基于WebGIS天津沿海排污口監測預警系統的設計與實現

薛志泳，鄭小慎

(天津科技大學海洋與環境學院，天津 300457)

天津海域面積 3000km2，其中大陸岸線長約153.67km，島嶼岸線長約 0.47km，潮間帶面積約336km2[1]，對天津海洋經濟發展和京津冀地區出海口和海上貿易有重要的戰略意義.由于天津海域呈現半封閉式的地形，使得水體的交換能力差，自我調節功能較低，加之隨著天津近岸經濟的飛速發展和填海造陸帶來的海洋環境惡化，陸源污染物大量輸入，使得天津近岸海域污染現狀日趨嚴重[2].在眾多導致海洋環境污染狀況惡化的因素中，陸源入海排污是重要因素之一，由于工業生產的發展所帶來的工業廢水的向海排放，導致了天津沿岸水體的污染超標和水體的富營養化加重，對海域的生態環境構成了一定的威脅[3].近幾年入海排污排放的主要污染物濃度呈現增長趨勢，對于海洋環境的污染也隨之加重[4-5].對于排污口污染物排放的監測管理和預警管理成為了海洋環境監測研究的重要途徑之一.

地理信息系統(GIS)由于其強大的空間數據可視化和分析能力，在環境信息領域發揮著越來越重要的作用.當前國內外有很多在水環境監測和信息管理中均應用到 GIS技術，前期主要針對在 Web上的共享性和統一性進行環境監測的結合應用[6-7]，主要是使用開放共享的標準和一些主流開發框架來構建監測系統.目前的研究重點是在系統和環境模型上的結合[8-11]，利用模型計算的結果進行后報顯示的目的，給出系統預警結果.本文在前人研究的基礎上，利用基于 Web的地理信息系統技術開發構建了天津沿海排污口監測預警系統，以期能夠對沿海各排污口的監測數據進行管理顯示，并對數據進行分析和模擬計算.本系統主要是顯示排放信息，并對排放后的影響進行預測和預警，從而對海洋環境污染的控制起到一定的作用.

1 數據與方法

1.1 研究區域及排污口位置

天津沿海海域，位于北緯 38°12′—39°14′，東經117°34′—118°20′之間.海岸線北起澗河口，南至岐口，是一個三面環路的半封閉性海域[12].研究區域和排污口位置如圖1所示.

圖1 研究區域地理概況圖Fig.1 Geographical profile of the study area

本系統根據天津市陸源入海排污口的地理分布選擇了較為典型11個主要的陸源入海排污口進行系統開發.

1.2 污染擴散范圍模型

系統針對天津沿海11個入海排污口進行地理位置(表1[4-5])和排放數據的監測控制，并依據排放數據對排放污染物進行分析，同時建立一個簡單的污染擴散范圍模型[13]評估其水污染擴散范圍.

表1 監測的主要入海排污口地理位置Tab.1 The geographical location of the monitored main sewage outlet into the sea

利用 WebGIS空間分析模型[14]計算和顯示擴散結果，其中對于生態環境或者生態系統降解和海水湍動能的影響因數沒有計算在模型方法中.在模型計算中考慮了岸線形狀、風速和 Ekman風生流等因數對于海表面擴散的影響.

假定排污口附近海域是平靜海面，且海水流動只和風速有關，建立空間分析計算模型如下式計算.

式中：v為海水流速；ω為海表面風速；fω為風應力系數；θi為水流在i方向上與水平向的夾角；φi為第i個方向角；ψω為海表面風速的主方向角；Ω為海表面流速在地轉偏向力的作用下偏離風速主方向的夾角；xi、yi為污染物在i方向上t時刻后隨海水擴散的坐標位置；x0、y0為排污口坐標(計算原點坐標)；、為在θi方向上的水流權重和岸線系數.

將計算得到的經緯度坐標點添加到地圖坐標上成為模型結果到地圖顯示的關鍵，在 GIS地圖上是以投影坐標系顯示地圖的，將地理坐標轉換成投影坐標經過以下計算[15].

式中：X、Y為轉換后的投影坐標；x、y為地理坐標；A、B、ζ為常數參數，A＝6378137.0、B＝3189068.5、ζ＝0.0174532925.

