（环境工程专业论文）基于GIS的南京内秦淮河水系调水模拟集成系统研究和开发.pdf

摘要 本文以南京内秦淮河水系调水试验模拟计算及其结果处理为例，探讨了环境 模型与地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 技术集成的基本 方法和思路。 文中综述了地理信息系统在环境领域的应用现状，并总结了地理信息系统与 环境模型集成的三种方式：嵌入型集成、松散型集成和紧密型集成。在总结三种 集成方式优缺点的基础上，提出采用松散结合的方式对南京内秦淮河水系调水模 拟和地理信息系统进行集成。 论文的研究内容包括：( 1 ) 结合南京内秦淮河水系特征，建立了内秦淮河水 系调水数值模拟系统；( 2 ) 利用o l e 技术实现对内秦淮河水系数字地图的集成， 建立了该水系水环境地理信息系统：( 3 ) 结合面向对象的v i s u a lb a s i c 高级编程 技术，建立了水质模拟结果可视化与水环境地理信息系统管理共同的用户界面。 本文通过建立南京内秦淮河水系调水模拟集成系统，实现了利用g i s 技术对 水质模拟结果及地图数据的有序管理，同时，本文还进行了水质模拟与g i s 技术 集成的初步尝试。 关键词：地理信息系统( g i s ) 水质模拟系统集成m a p l n f o p r o f e s s i o n a l a b s t r a c t t a k et h ew a t e rs y s t e ma n dw a t e rd i v e r s i o nm o d e l i n go fi n l a n dq i n h u a ir i v e r a sa ne x a m p l e ，t h em e t h o da n dc l e wo fi n t e g r a t i o no fg i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m ) a n d e n v i r o n m e n t a l m o d e l i n g a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e p r e s e n ts i t u a t i o no f g i s a p p l i c a t i o n i ne n v i r o n m e n tw e r e r e v i e w e d ，a n d t h r e ei n t e g r a t i o np a t t e r n si n c l u d i n ge m b e d d i n gc o u p l i n g ，l o o s i n gc o u p l i n ga n dt i g h t c o u p l i n g w e r es u m m a r i z e d a f t e r c o m p a r i s o n t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f t h e s e p a t t e r n s ，l o o s i n gc o u p l i n g w e r e a p p l i e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h r e ep a r t s ：( 1 ) c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r so fi n l a n dq i n h u a if i v e r , t h en u m e r i c a lm o d e l i n g s y s t e mf o rw a t e rd i v e r s i o n w a ss e tu p ( 2 ) a q u a t i ce n v i r o n m e n t a lg i sw a s d e v e l o p e db a s e do ni n t e g r a t e dd i g i t a l m a po fi n l a n dq i n h u a ir i v e rw i t ho l e ( 3 ) b a s e do nt h ev i s u a lb a s i ca d v a n c e d p r o g r a ml a n g u a g e ，t h eu s e ri n t e r f a c eo fw a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o n ，v i s u a l i z a t i o na n d g i sm a n a g e m e n tw e r ea c h i e v e d s i m u l a t e dr e s u l t sa n dm a pw e r em a n a g e d o r d e r l yt h r o u g ht h i ss y s