基于GIS的北京市取水許可管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

吳愛華

(北京市測繪設計研究院，北京 100038)

1 引言

北京是我國嚴重缺水的城市之一，人均水資源占有量只有 300 m3，是全國人平均水平的1/8，是世界人平均水平的1/30，遠遠超低于國際公認的人均 1 000 m3的下限［2］。隨著北京城市規(guī)模和人口的急劇增長，加之連續(xù)12年干旱少雨，北京地下水位逐年下降，地表水庫蓄水能力嚴重不足，水資源的供需矛盾問題日益突出。

基于上述原因，北京市水務局提出要落實“最嚴格的水資源管理制定”，要以更加科學、嚴密的方式審批核查取水許可、控制核算取排水量、合理配置調(diào)度水資源，最終實現(xiàn)水資源配置管理“總量控制，定額管理”的目標［3］。

北京市取水許可管理系統(tǒng)應運而生，旨在以業(yè)務應用為基礎，以GIS技術為核心，綜合運用空間數(shù)據(jù)庫技術、中間件技術、數(shù)據(jù)交換技術等信息化技術建立準確、全面、規(guī)范的地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)對北京市水資源管理行政許可業(yè)務(含取水許可和鑿井許可)工作的分析和支持，為北京市實施水資源總量控制，實現(xiàn)水資源業(yè)務管理的科學化、信息化提供必要的依據(jù)和手段。同時為朝陽和平谷兩個區(qū)縣級水資源管理分中心試點建設提供技術框架，逐步將水資源管理體系延伸至區(qū)縣及三級水管單位，全面提升水資源綜合管理能力。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計原則

系統(tǒng)設計遵循以下原則［4］:①標準化與可擴展原則，嚴格遵循現(xiàn)有的國家標準和行業(yè)規(guī)范，充分利用先進的軟件開發(fā)理論、技術，使搭建的系統(tǒng)具有良好的擴展性、開放性，能適應業(yè)務的增長和擴充。②實用、易操作、便于維護原則。系統(tǒng)應具有良好的實用性，操作簡單快捷，界面友好，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)易于部署、維護、更新和管理。③高性能和安全性原則。系統(tǒng)在系統(tǒng)設計、開發(fā)和應用時，充分考慮系統(tǒng)的性能，確保較高的穩(wěn)定性和響應速度，保證相關數(shù)據(jù)的安全。

2.2 系統(tǒng)總體建設思路

北京市取水許可管理系統(tǒng)，涉及用戶為社會公眾(取用水戶)和內(nèi)網(wǎng)用戶(水務行政主管審批部門)，總體建設思路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

外網(wǎng)取水用戶(社會公眾)通過北京市水務局外網(wǎng)申報系統(tǒng)填寫取水許可申報信息(含鑿井許可和取水許可)，內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換通道實時將外網(wǎng)申報數(shù)據(jù)同步至局中心內(nèi)網(wǎng)前置機;與此同時，外網(wǎng)申報系統(tǒng)調(diào)用取水許可管理系統(tǒng)提供的WebService數(shù)據(jù)接口，將申報數(shù)據(jù)(位于局中心內(nèi)網(wǎng)前置機)同步寫入取水許可管理系統(tǒng)。最終辦結結果也以這種方式，實時向外網(wǎng)公布。

內(nèi)網(wǎng)審批人員通過登陸內(nèi)網(wǎng)統(tǒng)一門戶(水務信息平臺)訪問局中心OA行政審批系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了與CA統(tǒng)一認證集成，可以以鏈接方式直接查看取水許可管理系統(tǒng)的業(yè)務申報表單，解決了局中心OA行政審批系統(tǒng)與取水許可管理系統(tǒng)的無縫集成問題。

取水許可證文件服務器存儲北京市13個區(qū)縣的取水許可證備案數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由各區(qū)縣負責審批，利用ETL工具定時抽取最終匯交到市水務局。區(qū)縣前置機存儲試點區(qū)縣朝陽、平谷兩個分節(jié)點的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫通過共享交換平臺實時與鑿井、取水分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享交換。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)架構

鑿井與取水分析系統(tǒng)總體設計與詳細設計時，嚴格遵循模型－視圖－控制器(MVC)分離原則，采用了Dojo+DWR+Hibernate的J2EE結構多層開發(fā)架構［5］，架構圖如2所示。

