綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 維，張 凱，張麗娟

(成都華興眾智工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，四川成都 610047)

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綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 維，張 凱，張麗娟

(成都華興眾智工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，四川成都 610047)

著重介紹了基于ArcEngine平臺(tái)的綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程；對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原因、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題以及系統(tǒng)的關(guān)鍵功能進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其中對(duì)綠地雨水的過(guò)程模擬模型進(jìn)行了重點(diǎn)研究；探討了使用組件技術(shù)構(gòu)建GIS系統(tǒng)的技術(shù)方法及取得的實(shí)際應(yīng)用效果。

綠地雨水；生態(tài)管理；ArcEngine；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，快速發(fā)展的城市化與氣候變化使得城市暴雨呈上升趨勢(shì)。由于國(guó)內(nèi)很多城市特別是大城市所處地勢(shì)較低，加之市政排水設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏低，汛期若突降暴雨常造成城市內(nèi)澇。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代起開始研制滿足城市排水、防洪、環(huán)境治理等方面要求的城市雨洪模型，其中應(yīng)用較廣泛的為城市雨洪管理模型SWMM[1-4]，其可對(duì)徑流水量水質(zhì)進(jìn)行單一事件或連續(xù)模擬，已被廣泛應(yīng)用于解決城市排水及環(huán)境整治等問(wèn)題[5-7]。SWMM模型是一個(gè)開源軟件，利于二次開發(fā)[8-10]。筆者以該模型為基礎(chǔ)，在GIS平臺(tái)下構(gòu)建了城市綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Τ鞘芯G地雨水參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還可以進(jìn)行雨水的水文模擬，對(duì)城市綠地雨水的智能化管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可為相關(guān)部門及時(shí)處置城市內(nèi)澇提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

1　總體設(shè)計(jì)

綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想是以綠地雨水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以城市雨水智能控制的應(yīng)用服務(wù)為導(dǎo)向，以多源、多主題數(shù)據(jù)的管理為核心，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，采用面向?qū)ο蟮姆椒ê汀案邇?nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)思想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。該設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：一是以綠地雨水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；二是以數(shù)據(jù)分析作為綠地雨水?dāng)?shù)據(jù)管理和設(shè)計(jì)的核心；三是以綠地雨水?dāng)?shù)據(jù)的應(yīng)用作為系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

1.1技術(shù)架構(gòu)

1.1.1體系結(jié)構(gòu)和總體框架。根據(jù)分層的結(jié)構(gòu)思想，該系統(tǒng)采用靈活的多層體系結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、組件層和應(yīng)用層，其C/S架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范進(jìn)行建設(shè)，并依據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理策略和信息安全體系而構(gòu)建，與存儲(chǔ)設(shè)備、存儲(chǔ)管理軟件結(jié)合，并在存儲(chǔ)設(shè)備上建立此綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)，最終為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

1.1.2開發(fā)策略。系統(tǒng)采用.NET技術(shù)，開發(fā)過(guò)程采用反復(fù)增量模型，使用Microsoft Visual Studio.NET 2012作為開發(fā)工具，同時(shí)采用Developer Express Inc.公司的.Net系列組件實(shí)現(xiàn)界面框架的開發(fā)，利用ESRI公司提供的ArcGIS Engine和ArcSDE專用開發(fā)包提供的強(qiáng)大功能的COM組件構(gòu)建滿足業(yè)務(wù)功能需求的集成化數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

圖1　系統(tǒng)C/S層次構(gòu)架Fig.1　Framework of system C/S layer

圖2　系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2　System general structure

1.2關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1系統(tǒng)算法。綠地雨水水文模擬采用分布式水文流程，通過(guò)GIS的模塊構(gòu)建功能并利用C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，具體如圖3所示。模型中出現(xiàn)的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)主要應(yīng)用克里格插值法來(lái)實(shí)現(xiàn)面狀區(qū)域的構(gòu)建；出現(xiàn)的面狀數(shù)據(jù)主要應(yīng)用轉(zhuǎn)換功能，按屬性將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一大小的柵格；管網(wǎng)數(shù)據(jù)將利用矢量功能將其做成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖3　綠地雨水模擬系統(tǒng)流程Fig.3　Flow of greenland rain simulation system