t e m m e a n w h i l e ，t h i sr e s e a r c ho fi n t e g r a t i o ng i sa n de n v i r o n m e n t a lm o d e l i n gi sj u s ta p r i m a r yt r y k e y w o r d s ：g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) w a t e r q u a l i t ym o d e l i n g s y s t e mi n t e g r a t em 印i n f o p r o f e s s i o n a l i j 日u吾 随着全球性环境的日益恶化，环境保护在实现人类可持续发展战略过程中扮 演着越来越重要的角色。本人在硕士研究生阶段的学习，主要跟随导师从事水环 境地理信息系统开发方面的工作，这些工作使我认识到水环境问题通常带有很强 的地理或地理分布特征。而环境地理信息系统( e g i s ) 的引入正好将环境问题 同地理因素紧密的结合起来，将环境保护研究领域带入到一个新的阶段。 环境地理信息系统的定义目前尚无明确一致的表达。一般认为其是建立在大 量的环境数据的基础上，在计算机软硬件的支持下，将环境及其有关的各种信息 和目标要求，以空间分布的形式和一定的格式输入、存储、检索、显示，并对他 们进行综合的应用分析和管理的系统。目前，国外涌现出很多水环境地理信息系 统的软件，如w l i d e l f th y d r a y l i c s 开发的s o b e k ，e m r l 、u s a c e w e s 和f h w a 联合开发的s m s 系列等，这些软件都能有效的将环境模型和g i s 进行 集成。但此类软件系统一般无源代码文件，而且环境模拟的问题是复杂的，每个 问题都有其特殊性。鉴于此，开发适用于具体环境问题、便于非专业管理人员操 作使用的水环境地理信息系统就显得尤为必要。 本论文结合“南京市水环境河道整治系统工程”这具体环境问题，针对南京 内秦淮河水系调水模拟系统进行研究。论文主要工作是在已有的模型基础之上， 基于g i s 软件m a p i n f op r o f e s s i o n a l 平台建立了南京内秦淮河水系水环境信息系 统。 论文通过建立南京内秦淮河水系调水模拟系统，将调水过程，水质水量的变 化过程生动直观地表达出来，使决策者便捷、高效的利用水环境模拟这一工具。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 年月日 1 基于g i s 的水环境模拟概述 随着社会的不断进步，人类大规模的工农业生产、能源开发、水资源利用等 活动，必然对人类赖以生存的环境产生相当大的影响。有的影响是长时期显现出 来的：而有的影响却是短期内就能凸现出来的，这些影响既包括一些技术不完善 造成的风险，又包括预先计划时的一些不确定性因素带来的不良后果。目前，环 境问题由于其存在的复杂性、普遍性、严峻性已引起全球广泛的关注。 环境模拟( e n v i r o n m e n t a lm o d e l i n g ) 将多种环境过程和现象的转变成为可以 计算的形式，以多种概念的和数量的模型加以描述。环境模拟作为预测、分析、 评价的科学工具，在环境研究领域中得到广泛的应用。但几乎所有的环境问题都 涉及到空间维。构成环境模拟的基本要素及其它与环境模拟相关的因素大多都具 有空间分布得特性，而且这种空间分布有效地影响着环境要素相互作用的过程和 空间过程的动态演化。但环境模型在对这些空间数据的操作尤其是结果的显示方 面仍显困难【“。而对空间分布，空间关系，空间过程的处理恰恰是地理信息系统 所擅长的。环境模拟和g i s 二者之间的领域重叠和相互关系是显而易见的，将 g i s 与环境模拟这两个领域在技术上、研究内容上、方法上进一步集成，具有广 泛的应用前景。 1 1 g i s 概述 以计算机为核心的信息处理系统技术是第二次世界大战后科技革命的主要 标志之一。在信息的诸多类型中与空间相关的信息是十分重要的一类。人类生存 的地球这个三维空间中的万物无不与空间位置相关，如何利用计算机处理空间相 关信息是地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 产生和发展的动 力。 