（环境工程专业论文）郑州市水环境信息管理系统.pdf

摘要 水环境管理工作对水环境信息的数量、质量、空间性和时效性都有很高的要 求，因而充分利用地理信息系统( g i s ) 的空间数据管理和分析功能，开发一个 功能完善、实用性强、运行可靠的水环境信息系统，对于提高水环境管理的效率 和决策水平，具有非常重要的作用。 论文以郑州市为研究实例结合郑州市水资源及其开发利用综合评价，主要做 了以下工作： ( 1 ) 、在系统查阅国内外文献的基础上介绍地理信息系统在水资源及水环境 方面的应用，论证结合g i s 进行水环境信息管理的必要性和可行性。 ( 2 ) 、基于g i s 的水环境系统研发是本文的主要内容，详细地论述了系统开 发目标、设计原则、主要功能设计、具体开发过程。 ( 3 ) 、针对水质现状评价的具体要求，给出郑州市主要河流及水库水质现状 评价的实例分析，并通过水环境信息管理系统形象地显现郑州市主要河流及水库 的水质现状。 ( 4 ) 、利用面向对象的v i s u a lb a s i c 高级编程工具和g i s 控件m a p o b j e c t s ， 开发郑州市水环境信息管理系统，辅助完成项目的各方面评价，具有信息时效性， 可以随时更新数据，根据需要制作各种专题地图，具有控制管理功能、输入输出 功能、空间分析功能，开发水环境模拟与预测模块、水环境容量和水质预测模型， 可为水环境相关部门提供决策依据。 通过本文方式开发的应用系统具有高效无缝的系统集成、程序运行占用内存 少等优点，系统以友好、便捷的用户界面，既弥补了传统水环境管理可视化上的 不足，又充分发挥t g i s 技术空间数据分析、处理、查询和管理上的优势。 关键词：水环境地理信息系统水质评价水环境容量水质模型 a b s t r a c t w a t e re n v i r o n m e n tm a n a g e m e n th a sac z e c hm o r ec o m p l e xr e q u i r e m e n tt ot h e q u a n t i t y ，q u a l i t y ，e x t e n s i t ya n dv a l i d i t yo ft h ew a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n ，a n d s o ，i ti si m p o r t a n tt oi n c o r p o r a t i o nt h es p a c ed a t am a n a g e m e n ta n da n a l y s i sf u n c t i o n o fg i st od e v e l o paw a t e re 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 mw i t hp e r f e c tf u n c t i o n ， w e l lp r a c t i c a b i l i t ya n dr e l i a b l er u n n i n g , w h i c hw i l l i m p r o v et h em a n a g e m e n t e f f i c i e n c ya n dd e c i s i o n - m a k i n gl e v e l t h i sp a p e rt r e a tt h ez h e n g z h o uc i t ya st h er e s e a r c ho b j e c ta n di n c o r p o r a t i o nw i t h t h er e s e a r c hp r o j e c t w a t e rr e s o u r c ea n di t se x p l o i t a t i o no v e r a l lm e r i to fz h e n g z h o u c i t y - t h ec o n c r e t ec o n t e n ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) o nc o n s u l t i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd o c u m e n t sa b o u tw a t e rr e s o u r c e sa n d e n v i r o n m e n t ，i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no ft h eg i si nt h ew a t e rm a n a g e m e n ta n d d i s c u s st h e p r a c t i c a b i l i t y a n d n e c e s s i t y o 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 m a n a g e m e n ts y s t e mw i t hg i s ( 2 ) t h ed e