基于WebGIS的象山港綜合整治決策支持系統的建立及應用

徐國梁，梁書秀，孫昭晨，解靜

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室 大連 116024)

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基于WebGIS的象山港綜合整治決策支持系統的建立及應用

徐國梁，梁書秀，孫昭晨，解靜

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室 大連 116024)

近年來，生態環境問題對象山港的經濟發展造成嚴重影響。為更好地開展整治工作，文章基于ArcGIS、 JavaScriptAPI軟件和Dreamweaver、Eclipse開發平臺，綜合運用Java、JavaScript等語言，構建基于WebGIS的象山港綜合整治決策支持系統。該系統采用基于Java EE的4層結構體系，用戶可以通過頁面的簡單操作實現海洋地理信息的顯示和查詢、問題的綜合診斷以及整治方案的查詢，并對整治方案進行數值模擬和海洋環境影響評價，最終形成一個完整的輔助決策報告。該系統的顯著特點是在嵌入完全自動化的數值模擬程序的基礎上，實現從問題診斷、方案確定到方案預測和評估的全過程，在其建立的較全面的海洋環境綜合評價體系下可對象山港綜合整治工作的開展起到重要的指導作用。

數值模擬；整治修復；環境影響評價；海洋管理；信息化

1 引言

象山港位于浙江北部沿海，是一個由東北向西南深入內陸的狹長型半封閉海灣，港深水清，岸線曲折。東北部通過佛渡水道與舟山海域毗鄰，東南部通過牛鼻山水道與大目洋相接[1]。港內灘涂眾多，自然資源豐富，擁有復雜的近岸生態系統，獨特的地理位置和優越的自然條件使其成為寧波市經濟發展的重要組成部分。然而隨著經濟的快速發展，多個行業參與象山港的資源開發活動，使其生態環境壓力不斷增加，表現為地形地貌條件、水動力環境條件、水質和沉積環境條件、生物生態環境條件等一系列變化。為實現經濟社會的可持續發展，以及更好地保護自然資源和生態環境，象山港近岸海域空間資源的整治修復工作十分重要。

本文從象山港海域管理的實際需求出發，充分應用WebGIS技術、網絡技術、海洋數值模擬自動化技術[2]、海洋環境影響評價方法[3]和科學計算可視化方法[4-5]等，建立象山港綜合整治決策支持系統[6](XS-CIDSS)。該系統頁面簡明、操作簡單，為海洋管理人員提供信息顯示、數據查詢、問題診斷、方案制訂和方案評價與輔助決策等多種服務。其中，方案評價與輔助決策是系統的核心內容，本文以新建整治修復工程為例，展示該模塊的具體實現過程，揭示系統在象山港海域綜合整治決策中所發揮的重要作用。

2 系統的總體架構

象山港綜合整治決策支持系統(XS-CIDSS)建立的主要目的是實現對象山港海域整治修復工作的綜合管理，需要滿足數據管理、顯示、檢索、查詢、統計分析和輔助決策等功能需求。其中輔助決策功能的實現不僅需要大量海洋基礎數據的支持，還需要數值模型、評價模型等的協同作用，顯然傳統的結構體系已經無法滿足XS-CIDSS的需求。本文在B/S[7]模式的基礎上，參考Java EE理論研究及實際應用的相關文獻[8-9]，利用其可拓展性構建基于Java EE的4層結構體系，并應用該體系建立XS-CIDSS。

其中，表層為信息表達層，是數據顯示和功能操作窗口，用于顯示海洋基礎地理信息和項目其他成果數據，通過信息表達層上的控件操作實現對數據分析和相關決策功能結果的顯示。

第二層為業務邏輯層，主要分為Web應用和業務應用兩個部分。Web應用是連接信息表達層和業務應用的橋梁，接收來自信息表達層的指令并傳達給業務應用，同時接收業務應用反饋的信息，生成JSP文件并在頁面上顯示出來；業務應用主要包括UDPClient應用組件[10]、圖形繪制應用組件、報表程序應用組件、SmartUpload組件和PDF應用組件等，是連接Web應用與數值服務層和數據層的紐帶，接收并傳達Web應用的指令，同時對反饋的數據進行處理并傳遞給Web應用。