1.2.2雨水?dāng)?shù)據(jù)接收接口。第三方的雨水?dāng)?shù)據(jù)接收可通過(guò)與第三方達(dá)成統(tǒng)一意見形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式規(guī)范。綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了獨(dú)立的數(shù)據(jù)監(jiān)聽接口，可24 h監(jiān)聽數(shù)據(jù)的接收，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和入庫(kù)，保證數(shù)據(jù)可穩(wěn)定讀取和寫入。

2　數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要是對(duì)城市綠地雨水相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。其需要管理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不僅包括水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而且還包括矢量地圖、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)主要有3種：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、綠地雨水模擬數(shù)據(jù)和系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要用于對(duì)分析后的柵格和矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析并以此制圖，進(jìn)而以豐富的圖形方式表達(dá)分析結(jié)果。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

雨水模擬是綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的核心部分。依據(jù)GIS技術(shù)對(duì)矢量或柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，所有的空間數(shù)據(jù)均必須進(jìn)行歸一化處理，處理的數(shù)據(jù)必須完全符合ArcGIS GeoDatabase數(shù)據(jù)模型。雨水模擬主要涉及到的空間數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　雨水模擬空間數(shù)據(jù)

綠地雨水屬性數(shù)據(jù)主要用于維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其主要涉及用戶數(shù)據(jù)、權(quán)限、軟件配置參數(shù)等，屬性數(shù)據(jù)主要涉及的參數(shù)如表3所示。

表3　系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)

3　接口設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶界面就是各模塊之間與界面的劃分，它可使不同功能模塊之間的接口、通訊、信息規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，以便相互之間能“對(duì)話”或者具有互操作性。該系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)包括登錄界面和主界面。在登錄界面中，用戶需要輸入用戶名和密碼方可進(jìn)入系統(tǒng)的主界面。在主界面中，通過(guò)各功能板塊的設(shè)計(jì)，將各個(gè)模塊集成在一起。

3.2系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)各個(gè)模塊之間的軟件功能并不是相互獨(dú)立的，而是彼此之間有許多共同的部分。各模塊之間軟件的界面需考慮到系統(tǒng)中模塊之間的聯(lián)系和獨(dú)立，做到不同模塊之間的代碼共享，使設(shè)計(jì)的界面簡(jiǎn)潔明了且功能完備。系統(tǒng)的內(nèi)部接口如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)內(nèi)部接口示意Fig.4　Schematic diagram of system internal interface

系統(tǒng)的外部接口有打印機(jī)、繪圖儀、終端工作站等，它們將數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口的通訊方式向外傳輸，因此模塊應(yīng)用軟件必須有一套與此相適應(yīng)的接口界面軟件。從系統(tǒng)功能角度看，系統(tǒng)需充分考慮系統(tǒng)用戶的專業(yè)背景以及使用的方便性與操作的高效性。系統(tǒng)要做到界面友好則需采用符合工作習(xí)慣的鍵盤和鼠標(biāo)操作方式。用戶只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)后就能完全掌握該系統(tǒng)的操作。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)，需要實(shí)時(shí)接收雨水?dāng)?shù)據(jù)，并將接收到的雨水?dāng)?shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，以保證系統(tǒng)在模擬運(yùn)行時(shí)有數(shù)據(jù)可以使用。該系統(tǒng)主要通過(guò)通用文件讀取的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)接受流程如圖5所示。

圖5　雨水?dāng)?shù)據(jù)接收模塊工作示意Fig.5　Working diagram of rain data receiving module

4　功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際用途，將綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)的功能模塊主要分為6個(gè)部分：基礎(chǔ)操作模塊、綠地雨水接收、綠地雨水監(jiān)測(cè)、綠地雨水管理、綠地雨水模擬和綠地雨水設(shè)計(jì)。

4.1基礎(chǔ)操作模塊該模塊主要是進(jìn)行一些基礎(chǔ)性的操作，包括放大、縮小、平移、后退、全圖、計(jì)算面積、計(jì)算長(zhǎng)度、鷹眼窗口、圖層設(shè)置等。