v e l o p m e n to fg i s b a s e dw a t e re n v i r o n m e n ts y s t e mi s t h em a j o r c o n t e n to ft h ep a p e r ，t h eg o a l ，t h ep r i n c i p l e ，t h es t r u c t u r e ，t h em a j o rf u n c t i o n ，t h e d e s i g na n d t h er e a l i z a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma r e d i s c u s s e dd e t a i l e di nt h i sp a p e r ( 3 ) a i mf u rt h ee x a c tr e q u i r e m e n to fw a t e rq u a i l t ya s s e s s m e n t ，a n a l y s et h e a s s e s s m e n to fw a t e rq u a l i t yo fm a i nr i v e r sa n dr e s e r v o i r si nz h e n g z h o u ，a n d p h a n e r o s i si t se x i s t i n gc o n d i t i o nb yu s eo ft h ew a t e re n v k o n m e n ti n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ( 4 ) b yu s eo ft h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lb a s i ca n dt h eg i sd e v e l o p c o m p o n e n tm a p o b j e c t ，t h ew 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 mo fz h e n g z h o u c i t yh a sd e v e l o p e d ，h e l pt of u l f i lt h ea s s e s s m e n to ft h ei t e m ，a n di th a st h ef u n c t i o n o fq u e r y i n g ，m a n a g e m e n t ，o u t p u t ，a n a l y s i s ，e x p r e s s i o n ，e t c d e v e l o pt h ew a t e r e n v i r o n m e n ts i m u l a t i o na n df o r e c a s tm o d u l e 啪p h a n e r o s i st h ee x i s t i n gc o n d i t i o no f t h em a i nr i v e r sa n dr e s e r v o i r s ，u t i l i z et h em o d e lo fw a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t ya n d w a t e rq u a l i t yc a ns u p p l yt h ed e c i s i o nm a k i n gf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n tc o n t r o l d e p a r t m e n t t h ep r o g r a m m i n gs y s t e md e v e l o p e db yt h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fh i g l l q u a l i t y ，n o - s e a m ，e f f i c i e n c y ，e t c t h es y s t e mm e n t i o n e da b o v ei s u s e ri n t e r f a c e f r i e n d l ya n df u l l yf u n c t i o n a l ，i tv i s u a l i z e st h eo u t p u tr e s u l to f t h ew a t e rq u a l i t ym o d e l ， a n di tw i l lf u l l yd i s p l a yt h ee f f i c i e n c 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 np r o c e s s i n g a n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：w a t e r e n