基于組件式GIS的城市水資源管理決策支持系統的設計與開發

閆駿霞　叢方杰

【摘 要】本文首先進行城市水資源管理決策支持系統總體框架的設計，基于B/S和C/S混和模式將系統分為基礎資料管理、業務管理、合理配置、水質管理、用水合理性評價和信息發布六個子系統，建立了基礎資料庫、GIS數據庫、模型方法庫和知識庫。研究了集成式的設計開發方法，將GIS組件技術以及其它工具軟件的功能與系統的設計開發有效集成，可以縮短開發周期。

【關鍵詞】城市；水資源配置；復雜適應；主體

0 引言

城市化進程的不斷加快導致水資源供需矛盾日益突出，迫切需要加強城市水資源的科學管理。城市水資源管理涉及的內容十分廣泛，需要收集和處理大量的水文地質、環境以及社會經濟等多方面信息，而在復雜的信息中又需要及時提出合理的管理方案，因此，有必要設計和開發城市水資源管理決策支持系統，輔助城市水資源的日常管理和規劃，實現水資源的集成規劃和智能管理。

水資源管理涉及大量水資源信息，除具有時間性和動態性特點外，還具有空間分布的特點。目前，地理信息系統（GIS）已經成為水資源管理和決策的重要輔助工具，將GIS與傳統的城市水資源管理決策支持系統結合已經成為目前水資源管理決策支持系統設計和開發的主流。

1 城市水資源管理決策支持系統的總體設計

1.1 系統的設計目標

城市水資源管理決策支持系統的主要目標是結合水資源管理迫切需要解決的問題，將GIS、數據庫、網絡通信、人工智能等現代計算機技術和水文水資源的專業模型相結合，實現水資源信息管理的數字化、GIS化、網絡化，提高城市水資源的管理水平。系統應能實現城市水資源日常管理的辦公自動化，可以對水資源的屬性信息和空間信息進行有效管理；系統應能夠應用GIS的空間分析等功能，結合城市的社會經濟和環境等情況對供需水資源量進行預測、動態生成水資源配置方案、對方案進行智能優選，為水資源的科學管理提供技術支持服務。

1.2 系統的功能及子系統的設計

在需求分析的基礎上，以實用性、先進性和可擴展性等為設計原則，將系統劃分成基礎資料管理、業務管理、合理配置管理、水質管理、用水合理性評價和信息發布六個子系統，系統的結構如圖1所示。

1.2.1 基礎資料管理子系統

基礎資料管理子系統由降雨量管理、地表水管理和地下水管理三部分組成。降雨量管理實現降雨量數據的輸入、查詢、統計分析功能，具體包括統計分析降雨量及其變化趨勢以及雨量站、降水量分布和降水量等值線等的圖形化顯示。地表水管理實現地表水資源相關數據的輸入、查詢、統計分析功能，具體包括統計計算徑流量及其變化趨勢以及河流水系分布、水庫和水文站分布、徑流量等值線等的圖形化顯示。地下水管理實現地下水資源相關數據的輸入、查詢、統計分析功能，具體包括統計分析地下水位變化趨勢，進行地下水資源量的相關計算，觀測井分布、地下水埋深等值線等的圖形化顯示等。

1.2.2 業務管理子系統

業務管理子系統包括供水調度管理、取水許可管理和水資源費征收管理三部分。供水調度管理實現對整個供水管網運行狀態的管理，包括實時數據的采集、監測報警與分析、調度方案的生成等，另外，還實現水庫水情等的實時水情的查詢、供水需求平衡計算及統計報表的生成等功能。取水許可管理實現地表水和地下水取水許可業務的辦公自動化以及地表水取水口、地下水開采井等空間信息的查詢統計和分析。水資源費征收管理主要實現水資源費征收管理的辦公自動化，包括對水資源費繳納情況、單井開采量以及單位取水量等的統計分析。

