基于GIS 的地下水空间分析系统的设计.pdf

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1、首都师范大学学报(自然科学版)第26卷 第1期2005年3月Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition)Vol.26,No.1Mar.2005基于GIS的地下水空间分析系统的设计3朱少霞1 诸云强2 孙 颖3(11 首都师范大学资源环境与旅游学院 北京 100037;21 中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101;31 北京市地质工程勘察研究院水资源研究所 北京 100037)摘要 以往的地下水管理信息系统主要是在商用地理信息系统软件平台上开发出来的,其专业应用模型与系统平台之间不能实现无缝集成.鉴于此,笔

2、者设计实现了基于组件式地理信息系统技术的地下水空间管理系统,实现了地下水空间管理模型与地理信息系统之间的有机集成.在ESRI公司生产的地理信息系统组件(MapObjects)基础上,开发出具有通用地理信息系统功能和地下水空间管理功能的应用型信息系统.在该系统支持下,用户可以实现地下水资源计算、分析和评价等的常用功能.在Visual Basic开发环境下,利用OpenG L的函数库和数据库引擎(ADO)在系统中实现了三维可视化以及系统与常用关系数据库的数据通讯.关键词:组件技术,地下水,地理信息系统,控件 1中图分类号:TP392收稿日期:20042022103 基金项目:国土资源大调查“首都地

3、区地下水资源和环境调查评价”项目资助.0 引 言随着地理信息系统(GIS)技术的日新月异,GIS在地下水资源管理中的应用也日趋广泛.国内外一些研究机构纷纷在地理信息系统基础上开发研制地下水资源管理信息系统.比较有代表性的地下水资源管理信息系统有:荷兰地学研究所(1992)研制的综合性区域水文地质信息系统(REGIS),北京市地质工程勘察院(1996)建立的北京市平原区地下水资源信息系统,广州市水利局(2000)建立了广州市水资源管理信息系统(WRMIS),宫辉力等(1996)研制的郑州市水资源管理决策支持系统(ZZWEMDSS),陈刚等(2000)研制的基于GIS的水资源管理信息系统,等等.上

4、述信息系统的建立,极大地提高了水资源管理工作的效率和水平,但是,这些信息系统和其它基于GIS的应用型信息系统一样存在着二点不足:一是系统中GIS与专业应用模块集成多采用松散藕合,即使在紧密藕合的集成方式下,专业数据与GIS的数据格式仍然不同,进行两种数据格式的通讯时必须通过人工的干预,没有充分发挥GIS强大的空间分析功能;二是针对分布、异构的计算环境,传统GIS应用系统可移植性差、可重用性不高,而且受GIS软件平台自身的影响.针对GIS领域这一应用研究现状,为了满足日益增长的GIS应用需求,一些地理信息系统生产厂家为用户开发了地理信息系统组件(COMGIS).在可视化开发环境中,用户可以根据实

5、际需要把地理信息系统组件作为控件在用户开发的应用程序中使用,从而实现了应用程序与地理信息系统之间的无缝集成.应用组件式地理信息系统技术,笔者研制了地下水管理信息系统.实现了地理信息系统和地下水管理专业模型的有机集成.1 系统数据流程分析多种来源的数据极大的丰富了地下水领域的信息,同时也带来了数据格式、投影方式不统一等方面的问题.输入、处理、标准化、输出应用这些数据将贯穿系统的始终,围绕数据的流动方可设计出合理的系统框架.因此,在地下水空间分析系统中,数据的 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All righ

6、ts reserved.http:/流程体现了系统构建的基本原则,反映了系统的功能与结构特色,展示了系统的应用方式.系统中数据的流动主要分为:数据的获取、数据的标准化、数据的编辑、数据管理、数据的查询分析、数据的输出等步骤,如图1所示.图1 地下水空间分析系统数据流程图数据流是系统中各功能模块的联系纽带,一个子系统产生的数据可能刚好是另一个子系所需的输入数据.依靠数据的流动将各个子系统、各功能模块紧紧地联系在一起,与此同时借助于各子系统和功能模块对数据的不同处理,产生不同格式的数据才能满足不同应用的要求.地下水空间分析系统中子系统之间的数据流如图2所示.系统的工作流程:技术人员利用地理信息子系