2 系統的設計

2.1 系統結構設計

基于 WebGIS的天津沿海排污口監測預警系統的邏輯結構是基于 B/S三層結構搭建的[16]，分為數據層、服務層和顯示層，如圖2所示.

圖2 排污口監測預警系統設計結構圖Fig.2 Design structure of sewage outlet monitoring and warning system

2.1.1 數據層

系統的數據層為系統數據提供存儲空間，是系統運算的基礎.系統數據主要包括用戶數據、排污口信息數據、排污口監測數據以及地理信息數據.用戶數據包括了系統允許登錄的用戶信息.入海排污口信息數據包括了排污口地理位置信息、排污口簡介信息及排放監測信息等.排污口監測數據包括了每個排污口監測的時間、排放污染物和相關排放污染物的監測濃度數據.地理信息數據包括系統界面的基礎地理背景數據，如基礎地理地圖、排污口點狀地圖和排放污染物擴散地圖等.排污口地理位置數據和排污口監測數據是屬性數據，通過屬性文件存放在系統數據庫中.地理信息數據通過 ArcGIS控件實現數據的調用和顯示.本系統以大神堂排污口監測的數據為例開發.

2.1.2 服務層

系統的服務層是在系統運行過程中為 Web端的請求提供邏輯運算并且返回處理結果，是系統的核心部分.系統的邏輯服務主要包括數據的調用服務、模型計算服務和 GIS應用服務.數據的調用服務是對于 Web端發來的數據庫調用請求進行判斷響應，然后進一步調用需要執行的應用服務，并且將處理結果發送回 Web端.模型計算服務是對于擴散模型的邏輯計算并且將計算結果以 GIS的形式顯示在界面.GIS應用服務是對于地圖的功能響應，包括一些基本地理操作功能、空間分析功能和 GIS函數的調用功能.

2.1.3 顯示層

系統的顯示層通過功能模塊以及工具按鈕等顯示提供面向用戶的界面，是系統對于用戶的功能顯示，也是系統最直觀的界面瀏覽.本系統的主要界面顯示分為 4個界面：登錄界面、系統主界面、監測數據管理界面和排污預警界面.登錄界面是系統的初始窗口，主要實現登錄用戶的識別和新用戶注冊等功能，用于提高系統內容的保密性.系統主界面是用戶登錄后顯示的界面，分為系統名稱欄、地圖顯示窗口、功能菜單欄和版權信息欄.監測數據管理界面是監測數據管理模塊的顯示界面，包括了排污口信息查詢窗口和歷史監測數據的查詢.排污預警界面是排污預警模塊的顯示界面，包括了監測數據的水質分析預警和排放污染物的擴散模擬預警.

本系統軟件結構由 ArcGIS Server服務器和Web服務器組成.ArcGIS Server服務器負責系統中地圖數據的訪問和空間數據的處理.Web服務器基于 JavaScript開發，負責系統中數據的調用處理，數據庫交互和瀏覽器端請求的接受和響應.整體采用MVC(model view controller)的響應模式，其主要關系如圖3所示.

圖3 MVC模式關系圖Fig.3 Relationship diagram of MVC pattern

2.2 系統功能設計

基于 WebGIS天津沿海排污口監測預警系統的功能可以劃分為地圖管理功能和信息管理功能兩大類，系統的功能模塊分為用戶登錄模塊、地圖服務模塊、監測數據管理模塊和排污預警模塊.系統的功能結構如圖4所示.

圖4 排污口監測預警系統功能結構圖Fig.4 Functional structure diagram of sewage outlet monitoring and warning system

用戶登錄模塊包括了注冊和登錄兩個功能.注冊是在新用戶初次訪問時進行用戶信息的注冊，填寫必要的登錄信息.用戶登錄是系統對訪問此系統的人員信息的識別，在識別確認可登錄用戶后會開放系統界面.系統中運行流程如圖5所示.

圖5 用戶登錄模塊運行流程設計Fig.5 Design of operation flow of the user login module

地圖服務模塊包括了加載地理底圖和對地圖的基本操作的功能.本系統加載了中國區域的地理地圖，對地圖的基本操作包括了平移、放大、縮小、全圖、視圖切換和鷹眼等功能.系統中運行流程如圖6所示.

