沈陽市地下水資源數據庫管理示范系統關鍵技術研究

馮 琳

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

1 背景及意義

水是人類生存發展的必備資源，地下水作為重要水源，在人類生活社會發展中發揮著重要作用。地下水監測是地下水規范管理和水資源優化配置調度的重要基礎工作。如何及時、準確的掌握地下水時空變化規律，是每一位水資源管理者需要面對的一項重要課題。“沈陽市地下水資源數據庫管理示范系統關鍵技術研究”作為沈陽市公益性研究及科技服務專項項目，便是在這一迫切需求背景下啟動的。本研究充分結合實際需求，合理整合自動化采集資源，研發了專業分析模型，對地下水資源數據進行了深入的挖掘，解決了實現系統的關鍵技術問題。

2 系統設計成果

本研究在充分進行業務需求分析、數據流分析和軟件開發構架模式分析的基礎上，對系統進行了優化設計。主要成果如下：

(1)系統構建設計

系統開發采用生命周期法和原型法相結合模式，系統運行構架采用C/S與B/S相結合模式。數據采集接口、專業分析評價模型部分采用C/S模式(采用VB開發)，成果發布功能采用B/S模式(采用JAVA開發)。數據庫采用大型關系型數據庫SQL SERVER管理系統開發。

(2)數據流分析

系統是以地下水動態監測數據、人工歷史監測數據和綜合分析所需其他相關參數數據為基礎，以水資源管理專業業務涉及各級別用戶的需求為核心，以局域專網和internet公網為平臺，為各級管理、工作人員提供常態化業務工作和專業分析支持與息化服務，數據流如圖1所示。

(3)數據庫設計

通過數據庫管理系統實現綜合數據庫的設計、開發及相關數據存儲，實現數據存儲的安全、高效和優化。通過系統功能的開發，實現動態監測數據和原始參數數據的自動收集、批量導入和交互錄入。

(4)系統平臺設計

系統采用矢量概化圖和3DGIS聯動模式，結合菜單和圖形化工具欄導航，構建可視化、易操作的優化交互平臺。

(5)系統功能設計

在進行充分的工作需求分析的基礎上，通過定制開發的方式實現管理工作所需的各項支持功能，主體功能包括：數據采集管理、數據庫管理、數據查詢管理、數據分析，數據整編管理、成果發布管理等其他功能。另外，通過對各項功能進行用戶權限定制實現對各級別用戶的全方位工作支持，系統功能見表1。

圖1 系統數據流圖(E-R圖)

序號分項功能編號子功能一二三四五六數據采集管理數據庫管理數據查詢管理專業數據分析數據整編管理其他1采集接口模塊2歷史數據批量導入3人工錄入4參數設置5數據表維護(記錄添加、刪除、修改)6數據備份7數據恢復8數據庫轉儲優化9歷史數據綜合查詢10數據表形式實時查詢11概化圖形式實時查詢12GIS空間查詢13報表統計14統計圖15等值線分析16相關分析17三級實時告警(數據異常、超差異常、超限異常)18趨勢預警(短期趨勢異常、長期規律異常)19綜合評價(灰色關聯度法、模糊綜合法、神經網絡法)20～24日報表、月報表、年報表、自定義時段報表、自定義格式報表25～29成果web發布、系統設置、用戶管理、系統介紹、使用幫助

3 關鍵技術研發成果

3.1 標準化數據接口開發

研發了基于硬件和軟件兩種接口形式。硬件接口形式是通過開發采集接口協議模塊，從前端采集設備直接接入監測數據。本成果開發的轉換協議模塊包括：RS485-串口(RS232)、RS485-網口(RJ45)、串口(RS232)-網口(RJ45)，具體采集中只需設置采集參數即可。軟件接口形式，主要是從采集硬件系統外部獲取數據。可以有效解決不同采集自動化系統硬件接口問題。成果可支持三種導入模式，手工錄入模式、格式報表批量導入模式(TXT、execl文本)和數據庫接口批量導入模式，支持所有關系型數據，支持周期人工導入和觸發器實時同步兩種方式。

3.2 數據庫開發

本系統數據庫采用SQL server系統，根據系統功能設計，課題組設計研發了數據庫系統。包括4類：實時數據庫、綜合數據庫、測站屬性庫、基本參數庫，均采用SQL語言通過代碼編程方式實現，后期推廣應用只需根據需求利用程序生成數據庫表，無需重新開發。監測數據包括：地下水位、水溫、水質，每個監測點獨立成表，便于擴展。

3.3 系統平臺開發

系統實現了邏輯概化圖、屬性數據、GOOGLE earth三位一體的聯動的操作模式，達到了良好的應用效果，其界面如圖2所示。其中概化圖功能采用了矢量化動態生成技術，可通過人工拖拽和編輯的方式維護庫結構，將水資源專業人員從負責的數據庫設計和代碼操作模式解放出來。在操作過程中，用戶只需單擊形象的概化圖即可在地圖區實現快速飛行定位，在屬性區動態切換到該測站的基本屬性、監測數據和過程曲線。同時點擊屬性欄和地圖中相應的測站也可以實現其他兩個工作區的同步切換，所有功能具有極強的可操作性、友好性和便捷性。