圖2 系統(tǒng)分層開發(fā)架構

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實際存儲在Oracle 10g中，但是本系統(tǒng)并不直接操作該Oracle 10g，而是通過DB2數(shù)據(jù)總線來進行間接的操作。數(shù)據(jù)訪問層使用Hibernate框架。Hibernate是Java平臺上的一種成熟的、全功能的 O/R Mapping(對象/關系映射)開源框架，它封裝了所有數(shù)據(jù)訪問細節(jié)，使業(yè)務邏輯層可以專注于實現(xiàn)業(yè)務邏輯。

業(yè)務層使用Spring框架。Spring可以輕松地管理應用組件以及它們之間的依賴性，同時Spring還提供事務管理框架、DAO支持、支持主流O/R Mapping框架的集成、支持各種標準J2EE組件技術的集成。

在服務層，對于空間數(shù)據(jù)以及地圖，使用ArcGIS Server 9.3發(fā)布為Web服務。而對于業(yè)務屬性數(shù)據(jù)與信息，使用DWR框架將其發(fā)布為Web服務。

用戶界面層使用Dojo JavaScript庫。Dojo設計的包加載機制和模塊化的結構，能保持更好的擴展性，提高執(zhí)行性能，減輕了用戶開發(fā)的工作量，并保持一定的靈活性(用戶可以自己編寫擴展)。

3 數(shù)據(jù)庫設計

3.1 空間數(shù)據(jù)庫設計

從數(shù)據(jù)的類型來看，可以將系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)分為基礎地理數(shù)據(jù)、水務基礎數(shù)據(jù)、水資源規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)共5類數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)庫設計如圖3所示。

圖3 空間數(shù)據(jù)庫設計圖

(1)基礎地理數(shù)據(jù)

基礎地理數(shù)據(jù)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設的基礎空間位置參考。包括:水系及附屬設施、地址地貌、植被、居民地、工礦及附屬設施、交通及附屬設施、境界等7大類要素。

(2)水務基礎數(shù)據(jù)

機井、用戶取水口數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)圖層。它們不僅要體現(xiàn)各類機井、取水口的空間位置，而且要可以查詢到某一個機井、取水口的對應屬性。包括機井用水單位、取水用途、水源類型、井深、年取水量等。

(3)水資源規(guī)劃專題數(shù)據(jù)

水資源規(guī)劃專題數(shù)據(jù)是系統(tǒng)輔助決策分析的基礎數(shù)據(jù)，業(yè)務人員用于分析是否可以鑿井、取水的重要依據(jù)。包括水資源保護區(qū)規(guī)劃、地下水超采區(qū)范圍、地下水埋深變化、松散巖層孔隙水富水性分區(qū)、地下水功能區(qū)劃等。

(4)元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)是用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，主要包括對空間圖層使用投影、坐標系、比例尺、采集人、采集時間等的說明［6］。

3.2 業(yè)務數(shù)據(jù)庫設計

業(yè)務數(shù)據(jù)庫由兩個許可業(yè)務(鑿井許可和取水許可)申報數(shù)據(jù)、備案數(shù)據(jù)以及輔助決策的配置數(shù)據(jù)組成。主要包括:鑿井工程申報表、取水許可申報表;鑿井許可證、成井驗收單、水源熱泵備案表、取水許可登記表、取水許可證等。配置數(shù)據(jù)主要包括:可開采水資源量、區(qū)縣計劃水量、監(jiān)測井埋深、業(yè)務分析結果及用戶管理、權限控制等系統(tǒng)維護數(shù)據(jù)組成。

4 功能設計

取水許可管理系統(tǒng)分為申報備案管理子系統(tǒng)、證書管理子系統(tǒng)、鑿井GIS決策分析子系統(tǒng)、取水GIS決策分析子系統(tǒng)、綜合統(tǒng)計子系統(tǒng)、服務接口管理系統(tǒng)、系統(tǒng)配置管理子系統(tǒng)。功能框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能框架圖

(1)申報備案管理子系統(tǒng)

為辦理鑿井許可和取水許可的單位或個人提供申報材料和備案材料的網(wǎng)上錄入、刪除、修改、查詢功能。包括鑿井許可申報管理、鑿井許可備案信息管理、取水許可申報管理、取水許可登記管理功能。

(2)證書管理子系統(tǒng)

包括鑿井許可證和取水許可證的生成及打印、許可證變更、作廢、延續(xù)、到期提醒、過期等常用功能。

(3)鑿井許可GIS分析子系統(tǒng)

