以a p i 函数和c + + 类库形式 实现，提供了多达2 0 0 0 个开发函数【1 1 】，便于代码的编写、功能的集 成、扩充，具有较大的灵活性。它实现了对多种开发工具的支持如 v c + + 、v b 、d e l p h i 等。 2 系统集成的开发工具选择 对于编写代码的开发工具，考虑m a p g i s 开发函数是以c + + 类的 形式给出，使用v c + + 可以很好的实现它们的集成。v c + + 是由 m i c r o s o f t 公司开发的一套商用开发软件，它功能强大，支持面向对 象的开发方法。存在的缺点是使用比较复杂，特别在进行g i s 和 d b m s 连接时，对数据库的开发不易掌握。 青岛海洋大学硕士论文 第三节集成系统工作流程 由于集成系统在建成后，除了要管理数据外，还要在主课题研究 中提供数据处理、耦合模型集成计算等服务。那么它的工作流程设计 应该与主课题中的工作内容、工作流程紧密结合起来。通过改变人机 交互界面，功能菜单是否禁用设置来控制数据的处理顺序。主课题的 主要工作流程、工作内容可以描述为图3 2 。针对主课题的主要工作 流程、工作内容，该地下水环境信息系统流程设计如图3 3 ，图3 - 4 。 其中空间分析、模拟计算后的结果可以交给系统的数据库来管理，即 该流向并不是单向的。 区域地质条件调灌区环境水文地质条件调 灌溉实验研究广叫积累原始数据 查清基本规律 进行预报、预测 相对| 珏7 k 阴盐+ 拍犀铸布 灌区内= f h 屡潘诱件特帮 包气带的岩件结构特征 地下水的补释排特衍 图3 - 2 灌区地下水研究工作流程、内容 f i g3 - 2 f l o wc h a r ta n dc o n t e n to f r e s e a r c ho fg r o u n d w a t e ri ni r r i g a t i o nr e g i o n 图3 - 3 系统工作流程 f i g 3 3t h ef l o wo f s y s t e mw o r k i n g 青岛海洋大学硕士论文 窒间分析 ； l 离散数据网格化， l 最终结果数据i l l 图层叠加，l，l i 呈递墨塑l 也塑堂到l 黔圜! l 医一攀卅”l l l 区孑一l 图3 4 流程详细描述 f i g 3 4d e t a i l e de x p l a i n i n gf o rf i g u r e3 - 3 空间分析操 形成边界条件 灌区等高线图 模拟区界限分布 含水层厚度分布 第四系基底等高线 接受数据，可视化显示 边界补给量 层顶高程 层底高程 初始水头 形成专题图层存储数据 模型识别 图3 - 5 工作流程模拟 f i g 3 5s i m u l a t i o no fs y s t e mw o r k i n g 青岛海洋大学硕士论文 具体问题的流程解决可以举例说明。例如在使用系统中的地下水运动 模拟模型进行水头的三维非稳定流模拟可以描述如图3 5 。 第四节数据的分类、编码体系 1 数据的划分 在数据录入之前，数据在逻辑上如何组织，才可以做到规范化管 理，才可以服务以后应用。首先数据的录入并不是仅仅以电子化的存 储而已。这一步是较关键的一步，直接影响g i s 支持下的该集成系统 的数据组织，联系，传输和共享，产品质量。这时应该本着以下原则【1 ”。 a 科学性原则 客观而充分地反映系统所研究和描述的对象及内容各成分 之间的相互联系，相互作用的状态、过程与规律 b 实用性原则 充分考虑数据源、可获取性、运算分析方便程度、级别数 c 继承性原则 尽可能地采用标准、规范，应用可共享。 在空间数据的图层划分原则上与上面一致。应用型g i s 系统中图 层一般由背景图、基础图、专题图、特殊功能图、多功能图、辅助图、 补充图这几种组成。所以该集成系统也是由其中的一种或几种组成。 该系统中划分如下： 背景图内蒙古自治区阿拉善盟左旗地形图( 1 ：1 0 万) ( 1 9 7 6 第一版) 基础图内蒙古自治区阿拉善盟左旗地形图( 1 ：5 万) ( 1 9 7 6 第一版) 专题图土壤类、包气带类、水文地质类、地下水分布类、物探资料类、水化学类 特殊功能图各种图例示意图、剖面图、柱状图 多功能图暂无 辅助图地下水流向示图、工作区界线图 补充图暂无 2 数据的编码体系 在应用型g i s 系统中，不论是图形数据还是属性数据，根据存储 更新、查询检索、分析运算以及和其他系统数据交换的需要，其最小 独立单元，如属性库中的记录、图形库中的点、线段或多边形等的编 码方法，也就是元数据的制定都应严格的遵循一些共同的原则i l6 1 。它 们包括： a 唯一性原则，即在众多的最小独立数据单元中，一个单元必 须而且只能有一个唯一的编码，不允许有相同的编码出现。 b 特征性原则，即在编码中每一个码位或码段对描述该单元数 据都具有一定的意义，如它的分类、区位时间、顺序等。 c 灵活性原则，即在编码中增加、删除、或插入一个、一类编 码时不应影响其余的编码或者不应导致整个编码体系的混 乱或破坏。 d 经济性原则，尽可能压缩不必要的编码，使编码的长度处于 最小的状态。 ( 1 ) 图层编码 根据以上的原则，为集成系统设计了一个具有结构化特点组合编 码。主要考虑数据单元的类型、高位分类、低位分类、所处区位、产 生时间以及录入顺序。该结构表示如图3 7 ： 数据类型码以一位数字表示，如l 表示矢量图，2 表示栅格图： 高位分类码以数字表示专业分类如1 2 3 4 ，其中l 表示专题图，2 表 示土壤类，3 4 表示土壤类中的盐份类型； 区位码表示行政区划、地图分幅、流域划分等参照系来描述数据单 元的区位所属。至于何种参照系可以用最后的机动码来表示如l 表 示图幅编码，2 表示行政划分等。 时间码由6 位数字组成，表示年、月、日各占两位。 顺序码占4 位表示系统中最小数据独立单位的顺序。 机动码主要由数字组成，分别表示区位码的参照系和对时间码的补充。 青岛海洋大学硕士论文 低位分类码：分别以不同的码位的数字表示g i s 应用系统数据分类 体系中的分类结果。 数圾码 数据类型_ 6 马| 高位分类码 x x 机动码 图3 7 编码分类体系 f i g 3 7c o d i n gc l a s s i f y i n gs y s t e m 上述编码显得有些冗长，所以在实际使用中，对其并未完全选用。 ( 2 )