基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺架構設計

金陶陶，鄧富亮，馬放 ，林泉

1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090

2.環境保護部環境規劃院，北京 100012

3.中國科學院遙感應用研究所，北京 100101

4.北京林業大學，北京 100083

水質目標管理的對象是具有空間特征的水域［1］，需要建立量化的空間水質模型，而GIS技術是空間離散化、參數化以及可視化的有力工具［2］。因此，近年來，為了加強水質目標的管理，提高流域水質目標管理效率，保障流域水環境安全，基于GIS設計地理空間數據模型，研究地理空間數據庫內核的空間擴展并開發地理空間數據庫集成管理器是水質目標管理決策系統研究的主要方向［1-4］。當前，隨著面向服務的架構(service-oriented architecture，SOA)的發展，與空間技術結合形成了服務式GIS［5］，筆者在綜合研究了服務式GIS技術、流域水質目標管理技術以及水質模型與GIS集成技術的基礎上，針對遼河流域水質目標管理技術平臺建設需求，提出了一種基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺建設思路。

1 服務式GIS及流域水質目標管理技術

1.1 SOA與服務式GIS

SOA是一種組件模型，與傳統技術相比，SOA從業務著眼，基于標準化的技術手段，以“服務”為基本元素來構建或整合適合于各行業應用需求的信息系統，提高信息系統的開發效率、充分整合和復用IT資源并使信息系統能靈活快速地響應業務變化需求［6-8］。SOA是一種面向動態、異構、分布式運行環境的信息平臺建設方式，其借助現有的應用來組合產生新服務的敏捷方式，提供給企業更好的靈活性來構建應用程序和業務流程。

服務式GIS是一種基于面向服務軟件工程方法的GIS技術體系，它支持按照一定規范把GIS的全部功能以服務的方式發布出來［5］。服務式GIS包括服務器、服務規范和客戶端3個要素。服務器是服務的生產者，可以遵循某一種或多種規范發布服務。服務規范可以是公認的服務標準，如OGC的WMS，WCS，WFS，WPS和 GeoRSS等，同時 GIS平臺軟件廠商也可以自定義服務規范。客戶端是服務端的消費者，一般可分為瘦客戶端和富客戶端。服務式GIS除繼承了組件式GIS所具備的跨語言二次開發、所見即所得的應用開發方式、與其他IT技術繼承的強大能力、高度可伸縮性等［9］外，還具備以下特點:1)跨網絡集成與應用，把組件式GIS具備的強大集成應用能力擴展到了網絡上;2)業務敏捷，可通過聚合和集成已有的應用服務快捷地構建新的應用系統或升級已有的應用系統［5］，以滿足快速變化的用戶需求。

1.2 流域水質目標管理技術

20世紀70年代以來，我國相繼引進、開展了有關水質目標管理技術的研究，相對傳統水質目標管理技術而言，探索出了以環境決策支持系統，水質模型，GIS，數據庫技術等為核心技術的水質目標管理系統。環境決策支持系統(EDSS)以信息科學、地理科學、系統科學、環境科學和計算機科學為基礎，具有多功能、多層次、多選擇、自學習的特點，是環境管理者和決策者的輔助工具。由于環境問題的復雜性、多變性和不確定性，使環境管理決策者的工作困難重重。為了保護環境，實現社會、經濟、人口、資源和環境協調發展，國內外專家學者將EDSS的開發作為環境管理的重要工具加以研究。目前，國內外在進行EDSS的開發時，主要采用GIS，ES，DSS等信息系統與環境模型集成的開發方式，充分發揮GIS的空間數據處理優勢和環境模型的時間序列預測優勢。

2 流域水質目標管理技術與GIS集成模式的對比分析

流域水質目標管理技術與GIS的集成是為了充分集合前者在水質模型方面，后者在數據表現和空間數據分析方面的優勢［2］。水質模型與GIS的集成方法和集成程度取決于水質模型的目標性及復雜性、水質模型對基礎數據及GIS功能的要求、界面的實用性以及數據模型的兼容性、GIS模型軟件的系統結構［10-11］等。傳統的水質模型與GIS的集成模式按照集成的緊密程度一般分為3類，即松散集成、緊密集成、完全集成［1-2］。筆者采用面向服務架構的分層體系結構構建流域水質目標管理技術平臺，平臺建設可以針對不同分層靈活選用或組合以上3種集成模式。傳統和服務式GIS與水質目標管理技術集成模式的對比分析見表1。