含鑿井許可GIS分析、取水許可GIS分析功能。鑿井許可GIS分析主要是依據(jù)當前申報件的申請信息，綜合申報件所在區(qū)域的地下水開采量和控制量、各類水資源規(guī)劃專題圖、鑿井對周邊機井可能產(chǎn)生的影響、鑿井地點的地下水動態(tài)變化情況4個比較重要的方面進行鑿井許可分析，最終形成電子評價報告供局辦公OA系統(tǒng)使用。

(4)取水許可GIS分析子系統(tǒng)

提供地表水取水許可、地下水取水許可和再生水取水許可的審批決策分析功能。系統(tǒng)根據(jù)當前申報件的申報位置，與北京市地址地名數(shù)據(jù)庫進行模糊匹配至取水周邊位置，同時綜合考慮取水位置與取水口的關系以及所在區(qū)縣的開采量和控制量，最終形成電子評價報告供局辦公OA系統(tǒng)使用。

(5)綜合統(tǒng)計子系統(tǒng)

為用戶提供關于機井類型、機井深度、地下水埋深變化、取水量、取水用途、業(yè)務辦理情況等各類信息的橫向、縱向統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結果以直觀的統(tǒng)計圖表形式展現(xiàn)，供業(yè)務人員和水務局領導宏觀決策使用。

(6)服務接口管理子系統(tǒng)

對區(qū)縣取水許可證和機井數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)匯交接口、數(shù)據(jù)更新接口、數(shù)據(jù)抽取ETL包等進行管理，包括服務及接口權限、更新方式、更新周期。

(7)系統(tǒng)配置管理

主要包括系統(tǒng)權限、用戶管理、數(shù)據(jù)配置管理等。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)基于ArcGIS Server 9.3.1的Javascript API開發(fā)，空間數(shù)據(jù)庫引擎為 ArcSDE 9.3.1 for Oracle 10g R2。業(yè)務數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線DB2訪問。開發(fā)架構采用Dojo+DWR+Hibernate的J2EE結構，前端基于Ajax技術，極大豐富客戶端的應用體驗及交換操作，開發(fā)工具為myEclipse 6.5。部署開發(fā)環(huán)境時，需要一臺獨立的數(shù)據(jù)庫服務器存儲空間數(shù)據(jù)以及業(yè)務數(shù)據(jù)。另外，需要3臺前置機集成來自外網(wǎng)的申報數(shù)據(jù)、取水許可證數(shù)據(jù)、朝陽平谷業(yè)務系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運行環(huán)境由4臺數(shù)據(jù)庫服務器(1臺為主數(shù)據(jù)庫服務，另3臺為前置機數(shù)據(jù)庫服務器)、1臺GIS服務器、多臺客戶機組成。其中主服務器是局中心綜合數(shù)據(jù)庫，安裝Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE采用分布式安裝模式，與ArcGIS Server一同安裝在GIS服務器上。

5.2 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

(1)鑿井許可GIS決策支持

如何設計便捷、友好的鑿井和取水GIS輔助決策功能，實現(xiàn)與局辦公OA審批系統(tǒng)的互為補充是系統(tǒng)設計的難點之一。考慮業(yè)務辦理人員操作方便和長期習慣，鑿井許可GIS決策功能設計及實現(xiàn)步驟如下:

①業(yè)務人員登錄取水許可管理系統(tǒng)或通過局OA系統(tǒng)直接跳轉(zhuǎn)定位到申報件管理窗口(圖5)，點擊申報件管理窗口的“分析”按鈕，開始進入GIS分析。

②進入GIS分析界面后，系統(tǒng)根據(jù)當前申報件的位置坐標X、Y，高亮并自動定位到當前申報件的位置(圖6)，系統(tǒng)底圖為北京市行政區(qū)劃圖疊加全市機井分布圖，地圖上右上方Widget信息面板為當前申報件的鑿井基本申請信息。包括:申報位置所屬區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、取水單位、年取水量、年回灌量、取水用途、機井類型等信息。