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种决策支持系 统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于 其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信 息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地 理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组 成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学 科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科； 另方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库( g e o s p a t i a l d a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理 信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 1 2g i s 的发展及功能 g i s 是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术，是为 了解决各种复杂的规划与管理问题而设计的用于支持对空间相关数据进行采集、 管理、操作、分析、模拟和显示的计算机硬件、软件系统和处理过程，是一种管 理和决策支持工具。 1 2 1g i s 发展 自从1 9 6 0 年加拿大测量学家r o g e r e t o m l i n s o n 提出“要把地图变成数字形式 的地图，便于计算机处理与分析”的观点【2 】以来，该观点就一直是研究与发展g i s 软件的指导思想。综观g i s 领域近4 0 年的发展历史，g i s 软件技术及其应用取 得了巨大的发展，从技术层面看，其发展大致可以分成三个阶段。 ( 1 ) 第一阶段，从2 0 世纪6 0 年代中期到8 0 年代中后期，是g i s 软件从无 到有、从原始到产品的阶段。由于各种条件，包括自身理论和实现技术的不成熟 以及r r 技术的限制，这一阶段的g i s 软件存在许多不足。 ( 2 ) 第二阶段，从2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代中期，是g i s 软件成熟和应 用快速发展的时期。这一阶段，g i s 作为一种软件工具，理论与技术已经基本成 熟。由于具备空间数据的操纵能力，在应用中受到青睐，应用领域迅速发展，但 是，其技术体系仍然没有发生根本的变化。 ( 3 ) 第三阶段，从2 0 世纪9 0 年代中期开始，估计将延续1 0 年或稍长一点 时间。这一阶段i t 技术的突出进步是网络技术，特别是i n t e m e t 在全球的普及以 及面向对象软件方法论和技术的成熟，为g i s 的技术进步注入了新的活力。g i s 逐渐渗透到人类生活的各个方面，迎来了g i s 应用领域高速扩展的新时期。大量 的应用需求促使g i s 软件技术快速发展，逐步形成应用集成平台的地位。也正是 在这一时期，g i s 在环境领域的应用也逐步得到发展和完善。一大批环境地理信 息系统如雨后春笋般涌现出来，这些系统涵盖了环境研究领域的各个方面。 1 2 2g i s 功能及其特点 ( 1 ) g i s 功能简介 g i s 的功能主要包括地理数据的输入、存贮、处理、和输出等几个方面。地 理数据的来源包括地图矢量化( 手扶矢量化和扫描矢量化) 、遥感数据、g p s 等。 地理数据存贮采用分层技术，将地理特征和属性数据根据需要分成若干层，在数 据操作中只处理涉及的层以提高效率。数据操作是指对数据的修改、增删及各种 运算等，使用户可以从可知的地理数据中得出隐含的重要结论。用户查询或数据 分析的结果可以输入其他应用程序或数据库，在计算机屏幕上显示或通过绘图仪 输出。图l ，2 1 表示了g i s 的功能以及这些功能间的相互关系。 图1 2 1 ：g i s 功能概述( 椭圆) 以及它们的表现( 矩形) 从图1 2 一l 中可以看出，数据获取是从现实世界的观测、以及从现存文件、 地图中获取数据。有些数据已经是数字化的形式，但是往往需要进行数据预处理， 将原始数据转换为结构化的数据，以使其能够被系统查询和分析。查询分析是求 取数据的子集或对其进行转换，并交互现实结果。在整个处理过程中，都需要数 据存储检索以及交互表现的支持，换言之，这两项功能贯穿了地理信息系统数据 处理的始终。 ( 2 ) g i s 的特点 从g i s 的定义，可以看出地理信息系统包括以下三个方面的特点： 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动 态性； 第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规 的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成 的任务： 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系 统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序 和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理 信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化 的空间数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容， 取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意 义。 