v i r o n m e n tg i sa s s e s s m e n to fw a t e r q u a l i t y w a t e re n v i r o n m e n t o p a c i t y w a t e r q u a l i t y m o d e l 1 1 1 郑州大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 我国人均占有河川年径流量为2 3 2 7 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的1 4 ，属 于世界上1 3 个贫水国家之一我国水资源的主要特征是在时空上分布极为不均 匀，在时间分布上降水比较集中，都在6 9 月，尤其在北方，此期间的降水量 占全年降水量的7 0 8 0 ，在空间上，形成南多北少、东多西少的局面“。 随着经济社会的快速发展，环境污染日益严重，加强国家环境监测网络、信 息系统以及环境应急相应系统建设的任务已列入了国家环境保护“九五”计 划和2 0 1 0 年远景目标嘲。加快环境信息建设，提高实时决策水平已成为环境保 护部门迫切需要解决的课题，然而“水资源一环境一社会经济”是一个复杂的巨 系统，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，有关信息的收集、储存、分析和利用，对水资源管理水平都是至关重要的。 对于传统的信息管理方法，除用纸张进行信息的收集储存的物理缺陷以外，技术 上也越来越不适应现代水资源管理的需要啪，地理信息系统( g i s ) 因为其高效的 空间数据和属性数据的维护能力及强大的检索查询功能，为在水资源管理过程中 实时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“】。 地理信息系统( 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 ，简称g i s ) 是以计算机 技术为基础，运用系统工程及信息科学的理论，采集、存储、处理和分析具有空 问内涵的数据的信息系统，是一种以计算机为基础的制图与分析各类事物的直 观、理性的可视化工具，能够对大量的基础数据提供存储和管理的能力，支持多 种表现形式的空间数据，提供良好的数据维护和更新能力，并具有对空间信息的 多种查询和分析功能，对信息管理、规划和辅助决策具有重要意义旧。 近些年来，郑州市各地区也面临着十分突出水环境保护问题，为进一步适应 城市开放发展的需要，适应经济快速发展和社会全面进步的需要，根据g i s 高效 的空间数据管理和灵活的空间数据综合分析能力，结合水资源信息化建设现状， 构建一个基于地理信息系统平台的郑州市水环境信息管理系统已势在必行。本文 以郑州市为实例结合郑州市水资源及其开发利用综合评价项目研究现代水环境 郑州大学硕士学位论文 管理系统的建设方法与技术，重点研究g i s 、信息技术、水环境管理等技术与水 环境信息技术相结合，并开发信息一体化的水环境信息管理系统。 郑州市水环境信息管理系统是将地理信息系统技术运用于水环境信息分 析，充分利用g i s 的空间数据管理和分析功能，结合水环境管理工作的需要，将 水环境信息、水资源信息与空间信息相配合，使信息空间可视化，并综合集成属 性信息和空间信息，为水资源管理提供方便直观的信息查询和信息管理方法。它 将普通数据库操作技术如查询、统计分析、可视化技术等和地图所能提供的地理 分析功能结合在了一起，具有对空间数据和属性数据的综合分析能力，弥补了其 它工具纯图形或纯文字表格的缺陷，使空间数据的图形表现和属性数据的空间分 析能力都有了很大的提高，因而可被广泛地应用于管理、分析、预测和规划研究 中。 郑州市水环境信息管理系统结合郑州市水环境的空间数据和属性数据，利用 面向对象的地理信息系统软件和可视化编程工具开发，系统操作简单，界面良好， 可编辑、查询、显示和分析郑州市水环境的各类信息，并最终为决策者提供辅助 决策的理论依据。 1 2 国内外研究进展 环境管理与地理对象紧密相关，且有明确的地理特征。水环境信息非常复杂， 具有信息类型多、时间系列长、空间分布广的特点，为快速、有效地处理和管理 大量复杂的水环境信息，可以利用g i s 强大的空间信息管理能力和动态分析功 能。 国际上在水环境管理方面比较有代表性的国家，包括美国、英国、法国、 荷兰、加拿大、澳大利亚、前苏联、日本、韩国、以色列与印度等，在解决水环 境问题方面都取得了不同程度的效果删。一些在上世纪五六十年代曾经严重污 染的河流，如泰晤士河、莱茵河以及特拉华河等，利用所建立的水质模型进行水 质规划和管理，水质都有大幅度改善。 美国科罗拉多州的一些机构联合开发了科罗拉多河决策支持系统，g i s 被应 用于流域空间的存储、检索、分析和显示“”；为了支持各种层次的水资源和水环 境管理，美国国家环保局基于g i s 技术开发了全美河段管理系统“o ；此系统从不 2 郑州大学硕士学位论文 断细化的数字化水体数据集生成；充分利用了近年来在软件、数据管理技术、计 算机功能方面的发展，并采用a r c v i e wg i s 软件作为集成环境，将整个国家的流 域数据、流域分析和水质分析软件等统一起来，为用户提供了一个易于理解的、 将点源和非点源统一起来的流域管理工具。