松花江流域水質管理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與設計

沈維政 ，張成峰 ，香 寶，秦月陽

（1.東北農業(yè)大學電氣與信息學院，哈爾濱 150030；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

松花江是黑龍江的最大支流，全長1 840 km，流域面積54.56萬km2，超過珠江流域面積，占東北三省總面積的69.32%[1]。近年來，國家已把松花江的水環(huán)境污染治理正式納入“十一五”重點治理流域[3]，但其多尺度、多類型、多專題的特點導致基礎數(shù)據(jù)的整理、分類、儲存、查看困難，水環(huán)境質量管理空間數(shù)據(jù)庫關鍵性技術也需研發(fā)。本文以此為出發(fā)點，將軟件工程中結構化系統(tǒng)分析和設計思想應用于應用型地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的分析和設計[4]，結合GIS、Arcgis Engine等組件技術設計并開發(fā)松花江流域水質管理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[5]。

1 系統(tǒng)設計的目標和原則

1.1 設計目標

綜合利用全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(RS)以及計算機網(wǎng)絡等多種技術,結合松花江流域具體特征，采集與整理松花江水環(huán)境相關數(shù)據(jù)，集成松花江流域水環(huán)境質量所需的多源數(shù)據(jù)，設計松花江流域水質空間數(shù)據(jù)庫，為水質評價、預警、應急響應、污染事故評估和政府決策等提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 設計原則

①成熟與先進性。選用技術應是成熟的、先進實用、穩(wěn)定可靠的，是目前計算機技術上普遍流行的，同時有較好的性價比。

②系統(tǒng)集成方便。采用集成化的計算機系統(tǒng)與軟件產品，減少自行開發(fā)的工作，盡量利用軟件本身的功能進行系統(tǒng)開發(fā)。

③可擴展性。所設計的系統(tǒng)，無論從軟件、硬件，還是從網(wǎng)絡上，包括業(yè)務處理，要留有擴展余地，以滿足今后業(yè)務規(guī)模發(fā)展需求。

2 空間數(shù)據(jù)庫設計

2.1 數(shù)據(jù)庫建設的總體思想

數(shù)據(jù)庫建設的總體需求是針對松花江流域多風險源的特點和流域水環(huán)境質量管理的決策支持設定，根據(jù)數(shù)據(jù)標準與規(guī)范的要求，整合松花江流域各多源、多尺度、多專題數(shù)據(jù)形成多類型數(shù)據(jù)庫，從區(qū)域尺度轉向局地尺度，并將數(shù)據(jù)模型分成空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分[6]，觀察松花江流域水質量變化情況。

結合實際情況，設定每一尺度范圍內的專題信息必須繼承四種類型的空間屬性信息，從而進行區(qū)域及局地尺度的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)整理工作,其建設思想如圖1所示。其多專題為松花江全流域、松花江干流和典型區(qū)域（以哈爾濱市區(qū)和齊齊哈爾市扎龍保護區(qū)為例）；多類型為基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、河流水域信息數(shù)據(jù)庫、水質監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫和國控企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，類型數(shù)據(jù)庫的規(guī)范標準以國家數(shù)據(jù)庫建設標準為參考，對本次數(shù)據(jù)庫命名，其要素分別為專題類型、數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)別名、數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)格式，其中數(shù)據(jù)別名采用專題類型活數(shù)據(jù)集名稱首字母命名，數(shù)據(jù)格式表示數(shù)據(jù)的空間特征。

圖1 數(shù)據(jù)整體建設思想Fig.1 Whole construction thought of the data

2.2 數(shù)據(jù)庫建設

數(shù)據(jù)庫主要圍繞著建庫思想即基礎地理信息庫、河流水域信息庫、水質監(jiān)測信息庫、國控企業(yè)信息庫建設，其過程見圖2：

①基礎地理信息庫建設：基礎地理信息數(shù)據(jù)庫建設以反映研究區(qū)域基本特征為主要對象，其構成的數(shù)據(jù)集有居民點、交通、行政區(qū)劃界線和地勢地形。根據(jù)松花江流域區(qū)域范圍的大小分別在松花江全流域和松花江干流適當選擇基礎地理信息信息數(shù)據(jù)，典型區(qū)基礎地理信息數(shù)據(jù)為DLG?！熬用顸c”數(shù)據(jù)集中含有點要素：省級市、地級市、地區(qū)盟和縣級市；“交通”數(shù)據(jù)集中含有線要素：國道、省道、鐵路和高速公路；“行政區(qū)劃”數(shù)據(jù)集中含有線要素和面要素：省界、地市界、縣界和縣級行政區(qū)?；A地理信息數(shù)據(jù)圖形及顏色設置遵循國家地圖學制圖標準。