圖6 地圖服務模塊運行流程設計Fig.6 Design of operation flow of map service module

監測數據管理模塊包括排污口信息查詢功能和歷史監測數據查詢功能.點擊菜單欄中排污口按鈕后使排污口的地理位置以點狀圖形的方式加載在地理底圖上，并且單擊地圖上的點狀圖形或者查詢按鈕后在相應排污口的地理位置上彈出該排污口的相關信息，包括了地理坐標、排放時間和排放的污染物總類等信息，從而實現排污口信息查詢.歷史監測數據查詢是對排放污染物歷史數據的閱覽，點擊監測數據查詢后顯示存儲的排放污染物的監測相關信息，包括監測的時間、數據種類以及相關數據的監測值.系統中運行流程如圖7所示.

圖7 監測數據管理模塊運行流程設計Fig.7 Design of operation flow of monitoring data management module

排污預警模塊主要包括歷史監測數據預警分析功能和污染物擴散預警模擬功能.歷史監測數據預警分析是對污染物監測數據的水質分析，利用數據的折線分析進行排污預警管理.污染物擴散預警模擬是對排放后污染預警，包括了擴散參數的設置和擴散范圍的顯示功能.參數的設置是對排污口位置、擴散時間、風速和風向等的參數規定，從而代入模型中計算海水的流向和流速，得到模擬的范圍.在確定參數后單擊擴散按鈕后會在地圖上顯示設定時間的擴散范圍.系統中運行流程如圖8所示.

圖8 排污預警模塊運行流程設計Fig.8 Design of operation flow of warning display module

2.3 數據庫設計

系統的數據庫E-R圖如圖9所示.

圖9 系統數據庫E-R圖Fig.9 E-R diagram of system database

本系統在運行和計算上需要調用基礎數據，所以建立的數據庫包括用戶數據、排污口監測數據和模型運行數據.在基礎數據的基礎上，本系統的數據庫概念設計以 E-R圖的形式來表示.一個調用任務可以對應多個數據對象，一個數據對象也可以屬于多項任務.

3 系統的實現

3.1 系統開發環境

考慮到環境監測的多用戶性和實時性，所以天津沿海排污口監測預警系統是在B/S架構下的Web端系統.

系統的排污口監測數據和一些非空間性數據通過Microsoft Access 2013管理，空間性數據和地圖數據通過ArcSDE管理.系統利用ArcGIS Server 10發布這些地圖數據[17-18]，從而可以從 Web端調用地圖數據.

系統是以Visual Studio 2012作為站點的發布和開發平臺，利用 JavaScript和 C#開發語言構建服務器運行腳本，為事件的處理和調用提供支持.

系統瀏覽器平臺的展示，采用 HTML5、CSS3等主流技術進行界面設計和顯示，采用 JavaScript技術進行調用和交互處理.地圖功能控件是通過 ArcGIS API for JavaScript[15]實現的，是 ESRI提供的一組JavaScript API用于構建輕量級的、高性能的、瀏覽器端的 GIS開發接口控件.采用 HighCharts圖表控件進行數據的分析，提供直方圖、折線圖的展示.

本系統開發平臺及工具見表2.

表2 系統開發工具及語言Tab.2 System development tools and languages

3.2 用戶登錄模塊

該模塊使用主流的網頁開發技術 Html＋CSS＋JavaScript，為系統設計開發了用戶登錄界面，如圖10所示.當用戶輸入用戶名和密碼，單擊“登錄”按鈕后，系統會自動將賬號、密碼同數據庫中的記錄對象進行依次比對，只有當提交的用戶名和密碼與數據庫中的同一條記錄中的用戶名和密碼分別對應相同時，系統才能通過驗證，允許用戶登錄系統.

圖10 系統用戶登錄界面Fig.10 System user login interface

3.3 地圖服務模塊

該模塊基于 JavaScript的開發技術，引入了ArcGIS的JavaScript框架，為用戶提供了基本的GIS功能，如圖11所示.地圖服務模塊實現了基于 GIS的一些操作顯示和鷹眼展示，其中包括了拉框放大、拉框縮小、平移、上一視圖、下一視圖和漫游功能.