欧洲一些国家的机构联合开发了具有 水污染控制、水资源规划、水文过程模拟等功能的流域规划决策支持系统n 2 “” 等，此系统中综合利用了g i s 、数据库、模拟技术、最优化程序等功能，g i s 主要 用于存储流域的所有空间信息，为系统中的模型提供数据，还用来显示分析和模 拟结果。 欧洲一些国家机构联合开发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支持系统“w a t e r w a r e ” 1 4 o 该系统中综合利用了g i s 、 数据库、模拟技术、最优化程序和专家系统等功能。g i s 主要用于存储流域的所 有空间信息，为系统的模拟提供数据，还用于显示分析和模拟的结果。 在我国，二十世纪八十年代初期才开始对g i s 进行研究和应用，之后我国的 g i s 技术得到了飞速发展“5 1 。近年来，g i s 技术的重要性已经受到各级政府和各领 域的专家学者的普遍认同，出现了一批比较好的g i s 操作平台“”，例如m a p g i s 、 g e o s t a r 、c i t l s t a r 等，涌现了一大批地理信息应用系统。在城市规划管理、交 通运输、测绘、环保、农业、制图等领域，g i s 都得到应用，并发挥重要作用， 开发了一些基于g i s 的评价预测系统“”。 上海市环境管理部门建立了黄浦江流域水环境g i s “”。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等功能，并可对水质做出快速预测分 析和预报，肖青等开发了基于g i s 的苏州河环境综合整治管理信息系统的原型， 充分利用g i s 的空间分析功能为部门规划、管理与分析水环境信息提供支持“”； 张玉书等利用g i s 的动态分析技术实现了河流的一维水质扩散模拟和空间显示分 析洲；l e u n g 等吼1 将g i s 和数值模拟等技术应用于珠江三角洲地区感潮河网的水质 数学模拟。 但是不同的水环境管理系统的功能、效率各不相同，水环境管理信息系统建 设普遍的问题是： ( 1 ) 一般性应用多，开发性应用少，绝大部分用户使用g i s 是在其数据图形管 理和简单空间分析的层次上。 3 郑州大学硕士学位论文 ( 2 ) 在水环境总量控制方面，6 i s 的应用很少，而且没有完全解决g i s 与专业 模型有机结合的问题，没有充分发挥g i s 强大的空间分析功能。 ( 3 ) 各家开发的系统，基础数据定义标准不一致，难以共享。 ( 4 ) 数据库的建设基本是各单位自己计划、开发、运行和维护，各数据库对 数据分类、定义和编码有很大差异，结构不规范，难以兼容和共享，而且低层次 重复，数据冗余严重，利用率很低。 1 3 本文主要研究内容： 本论文在总结前人成果的基础上，主要做了以下研究： 1 、研究水环境信息管理系统的架构设计。应用g i s 技术，将水环境领域中 的属性数据与空间位置相联系，进而进行空间统计分析，为管理部门规划与决策 提供依据。 2 、基于g i s 的水环境系统研发是本文的主要内容，详细地论述了系统开发 目标、设计原则、主要功能设计、具体开发过程。 3 、针对水质现状评价的具体要求，给出郑州市主要河流及水库水质现状评 价的实例分析，并通过郑州市水环境信息管理系统形象地显现郑州市主要河流及 水库的水质现状。 4 、水质模型简介和与g i s 的集成研究，在g i s 技术支持的平台上，开发制 作了水质现状评价、水环境容量计算、水质预测模块，结合郑州市水资源及其开 发利用综合评价，以郑州市为例，研究水环境信息管理系统的可行性和可操作性， 开发郑州市水环境信息管理系统，实现以人为主导，利用计算机硬件、软件以及 其它办公设备，进行信息的收集、传输、加工、储存、更新和维护，支持组织高 层辅助决策、中层控制、基层运作的集成化的人机系统，结合地图所能提供的地 理分析功能，具有对空间数据和属性数据的综合分析能力，使空间数据的图形表 现和属性数据的空间分析能力得到很大提高。 1 4 系统主要开发工具 ( 1 ) 、m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0m i c r o s o f t 公司推出的一种用于设计 w i n d o w s 应用程序的集成开发工具，它是本系统的核心开发工具，用于用户界面 4 郑州大学硕士学位论文 的设计和系统的集成。 ( 2 ) 、e s r im a p o b j e c t s2 3e s r i 公司推出的商业化的g i s 组件，提供了基 本的g i s 功能接口，用于在系统中快速实现基本的制图与g i s 功能支持。 m a p o b j e c t s m 3 是全球最大的g i s 软件供应商e s r i 公司在业界最早推出、全 球范围内使用最广的基于c o m 技术的g i s 组件，它起点高、功能强、结构简洁 合理，稳定性好。m a p o b j e c t 提供了从控件数据的显示，编辑到空间查询、控件 分析等基本g i s 应用功能接口，通过这些接口，可实现简单g i s 应用，如果进一 步扩展，同时集成其它图形、多媒体、数据库开发技术就能够开发出独立的g i s 应用软件。m a p o b j e c t s 是一组供应用开发人员使用的制图与g i s 功能组件。