②河流水域信息數(shù)據(jù)庫建設：河流水域信息數(shù)據(jù)庫建設以反映松花江流域水域基本特征為主要對象，是研究水質量的基礎對象，其構成的數(shù)據(jù)集有河流、湖泊、水庫和流域境界。根據(jù)松花江流域區(qū)域范圍的大小分別在松花江全流域和松花江干流選擇四級河流水域基本數(shù)據(jù)，典型區(qū)基礎地理信息數(shù)據(jù)為DLG?！昂恿鳌睌?shù)據(jù)集中含有線要素和面要素：一級河流、二級河流、三四級河流和雙線河；“湖泊”數(shù)據(jù)集中含有面要素：大型湖泊和中小型湖泊；“水庫”數(shù)據(jù)集中含有面要素：大型水庫和中小型水庫；流域境界數(shù)據(jù)集中含有一級流域、二級流域、三級流域和四級流域；“水工設施”數(shù)據(jù)集中含有堤壩、河道橫斷和河閘。基礎地理信息數(shù)據(jù)圖形及顏色設置遵循國家地圖學制圖標準。

圖2 空間數(shù)據(jù)庫設計框架Fig.2 Framework of the spatial database construction

③水質監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫建設：建立水質監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫是對松花江流域風險源的特點和流域水環(huán)境質量的基礎工作，其構成的數(shù)據(jù)集有基礎站點、地表水監(jiān)測站點、地下水監(jiān)測站點和國家地表水監(jiān)測站點。根據(jù)松花江流域內水質監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)集功能的不同將收集數(shù)據(jù)入庫?！盎A站點”數(shù)據(jù)集中含有點要素：雨量、水質、水文、水庫、河道和地表水；“地表水監(jiān)測站點”數(shù)據(jù)集中含有點要素：總硬度、總氮、總磷、溶解氧、氯化物、氨氮、硫酸鹽、礦化度、揮發(fā)酚、鎘、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量；“地下水監(jiān)測站點”數(shù)據(jù)集中含有點要素和線要素：地下水礦化度測站和地下水礦化度等值線圖；“國家地表水監(jiān)測站點”數(shù)據(jù)集中含有松花江流域內的國家地表水監(jiān)測站點信息，分別按照“按年度”、“按季度”、“按月份”和“按周例”要素集入庫。

④國控企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫建設：國控企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)集有松花江流域內黑龍江省和吉林省國有控股企業(yè)信息。根據(jù)國有控股企業(yè)職能的不同將收集數(shù)據(jù)分別入庫?！昂邶埥锌毓善髽I(yè)”數(shù)據(jù)集中含有點要素：企業(yè)排污點和城市生活污水處理廠；“吉林省國有控股企業(yè)”數(shù)據(jù)集中含有點要素：企業(yè)排污點和城市生活污水處理廠。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計與開發(fā)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

空間數(shù)據(jù)庫的整體設計與程序的整體設計與開發(fā)密不可分，合理的數(shù)據(jù)庫設計僅是系統(tǒng)開發(fā)的基礎，成敗的關鍵在于軟件設計和開發(fā)思路。本系統(tǒng)以Arcgis軟件為應用平臺，采用組件式開發(fā)方式，以c#為程序開發(fā)語言，同時利用Arcgis Engine提供的二次開發(fā)函數(shù)庫及其基類庫進行二次開發(fā)。

3.2 系統(tǒng)界面

本系統(tǒng)界面采用WPF界面的編程方式[7]，并結合Arcgis Engine集成組件，所展現(xiàn)的系統(tǒng)界面更加簡明易懂。系統(tǒng)操作的地圖是具體的工程地圖，操作對象面向地理圖層、地圖要素，這樣通過合理規(guī)劃，設計成圖層控制區(qū)、屬性展現(xiàn)區(qū)，專區(qū)專用，解決了多窗口互相遮蓋等操作不便問題。

系統(tǒng)界面由圖層管理窗口、地圖顯示窗口、屬性窗口、菜單欄、工具欄五部分組成（如圖3所示），系統(tǒng)功能均可在該窗口下完成。圖層管理窗口、地圖顯示窗口、菜單欄、工具欄和屬性窗口具備windows對話框簡易操作的特點。工具條位于窗口上部菜單欄條下，每一個工具欄圖標在菜單中都有一項命令與之相對應，操作時不必每條命令都打開菜單選擇，常用功能可直接選用工具條上的按鈕，可方便、迅捷操作本系統(tǒng)。當系統(tǒng)加載相應地圖時，圖層管理窗口、屬性管理窗口會顯示對應的相應的圖層、屬性。