7、统创建空间数据、对其进行编辑、处理,通过数据库管理子系统录入各种专业属性数据、进行索引查询、产生各种专业报表.在此基础上,管理决策者利用空间分析决策子系统对任意空间区域进行信息查询,获取辅助决策意见.图2 子系统间数据流程图2 系统总体框架及功能设计211 系统总体框架地下水空间分析系统总体构成充分考虑了地下水管理工作的实际需要和地理信息系统本身的功能特点,属于地下水管理部门的办公服务系统.从应用层次的高低分为地下水管理信息子系统(包括地下水图形数据管理子系统和地下水属性数据库管理子系统)和地下水空间分析决策子系统.地下水管理信息子系统以对地下水空间数据的处理、日常管理为主要目标,运用地理信息

8、系统的空间分析功能和专业模型的分析功能解决结构化的决策问题,属于数据驱动型.它主要用于完成工作中的确定性问题的处理和管理(地下水年储变量计算、地下水位线动态生成等),为中低层次的管理部门决策服务.子系统主要应用了地理信息系统的数据库技术、空间分析技术和模型分析技术.空间分析决策子系统基于管理信息子系统,用以解决半结构化和非结构化的决策问题(如区域地下水开发利用决策、地下水环境灾害评价等),它为决策者提供一个模拟决策过程,并提供选择方案的决策支持环境.空间分析决策子系统属于模型(数学模型和推理模型)驱动,主要应用了地理信息空间分析技术.模型库技术、知识库技术等,为高级决策管理者服务.其系统总体结

9、构如图3所示.图3 系统总体结构空间分析决策子系统主要实现任意区域地下水信息的查询,根据查询结果对该地区水资源、水环境和水开发利用进行评价,辅以地下水开发利用的决策意见.地下水图形数据管理子系统主要对地下水图形数据进行编辑、查询、空间分析和制作专题图,同时具有地下水年储变量计算等专业功能.地下901第1期朱少霞等:基于GIS的地下水空间分析系统的设计 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/水属性数据管理子系统主要对地下水属性数据进行录入、编辑、查询、统计分析等

10、.地下水信息管理子系统为空间分析子系统提供数据,空间分析子系统从信息管理子系统中析取数据进行评价分析并给出辅助决策意见.212 系统功能设计根据系统的需求分析和总体结构,各子系统的功能分别设计如下:1)空间分析决策子系统功能设计空间分析决策子系统主要进行对地下水资源环境进行评价,从而为地下水开发作出辅助意见,其主要功能有:地下水专题图显示:图形信息查询;地下水资源环境状况分析评价;地下水开发利用辅助决策等.2)图形数据管理子系统功能设计图形数据管理子系统主要是对地下水图形数据进行储存管理编辑,同时包括一些地下水的专业应用功能,具体来说包括三大功能:通用地理信息、专业应用和图形库管理功能.通用地

11、理信息功能是指常用的GIS软件功能,包括:新建图层;图层显示浏览(多个图层的叠加显示,调整图层顺序,图层的放大、缩小、漫游);图形数据编辑(点、线、面编辑,图层样式编辑);属性表管理(表字段管理、表记录管理);数据的双向查询(由图形查属性,由属性查图形);强大的空间分析功能(缓冲区分析、邻近分析、穿越分析、叠加分析);常用地图投影方式之间的相互转换;统计图和专题图的制作等.专业应用功能主要是进行地下水资源量的计算,包括完成地下水资源量计算过程中的一系列工程,如岔气属性数据库中的动态观测孔数据直接生成观测孔图层,实现了观测孔年地下水位趋势线的自动绘制,等水位线的自动生成,地下水垂补量计算等.系统

12、可按两种方式(向导式和分项计算)进行补给量(垂补量、侧给量等)和消耗量(地下水溢出量、蒸发量、侧向流出量、开采量等)和地下水年储存变化量的计算.另外,系统还提供了与地下水数值模拟模型的接口,可为模拟模型的数据进行预处理,对模型进行统一的管理.图形库管理主要是对图形数据库进行管理,包括:图形入库;图形库管理,新建图形度、删除图形库;图形表管理,新建表、删除表、修改表结构;图形快速定位浏览等.3)属性数据管理子系统功能设计属性数据管理子系统主要是对地下水属性数据、社会统计数据、野外观测、实验测试数据等进行管理,包括二部分功能:数据库管理基本功能和专业应用功能.数据库管理基本功能主要有:属性数据库管