第三層為數值服務層，主要承擔數值模擬的任務，接收來自業務邏輯層的指令進行數值模擬，并將結果存儲到數據層、將進程反饋給業務邏輯層。

底層是數據層，為決策支持系統提供數據服務，存儲空間與非空間的數據，同時還存放數值模擬的結果文件，為業務邏輯層提供數據支持。

基于Java EE的XS-CIDSS 4層結構體系分工明確，內容上互相獨立，修改方便，同時相互之間不對程序本身產生影響，保證數據的可靠性和穩定性。

3 系統的功能設計

3.1 系統的功能架構

按照系統功能間的相互關系，以模塊為單元對系統功能結構進行劃分，形成數據后臺管理、法律法規顯示與查詢、海洋地理信息顯示、用海現狀檢索與查詢、海灣問題綜合診斷、綜合整治方案查詢、輔助決策以及系統幫助等8個功能模塊，各模塊下又有若干子模塊，其中輔助決策模塊中關于整治修復方案的數值模擬評價和效果評估部分是系統的核心部分(圖1)。

3.2 系統功能的具體實現

3.2.1 地圖的加載與基本操作

地圖在經過Arcmap[11]風格化以后，應用ArcCatalog的GIS Server[12]管理工具，將其發布成地圖服務。地圖服務采用REST風格發布，可以簡單地通過一個網址訪問所有資源。地圖服務的每個圖層都被定義一個id(可以通過ArcGIS Server for the Platfom下的ArcGIS Service Directory查看)，實現指定id的加載。地圖被加載以后通過JavaScipt設計圖層控制器，在界面可以通過復選框控制圖層的顯示與隱藏。

圖層控制面板除地圖加載還有地圖控制功能，利用ArcGIS JavaScript API部署開發WebGIS應用。應用JavaScipt設計實現圖層圖例的顯示與隱藏，讓地圖的信息表達更加清晰易懂；應用HTML和CSS制作浮動工具條，并利用ArcGIS JavaScipt API的esri.Map類和esri.toolbars.Navigation類實現簡化地圖操作；應用dijits.overview.OverviewMap組件設計地圖鷹眼，地圖鷹眼是一個縮略的小地圖，位于頁面的右下角，上面有一個固定的矩形陰影，通過拖動陰影可以控制地圖的顯示區域，從而起到導航的作用，地圖鷹眼也可以隱藏；應用JavaScipt在地圖的左下角和右下角分別布置地理坐標和視圖比例尺，顯示鼠標當前位置的地理位置和當前視角下的地圖比例尺。

3.2.2 用海現狀信息查詢

用海現狀信息查詢主要包括功能區劃、海域岸線、用海權屬、用海構筑物和排污口分布等，按其查詢方式可分為屬性查詢和空間查詢。屬性查詢主要通過調用esri.task.FindTask類的屬性和方法，配合使用FindParameters類，設置查詢條件，查詢屬性圖形；空間查詢主要應用esri.task.FindTask類對地圖執行操作，其中點狀(線狀)地物空間查詢可分為框選和多邊形選擇、面狀地物可分為點選和框選。

3.2.3 問題診斷和整治方案查詢

海灣問題綜合診斷模塊從經濟發展、環境利用和開發問題等3個方面全面闡釋象山港發展所面臨的問題。該模塊集成象山港相關調查研究報告，這些報告既包含對各調查站關于象山港海域水動力泥沙、水質生態等具體要素長年觀測資料的處理和分析，為數值模擬提供可靠的數據支持；同時也對象山港的經濟發展、用海活動和環境污染現狀進行調查分析，為整治修復方案的制訂、評價和輔助決策提供巨大幫助。

綜合整治方案模塊從整治措施、綜合承載力和整治方案等3個方面詳細闡述解決象山港海域開發問題的幾種思路。其中，在整治措施部分提出生物整治措施、環境整治措施和工程整治措施，對每一種措施都詳細論述具體方案和方案評價；在綜合承載力部分論述衡量承載力的評價指標和評價方法；在整治方案部分提出整治方案設計的指導原則，并以某些具體工程為例敘述方案制訂、方案論證、方案比選和方案優化的具體過程。該模塊為接下來的輔助決策模塊提供智力支持。

整治方案評價與輔助決策是XS-CIDSS的核心模塊。用戶利用該模塊在地圖上定義工程區域、納潮量斷面和開邊界，即可對該工程區域進行數值模擬，在模擬結束后可在頁面輸出模擬結果和評價報告。該模塊應用ArcGIS JavaScript API完成圖形繪制，應用UDP[10]組件實現對數值模型的調用和監控，應用圖形繪制應用組件、報表程序應用組件、SmartUpload組件和PDF應用組件等對數據進行處理，應用JSP技術和Java Servlet技術對結果進行輸出，形成完整的環境影響評價報告。其中，數值模型主要包括基于FVCOM的三維水動力模型、水質模型和泥沙模型，將其耦合到XS-CIDSS中，極大拓展系統的應用范圍和業務能力。關于自動化數值模擬的可靠性，解靜等[13]已有詳細論證，在此不做贅述。