1 2 3g i s 发展趋势 计算机的飞速发展为g i s 提供了先进的工具和手段，计算机领域的新技术， 如面向对象技术、三维技术、图象处理和人工智能技术都正在应用于g i s 中。而 且g i s 技术在一些专业领域的应用也越来越广泛，各种领域的发展也促进了g i s 的进一步发展。其主要表现在以下几个方面1 一7 】。 ( 1 ) 开放式地理信息系统( o g i s ) 空间数据共享是当前g i s 用户所面临的一个主要问题，因为g i s 的多种数 据源、多种类型的数据格式之间有许多方面不统一。此外，大多数g i s 应用系统 由于各自采用不同的应用软件、不同的数据模型和数据结构，从而造成了各个系 统彼此相对封闭，系统间数据交换困难，随着g i s 应用范围的进一步扩大及网络 技术的发展，在当今大力发展资源共享的信息时代，建立面向用户的资源共享的 开放式g i s 己势在必行，它使用户能在一个开放的信息技术环境中存取和处理来 自多种数据源的数据。在环境领域由于网上实时、高效的信息发布，使联系交流 更为密切，将提高环境管理的响应能力，缩短环境管理的空间距离。 ( 2 ) 面向对象的地理信息系统( o o b g i s ) g i s 数据的管理一般采用图形和属性数据分开管理，这种方式不利于保持空 间数据的整体性。由于面向对象的方法把图形数据和属性数据以相同的结构存 放，可以保证数据的完整性；另外它所提供较强的逻辑结构，使g i s 采用更接近 现实世界的数据结构管理大量非常规数据成为可能。在环境模型于g i s 集成问题 上，由于面向对象的地理信息系统更能描述和表达客观世界，这有利于解决模型 与g i s 集成后可视化输出的不确定性问题。 ( 3 ) 组件式地理信息系统( c o m g i s ) 传统的g i s 软件开发具有开发负担重、集成困难、专业语言不易掌握的缺点， 不能满足日益增长的g i s 应用需求。而具有语言无关性、进程透明性、可重用性 等优点的c o m 技术使得d d e 、a c t i v e x 技术与可视化语言成为g i s 软件开发的 主流之一。目前许多大型g i s 公司都开发了组件式g i s 。比如e s r i 公司推出了 m a p o b j e c t s ；m a p l u f o 公司也巨资开发了m a p x 。组件式地理信息系统的出现， 将使环境模型与g i s 的集成变得简单。 ( 4 ) g i s 与r s 、g p s 的集成 3 s ”的集成是一种充分利用各自的技术特点快速准确而又经济地为人们提 供所需信息地技术，基本思想是利用r s 提供最新地图像信息，利用g p s 提供图 像信息中的位置信息，利用g i s 为图像处理、分析应用提供技术手段，就可以为 用户提供精确的信息。这样的结合，充分发挥了各自的强处，使g i s 有更强的决 策能力。此外在环境模型研究中，环境参数经常是连续的，并不具有确定的边界， 如污染物的扩散、某种环境因子的影响范围等，这时用栅格数据就更合适。也就 是说，环境模型在利用矢量数据、统计数据的同时，必须利用栅格数据。因此， 遥感必将作为主要数据源而广泛应用于环境模型研究中。这些说明了g i s 与r s 和g p s 的集成将成为一种必然的趋势。 ( 5 ) g i s 与三维可视化技术的结合 g i s 处理的空间数据从本质上来说是三维连续分布的，但目前g i s 的应用主 要停留在处理点、线、面三类空间物体上。在三维可视化领域，支持真正三维的 矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，将解决三维空间操作和分 析问题，极大提高g i s 的空间分析功能。而许多环境模型也明显具有二维、三维 空间特性，如大气质量模型、地下水扩散模型、噪声传播模型等。因此，应用环 境模型在考虑时间变化的同时，必须三维化。在这里，三维化包括环境参数的描 述三维化、环境过程的模拟三维化和环境模型运算结果的显示三维化。 ( 6 ) g i s 与专家系统( e s ) 的结合 g i s 与专家系统的结合称为专家g i s 或基于知识的g i s 或智能g i s ，它实际 上是基于知识的专家系统在g i s 中的一种应用。g i s 虽然经过近4 0 年的发展， 但是它的应用还主要停留在建立数据库、数据库查询、空间叠加分析、缓冲区分 析和成果输出显示上，还无法为解决空间复杂问题( 如城市规划与管理、生态环 境管理等) 提供足够的决策支持。因此，这些问题的解决需要大量的人为知识与 经验，从而使g i s 与专家系统的结合留足了大量的空间。在环境研究领域，g i s 与专家系统的结合可以利用定性、定量的专家知识，帮助进行模型评估、模型校 正和模型选择，在环境决策、环境管理中发挥重要作用。 1 3 环境地理信息系统研究综述 近几年，地理信息系统技术的应用触及到了祖国建设的方方面面，包括城市 建设、土地规划、水资源规划与管理、防洪排涝等与国民经济乃至国家命脉相关 的重要领域【8 。1 1 】。