圖11 GIS界面Fig.11 GIS interface

3.4 監測數據管理模塊

排污口點和信息面板是通過 WebGIS控件開發事件函數，經過地圖處理后將結果返回用戶.圖12顯示了大神堂排污口信息查詢后的結果，包括了該排污口的位置信息、數據的存儲時間和監測的污染物等信息.對歷史監測的污染物數據的查詢是該系統的核心模塊之一，實現了對監測數據的統計分析和顯示，如圖13所示，系統進行歷史監測污染物的表格顯示和某一天監測數據的圖表顯示.在點擊監測污染查詢后會彈出排污口監測污染物的信息表，單擊表中任意一天的監測數據會以直方圖的形式顯示該天的監測信息，給出直觀的查詢顯示.

圖12 排污口信息顯示Fig.12 Sewage outlet information display

圖13 監測數據查詢結果Fig.13 Monitor data query results

3.5 排污預警模塊

排污預警模塊是對歷史監測數據進行分析給出參考排污預警，并且對污染擴散進行模擬計算實現對排放污染物的后預警，也是本系統的核心模塊之一.

數據預警分析針對單一排放污染物的歷史監測數據進行分析，為排放監測和環境的輔助控制提供科學的依據，從而進行預警顯示.歷史數據查詢和污染物水質分析界面如圖14所示.該折線圖上顯示了污染物排放濃度的長時間變化和該污染物的標準排放濃度，通過該折線圖的長時間的變化趨勢可以推測該排污口的排污超標范圍，給出環境治理的預警顯示，從而可以有效控制排放力度.例如在圖中總磷的排放濃度逐漸上升，可以預期未來幾天排放將會上升，應適當控制污染排放.

圖14 污染物水質分析結果Fig.14 Results of pollutant water quality analysis

污染擴散是在設定的模擬環境下，污染物在相應時間后的擴散范圍顯示，模型環境設定包括了時間范圍、風速、風向和排放量，這里設定的時間模擬范圍是 1h、2h和 3h后的擴散范圍，風速大小默認3.5m/s，風向默認正北方向.點擊“污染擴散范圍”，系統服務器中的 js文件開始讀取界面參數并進行計算，js文件中保存有岸線的坐標點.當計算得到的坐標點超過岸線閾值時將會以岸線點代替，然后通過WebGIS中的GP服務將計算后的坐標范圍返回給界面，在地理地圖上會顯示設定時間的擴散范圍，如圖15所示，顯示調用時間平均不超過 100ms.其中由內向外依次是污染物在 1h、2h和 3h后的擴散范圍，可以判讀其污染程度.

圖15 污染擴散模擬結果圖Fig.15 Simulation results of pollution diffusion

4 結 語

以 11個典型的陸源入海排污口監測預警為例，基于環境監測需要，開發了基于WebGIS天津沿海排污口監測預警系統的功能模塊.系統結合了 GIS開發技術，應用了基于Web的地理信息系統開發控件，以JavaScript為主要開發技術，開發了輕量級的Web端系統，實現了排污口監測數據的多用戶瀏覽和快速發布利用.在系統中不僅實現了地理地圖的可視化和地圖操作，使排污口監測更具地理特征，而且結合GIS在地理處理上的優勢，建立空間數據分析，實現了對排污口基本信息的查詢、顯示等功能.結合監測的污染物數據，利用第三方 HighCharts開發控件，實現了監測數據的水質分析，可以直觀地為用戶提供排放濃度的變化趨勢.除此之外，系統利用 WebGIS空間分析模型，建立了污染擴散范圍模型，實現了污染物排放后擴散范圍的模擬計算和地圖顯示，為污染控制和環境治理在實施范圍和經費預算上提供了科學依據.

對于排污監測需要，下一步將利用系統的可擴展性，建立監測設備和系統之間的傳輸功能，進一步規范和優化系統對于實時數據的處理應用，完善系統功能.由于系統的擴散模擬功能是初步開發，接下來會增加測站數據，完善模型參數.