圖3 系統(tǒng)用戶界面Fig.3 System interface

4 功能模塊

本系統(tǒng)采用模塊化編程方法[8]，由文件、視圖、查詢、空間分析、地圖加載、系統(tǒng)功能等模塊構成。

①文件模塊：打開地圖文檔、關閉地圖文檔、新建、添加數(shù)據(jù)、保存和另存為功能，可以實現(xiàn)快速加載地圖，添加shape文件等基本功能。

②視圖模塊：此模塊提供窗口放大、縮小、漫游功能，以及全圖顯示等功能。

③查詢模塊：本模塊主要提供地圖要素的點選、圓選、多邊形選擇等選擇方式，選擇要素會在地圖上高亮顯示，同時要素的屬性數(shù)據(jù)會在圖的右下角以列表形式展現(xiàn)，實現(xiàn)了圖-屬一體化的查詢方式。

④空間分析模塊：此模塊的功能是以快捷工具的形式，利用Arcgis Engine提供的空間分析插件，通過對比不同空間位置、屬性值、狀態(tài)值并查看對應的專題圖，根據(jù)結果做出分析[9-11]。

⑤地圖加載模塊：系統(tǒng)剛進入載入的地圖為基礎地理地圖、通過點擊菜單欄上的“國有企業(yè)信息”、“流域水質信息”，“水質監(jiān)測信息”等不同的菜單可切換不同地圖瀏覽，在圖層管理器中用戶可以查看不同圖層，在屬性窗口中顯示圖層窗口中對應的屬性信息，選擇性進行空間分析等基礎功能。

⑥系統(tǒng)功能：本系統(tǒng)可以為不懂GIS功能的用戶提供基本服務，用戶通過菜單欄下方的工具欄，調整視圖窗口的大小、顏色、以及窗口擺放位置完成基本工作，還可以利用幫助功能按照提示操作。

5 結 論

本文以地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等知識體系為核心，并以高起點、高要求、高標準的設計目標為原則開發(fā)松花江流域水質空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。目前已經(jīng)完成基礎數(shù)據(jù)庫、河流水域數(shù)據(jù)庫、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、國有企業(yè)信息庫的構建，并應用于國家松花江流域水質管理決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)源采集及處理平臺中，運行良好。

①通過收集、整理流域水質的相關數(shù)據(jù)，利用GIS強大的數(shù)據(jù)庫管理、空間分析、空間檢索等功能對流域水質數(shù)據(jù)進行管理，十分高效，能夠為松花江流域水質管理決策、水質數(shù)據(jù)取樣分析提供重要的數(shù)據(jù)基礎平臺。

②本系統(tǒng)采用第三代數(shù)據(jù)庫模型進行設計，方便管理。

③本系統(tǒng)采用Arcgis Engine組件式的開發(fā)，結合WPF頁面設計，給用戶提供一個更合理的地理數(shù)據(jù)顯示方式，使用戶更加容易操作基礎地理數(shù)據(jù)，為用戶減輕了負擔。

本系統(tǒng)還需在后續(xù)開發(fā)過程中逐步完善，已有模塊功能也應在實踐中改進，待探討之處如下：

①地理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量特別大，后續(xù)的存儲應使用商用關系型數(shù)據(jù)庫，會對系統(tǒng)運行效率產生嚴重影響。

②系統(tǒng)雖按照軟件結構流程化方式開發(fā)，但是有些環(huán)節(jié)沒有特別規(guī)范，在后續(xù)開發(fā)中要嚴格按照規(guī)范，提高效率。

[1]霍志濤,彭軒明,鄢道平,等.中國西部地質災害空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設[J].華南地質與礦產,2003(3):50-52.

[2]張宇,馬喆.提高企業(yè)經(jīng)理人環(huán)保意識推動松花江流域水污染防治工作進程[J].中國環(huán)境管理,2007(1):3.

[3]王曦,楊華國.從松花江污染事故看跨界污染損害賠償問題的解決途徑[J].現(xiàn)代法學,2007,29(3):112-117.

[4]鄭剛,吳相林.應用型地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的分析和設計[J].華中科技大學學報:自然科學版,2003,31(1):50-52.

[5]嚴加永,呂慶田,馬金鋒.組件技術開發(fā)GIS[J].國土與自然資源研究,2004(1):33-35.

[6]房俊龍,張長利,于壽馨.農電企業(yè)配電網(wǎng)GIS系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫設計[J].東北農業(yè)大學學報,2006(8),37(4):508-511.

[7]陳晨,李健,張濤.基于WPF的GIS組件的研究與開發(fā)[J].技術應用,2010(2):73-75.

[8]孫紅敏,李曉明.模塊化教學法在應用型計算機專業(yè)人才培養(yǎng)中的應用[J].東北農業(yè)大學學報，2008,39(3):76-77.

[9]余柏蒗,吳健平,魏曉峰,等.空間分析GIS軟件開發(fā)研究[J].測繪與空間地理信息,2004:27(5):15-17.

[10]汪杭軍,方陸明,張廣群.空間分析中的空間數(shù)據(jù)結構[J].浙江林學院學報,2007,24(3):363-368.

[11]王喜,秦耀辰,張超.探索性空間分析及其與GIS集成模式探討[J].地理與地理信息科學,2006,22(4):1-5.