它 由一个叫m a p 控件的a c t i v e x 控件和一系列可编程的a c t i v e x 对象组成，它们可 以在标准的w i n d o w s 编程环境下使用。利用m a p o b j e c t s 开发人员可以在应用程 序中添加制图与g i s 功能。它不是为用户而是专门为开发人员提供的，开发人员 可在熟悉和喜欢的开发环境中利用m a p o b j e c t s 开发出系统开销小的制图应用， 或在现有的应用中添加制图功能。 m a p o b j e c t s 是建立在微软的对象连接和嵌入( a c t i v e x ) 基础之上的， a c t i v e x 是当今得到广泛支持的面向对象的软件集成技术，用户像用砖块盖房子 一样利用a c t i v e x 组件开发和集成w i n d o w s 应用程序。一个a c t i v e x 控件是一个 可以重复使用的软件组件，h c t i v e x 控件可以将许多其它a c t i v e x 对象包装在一 个包中，这个包可以反映某些特定的功能，如统计图和多媒体等，并可以直接嵌 入支持a c t i v e x 的应用中，a c t i v e x 对象具有特征和方法，可以通过对它们的编 程来控制对象的外观、行为以及相互作用。 m a p o b j e c t s 是一个提供制图与g i s 功能的a c t i v e x 控件。m a p o b j e c t s 地图 控件可以直接插入到许多标准开发环境的工具集中，可以通过属性页操纵地图， 这些属性页是在诸如v i s u a lb a s i c 之类的开发环境中建立的，或者通过其它程 序化相关对象来控制地图。这些对象为应用开发人员提供了有力的制图与g i s 功能支持。m a p o b j e c t s 是一个a c t i v e x 控件，它可以用于大量开发框架中，包 括流行的像v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、v i s u a lc + + 、m i c r o s o f ta c c e s s 、v i s u a l f o x p r o 、p o w e r b u i l d e r 等之类的程序设计环境。 m a p o b j e c t s 允许定制利用制图与g i s 组件的应用程序，m a p o b j e c t s 的特点 5 郑州大学硕士学位论文 包括： 、支持a r c i n f 0 层( c o v e r a g e ) 。 、支持e s r i 的文件格式，s d e ( 空间数据引擎) 图层( l a y e r ) 以及大量栅格 图像格式，如b m p 、t i f f 等。 、支持通过微软0 d b c 规范进行的外部数据库访问。 、把数据作为多个图层在一张图中进行显示，当然可进行图幅的变化。 、特征表示使用数理方法如数值地图、分类、符号、文字注记和放置图等。 、用一个事件跟踪层来动态显示实时数据，用标准s q l 表达式进行特征选 择和查询。 、通过大量搜索与框架操作符进行空间选择、地址匹配等。 任何应用开发人员都能利用m a p o b j e c t s 在应用中加入地图，其优点为：数 据组织方式与相应系统平台兼容，并可充分发挥g i s 组件技术先进、性能稳定的 优势；充分利用了面向对象的系统集成技术，系统可供选择方案多，灵活性强； 系统独立性强，开发和建设费用相对较低，其最大的缺点是开发难度和工作量 大，周期长，系统整体维护困难。 基于m a p o b j e c t s 组件的信息管理系统嘲绷是国内研究的热点，应用领域广 泛，本论文采用基于g i s 组件的开发模式，系统选择v b 6 0 作为主要开发工具和 编程语言，内部集成e s r im a p o b j e c t 2 3 、m i c r o s o f ta c t i v e xd a t ao b j e c t 等 a c t i v e x 部件完成整个系统开发。 ( 3 ) 、m i c r o s o f ta c t i v e xd a t ao b j e c tm i c r o s o f t 公司针对最新和最强大 的数据访问规范o l e d b 而设计的新一代数据访问对象。 1 5 本研究技术路线及方法 本文以实用地理信息系统工具软件m a p o b j e c t s 2 3 作为开发平台，以v i s u a l b a s i c6 0 为二次开发工具进行开发，编写系统主界面，结合“郑州市水资源 及其开发利用综合评价”项目开发基于地理信息系统的郑州市水环境信息管理系 统软件。本系统共分七大模块：系统管理模块、专题图制作模块、g i s 操作模块、 空间数据管理模块、属性数据管理模块、环境模拟与预测模块、系统帮助模块， 各模块主要功能如下： 6 郑州大学硕士学位论文 系统管理模块使系统管理员能够全权操作整个系统，并能添加或者删除其他 用户，负责对整个系统进行管理、维护、数据更新以及水质现状评价、水环境容 量和水质预测的分析显示等，而普通用户只能完成部分操作，无法修改系统数据 库。 