1.2.3 合理配置子系統

合理配置子系統由需水預測管理、可供水量預測管理、優化配置及方案評價管理三部分組成。需水預測管理基于歷史年份、現狀年以及規劃年的相關信息分別預測生活、工業、農業和生態環境需水量?？晒┧款A測管理將城市水源工程概化為蓄水、提水、地下水、中水、海水、外調水以及其它水源等，對城市在不同水平年、不同保證率情況下的可供水量進行預測。水資源優化配置及方案評價管理基于需水量預測和可供水量預測的結果，采用人機交互的方式進行水資源供需平衡分析，生成水資源配置情景方案，對配置方案進行綜合評價，推薦在不同發展目標下的最優配置方案。

1.2.4 水質管理子系統

水質管理子系統由地表水水質管理和地下水水質管理兩部分組成。地表水水質管理實現三個功能，一是，對水質監測數據進行管理；二是，進行排污口或污染源的空間查詢與統計、緩沖區分析等；三是，對污染物在水中的擴散過程進行模擬和預測，并以專題圖或空間分布圖可視化表達污染物的擴散過程。地下水水質管理主要對城市地下水水質監測數據進行管理，包括水質監測數據的錄入、修改和評價。另外，該部分還提供對地下水運動的模擬功能，對地下水開采進行輔助決策。

1.2.5 用水合理性評價子系統

用水合理性評價子系統采用人機交互的方式對城市水資源利用的合理性進行評價，包括評價指標體系管理、評價指標標準值管理、評價模型管理、評價結果顯示與調控管理四部分。評價指標體系管理采用與決策者交互的方式建立用水合理性評價指標體系。評價指標標準值管理確定評價指標的評價等級劃分及各等級的標準值。評價模型管理一方面為用戶提供添加評價模型的接口，另一方面，為用戶提供已有的評價模型列表，由決策者選擇適當的評價模型進行用水合理性評價。評價結果顯示與調控管理部分首先根據已有信息對用水合理性進行評價，然后與決策者交互，對關鍵指標進行調控，模擬在不同調控措施下的用水水平，為決策者制定水資源可持續利用的對策提供參考。

1.2.6 信息發布子系統

該部分基于廣域網向公眾發布與水資源管理相關的信息。主要包括三方面內容：一是，與水資源管理相關的政策、法律法規、技術規章等的發布；二是，水資源管理成果的發布；三是，基于GIS的專題地圖查詢。

1.3 數據庫設計

城市水資源管理決策支持系統的數據庫分成基礎資料庫、GIS數據庫、模型方法庫和知識庫。

基礎資料庫存儲水文地質、社會經濟、業務管理、水資源開發利用等不與空間數據直接相關的數據。水文地質數據主要包括降雨、徑流、地下水等；社會經濟數據包括社會經濟基本情況、工農業產值等；業務管理數據包括與供水管理、取水許可管理和水資源費征收有關的數據，如登記單位、取水水源等；水資源開發利用數據包括各行業用水數據以及水資源開發利用規劃中各項數據等。

GIS數據庫存儲用GIS軟件處理過的、可由GIS組件直接調用的數字化產品。主要包括全市的基礎地理信息、水利要素分布信息等，如地形地質、地面高程、河流水系、觀測井、水利工程、行政區劃、降雨等數據。

模型方法庫存儲輔助決策所需的各種數學模型，這些模型均以源程序和可執行程序的形式存放，主要包括水量評價模型、水質評價模型、水資源預測模型、水資源多目標決策模型、配置方案評價模型和水流運動模擬模型等。

知識庫存儲主要包括與相關法律法規、專業知識以及其它各項有助于決策分析的基礎資料。法律法規包括水法、城市供水管理辦法等，專業知識包括水文地質和社會經濟知識等，其它基礎資料包括由專家經驗得到的啟發式知識等。