同样的，地理信息系统在环境方面的应用也非常的多，如环境 规划、环境监测和保护，非点源量化以及地下水等。这些以环境问题为研究对象， 并在计算机软硬件的支持下，将环境及相关的各种信息，以空间分布的形式和 定的格式输入、存储、检索、显示，并对它们进行综合的应用分析和管理的系统 称为环境信息系统( e g i s ) 1 2 1 。 环境地理信息系统同样是一个空间型信息系统，它建立在g i s 平台上，具有 控制管理功能，输入输出功能，空间分析功能以及多信息支持下的辅助决策和模 拟功能。具体功能包括信息录入、信息查询、属性数据统计分析、空间数据分析 和决策支持等几个部分。其中信息录入包括属性数据、空间( 地图) 信息、图像 信息和其他多媒体信息的录入。信息查询是将属性信息、地图信息、图像信息和 其他多媒体信息结合起来，包括由文查图和由图查文两种形式，其中由文查图是 指按文字形式输入查询条件，系统以特定的颜色将满足条件的空间信息及其他相 关信息显示出来：由图查文是指取空间信息，系统将把与之相关的属性信息显示 出来。统计分析功能是按要求生成各种统计报表并以统计图表的形式将结果显 示。归纳起来，g i s 在环境领域的应用主要表现为在环境管理和非点源污染分析 两个方面的应用。 1 - 3 1g i s 在环境管理、评价及规划中的应用 环境管理是运用经济、法律、技术、行政等手段，来限制人类损坏环境质量的 活动。通过全面规划、评价，使经济发展与环境协调，达到既要发展经济，满足 人类基本要求，又不超过环境的基本限度【” 。g i s 在环境管理的应用因此体现在 三个层次上：环境地理信息系统；利用g i s 进行环境规划与评价：决策支 持系统。 ( 1 ) 环境地理信息系统 环境管理地理信息系统是为环境管理服务的信息系统，它采用g i s 的一套 建立、管理、应用方法，力图使环境管理数据得到良好的应用。g i s 的应用大大 改善了环境基础数据的处理和收集方式，提高了环境管理的效率。利用g i s 的 数据采集与编辑、信息查询、数据库管理、统计制度、空间分析等功能，环境 工作者可将已经编码的空间数据组合起来，并确定其地理位置，同时揭示不同 信息间的相互关系。 根据现实的数据条件和技术水平，环境地理信息系统应具备以下基本功 能：分析环境影响诸因素的变化情况，分析主要污染源和主要污染物的地理 属性和特征，并利用环境检测的历史数据，进行环境质量的趋势分析。信息 查询。利用空间的拓扑关系显示与查询主要污染物的地理起始位置。在国外， g a r r yd o y l e 和m u r r a yg r a b i n s k y 1 4 1 对加拿大3 5 个城市进行调查表明，这些城 市都不同程度的利用了g i s 建立信息系统用于环境管理，并在此基础上通过将 水质资料录入g i s 数据库来分析t o r o n t o 市的污染状况及发展趋势。 ( 2 ) g i s 在环境规划与评价中的应用 由于建立了环境地理信息系统，大量的污染源数据和专题的环境现状信息 ( 栅格结构) 可直接进入地理信息系统，成为地理信息系统的主要信息源之一。 结合地理背景的空间数据( 矢量结构) 如大气污染类型、水污染现状、土地利用、 行政区划。可以实现矢量数据和属性数据相结合，综合分析与动态监测相结合， 使得地理信息系统与环境规划与评价相辅相成。 g i s 中有“层”的概念，就是说不同种类的或来源的数据可以分到不同的层 上来描述，而各个分层本身和分层之间都可以进行运算，如变换、旋转、叠加 等。这样有助于描述各类信息之间的内在联系。如行政区划分布和水污染现状， 二者的结合可以反映集中点污染源状况，既有利与环境规划，又有助于环境现 状评价。 目前g i s 在环境规划评价领域的应用屡见不鲜，在规划方面，x u a nz h u ， r i c h a r dg h e a l e y ”1 等利用a r c i n f o 集成知识库，对苏格兰西海岸i s l a y 岛的 不同土地利用类型进行比较，优化选择土地利用类型。在国内，河海大学阮晓 红等1 6 1 基于m a p l n f op r o f e s s i o n a l 软件，集成w a s p 5 环境模型，对浙江颜公河 流域进行水污染控制规划，并建立了适用于该流域的知识库系统。在评价方面， 蓝万家等0 7 人就曾把g i s 用于长江流域武汉段的水环境评价，利用a r c i n f o 建立了污染源评价模块，水质质量评价模块。国外的l u i s a b o j o r q u e z t a p i a 1 8 】 等将模糊数学、g i s 和最优化理论集成在一起对生态系统的不确定性进行评价， 并建立一个对不同生态地区都适用的模型框架，为管理者提供了较好的决策工 具。 ( 3 ) 环境决策支持系统 环境地理信息系统的最终目标就是为管理者提供决策支持。环境决策支持系 统的发展仅有1 0 几年的历史，环境决策支持系统是利用计算机技术，将d s s 引 入环境管理、规划、决策工作中的产物。环境决策支持系统( e d s s ) 是环境信息系 统的高级形式【1 9 】，是在环境管理信息系统( e m i s ) 的基础上，使决策者能通过 人一机对话，直接应用计算机处理环境管理工作中的未定结构化的决策问题。