专题地图的建设和组织是本系统运行的基础，用户通过组织专题地图来实 现对信息分层、分类的有序管理，充实系统内容，建设完成的专题结构又是系统 内容的目录，是用户进行信息查询的向导。 g i s 操作模块模块可满足用户的大部分要求，可以对水环境和水资源空间信 息和属性信息进行浏览、查询、分析和空间数据操作，具体又可分为数据管理、 浏览、统计、查询与分析、多媒体信息及文档资料的查询。 ( 1 ) 数据管理可以完成专题地图的管理。专题地图包括空间数据和属性数据， 是把属性数据的某些字段值以图形的方式显示在地图上，以产生直观的对比、区 别、趋势等效果。数据管理模块的功能是实时更新数据，完成专题地图的装载， 空间数据与属性数据的连接，用自定义的文件格式存储专题地图，对各类专题地 图进行输出( 包括生成各种图形文件和打印输出) 等功能。 利用这个模块，用户可以在专题地图中加载实际需要的图层，连接所需要的 属性数据库，并且能把用户所做的编辑保存为一个专题地图文件，打开这个文件， 用户就能看到自己以前的成果，对这个文件进行拷贝，就能实现专题地图的共享， 简单而实用。 ( 2 ) 数据浏览完成对显示图层的管理，如对不同专题地图中图层的添加、移 除及各图层的显示、隐藏和图层间相对位置的管理，对同一专题地图的不同图层 可以采用不同的设置和渲染、标注方式，设置包括对图层样式、填充、颜色、轮 廓、尺寸等属性的设置；渲染则提供更加完善的功能，例如点密度渲染可以用某 一区域中点的密度反映该地区某一属性的值( 如人口的多少、水资源消费的多少 等) ；分类渲染可以把不同地理实体按照的某一属性的值分成不同的类，采用不 同的显示方式，而且能用渐变的色彩反映该值在不同地理实体间的趋势；按值渲 染能用不同的显示方式把不同地理实体按照某一属性值的不同区分开来，与分类 渲染的区别在于对字符串字段也能实现；图表渲染可以把统计图显示在地图上， 不但能反映不同地理实体间的对比，还能反映其中一个实体某一属性的变化和发 7 郑州大学硕士学位论文 展趋势；标注渲染能使不同的图层采用不同的标注方式。此外，数据浏览还包括 视图的放大、缩小、移动、视图切换等简单浏览操作。 ( 3 ) 空间数据的分析即空间分析是地理信息系统领域的理论性和技术性都很 强的分支，是地理信息系统功能的核心，也是区别地理信息系统和一般信息系统 的主要功能特征，评价一个地理信息系统功能强弱的主要标志就是看这个系统对 空间信息( 特别是隐含信息) 的提取和传输能力，即空间分析能力矧。本系统的 查询与分析可以实现空间查询和属性查询。空间查询主要是对用户感兴趣的区域 进行地理实体的查找，包括点查询、线查询、地物查询和属性查询。使用点查询 可以把鼠标点击处的地理实体信息反馈给用户，线查询可以把用户用鼠标画出的 线经过的地理实体信息反馈给用户，地物查询和属性查询是用户在获得地理实体 某一属性值的情况下通过属性来查找地理实体，或者通过某一属性值来汇总具有 相同特征的地理实体。 ( 4 ) 统计功能可以对郑州市水环境的相关信息进行统计、汇总和分析，并将 结果以表格、统计图的方式表达出来。统计图包括：饼状图，主要反映各属性分 别占的比重；柱状图，主要反映地理实体本身以及不同地理实体之间的多个属性 的对比；线状图，主要反映属性的变化发展趋势。 ( 5 ) 多媒体信息浏览功能可以播放属性数据库中地理实体( 如水库、河流等) 的各种多媒体信息如音频、视频、图片、动画、电子幻灯片等，也可查看文档、 表格、网页等文本资料。 空间数据管理模块：空间数据是描述地理数据中空间特征部分的数据，即描 述地理现象或地理实体的空间位置、形状、大小以及它们之间的关系( 如拓扑关 系等) 的数据汹1 。空间数据管理模块主要是提供对纷繁众多的空间数据进行分门 别类、方便有效的管理，为专题地图的生成做准备。g i s 中的数据结构主要有两 种类型：基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构。因为矢量数据结构直接以 取样点坐标为基础，可以尽可能地将目标表示得精确无误。对于一个g i s 系统而 言，按照这种简单的记录方式，再适当增加目标的注记名称、输出的线型和符号 等，在矢量输出设备上就可以得到精美的地图。因此在本系统采用矢量的数据结 构，具体来说是采用s h a p e 文件来组织和存储空间数据。因为m a p o b j e c t s 对该 文件格式支持比较完善，同时与属性数据相关联时也很方便，从而可以更好的为 8 郑州大学硕士学位论文 系统服务嘲。 属性数据管理模块：属性数据管理模块是信息管理系统必不可少的部分。 属性数据指的是地理实体所具有的各种属性，如污染源的废水排放情况、水资源 评价的基本情况、各种水体的污染现状等。属性数据通常以数字、符号、文本和 图像等形式来表示，属性数据管理模块的任务是组织和管理属性数据，为空间数 据提供属性信息。系统采用了把空间数据和属性数据独立存储的方案，根据属性 数据的特点，用现代通用的数据库技术来组织它们，即把属性数据以表格数据结 构存储在数据库中m 1 。系统使用微软公司开发的a c c e s s 数据库来存储系统的属 性数据，能存储一般的数据，也可存储二进制的多媒体数据，并实时更新数据。 水资源、水环境信息的更新速度是很快的，例如污染源的排放量、河流、水库的 水质都是在时刻变化的，因此，系统的数据库需要用户不断更新，这就要求系统 要有良好的数据库操作功能，方便用户添加、编辑和删除数据，根据需要不断更 新和积累的数据，从中得出某些参数的发展趋势，从而制定符合实际的工作方案。 