1.4 系統設計的相關問題研究

1.4.1 系統體系結構的設計

目前，常用的體系結構可以分為Client/Server（C/S）和Browser/Server（B/S）模式，其中C/S結構又可以分為兩層C/S結構和三層C/S結構。兩層C/S結構將應用程序分成客戶端應用程序和數據庫服務器，主要缺點是維護和升級成本較高。三層C/S結構將業務處理部分從數據庫服務器和客戶端獨立出來，由應用服務器來完成，客戶端完成顯示和交互的工作，這樣大大減輕了維護升級的復雜性。B/S結構是三層C/S結構在Web應用上的特例，將客戶端簡化為瀏覽器，主要缺點是客戶端的數據操縱能力有限。在城市水資源管理決策支持系統中，基礎資料管理、合理配置、水質管理和用水合理性評價子系統的用戶相對比較固定，一般為局域網內的管理者，基本使用統一的操作系統，對數據的安全性和操作的交互性要求比較高，因此，上述四個子系統采用三層C/S結構；業務管理和信息發布子系統面向的是廣域網內的用戶，并且以瀏覽和簡單錄入等操作為主，因此采用B/S體系結構。

1.4.2 GIS開發模式的選擇

目前GIS開發主要有三種模式：獨立開發模式、宿主型二次開發模式以及基于組件技術的開發模式。

獨立開發模式無須依賴任何GIS工具軟件，所有的算法都由開發者獨立設計，投資大、開發難度大、周期長，不適于一般的開發用戶。宿主型二次開發模式是以原GIS軟件為開發平臺，開發針對不同應用對象的應用程序，其特點是簡單易行，但不能脫離原系統單獨運行，效率低。組件式GIS是指基于組件對象平臺，以一組具有某種標準通信接口的、允許跨語言應用的組件提供的GIS。大多數GIS軟件產商都提供商業化的GIS組件，這些組件具備GIS的基本功能，開發人員可以基于通用軟件開發工具，如Delphi、Power Builder等，進行二次開發。組件式GIS的開發成本低，易于集成，已經成為GIS開發的主流方式。

對比GIS的三種開發模式，城市水資源管理決策支持系統宜采用組件式開發模式。業務管理和信息發布子系統的應用對象是廣域網內的所有用戶，可以通過Internet訪問服務器進行水資源管理相關信息的綜合查詢，因此，采用Web GIS開發技術；基礎數據管理、合理配置、用水合理性評價和水質管理子系統的應用對象是局域網內的管理者，可以將更適合局域網內開發的MapObjects、MapX等GIS組件嵌入到系統中進行二次開發。

1.4.3 集成式設計開發方式

城市水資源管理決策支持系統是一個具有復雜功能的大型軟件系統，在設計開發過程中應盡可能地集成已有工具軟件的功能，縮短開發周期。

以水資源合理配置管理子系統的設計開發為例，配置方案的生成涉及到大量的矩陣計算，如果直接在VB或VC等開發環境下編程實現，需要花費很大的精力進行程序的設計與調試。Matlab具有強大的數值分析、矩陣運算等功能，很容易實現配置方案的生成，因此可以將VB或VC等通用軟件開發工具與Matlab有效地集成起來，首先，在Matlab環境下實現分析計算功能，然后借助ActiveX技術或動態鏈接庫技術將其集成到VB或VC開發的應用程序中。這樣可以將Matlab強大的計算功能和VB或VC等在圖形用戶界面開發方面的優勢結合起來，優化系統性能。

2 小結

城市水資源管理決策支持系統的設計和開發有助于加速水資源合理開發利用和科學管理的進程。根據城市水資源管理的業務特點，將系統分為基礎資料管理、業務管理、合理配置、水質管理、用水合理性評價和信息發布六個子系統，建立了基礎資料庫、GIS數據庫、模型方法庫和知識庫。系統采用C/S與B/S混合的體系結構，其中業務管理和信息發布子系統采用B/S結構，其它子系統采用C/S體系結構?？紤]到系統的龐大和復雜性，采用集成式的設計開發方式，將GIS和其它工具軟件已有的功能嵌入到系統中，可以縮短開發周期。

[責任編輯：王楠]