4.2綠地雨水接收雨水?dāng)?shù)據(jù)接收為一個(gè)單獨(dú)模塊，隨計(jì)算機(jī)運(yùn)行而運(yùn)行，可時(shí)刻監(jiān)聽數(shù)據(jù)。其一旦接收到雨水?dāng)?shù)據(jù)會(huì)立刻解析數(shù)據(jù)，并將符合數(shù)據(jù)庫(kù)需要的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，供系統(tǒng)使用。

4.3綠地雨水監(jiān)測(cè)該模塊主要設(shè)計(jì)了降雨量實(shí)時(shí)顯示，降雨量相關(guān)數(shù)據(jù)的查看，數(shù)據(jù)的輸出及對(duì)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的降雨量按照年、月、日等時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖顯示。依據(jù)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和降雨量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的插值算法(IDW、Spline、克里金)分析特定區(qū)域的平均降雨量。

4.4綠地雨水模擬該模塊包括雨水模擬所需數(shù)據(jù)的加載、降雨參數(shù)的輸入、排水網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加載、綠地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的加載、執(zhí)行模擬、數(shù)據(jù)輸出以及結(jié)果數(shù)據(jù)查看。

4.5綠地雨水設(shè)計(jì)該模塊可根據(jù)輸入的分析區(qū)域自動(dòng)提取該區(qū)域內(nèi)需進(jìn)行綠地設(shè)計(jì)的區(qū)域，并自動(dòng)生成相匹配的屬性字段。綠地編輯控制主要包括開始編輯、保存編輯、結(jié)束編輯、回退、前進(jìn)等控制。“開始編輯”開關(guān)打開后才可以對(duì)綠地進(jìn)行勾畫處理；“前進(jìn)”是執(zhí)行上一步操作；“回退”是放棄當(dāng)前操作；“保存編輯”是保存當(dāng)前操作；“結(jié)束編輯”是退出綠地類型設(shè)計(jì)。

4.6綠地雨水管理該模塊包括對(duì)系統(tǒng)中的工程進(jìn)行管理、對(duì)綠地設(shè)計(jì)圖層的管理、排水網(wǎng)絡(luò)圖層的管理、降雨量數(shù)據(jù)的管理、模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的管理、區(qū)域水管理以及系統(tǒng)的總體管理。系統(tǒng)管理是提供給系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理操作的，主要功能有用戶管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)日志管理和數(shù)據(jù)字典管理等。系統(tǒng)管理保證系統(tǒng)的安全性和正常運(yùn)行。

5　結(jié)論與討論

該研究所構(gòu)建的綠地雨水生態(tài)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市綠地雨水的智能一體化管理。但該系統(tǒng)也有不足之處，主要問(wèn)題有2個(gè)方面：一是對(duì)于研究區(qū)域的地下管道排水設(shè)施等的考慮不足；二是雨水水文模擬需要各種參數(shù)的調(diào)整，目前缺乏實(shí)際的試驗(yàn)。在下一步研究中，將對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行完善與改進(jìn)，促使其在城市綠地雨水的管理中發(fā)揮更實(shí)際、更準(zhǔn)確的作用。

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Design and Implementation of Rainwater and Ecology Management System

ZHOU Wei,ZHANG Kai,ZHANG Li-juan

(Chengdu Huaxing Zhongzhi Engineering Consulting Co.,Ltd.,Chengdu,Sichuan 610047)

The design and implementation of the rainwater and ecology management system were mainly introduced based on ArcEngine platform.The reasons for the design system,the key issues of the system implementation and the key functions of the system were described in detail.The simulation of rainwater’s flowing in greenland was studied,and the method of constructing GIS system by using component technology was discussed.As a result,a good and practical application effect was obtained.

Rainwater in greenland;Ecological management;ArcEngine;Design;Implementation

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014SZ0144-03)。

周維(1980- )，男，四川成都人，高級(jí)工程師，從事生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究。

2016-07-11

S 27

A

0517-6611(2016)25-230-03