环境模拟与预测模块包括水质现状评价、水环境容量、水质预测和g i s 操 作部分功能，动态的展现郑州市水资源及其开发利用综合评价结论，体现地理信 息系统在模拟预测方面的强大功能。 系统帮助模块为系统提供帮助文件，用户通过查看帮助文件可以了解系统的 所有功能模块及各模块的操作步骤及说明。 9 郑州大学硕士学位论文 第二章水环境信息系统分析与总体设计 2 i 系统设计目标 水环境信息是水环境保护工作的一项重要内容，是对水环境质量进行统一监 督与管理的依据。水环境信息既有描述有关地理特征的位置关系信息，又有反映 不同时间水资源质与量的属性数据，因而水环境信息具有地域性、时效性、复杂 性和多目的性等特性。同时，这些信息还具有分布存储、存储量大和格式繁多的 特点。 郑州市水环境信息管理系统是以应用为核心的管理信息系统，把郑州市范围 内的行政区、河流、水库、灌区、雨量站、水文站等和与其有关的各种数据，按 其时空分布特性输入计算机，进行存储更新、查询检索、模拟分析、显示、打印 和输出，是笔者自主开发的基于g i s 的水环境系统，服务于数据管理和环境模拟 预测，其具体的设计目标为： ( 1 ) 、完成对郑州市进行环境管理所需的各种数据的存储更新、查询检索、 统计分析、图表绘制、打印输出等一系列基本的数据管理功能和各种用于用户化 操作处理的功能。 ( 2 ) 、利用各种数据辅助于“郑州市水资源及其开发利用综合评价”，辅助完 成污染源管理、水资源评价、环境影响评价等各项工作。 ( 3 ) 、完成或辅助完成水质模拟、预测，开发水环境容量预测模型等，完成 河流水质的动态显示及结果的可视化。 2 2 系统设计原则 应用型地理信息系统是一个实施和受益面广、应用性强的空间信息系统。要 实现一个结构完整、功能齐全、技术先进、适合行业管理特点、实用性好的信息 系统，需经过较长时间的努力。因此，科学合理地确定系统的设计原则是非常必 要的。基于g i s 的水环境信息管理系统的设计应遵循以下原则圳： ( 1 ) 、实用性原则：系统应符合并满足业务工作的需要，真正实现办公自动化， 管理科学化。 ( 2 ) 、标准性原则：整个系统的建设需遵循标准化、统一化的原则，数据库中 的所有资料应是准确可靠的，系统应有很强的容错能力和处理突发事件的能力。 郑州大学硕士学位论文 ( 3 ) 、完备性原则i 即系统的各项功能及管理的各种数据应是全面、完整的。 ( 4 ) 、动态性原则i 系统要能够顾及环境空问数据不断变化和增加的需要，也 要充分考虑到环境保护业务发展的需要。应以软件工程的思想和方法来建立，力 求系统结构的科学、合理。 ( 5 ) 、经济性原则：在保证各项功能完满实现的基础上，以最好的性价比配置 系统的软、硬件，使系统尽可能发挥经济效益和社会效益。 ( 6 ) 、可扩展性和开放性原则：具有良好的接口和方便的二次开发工具，以使 系统不断地扩充、求精和完善，系统在输入、输出方面具有较强的兼容性，能进 行各种不同数据格式的转换。 ( 7 ) 、可操作性原则：系统应具有良好的接口，易学易懂，操作简便、灵活。 2 3 系统设计特点 郑州市水环境信息管理系统具有如下一些特点： ( i ) 、系统是紧密结合水环境管理工作的需要进行组织的，目标是为水环境 管理工作服务。 ( 2 ) ，系统有效组织了水环境管理属性信息和空间信息，使属性数据库和空 间数据库灵活关联，实时更新属性数据，共同组成一个完整的动态水环境信息管 理系统。 ( 3 ) 、系统采用树状结构对水环境管理专题信息进行分门别类的有序管理， 既体现了信息之间的内在联系，又方便用户进行查询，给系统提供了灵活方便的 管理维护手段，并同时具有很强的可扩充性。 ( 4 ) 、系统集成了多媒体信息的表现方式，如图片资料、文字资料、表格资 料、声音资料、录像资料以及演示资料等等，使各种信息表现方式均能在系统中 得到运用，避免了信息表达方式的枯燥乏味。 ( 5 ) 、系统集成了空间信息的多种查询方法、统计方法以及信息输出方法， 使信息可以方便地和其它系统进行共享。 ( 6 ) 、系统紧密结合“郑州市水资源及其开发利用综合评价”，完成动态结 果显示，发挥了地理信息系统的优势。 ( 7 ) 、系统具有较强的适应性，可以满足管理人员进行地理信息数据管理的 需要，也可以满足用户方便查询的需求。 1 1 郑州大学硕士学位论文 2 4 系统结构设计 按照结构化和模块化的原则，将系统设计成多个相对独立、功能单一的功能 模块。作为一般水环境信息管理系统的常见结构图如图2 一l 所示。 图2 - 1水环境信息管理系统基本框架结构 2 4 1 数据库设计 数据库是环境g i s 的核心组成部分，根据不同的应用，数据库会用各种各样 的组织形式。g i s 数据包括空间特征数据和属性特征数据两部分嘲，其中空间特 征数据记录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征，主要负责研究区内的空 间数据的管理，这也是g i s 区别于其它数据库管理系统的标志哪! ；属性特征数据 用来描述空间实体特征的定性或定量指标，主要负责所对应空间位置的属性数据 郑州大学硕士学位论文 的管理。空间特征数据和属性特征数据统称为地理数据。 