3 基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺研究

3.1 層次結構

服務式GIS可以理解為采用SOA軟件工程開發方法構建的面向服務的組件式GIS，其將GIS的不同功能單元(稱為服務)通過服務之間定義良好的接口和契約聯系起來［5］。而接口是采用中立的方式進行定義的，它獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得構建在各種這樣的系統中的服務可以一種統一和通用的方式進行交互。因此，要實現一個SOA解決方案，必須設計出架構的邏輯［5］，即如何利用特定的技術、產品、平臺符合邏輯地構建SOA。相比其他解決方案，SOA的特點是:1)以標準化的簡單方式，從新應用程序和現有應用程序中封裝業務功能，可以創建服務;2)服務用于在適當的時候，向適當的人提供適當的信息;3)服務可以重復使用并加以組合，可用來部署復合的應用程序來創造新應用;4)越來越多的應用基于開放式標準的 Web服務，可用來完善現有服務技術［5-9］。

表1 傳統集成模式與服務式GIS集成模式的對比Table 1 Comparison of traditional and service GIS for integration mode

基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺架構采用4層結構(圖1)，分別為:

(1)數據資源管理工具層。主要包含基礎空間地理信息數據和水質模型數據的處理及綜合管理的工具，如數據規整工具、數據質檢工具、數據遷移工具等。

(2)數據、服務資源層。主要包含處理好的空間和水質模型數據服務、封裝好的功能服務。

(3)基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺層。通過數據適配器和服務適配器與數據、服務資源層提供的數據服務、功能服務進行關聯，并可實現服務的組合、編排等。

(4)流域水質目標管理技術平臺統一門戶層。主要實現數據服務、功能服務的發布，表現為基礎地理服務資源目錄、水質模型服務目錄、專題服務資源目錄、元數據目錄、接口資源目錄等。

3.2 總體架構

平臺建設采用服務式GIS體系結構，從實現角度及邏輯上，將平臺分為3個層次，分別是數據資源層、應用服務層、應用層［5，12］(圖 2)。

(1)數據資源層:負責數據的分類存儲，包括流域基礎地理信息數據庫、污染源數據庫、水環境數據庫、水生態數據庫、遙感影像數據庫、社會經濟統計數據庫、文檔數據庫、元數據、系統數據等。

圖1 基于服務式GIS的水質目標管理技術平臺層次結構Fig.1 The hierarchy structure of the basin water-quality target management technological platform based on service GIS

(2)應用服務層:負責對流域空間數據資源，水質模型服務資源，元數據服務資源，接口資源的注冊、發布、目錄、安全進行管理。

(3)應用層:負責數據資源的展現、發布、專題應用。包括Web發布系統、水質信息資源門戶、流域水質目標管理模擬系統以及擴展的水質目標管理專題應用系統等。

3.3 建設步驟

基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺建設流程如圖3所示。

3.3.1 標準建設

在平臺建設之前需要在服務式GIS服務標準的基礎上制定流域水質目標管理服務的相關規范和數據標準，各種流域水質目標管理的信息系統建設必須符合這一規范和標準，在服務資源開發完成后，向平臺登記注冊，完成與GIS服務的集成。數據標準建設包括2個部分:1)資源數據庫，包括流域基礎地理信息數據庫、污染源數據庫、水環境數據庫、水生態數據庫、文檔數據庫、社會經濟統計數據庫、自然要素數據庫等;2)模型數據庫，包括水生態承載力模型、水質目標模型、水污染負荷模型、水污染單元控制與負荷分配模型、生態需水模型、水生態健康評價模型等。

3.3.2 數據庫設計

對流域水質目標管理技術平臺中涉及的各類數據進行數據庫設計，包括基礎空間數據庫設計、流域水資源數據庫設計、水質模型數據庫設計、元數據庫設計、數據目錄結構設計、檔案庫設計、系統運行數據庫設計等。

3.3.3 數據規整建庫

對流域水質目標管理技術平臺中涉及的各類空間數據進行規整、質檢、建庫，包括多種比例尺基礎地形圖線劃圖(DLG)數據建庫、多種分辨率影像數據建庫、高程數據建庫、流域水資源數據建庫、水質模型建庫等。

圖2 基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺總體架構Fig.2 The architecture of the basin water-quality target management technological platform based on service GIS

圖3 基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺建設主要步驟Fig.3 The main building steps of the basin water-quality target management technological platform based on service GIS

3.3.4 平臺軟件開發部署

主要包括基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺框架開發、流域水質目標管理模擬系統、流域水質目標管理綜合決策系統、流域水質目標信息共享服務門戶網站開發、與政府內網門戶網站集成、數據庫管理系統開發部署、水質目標管理專題應用系統等開發部署。

3.3.5 接口開發

主要包括與水質目標管理系統數據庫之間同步復制接口開發、實現系統訪問核心共享數據庫的接口等。

3.3.6 機制建立

建立流域水質基礎地形數據和影像數據的更新機制;建立流域水資源數據和水質模型的更新機制;建立地理數據和水質數據集成共享及更新機制;建立專門的水質資源和水質模型信息共享及服務平臺的運行機制等。