13、理,添加数据库、删除数据库、数据库表结构修改;属性表管理,表记录的录入、编辑修改、删除、排序;属性数据查询,简单查询、复杂查询、用户自定义查询语句;数据导入导出功能等.专业应用功能,包括:专业报表定制,水质报表、水位报表、土质试验成果报表等;统计图表功能,产生二种统计图表:取样分析数据统计图,将水质数据中的各水质评价指标按时序以二维或三维的柱状或曲线图表达;专业统计图,将一系列指定数据表中的数据,包括降水观测数据、蒸发站观测数据、河流量观测数据和开采井地下水开采量数据按单年、多年变化序列或多年同期对比情况以二维或三维的柱状或曲线图表达;制作钻孔资料柱状图,按指定数据表中数据绘制钻孔结构剖面图,

14、并提供打印输出功能;水质检验,对数据库中水质数据按不同孔号进行水质检验,并列出检验结果;模型分析功能,根据各单位、各专家在实践中应用的算法、模型和研究思想,与计算机技术相结合,提供一元线性回归分析、半对数相关、对数相关、多项式回归分析、多元线性回归分析等几种在水资源研究领域中常用的回归分析模型,所用数据可通过手工或者从数据库导入的方式对数据进行分析等.3 系统集成方案系统集成一般有两种方式:对等式集成和嵌入式集成.对等式集成属于松散集成方式,主要有三种方式:标准交换文件方式、空间数据库方式和空间数据处理工具包方式.标准交换文件方式通过标准的数据中介文件实现数据的共享,可充分利用现有地下水软件(

15、如Feeflow、Sufer等)实现地下水数据的处理,同时又便于用高级语言开发新的专业模块,是目前常用的集成方式.这种方式比较容易实现,但时间和空间效率均不高.空间数据库方式是通过直接访问GIS的数据库而获得数据共享的一种方法,与标准交换文件方式相比,具有较高的时空效率.但它要求开发者必须非常清楚GIS空间数据库的内部数据结构.空间数据处理工具包方式通过隐含地与GIS011首都师范大学学报(自然科学版)2005年 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/空间数据

16、库连接,提供一套数据类型定义及数据处理功能,具有较高的效率,但该方式界面不够友好,不利于用户使用.嵌入式数据集成是在系统中嵌入专业控件或通过OLE技术,通过接口将各控件组合在一起,属于紧密集成方式.该方式能充分利用各控件本身所具有的资源,具有较高的效率.本文所设计的系统是一个以地理信息系统为中心的地下水空间分析系统,子系统之间采用对等集成方式集成.其中系统与其它软件的数据交换采用标准文件方式,子系统之间的数据交换采用空间数据库方式,子系统内部各功能模块采用嵌入式集成方式.地下水空间分析系统集成方案如图4所示.其中地理信息系统不仅为决策支持系统提供一个数据分析和表达的直观平台,而且为决策支持系统

17、中多图4 系统集成模型组合建模提供高效的空间分布式地下水参数的输入、组织和前、后处理功能.整个系统在Visual Basic(VB)开发环境下集成,借助美国ESRI公司推出的地理信息系统控件MapObject(MO)实现图形数据的操作,通过Active数据对象(ADO)、数据访问对象(DAO)访问底层数据库,底层数据库采用SQLSERVER构建.调用动态函数库(DLL)的方式实现专业应用模型与VB、MO之间数据传递和数据表现,并且构成统一的无缝界面.具有数据文件共享、统一界面、不依赖于任何GIS软件等特点.4 结 语利用组件技术进行地理信息系统的二次开发具有开发周期短、成本低,无需额外的GIS