圖5 鑿井許可申報件查詢界面

圖6 鑿井許可GIS分析主界面

圖7 鑿井許可GIS決策綜合評價

③業(yè)務人員點擊地圖上右上方Widget信息面板的“綜合分析評價”按鈕，系統(tǒng)自動根據(jù)預先設定的專業(yè)評價方法生成電子評價報告供決策者使用。該評價方法綜合考慮了業(yè)務人員長久的業(yè)務辦件習慣，對常用水資源專題數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一標準、加工入庫、集中管理，同時充分借用了GIS技術優(yōu)勢性，設計了4種綜合評價方法(圖7):水資源控制總量核對、水資源專題圖疊置分析、鑿井對周邊機井的影響、鑿井地點地下水動態(tài)變化分析。

其中，水資源控制總量核對是指根據(jù)申報地點所在區(qū)域的地下水年可開采量、控制取水量、已批地下水取水量以及截至目前已審批的取水量之間的數(shù)據(jù)自動計算剩余水量，從而分析在該地點鑿井取水的合理性。

水資源專題圖疊置分析是指在北京市行政區(qū)劃圖上分別疊加北京市地下水功能區(qū)劃圖、平原區(qū)松散巖層孔隙水富水性分區(qū)圖、水資源保護區(qū)規(guī)劃圖等多種水資源專題圖層，分析鑿井地點是否違反了各類水資源規(guī)劃的要求。

周邊機井影響分析是指根據(jù)鑿井地點周邊機井的數(shù)量、具體分布情況、機井的密度、年取水量統(tǒng)計，分析新鑿機井是否對原有機井取水產(chǎn)生不利影響。

地下水動態(tài)變化分析，即利用地下水歷年埋深數(shù)據(jù)，繪制地下水埋深等值線面、地下水埋深變幅等值線面，分析鑿井地點所在區(qū)域的地下水位變化情況，從而了解地下水位的變化趨勢。

(2)市區(qū)兩級水資源管理體系的初步建立

由于市局和區(qū)縣分局都有鑿井許可和取水許可審批的權限，但審批通過的機井和取水許可證數(shù)據(jù)不能實時集成共享，導致審批過程參考的基礎數(shù)據(jù)資料存在現(xiàn)勢性、準確性較差等問題，達不到北京市執(zhí)行嚴格水資源管理制定的要求。本系統(tǒng)開發(fā)了機井數(shù)據(jù)更新接口和取水許可證數(shù)據(jù)定時抽取模式，改變了長期以來市區(qū)水資源粗放管理的工作現(xiàn)狀，初步建立了市區(qū)兩級水資源共享管理體系，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、及時共享更新。下面是根據(jù)外網(wǎng)數(shù)據(jù)，開發(fā)的機井數(shù)據(jù)更新片段代碼:

6 總結與展望

取水許可管理系統(tǒng)實現(xiàn)了與水務局外網(wǎng)申報系統(tǒng)、水務局辦公OA系統(tǒng)的無縫集成，實現(xiàn)業(yè)務申報、行政審批、竣工備案全流程業(yè)務辦理的信息化支撐，改變以往紙質(zhì)檔案業(yè)務辦理模式，提高了辦公效率。尤其是引入GIS技術開發(fā)的決策支持模塊，使業(yè)務辦理人員能夠快速做出決策，有效節(jié)省審批人員翻閱資料的時間，很大程度上減少或避免取水的不合理性，實現(xiàn)水資源管理“總量控制，定額管理”的目標。目前系統(tǒng)運行于水務局內(nèi)網(wǎng)，就以后長遠考慮，本系統(tǒng)應考慮與水務局其他現(xiàn)行系統(tǒng)(比如水量月報管理系統(tǒng)、水源地管理系統(tǒng)、地下水超采區(qū)管理系統(tǒng))的集成，逐步實現(xiàn)水資源的精細化管理。

［1］中華人民共和國水法［M］.中國民主法制出版社.

［2］邱化蛟，程序，常欣等.北京市水資源現(xiàn)狀分析［J］.北京農(nóng)學院學報，2004(4)

［3］胡軍，吳愛華.基于WebGIS的取水許可管理系統(tǒng)設計［J］.北京水務，2010(6)

［4］楊驥，林繼賢，湯堅.基于GIS的用戶終端水質(zhì)服務保障系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.測繪通報，2011(6)

［5］劉光，唐大仕.ArcGIS Server JavaScript API開發(fā)GeoWeb 2.0應用［M］.北京:清華大學出版社，2010

［6］劉濤，彭清山，張淼.基于GIS的城市規(guī)劃管理系統(tǒng)的研究［J］.測繪通報，2011(6)

［7］王玲玲，劉驚雷，馬曉敏.基于GIS的污染源管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2008(1)