它 为决策者提供了一个现代化的决策辅助工具，并且提高了决策的效率和科学性。 利用g i s 建立环境决策支持系统，可以通过g i s 强大的空间数据处理能力，建 立形象直观的用户界面，给决策者提供简单、明了的决策依据。 早在1 9 7 7 年，美国p u r d u e 大学2 0 1 就研制了一个简单的河流规划决策支持 系统g p l a n ，它仅有三个构件：对话部件、模型库、数据库。之后，许多研究 者开始了这方面的研制工作。近几年来，利用v b 或v c 等面向对象的程序设计 方法，并结合g i s 功能来开发e d s s ，己成为e d s s 开发人员的共识。目前的决 策支持系统基本上是由g i s 和水资源模拟模型两大部分耦合而成 2 1 1 o 河海大学 的姚琪等2 2 1 就利用d e l f th y d r a y l i c s 开发的g i s 工具n e t t e r ，通过与模型 技术和数据库技术的结合，在南通河网地区建立了水污染控制决策支持系统，帮 助决策者选择最优的污染源及水环境治理方案。清华大学的王宏伟、程声通 2 3 1 以g l s 为基本框架，设计了城市环境规划的空间决策系统，实现了城市环境规划 数据调查评价、预测、功能区划、规划方案生成与决策、制图等特定功能要求， 并将该系统应用于哈尔滨松北新区和吉林省白山市的环境保护规划，取得了较满 意的结果。在国外，s t e p h e nbl o v e j o y , j o h ngl e e 等1 2 4 1 人综述了m e x s e s 和 x s p i l l 两个环境决策支持系统，前者则可以用于环境影响评价；后者是对河道 事故排放情况下的决策分析。 1 3 2g i s 在非点源污染控制中的应用 g i s 在环境问题中应用的另一个重要领域是在非点源污染分析中的应用。从 8 0 年代g i s 技术在非点源研究领域的应用【2 ”，从本质上讲，改变了其分析和建 模的方式，揭开了数据输入和结果显示的新篇章7 1 。因为利用g i s 较强的数据处 理功能和图形显示功能，可以大大减轻非点源污染模型应用中高费用、大强度的 弊端。 非点源模型的空间数据具有：( 1 ) 数据项繁多；( 2 ) 数据收集代价高昂，无 实测数据的点和区域普遍存在；( 3 ) 空间属性描述方法不单一，有基于点( 如气 象站点) 、线( 如河网) 、面( 如土地利用类型) 乃至纵向分层( 土壤) 等不同类 型等特点。g i s 和r s 技术的引入在相当程度上解决了非点源模型数据繁多、难 以收集与管理的难题，大大推进了非点源研究的进程。 关于g i s 应用于非点源研究的例子非常的多，包括土壤侵蚀率和侵蚀量估算 【2 6 、地区径流量的预测1 2 7 】、土地利用类型变化对水质的影响【2 8 f 2 9 1 等。 从上述总结中我们不难看出，利用g i s 解决环境问题，主要还是通过g i s 与环境模型之间的集成来完成的。林伟立等就指出，目前，g i s 在环境管理中 的应用朝着其与环境模型相耦合的形式发展【3 0 1 。同济大学的韦雪华等也指出 g i s 在环境评价应用中较通行的做法是g i s 与地表水和地下水模型的结合【3 ”。 通过这样的结合，利用g i s 数据中大量环境信息之间的相关性、耦合性可对环 境的演变进行数值模拟，发现其中的规律，进而可以根据将来的生产、发展等 相关情况对环境的影响进行预测和分析，更好的为环境保护服务。这些集成研 究从地表水水质变化模拟口2 】1 3 3 1 到地下水水流及污染物质迁移转化规律研究 1 3 4 3 ”、从流域尺度的城市化进程对环境的影响 3 6 】到研究全球范围的环境变化【3 7 l 无不体现出g i s 与环境模拟模型结合在环境保护研究领域中的重要性。 1 4 本文的研究思路和研究内容 综上所述，我们欣喜的发现，目前g i s 在环境上的应用已经触及到了环境研 究领域的方方面面，而且其与环境模型的结合的研究工作也取得了很大的进展， 特别是国外将这样的研究引入软件开发领域，并将这样的研究商业化，像荷兰的 w l i d e l f t h y d r a y l i c s 开发的s o b e k ，美国的e m r l 、u s a c e w e s 和f h w a 联合开发的s m s 系列等软件，已经很好的把环境模型与g i s 集成起来应用于非 点源污染分析、二维水量水质模拟，河网水量水质模拟等环境问题。 虽然这样的软件能很好的应用于大多环境问题，但同时，由于软件本身是一 个复杂的系统，不但价格不菲，有的软件还需要培训后才能使用，而且对具体的 环境问题都需要进一步开发才能很好的为该环境问题的解决服务，这样的应用需 要花费大量的人力、财力。鉴于此，开发适用于具体环境问题、便于非专业管理 人员操作使用的水环境模拟集成系统就显得尤为必要。本文结合“南京市水环境 河道整治系统工程”这一具体的环境问题，针对南京内秦淮河水系调水试验，对 该水系的水量水质模拟进行集成，并对模拟结果进行动态可视化研究，具体的研 究思路和研究内容如下： 1 4 1 本文的研究思路 本文工作的主要目的是以南京内秦淮河水系的水质模拟为例，侧重对水质模 型模拟计算与g i s 技术相结合的基本方法和基本过程进行说明，将这项工作作为 这一方面工作的一种探索式研究。 