18、二次开发语言、可与专业应用模型无缝集成等优点,因此组件地理信息系统以成为当前地理信息系统已成为当前地理信息系统二次开发的主要模式.在VB环境下嵌入MO控件,可实现通用的GIS功能和专业应用功能,在此基础上开发的地下水资源空间分析系统,可对地下水资源、水环境数据进行科学管理,图形与属性数据的双向查询;可对任意空间区域进行查询分析,在此基础上作出的评价,可以为地下水管理、开发提供科学的决策依据.参考文献1 陈刚.基于GIS的区域“地下水-环境”综合管理决策支持系统-以河北东部平原为例.中国地质大学博士学位论文,20002 候杰,王宪成,傅延东.长春地区地下水资源管理决策系统.长春科技大学学报.19

19、99,29(3):2632663 宫辉力,林学钰,廖资生.城市水资源-环境管理决策支持系统.西安:西安地图出版社.19964 诸云强,宫辉力,赵文吉,朱少霞,贾萍.基于组件技术的地理信息系统二次开发-以地下水资源空间分析系统为例.地理与地理信息科学.2003,19(1):l6195 陈刚,陈植华,李门楼,高云福,徐恒力.基于GIS的水资源管理信息系统.水文地质工程地质,1998,6:466Shuming Bao,Luc Anselin,Doug Martin,Diana Stralberg.Seamless integration of spatial statistics and GIS:T

20、he S2PLUSfor ArcVrewand the S+Grassland Links.Geographical Systems.2000,2:2873067 吕武,张国土.区域地下水信息管理系统研究.解放军测绘学院学报.1995,12(1):70728 王凯军,徐蕾,曹建志.吉林省地下水资源地理信息系统研究.吉林水利.2000,4:579 方淑芬.浅析地下水资源管理信息系统设计思路.北京水利.2000,6:2324111第1期朱少霞等:基于GIS的地下水空间分析系统的设计 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing Hou

21、se.All rights reserved.http:/Designing of Ground Space Analyse Information SystemZhu Shaoxia1Zhu Yunqiang2Sun Ying3(11The Key Lab of Resource,Environment and GIS in Beijing,Beijing100037;21Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,CAS.,Beijing100101;31The Water Resource Insti

22、tute of Geology Engineer Reconnaissance Academe in Beijing,Beijing100037)AbstractAnciently,Groundwater Management Information System was based on commercial GIS software platform that thespecial application model cannot seamlessly integrate with system platform.Therefore,we design and completeGround

23、water Space Management System based on COM technology that can integrate Groundwater Space ManagementModel with GIS.We develop the system including the function of GIS and Groundwater Space Management by means ofMapObjects invented by ESRI.Using this system,users can perform the calculation,the anal

24、ysis and evaluating ofgroundwater resource and so on.Supported by Visual Basic,the system can accomplish the three dimensions visualizationand the communication of database by OpenG L and ADO.Key words:COM technology,groundwater,GIS,OCX.作者简介 朱少霞(1976-),女,新疆乌鲁木齐人,硕士研究生,主要从事:地理信息系统开发与应用,遥感在资源环境中的应用等.E

25、2mail:396425 (上接第92页)Summarization of the Study on the Model of the HeterogeneousData CommunicationLiu YangZhao WenjiG ong Huili(Capital Normal University Resources Environment And GIS Key Lab of Beijing,Beijing100037)AbstractThere are some problems about solving the inter2access of heterogeneous da

26、ta sources with the strategy of commondatabase access technique,which are high system complexity,low system extensiveness.In this paper,the author set forthethat how to solve the questions of exchanging and sharing in data,by studying several kinds of relatively popular dataforms at present.Consider

27、ing systematic extendible qualities and network transmission requests,the author proposed theXML communication model of heterogeneous data sources which include the using middle data source.This model is thegeneral model which include the treatment methods to the different data communications,on the

28、 base of XML have itspeculiar advantages in data base share and joint field.The model has been successfully applied to converting virtual realitymodeling Langualge(3.wrl)data.Key words:heterogeneous data,data model communication,database,VRML,XML.作者简介 刘扬(1979),男,吉林长春人,首都师范大学资源环境与地理信息系统北京市重点实验室在读研究生.从事制图学与地理信息系统方面的研究.通信地址:北京市西三环北路105号首都师范大学资源环境与地理信息系统省部共建重点实验室.邮编:100037,E2mail:liuyang 211首都师范大学学报(自然科学版)2005年 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/