環境綜合影響評價是輔助決策的重要部分。XS-CIDSS建立兩套評價指標體系，一套為基于數學模型的象山港整治工程技術評價指標(量化)體系，包括三維水動力泥沙、水質和生態等三大類指標；另一套為整治工程綜合評價指標(量化)體系，主要包括海洋水動力、環境容量、生態、資源和經濟益損等五大類技術指標。在應用第一套指標體系進行輔助決策時，系統通過對數值模擬結果進行統計，然后按一定的計算方法得到評價指數，最后得出評價意見；在應用第二套指標體系時，先采用分層次篩選法對方案進行評價，再采用綜合評價法進行綜合判別，最后利用JavaScript語言和Java語言將評價結果在頁面顯示出來，實現輔助決策。

4 系統的應用

整治修復方案的制訂需要一個復雜的過程，綜合考慮地區發展、生態環境等各方面的因素。象山港海域的調查資料和存在的開發問題可以參見“海灣問題綜合診斷”模塊，整治方案的選取可參見“綜合整治模塊”。本文對綜合整治方案的制訂過程不做詳述，僅對港內一處灘涂進行整治，計劃建設一個無人的生態島嶼，改善當地生態環境。具體操作如下。

4.1 新建整治修復工程

應用JavaScript實現對新建工程參數的定義。首先在整治方案評價與輔助決策模塊的控制面板上對項目類型等作詳細定義，為數值模擬提供參數，然后通過輸入工程控制點或繪制工程區域的方式在地圖上定義新建工程。繪制新建建筑物的過程主要應用ArcGIS JavaScript API，用戶只需在界面上用鼠標繪出即可，本次應用是對象山港內一處淺灘進行整治，新建一個無人生態島嶼，因此需要選擇繪制一個面的工具。繪制多邊形的工具必須要加載到toolbar上，因此需要加載esri.toolbars.Draw類；鼠標按逆時針順序繪制出工程區域，雙擊左鍵結束，結束命令通過添加onDrawEnd()方法實現。上述過程結合JSP技術和ArcGIS JavaScript API，中間結合使用Java SaveG類來實現頁面數據與服務器文件之間的自動化交互過程。

圖形的繪制需要根據系統的提示，如人工島需要逆時針方向繪制等。在定義以后，通過調用函數SaveGEnd()響應新建工程文件的保存。

開邊界是數值模擬計算區域的邊界條件，與固邊界相對應，其實現過程與新建工程類似。開邊界可以選擇整個區域的模型邊界，但會增加計算量，也可以根據新建工程自行劃定，本次應用針對西滬港內的人工島工程，在西滬港的口門處設置開邊界。

（2）在員工的“企業社會責任建設”評價中，本文依據文獻，設計出如下二級評價指標：企業社會責任報告評價（V121）、客戶責任的情況（V122）、環境責任的情況（V123）。

納潮量是衡量半封閉海灣水動力變化量的一個重要參數，其實現與新建工程大體相同，只是在繪圖工具上只提供繪制直線的功能。

4.2 數值模型與WebGIS耦合

XS-CIDSS的建立基于WebGIS技術。在WebGIS基礎平臺上，WebGIS應用tomcat服務器將數據、程序和服務布置在服務器端，客戶端隨時可以調取WebGIS數據，并獲得WebGIS服務。為調用數值模型進行計算，系統采用UDP技術，即在服務器端布置Servlet開發的client.class應用組件，通過UDP服務器調用數值模型進行數值模擬，并將模擬信息反饋給client.class，通過client.class顯示在客戶端頁面上，實現人-機交互。本次應用在頁面上設置初始信息后，點submit，系統即開始上述過程。

4.3 綜合評價與輔助決策

數值模型對新建整治修復項目自動執行三角形網格剖分、模型驅動計算后，所有計算輸出文件復制存儲在服務器端數學模型以用IP地址命名的結果文件夾中。應用Ajax技術訪問結果文件，整理并動態添加到客戶端頁面上，顯示各參數的計算結果。