4 基于服務式GIS的遼河流域水質目標管理技術平臺架構

根據遼河流域水質管理技術平臺建設任務和建設內容，在3.1，3.2節列出的平臺總體架構的基礎上進一步細化，設計了遼河流域水質目標管理技術平臺框架，該平臺采用SOA的思想體系架構，基于服務式GIS平臺ArcGIS Server和強大的J2EE平臺構建，其總體架構如圖4所示。

4.1 遼河流域水質目標管理技術平臺建設任務

圖4 遼河流域水質目標管理技術平臺總體架構Fig.4 The architecture of water-quality target management technological platform in the Liaohe River basin

遼河流域水質目標管理技術平臺建設的主要任務是針對遼河流域水質目標和水環境管理的數字化和業務化需求，基于數據標準、數據集成與共享、模型集成與管理及系統集成技術等相關標準和成果，建立包括遼河流域基礎地理信息數據庫、污染源數據庫、水環境數據庫、水生態數據庫、遙感影像數據庫、社會經濟統計數據庫、文檔數據庫等各種類型數據庫，以流域生態功能分區、水環境系統模擬、水生態承載力計算、總量分配、日最大負荷計算為核心，結合水生態功能分區和控制單元劃分技術，集成水生態承載力模型、水質目標模型、水污染負荷模型、水污染單元控制與負荷分配模型、水生態健康評價等模型，研發基于GIS技術的流域水質目標數字化管理集成關鍵技術，開發集數據處理、數據傳輸與網絡共享、生態評估與污染負荷控制、水質目標管理與輔助決策為一體的遼河流域水質目標管理與決策信息平臺;研究基于控制單元的水質目標管理模式和保障機制，實現遼河流域階段性水質目標關系，實現管理集成創新［13］。

4.2 遼河流域水質目標管理技術平臺建設內容

遼河流域水質目標管理技術平臺建設主要是構建多尺度多維流域自然、經濟、社會和水環境綜合空間數據庫，建立流域水質目標管理綜合決策支持平臺。

4.2.1 基礎數據庫建設

數據庫是遼河流域水質目標管理綜合決策平臺建設的基礎，建立一個安全、高效、穩定的數據庫系統是整個技術平臺建設的關鍵。根據現有調查報告、實測數據、文獻資料、解譯信息等，對各類數據進行標準化和數字化，以利于調用和數據挖掘為準則，實現遼河流域各類基礎數據庫及專題數據庫的建庫工作。具體建庫原則包括:1)進行各類基礎數據及專題數據的標準化工作，保證數據的一致性及標準化。主要包括各類數據元數據建設、數據分類研究、數據編碼研究及建設。2)空間數據采取統一投影儲存的方式，以保證空間匹配。業務數據涉及的類型較多，制定統一的編碼規范，便于數據的管理。數據實行分層管理，盡量做到單項數據獨立存貯，以提高數據的更新效率，同時也便于系統的讀取。3)健全信息共享機制，研究基于元數據的遼河流域各類基礎數據的共享機制及共享辦法，實現遼河流域各類數據同遼河流域水質目標管理信息綜合決策支持等系統之間的信息共享及數據交換［14］。

4.2.2 模擬系統建設

根據遼河流域水環境演變規律的模擬方法，實現對流域水環境的演變規律的可視化展示;從流域基礎數據庫中讀取有關基礎數據以及專業數據，采用水生態模型計算水生態承載力;采用總量分配模型計算遼河流域污染物總量分配及重點行業污染物排放限值;采用水污染模型計算控制單元日最大污染負荷。

4.2.3 技術集成及平臺建設

基于基礎數據庫和模擬系統建設，實現遼河流域總量分配及重點行業污染物排放限值、控制單元日最大污染負荷、水質現狀、遼河流域水生態功能分區及控制單元在地圖上的可視化管理。平臺建設采用基于服務式GIS的流域水質目標管理技術平臺技術方案，其主要內容包括標準規范建設、基礎數據庫建設、平臺軟件開發、服務開發、接口開發、應用軟件開發等。

5 結論

目前，隨著IT技術和服務式GIS技術的發展，基于服務式GIS構建流域水質目標管理技術的研究將逐漸深入，該技術距應用和推廣還有一定的距離，在今后應加強的研究工作包括:1)進一步研究水質模型與GIS模型和功能的集成技術，針對平臺不同分層，不同的集成模式，對水質目標管理應用模型以及層之間的銜接作更深入和細致的研究;2)進一步研究面向服務的水質數學模型、水質目標計算等水質目標管理技術;3)規范面向服務的水質目標管理技術與服務式GIS技術的互操作接口和服務標準，增強平臺的可擴展性和應用開發的敏捷性。

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