基于GIS技術的地下水管理系統研究

葉劍鋒，劉小勇

(新疆農業大學機械交通學院，烏魯木齊830052)

隨著計算機技術與信息技術的發展，物質世界中的任何事物都被賦予時空屬性，由此使得社會生產活動中的信息和地理空間位置密切相關。各社會部門在深入研究與應用GIS的同時，要求建立適合本領域(部門)的專業化地理信息系統也越來越強烈，采用GIS技術對地下水資源進行動態管理，可以及時地將地下水賦存介質和地下水運動規律從可視化的角度得到展現[1]，為區域地下水監測、開采控制、管理決策提供科學依據。此外，開發簡單、移植性好、便于維護的組件式(Com GIS)開發模式成為主流。用Com GIS技術建立的南疆地下水資源管理系統(以下簡稱南疆系統)，進一步對GIS在地下水管理中的應用進行研究，以提升新疆南疆地下水資源管理的信息化水平。

1 開發平臺

本系統在Visual Basic環境下，用組件式GIS的基本思想將SuperMap Objects各個控件堆積起來，根據定義完成不同的功能，形成最終的GIS應用。同時以事件驅動的編程機制，充分利用應用程序接口(API)函數，動態鏈接庫(DLL)、對象的鏈接與嵌入(OLE)、開放式數據連接(ODBC)等技術，高效、快速的開發圖形界面豐富的GIS軟件系統。平臺如圖1所示，其中SQL Server為數據庫支持，SuperMap.ocx為地圖控件，SuperLegend.ocx為圖層控件，Super-Layout.ocx為圖層列表控件，SuperTopo.ocx為拓撲控件，WkspManager.ocx為工作空間管理控件。

圖1 開發平臺

2 系統設計

2.1 需求分析

地下水資源是支撐社會可持續發展、保障國家安全的基礎資源，由于地下水資源的大量開采，以及地下采礦疏干排水，地下水環境惡化的趨勢愈演愈烈。南疆系統建立為科學有效地利用地下水資源、加強地下水資源保護提供有效管理模式[2]。根據研究區概況與研究對象的特點分析和用戶需求調查，南疆系統具有以下主要功能:①監測井水位數據的實時監測、更新和編輯;②基本工具(放大、縮小、漫游、鷹眼、距離與面積量測等);③空間查詢與分析;④水資源信息網絡發布與數據共享;⑤空間數據與屬性數據的顯示與打印(下載);⑥應用模型管理子系統等。

2.2 技術流程及功能框架

流程描述屬性與空間兩個核心數據庫建庫過程，功能框架為系統總體結構，如圖2所示。系統具體地圖矢量化、屬性數據庫設計等建庫工作和詳細的系統功能框架不加詳示。

圖2 技術流程及功能框架

2.3 地理數據庫

(1)空間數據庫。地圖的矢量化是空間數據庫建立的重要內容，分層處理是其主要工作。每層空間實體代表不同的專業分類，為構造針對不同需求的空間查詢、分析及應用模型的運行等帶來極大的方便[3]，本系統采用1∶10 000地形圖，掃描后在MAPINFO中編輯(共26層)，轉成Supermap的SDD格式，主要類圖層如圖3所示。

地理實體具有空間屬性的數據同樣是地理數據庫的重要內容，該部分數據的準確性、實時性將決定地理實體表達的精度，并影響到模型和決策系統的運行。本文因其對地理實體的依賴性而歸為空間數據庫當中，同時也便于突出GIS的圖查屬性特點。表1-2列出了監測井及河流的主要數據結構。

圖3 主要矢量化圖層(類)

表1 監測井參數

表2 河流參數

(2)屬性數據庫。屬性數據庫的內容包括地理實體的非空間信息(如項目井的建設時間、所用設備、通訊號碼等)和非地理實體信息(如行政單元內降雨量、蒸發量、人文描述等)。該屬性數據承載的信息包含各自內部及兩種信息之間存在的直接聯系和間接聯系。因此，屬性數據庫與空間數據庫的聯系和掛接具體表現在數據庫表中的主鍵和外鍵的關系上，并以此為基礎建立視圖和存儲過程。本系統屬性數據庫數據模型、表分類和表設計如表3所示(其中S:對象;f:模型(視圖);n:編碼;t:時間;m:監測數據;i:說明;d:行政區劃;g:等級;r:流量;a:面積;p:人口;c:權限;k:類別)。單個表結構以井監測數據表為例，如表4所示。

表3 屬性數據庫設計

表4 監測井數據

3 主要功能實現

3.1 空間數據的輸入和編輯，存儲與管理

將地下水資源環境的空間數據有效地輸入到地理信息系統中，包括矢量數據和柵格數據。本系統將Mapinfo的.mif格式圖層經過嵌入程序運用數據泵轉換成SDB格式導入。其存儲形式仍根據表達的內容差異分層存儲，空間數據操作時能實現點、線、面的編輯。程序如下:

(1)定義一個數據泵并導入參數對象[3]Dim objDP As soDataPumP Dim objIP As solmportParams

(2)獲取數據泵對象，設置數據輸入參數Set objDP=SuperWorkspace1.Datasources(1).Datapump With cdlfile1.DialogTitle=“輸入文件”.InitDir=“C:/yjdxs”.Filter=“MapInfo的 mif文件(*.mif|*.mif)”

(3)轉入為Supermap GIS圖層:點圖層objIP.DatasetPoint=“pointZR”線圖層 objIP.DatasetLine=“lineZR”面圖層 objIP.DatasetRegion=“regionZR”文件標記objIP.DatasetText=“textZR”

轉化完成后可在程序中直接使用程序語句打開，也可以編寫導入窗口，可在不同工作空間中可視化切換，窗口運行如圖4所示。

3.2 空間數據與屬性數據的互操作

該功能主要突破了傳統的屬性數據查詢方式，可以實現屬性查圖和圖查屬性的雙向功能，從而使屬性數據可視化，增強其操作性和準確性。突破空間想象的局限。圖查屬性關鍵語句如下:

圖4 數據導入窗口

(1)提取所選對象的屬性數據Set objRecordSet=Map.Selection.ToRecordset(False);(2)移到第一條屬性objRecordSet.MoveFirst;(3)得到屬性名For i=1 To objRecordSet.FieldCount strName(i-1)=objRecordSet.GetFieldInfo(i).Name;(4)得到屬性值 strValue(i-1)=objRecordSet.GetFieldValue(i)

3.3 監測管理子系統

地下水水位數據的實時更新。通過GSM通信技術，可對水位等水文參數遙測，然后顯示在監測系統界面，通過存儲過程將接收到的參數寫進數據庫，達到監測的目的。若監測數據超出設置范圍，則發出水位閃爍警報，該功能實現方法[4-8]:(1)獲取跟蹤圖層Set objT rackingLyr=Map.T rackingLayer;(2)對象都添加到跟蹤圖層 objTrackingLyr.ClearEvent objRcd.MoveFirst;(3)獲取記錄的幾何對象Do Until objRcd.IsEOF Set objGeometry=objRecordset.GetGeometry();(4)閃爍風格objStyle.BrushColor=vbBlue.PenColor=vbRed.Pen-Width=6.SymbolSize=70;(5)比較添加并顯示實例 Map.T rackingLayer.AddEvent objGeometry，objStyle。

監測子系統運行如圖5所示，通過選擇監測系統MAP中的監測井，在界面的左半部分實現當前監測狀態的瀏覽，而界面的底端提供數據庫的添加、刷新、關閉監測等功能。

圖5 監測系統

3.4 專題圖

專題地圖按照地圖主題的要求，突出而完善地表示與主題相關的一種或幾種地理要素，使地圖成為內容專題化、形式各異、用途專門化的地圖。基本流程可分為數據采集與輸入、地圖制作與編輯、地圖輸出三個階段。SuperMap Objects提供單值、范圍、統計、等級符號、標簽等類型的專題圖制作。如圖6所示的研究區行政單元土地面積專題圖中從單值色階變化、圓形等級(半徑越大面積越大)、標簽三個層次直觀顯示。

圖6 專題圖

3.5 其他功能

系統其他功能中如空間數據的多種方式輸出;屬性數據的輸出可附著空間數據，也可單獨以報表的方式進行打印;網絡發布與數據共享;利用WEBGIS技術，基于網絡的空間及屬性數據的發布、查詢瀏覽、數據訪問等功能限于篇幅不再列舉。

4 基礎空間與統計分析

空間分析是基于模型的基礎之上，是地下水地理信息系統的核心功能。系統通過對模型嵌入，達到緩沖分析、回歸分析、監測預報等功能，為管理者提供決策參考。

4.1 柵格分析

柵格分析是GIS應用系統中空間分析的基礎，系統中某行政單元內水安全等級的各種因子可抽象為矢量要素，對自身所在單元及以距離按指數衰減方式對外單元產生影響[5]。如某開采井的取水量對該行政單元及符合衰減指數距離內的水位影響。步驟及主要語句如下:

(1)獲取表面分析對象:Set objSurfaceAnalyst=frmMain.Analyst.SurfaceAnalyst

(2)獲取表面分析操作對象:Set objSurfaceOperator=objSurfaceAnalyst.Surface

(3)獲取等值線[4]:Set objSurfaceAnalyst.AnalysisEnvionment=frmMain.objAnalystEnvmnt，Set objDtv=objSurfaceOperator.Isoline(objDtRst，CDbl(txtGrads.TextCInt(txtSmooth.Text)，objDs，strTmp)If Not objDtv Is Nothing Then

(4)生成成功后刷新工作空間管理器:frmMain.WkspManager.Refresh

4.2 平均水位統計分析

平均水位統計功能可針對單個監測井或全部監測井水位就時間軸進行縱向或橫向比較分析，為管理決策提供依據。步驟及主要語句如下:

(1)創建并打開一個 recordset:Set conShape=New ADODB.Connection conShape.Open CONNECT_STRING

(2)用 recordset中的數據來填充圖表:Set rec-Shape=New ADODB.Recordset，recShape.Open SHAPE_COMMAND，conShape

(3)提取域并繪制曲線:ShowRecordsInChart rec-Shape，FIELD_X，FIELD_Y，FIELD_ZDo Until rec-Parent.EOF＇確認(row)為此X域sValue=FixNull(recParent.Fields(sFldX).Value，False)If Not IsKeyIn-Collection(cRows，sValue)ThenlMaxRow =lMaxRow+1 lRow=lMaxRow’存儲同行名相關的行索引 cRows.Add lRow，sValue.InsertRows lRow，1.Row Label(lRow，1)=sValue。運行效果如圖7所示。

圖7 平均水位

4.3 時間序列預測模型

時間序列預測法就是通過編制和分析時間序列，根據時間序列所反映出來的發展過程、方向和趨勢，進行類推或延伸，借以預測下一時段或若干年以后地下水流場、埋深、降深可能達到的水平[6]。模型首先建立二次曲線趨勢模型:yt=a0+a1t+a2t2方程中的三個未知參數a0，a1，a2根據最小二乘法求得。即對時間序列擬合一條趨勢曲線，使之滿足下列條件:∑(yt-t〔AKY〕2=最小值)，得到標準求解方程:

①∑Y=na0+a1+a2∑t2

②∑tY=a0∑t+a1∑t2+a2∑t3

③∑t2Y=a0∑t2+a1∑t3+a2∑t4

系統默認取時間序列的中間時刻作為原點來減少運算量，此時有∑t=0，求解簡化為:

①∑Y=na0+a2∑t2

②∑tY=a1∑t2

③∑t2Y=a0∑t2+a2∑t4

以上公式中:t——自變量(時間);yt——實際值;t[AKY]——趨勢值。運行效果如圖 8所示。

圖8 二次回歸

圖9 系統主要窗口運行效果

5 系統運行

啟動系統和關閉系統時特別要注意 LOAD加載:strfilename=“c:/dxsgl/yjdxs.smw”‘提取默認路徑Map.Connect Workspace.Handle’連接工作空間Map.OpenMap Workspace.Maps.Item(1)‘打開地圖SuperLegend1.Connect Map’圖層管理器連接WkspManager.Connect Workspace‘連接工作空間管理器。UNLOAD加載:Map.SaveMap’保存地圖Map.Disconnect‘斷開連接 Workspace.Close’關閉工作空間運行效果如圖9所示，其中前端窗口為總控制窗口，登錄后即可進入到各子系統當中，其后為空間數據管理子系統。

6 結語

本系統體現遙測管理的實時性和GIS在地下水管理中的高效決策、協作管理、界面友好等特點，使新疆南疆地下水資源管理邁上新臺階。系統實現地下水水位實時遙測和各職能部門水資源管理信息共享，提升了水信息效益價值，提高了工作效率，取得一定的成果。更重要的是系統不要求使用者深入掌握GIS技術，操作簡單方便，在基層水資源管理管理部門的推廣應用有著很實際的意義。但課題在運用空間信息三維可視化技術建立虛擬分析系統[7-10]、水位等值線繪制等內容上仍需進一步加以完善。

[1] 叢方杰，王國利，肖傳成，等.基于GIS組件技術的地下水資源管理信息系統的研究與開發[J].水文，2006，26(4):61-68.

[2] 梁國玲，張永波.基于GIS的中國地下水資源空間數據庫建設[J].地球學報，2007，28(6):72-78.

[3] 張鵬程.基于SuperMap的正射影像圖建庫方法研究[J].測繪與空間地理信息，2007，31(3):12-15.

[4] 張正棟，胡華科，鐘廣銳，等.SuperMap GIS應用與開發教程[M].武漢:武漢大學出版社，2006:167-193.

[5] 林先成，楊武年.基于柵格數據空間分析的城鎮土地定級研究[J].國土資源遙感，2008，76(2):98-100.

[6] 劉小勇，吳楚云，龔守遠.基于GIS技術的地下水資源預測預報系統[J].農業工程學報，2003，19(4):171-174.

[7] 胡卓瑋，宮輝力，趙文杰.地下水空間信息可視化分析技術研究[J].地球學報，2007，12(8):63-68.

[8] 宮輝力.地下水地理信息系統[M].北京:科學出版社，2003:117-119.

[9] 劉小勇，董新光.農業工程水資源管理中GIS區域分析方法的應用[J].農業機械學報，2004，35(4):196-199.

[10] 孔云峰，李小建，喬家君.GIS中幾個基本問題探討[J].地理與地理信息科學，2006，22(5):1-3.