圖2 系統平臺界面圖

3.4 概化圖查詢

該功能實現了概化圖和監測數據表同步實時顯示功能，如圖3所示，可直觀快速的獲取用戶關心的監測信息，并支持一鍵發布功能。本功能創新之處在于可動態生成概化圖，通過開發CreateDatabasePage功能函數，實現了根據屬性數據庫中的測站信息自動生成概化圖，同時根據用戶的時間要求從實時數據庫中獲取監測數據生成概化圖數據和數據表。

圖3 概化圖查詢功能界面圖

3.5 本地化3DGIS空間查詢

本地化3DGIS空間查詢功能采用Google Earth ActiveX二次開發技術實現，該技術可以充分利用Google的基礎地理資源數據，所有用戶信息和監測地標數據采用kml文件形式進行管理，并利用二次開發方式動態加載到gis圖層中，最終實現本地化Google Earth的應用效果。另外，本成果還采用了定制緩存技術，實現了Google Earth空間資源數據的本地化管理，在實際應用中通過接入internet網，可實時加載地圖信息，若無法上網可自動加載預存到緩存文件中的基礎地圖資源信息。通過該方法解決了傳統3D GIS系統需要定制大量空間基礎信息和需要圖形工作站和空間屬性數據庫服務器支持的開發和應用模式。極大的提高了3D GIS系統的開發效率和應用體驗效果。本地化3DGIS疊加等值線分析成果如圖4所示。

另外，本研究采用定制開發方式實現，根據測點分布采用距離加權法模型和克立格法進行網格化內插計算，并形成等值線數據，生成kml文件，可利用Google Earth二次開發技術加載到3DGIS系統圖層中，取得良好的結合效果。

圖4 本地化3DGIS疊加等值線分析成果圖

3.6 綜合評價模型開發

綜合評價模型是系統的主要功能，研究成果對模型的輸入、計算、輸出、成果管理進行計算機軟件支持與數據庫支持。成果主要支持模型包括：灰色關聯度評價模型、模糊綜合評價模型和人工神經網絡模型。對實現模型構建的評價體系建立、指標權重分析、模型庫管理、綜合趨勢分析等關鍵技術進行定制開發，形成工具包。系統功能結構圖如圖5所示。

圖5 綜合評價功能結構圖

通過上述專項功能模塊的開發，實現了地下水狀態的綜合趨勢分析功能，通過分析可計算出相對于某一評價體系標準的量化評價成果值，通過長序列分析，便可繪制出根據評價體系的指標狀態趨勢變化曲線，從而輔助管理者掌握監測數據的總體狀態。研發成果如圖6所示。

圖6 綜合評價系統應用成果圖

4 結語

本系統面向沈陽市地下水資

源管理工作需求，充分運行現代信息技術研發的示范系統，通過在沈陽市的示范應用取得了良好的效果。主要特點：

(1)基于邏輯概化圖、屬性數據、GOOGLE earth的三位聯動的平臺實現了全拖拉式互動操作，具有良好的便利性和友好性。

(2)系統采用的空間數據緩存管理技術，實現了GOOGLE earth數據本地化，擺脫了常規第三方GIS系統(如Arcgis系列、Mapinfo系列等)需要空間數據庫服務器和本地數據支持的模式。

(3)通用型評價體系構建支持系統，可支持在線生成評價指標體系、專家打分、一致性檢驗和權重計算功能，結合沈陽市節水型城市建設目標研究制定了與之相結合的地下水資源評價體系指標，研發了模糊綜合評價和灰色關聯度評價聯動的動態評價模型，實現了地下水綜合狀態的趨勢分析。

(4)本成果具有顯著的社會經濟效益，成果的應用可有效提高管理者的工作效率，節省人力物力，提高數據分析的及時性、規范性。應用開源免費的GoogleEearth API技術和本地空間數據緩存管理技術，實現良好3DGIS互動效果的同時，節約了大量的專業地理信息系統組件采購和空間基本信息處理費用，具有良好的推廣應用前景。

[1] 董海天. 關于“智慧水務”平臺系統的構建及關鍵技術分析[J]. 水利規劃與設計, 2017(02): 22- 24.

[2] 王永亮. 新時期3S技術在水文監測中的作用初探[J]. 水利技術監督, 2017(01): 30- 31+137.

[3] 武建, 金幫琳, 張小青, 等. 水利信息化技術在灌區節水灌溉工程中的應用分析[J]. 水利規劃與設計, 2015(01): 63- 64+75.

[4] 劉梅, 閆健卓, 于涌川. 北京“智慧水務”框架下的數據資源體系研究[J]. 水利信息化, 2014(04): 5- 10.

[5] 吳慶林. 信息技術在水利工程建設管理中的應用[J]. 水利規劃與設計, 2014(07): 8- 10.

[6] 張弛. 基于Surfer軟件的地形圖快速繪制方法[J]. 水利技術監督, 2009(03): 41- 43.

[7] 劉月. 山東省典型地下水源地水環境綜合評價研究[D]. 山東大學, 2016.

[8] 楊建青, 章樹安, 陳喜, 等. 國內外地下水監測技術與管理比較研究[J]. 水文, 2013, 33(03): 18- 24.

[9] 高飛. 天坪寨隧道地下水動態監測信息的應用研究[D]. 西南交通大學, 2013.

[10] 戴長雷, 遲寶明, 林嵐, 等. 基于GIS的地下水監測管理信息系統(GMSMIS)分析與設計[J]. 遙感技術與應用, 2005(06): 625- 629.