1 4 2 本文研究内容 ( 1 ) 建立内秦淮河水系调水模拟系统 本文针对南京河网地区的河道特征，研究河网闸坝控制特征的前提下，建立 了适合于该地区的水质水量模型，并通过数值模拟与g i s 技术的探索性集成，将 调水模拟结果进行可视化，以此来研究调水对内秦淮河的水动力及水质改善效 果。 ( 2 ) 建立内秦淮河水系水环境地理信息系统 本文以内秦淮河河网作为研究对象，基于地理信息系统( g i s ) ，建立内秦淮 河水系水环境地理信息系统：在信息系统的基础上实现数据分析模块，结果查询 模块，图形查询模块，图形动态显示模块。 2 系统集成方法论简介 2 1 环境模型结合地理信息系统集成方式简介 在2 0 世纪6 0 7 0 年代，环境模型和地理信息系统的开发基本上都是平行发 展的，极少交叉结合。直到8 0 年代后期，为适应水文学者们的新要求和进一步 扩展g i s 的分析功能，以精确的数据代替抽象的地形，环境模型与g i s 结合方 面的研究才开始逐渐展开【3 8 1 。从8 9 年n e e d h a m 和v i e u x 提出了基于矢量的 a r c i n f o 用于a g n p s 模型的数据输入和输出显示【3 9 1 ，他们后又用这种耦合方 式研究了不同格栅大小对模拟结果的影响1 4 0 ，到今天，j i n y o n gc h o i ，b e r n a r d a e n g e l ，s u r e s hm u t h u k r i s h n 肌【4 1 1 等利用o i s 和环境模型来研究流域城市化进程对 流域径流量的影响；环境模型结合地理信息系统的研究经历了2 0 几年的发展和 完善。 纵观这2 0 几年的发展，各国科学家在g i s 与环境模拟模型集成方面都作了 大量的工作，目前，环境模型与g i s 的结合主要可以归纳三种情况 4 2 - 4 5 l ：嵌入 型集成、松散型集成和紧密型集成。 2 1 1 嵌入型集成( e m b e d d e d c o u p l i n g ) 当g i s 功能成为模型功能之，或者当模型功能成为g i s 功能之一，则这 种结合称为嵌入型集成方式。这种集成方式使得模型和g i s 不仅是共同分享同一 数据库和同一用户界面而且还分享内存。这种集成方式具体还分为：g i s 嵌入环 境模型中和环境模型嵌入g i s 中两种方式。 ( 1 ) g i s 嵌入环境模型中 将g i s 嵌入环境模型( 见图2 1 1 ) ，最开始是被认为g i s 与数值模拟基础是 不相关的水力学模型开发者们所采用，他们认为g i s 仅是种绘图工具，所以模 2 1 - i o l s 嵌入水力学环境模型 型的运行不受g i s 数据结构的影响，系统 开发者通常以最大的自由来进行设计。但 这种集成方式的应用却越来越少，主要是 因为这样的环境模型软件包的数据管理能 力和可视化功能远比不上商业化的地理信 息系统软件包，而且程序的编写非常复杂， 大多数环境模型软件包是由专家针对特殊 的研究项目开发的，虽然它们有概念上的共享性，但由于这些环境模型使用了各 种不同的数据结构、编程工具和硬件平台，对其它使用者是非常困难的。像 r j v e r l l o o l s 【4 6 4 7 1 和m o d f l o w 4 8 5 0 1 等模拟软件都是基于该方法。 ( 2 ) 环境模型嵌入g i s 中 近年来，一些主流g i s 软件商花费大量精力来提高他们产品的分析和模拟能 力，以t h ea r m yc o r p so f e n g i n e e r i n g 开发的h e c s a s 为先导p ”，一些软件商 开发了用于数值模拟的g i s 模块，该模块可 满足许多环境模拟方面的需要。比如e s i l i 的a r c s t o r m 、a r c g r i d 5 2 】等就是将特定的水 力学模拟功能集成到功能强大的主流软件 包中( 如图2 1 2 ) 。该方法是建立在顶尖级 的商业g i s 软件包基础上的，而且充分利用 到了内置的g i s 功能。但模拟功能通常过于 单一化，而且这样的模块是改度概化的通用 图21 - 2 水力学环境模型嵌入g i s 模块，用于解决复杂的实际问题还有一定难度。同时环境模型本身还必须到软件 包的外部进行校准，因此，这些模型也没能非常有效的利用。 2 11 2 松散型集成( l o o s e c o u p l i n g ) 松散集成( 见图2 1 - 3 ) 通常包括个标准的g i s 软件包( 如a r c i n f o m a p l n f o ) 图2 1 - 3 松散型集成 和环境模拟程序( h e c 、w a s p 6 、s t r o m 等) 。环境模型与g i s 的结合是利用 a s c i i 或二进制编码格式进行数据交换或者共享数据库来实现。g i s 系统和环境 模型系统分属两个独立的系统，因而两个系统拥有各自相互独立的运行界面，顶 层的用户界面主要用来管理两个系统的公共数据和实现文件交换，系统间通过内 部的通讯协议( d d e 、o l e 等) 进行数据的传输与运转。