通過計算結果可以看出，該海域進行灘涂治理以后，在水動力泥沙方面，附近的納潮量減少0.053%，漲急和落急時刻的流速分別減少0.326 9 m/s和0.182 4 m/s，水交換率減少1.371%，泥沙沖淤減少0.097%，即對水動力的影響很輕微；在水質方面，COD、DIN、DIP分別增加3.890 5%、3.158 8%、3.158 7%，即對水質的影響不大；在生態方面，無機氮增加0.001%，活性磷酸鹽幾乎沒有變化，浮游植物和浮游動物損失也幾乎可以忽略。因此總體而言，這個無人生態島嶼的建設對附近海域的水動力泥沙、水質和生態影響很小，考慮到該方案對該地區景觀、環境質量等的改善，并且該生態島嶼可以在保護環境的同時進行適當開發，同時開展后續的自然生態保育工程，其綜合治理的意義是很大的。

點擊“漲急時刻流場”即可在地圖上顯示漲急時刻流場分布情況，可以直觀了解工程附近的流場變化情況。

同時，在點擊“輔助決策”命令后，系統會從資源環境、經濟益損等方面對該方案做出一個全面系統的分析評價，形成一個可供下載的整治工程對海洋環境變化影響的評價報告。報告從數值模擬分析、整治工程技術評價指標(量化)體系、整治工程綜合評價指標(量化)體系等3個方面進行闡述。報告的第一部分是關于水動力泥沙、水質和生態等3個方面的數值模擬結果分析，說明單一的小型整治修復工程對象山港海域整體影響不大；報告的第二部分是應用象山港整治工程技術評價指標(量化)體系對三維水動力泥沙、水質和生態進行影響評價，通過計算得出各個指標的評價指數，得出評價結論為該方案影響輕微；報告的第三部分是應用整治工程綜合評價指標(量化)體系，從海洋水動力、環境容量、生態、資源和經濟益損5個方面進行評價，該指標體系分別采用分層篩選法和綜合評價法對方案進行評價，可根據海域實際情況選擇，得出對應評價結果。

綜上所述，XS-CIDSS對整治工程前后的流場流速分布、水交換率變化、泥沙沖淤變化以及水質和生態變化做全面的分析，得出海洋環境綜合評價指數為93.9218，即對海洋環境綜合影響輕微。同時，XS-CIDSS還對用海方式、底棲生物生物量[14]等不同情況分別做評價結論，使評價結果更具科學性和準確性。從報告可知，該整治項目對環境影響甚微，考慮其對生態、景觀和旅游業等的積極影響，具有一定的積極意義。

5 結論

通過對基于WebGIS的象山港綜合整治決策支持系統的開發，海洋管理人員可以通過客戶端頁面，更加直觀地了解象山港海域生態環境所面臨的問題，整治方案選取時應考慮的因素以及整治項目可能造成的環境影響等。系統頁面簡明，操作簡單，通過耦合數學模型實現數值模擬自動化，同時引入兩套基于象山港的環境評價指標體系，對整治修復方案的環境影響做全面系統的分析評估，為決策者最終方案制訂提供重要支持。

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Foundation and Applications of the Comprehensive Improvement and Decision Support System of Xiangshan Bay Based on WebGIS

XU Guoliang，LIANG Shuxiu，SUN Zhaochen，XIE Jing

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China )

Recently，the worsening ecological environment has become bottlenecks and grave impediments to Xiangshan’s economic and social development.In order to solve the problem，the comprehensive improvement and decision support system of Xiangshan Bay was built based on some softwares，such as ArcGIS，JavaScript API，Dreamweaver，Eclipse and so on.The system uses a four-layer-structure based on Java EE.It can show users the marine-oriented geographical information，help them judge the gulf development problems，and then give them some proposals about how to solve the problems above.The system couples 3D hydrodynamic and sediment model，water quality model and ecological model，which can be used for numerical simulation.After the numerical simulation，it can automatically process data，execute evaluation，and show the final report to help government make decision.

Numerical simulation，Renovation repair，Environmental impact assessment，Ocean Management，Informatization

2016-04-01；

2016-07-12

國家海洋局海洋公益性行業科研專項(201105009，201405025).

徐國梁，碩士研究生，研究方向為港口、海岸和近海工程，電子信箱：331275070@qq.com

梁書秀，副教授，博士，研究方向為海洋環境，電子信箱：sxliang@dlut.edu.cn

P7

A

1005-9857(2016)08-0060-05