用户对不同类型数据的需求，要求数据库内容、格式、说明等符合一定的规 范和标准，以利于数据的交换、更新、检索、数据库集成以及数据的二次开发利 用等，而这一切都离不开元数据跚( m e t a d a t a ) 。在模块或程序集中定义和引用的 每个类型和成员都将在元数据中进行说明。当执行代码时，运行库将元数据加载 到内存中，并引用它来找到有关代码的类、成员、继承等信息。水环境元数据对 水环境信息管理系统管理的所有数据信息进行描述，记录诸如空间数据中电子地 图名称、级别、主要内容、存放位置等，属性数据中水质监测数据内容、采样时 间、采样位置等信息。数据库设计如图2 - 2 所示。 圄圄圄嶝到倒吲 么至墓墓雪量要氐 臣= = = = = ：= = = = = = l 图2 - 2数据库设计 水环境信息系统在空间数据库建设方面，建立了覆盖全郑州市的范围1 ：1 0 万的空间数据库，图层包括市界、县界、河流、湖泊、水库、水文、雨量站分布 等等；在属性数据库方面，已初步包括上述图层的基本信息和郑州市水资源及其 开发利用综合评价过程及结论的录入和入库工作。 1 、空间数据库的建立 空间特征数据包括基础地理信息和水环境相关信息。 本系统使用的基础地理信息来自l ：1 0 0 0 0 0 郑州市水利图，基础地理信息包 括市界、地市行政区划、河流、湖泊、水库、雨量站、水文站、道路、居民点等。 确定所需信息后，进行数字化处理。目前多数g i s 软件对空间数据采用分层 管理，因此要根据需要确定分哪些图层以及每个图层应包含的具体地物，空间特 郑州大学硕士学位论文 征数据的采集使用手扶跟踪数字化和扫描矢量化两种方式，利用a u t o c a d 在微 机上完成地图的数字化，然后再将其转换为系统所需的s h a p e 文件。 2 、属性数据的建立 属性数据不具有空间意义，相对空间数据来说数据结构要简单，通常用关系 数据库来存储管理。几乎所有的关系数据库都支持标准的结构化查询语言，可以 很方便地实现属性信息的复合条件查询。 所收集的属性数据具有各种不同的格式，主要是d b a s e 的木d b f 格式、e x c e l 的奉x l s 格式和a c c e s s 的木m d b 格式，也有的不是电子文件。因此要进行格式转 换，即将不同格式的数据进行处理合并到g i s 数据库中。 3 、空间数据与属性数据的集成 早期的g i s 空间数据和属性数据是分离的，分别由不同的子系统来存储和管 理，以e r s i 的s h a p e 文件为例，s h a p e 文件用非拓扑关系的形式存储几何位置和地 理特征的属性信息，由三个不同扩展名的文件来表示，分别为： s h p 一存储几何特征； s h x 一存储几何特征的索引； d b f - - 这是一个数据库文件，它存储几何特征的属性信息。 随着g i s 应用的进一步扩展，这种方式己经逐渐不能适应企业化、网络化g i s 的应用，开始尝试把空间数据和属性数据都存储到关系型数据库中。面向对象技 术出现后，用面向对象的数据库来统一管理所有的g i s 数据成为g i s 发展的趋势。 2 4 2 系统功能结构 郑州市水环境管理地理信息系统功能结构图如图2 3 所示。 1 4 郑州大学硕士学位论文 图2 _ 3水环境信息管理系统功能结构图 郑州大学硕士学位论文 第三章基于g i s 的水环境信息系统研发 为了有效地管理、查询、编辑水环境数据，将空间数据和属性数据有机的结 合在一起，使之表现形式更为直观。郑州市水环境信息管理系统提供了数据管理、 专题图制作、g i s 操作、数据库数据导入导出和辅助决策等功能。 3 1 水环境信息系统研发技术路线 分析系统需求 确定系统开发平台 确定开发子模块 系统集成与调试 3 2 设计目标与任务 系统管理 数据管理 数据查询 统计分析 专题图制作 水质现状评价 水质预测 水环境容量计算 系统管理模块 专题图制作模块 g i s 操作模块 空间数据管理模块 属性数据管理模块 环境模拟与预测模块 系统帮助模块 图3 - l 水环境管理信息系统研发技术路线 水环境信息管理系统设计阶段主要实现两种转换：一是把客观的环境现象及 其管理系统转换为能模拟客观系统基本特征的“环境概念模型”；二是把“环境 概念模型”转换为由计算机管理的“环境指导模型”，其中第二种转化又包含两 个转换：一是转换为用户能看到并适用的环境g i s 的外部模型，二是转换为供系 统程序员能够看到并适用的内部模型，从而实现水环境物质流到信息流的转换。 要实现这些转换，设计的具体目标和任务可概括如下： 1 设计目标 1 6 郑州大学硕士学位论文 充分利用先进的g i s 技术、数据库技术、分布式计算等技术，建设一个科学、 高效的水环境管理系统。在充分整合与利用水环境空间数据和基础地理信息的基 础上，实现对水环境信息科学的组织和有效管理，使管理人员能够方便地对各种 水环境信息科学的组织和有效的管理，能够方便地对各种水环境信息进行可视化 管理，并实现空间信息的查询、维护等功能，并能结合水环境管理业务和技术应 用需要，为水环境的存在的问题提供全面的解决方案。 2 设计的任务 水环境管理系统设计的基本任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为 相应的物理模型。系统设计大体可分为四个部分：应用设计、数据库设计、结构 设计、功能设计。应用设计包括