此方法的优点在于避 免了冗长的复杂程序，具有很好的集成效率，也就是说当模型改变时，g i s 软件 不需要进行相应的改变，需要改变的也只是文件形式及相应的输入输出路径的改 变。但这种集成方式在不同系统之间的数据转换是单调乏味的，而且容易出错。 由于其计算机编程的最小化，该方法目前是大多数水文学者和g i s 用户用于模拟 工作最多的方法之一。 2 ，1 3 紧密型集成( t i g h tc o u p l i n g ) 紧密型集成( 见图2 1 - 4 ) 通过g i s 宏语言的使用或常规的编程将特定的环 图2 1 - 4 紧密型集成 境模型嵌入到g i s 商业软件包。随着对客户需求的认识，越来越多的g i s 软件 开发商提供了宏语言和手写编程功能( 如e s r i 的a v e n u e 和a m l l 5 2 1 ，m a p i n f o 的m a p b a s i c 等) ，这样，用户可以以序列模式集成大量的个性化的命令或开发按 照客户端要求的用户接口用于特定用途。在这种方式下，环境模型和地理信息系 统有共同的用户界面、共享文件和存储空间口”。该集成方式同松散型集成方式相 比操作相对简单，而且避免了重复。但此类结合很难具备足够强大的功能来执行 复杂的环境模型。一种代替的方法就是把手写的程序集成到g i s 软件中。有些软 件包已经开发出允许用户开发的模型库或在特定的软件包里通过普通的下拉式 菜单来调用程序。然而这种方法需要一个精确界定的接1 5 1 用于g i s 的数据结构。 这就需要开发新的程序来使用户在不需要懂得g i s 中特定的数据结构的情况下， 可直接存取空间数据。 以上各种方法在世界范围内已开展大量的研究，其中绝大多数都是依赖于松 散结合3 8 】。这方面的研究从简单的数据预处理和环境模型参数估算及结果可视化 5 4 1 ，到水力学分布模型的有效性测试【5 5 】【56 1 ，从把g i s 软件仅仅用作绘图和图像 化工具，扩展到复杂的地表径流及泥沙运移模拟【5 ”、流域非点源污染的水质模拟 中，从地面垃圾堆放场地对人体危害的研究到地下渗漏区水流模拟矧。这些 研究含盖水土流失估算、洪水地区风险评价、水力学排放模拟、非点源污染负荷 分析、地下水水质模拟等等。这些研究工作的开展，需要投入的经费是比较大的。 目前，国内在政府部门的支持和一些高新技术企业的带头下，这些方面的研究也 逐步展开。像北京师范大学的李道峰、刘昌明等人就采用g i s 与水文模型松散结 合的方式构建了用于存储和管理黄河流域水循环空间和属性数据平台【6 l 】1 6 2 ；吕 爱锋，王纲胜等人 6 3 】也利用g i s 和分布式水文模型进行松散结合开发了“水循环 机理一系统理论相祸合的时变增益分布式水文模型”系统，并成功应用于甘肃省 内板桥流域，获得良好效果；魏加华，李慈君等人 删探讨了利用地下水模型和组 件g i s 松散集成来进行地下水水流的数值模拟；苏锡常地区 6 5 g i n 与地下水开采 及地面沉降模拟模型集成分析地下水水质水位状况等等。 2 2 本文系统集成模式选择 今天，无论环境模型开发者们还是g i s 用户都己从过去近2 0 多年来两者结 合的成功经验中越来越认识到环境模型和地理信息系统之间互补的重要性。各种 复杂的环境模拟技术让g i s 用户可以跨越庞大的数据目录和管理阶段进行复杂 的模拟。，极大的拓宽g i s 的空间分析能力；而g i s 则通过它的强大功能来处理 数字高程模型数据，可以为模型开发者提供数据管理和直观、图形化的新平台。 另外 墟着世界范围内g i s 的日益普及，基于g i s 的环境模型变的更加简明、 直观、从而增加了可操作性，这将会大大增加环境模型的用户群。 目前，紧密型集成方式是环境模型同g i s 集成发展的主流 6 6 1 ，这一趋势比 较明显地表现在g i s 应用领域，通常为一些研究经费比较充足地专业研究机构所 采用。同时，现在绝大多数环境模型专业软件包通常采用f o r t r a n 语言编写， 集成时有一定的技术难度，要实现紧密集成需要和专业软件开发公司合作。而松 散型集成虽然在集成效率上不及紧密型集成模式，但它不需要太多的编程，通常 可以利用软件现有的文件导入、导出功能来进行数据传输，从而节约了很多的成 本。 本文针对南京内秦淮河水系污染现状，结合“南京市水环境河道整治系统工 程”课题，对g i s 同南京内秦淮河水系水量水质模型进行集成的探索性研究。综 合考虑资金、人力、时间等因素，在充分了解各集成方式有优、缺点的前提下( 如 前所述) ，本文提出将g i s 与南京内秦淮河水系水量水质模型进行松散集成，以 期获得空间和时间的最大效益。 2 3 小结 本章主要完成了一下两方面的工作： ( 1 ) 简要介绍了g i s 同环境模型集成的几种模式：嵌入型集成、松散型集 成和紧密型集成。并归纳了各自的优、缺点。 ( 2 ) 综述了国内外在松散式集成方面的研究进展。说明了松散型集成在g i s 与环境模型集成领域的应用是广泛存在的。 ( 3 ) 从本集成系统研究的具体情况出发，确立了本文研究采用松散集成的 研究模式。 3 建立内秦淮河调水模