王 子 茹， 羅 寶 力， 牛 云 格

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

0 引 言

水是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是生態(tài)環(huán)境的控制要素.隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，水利信息化建設(shè)在水資源管理中的重要性日益凸顯.計算機(jī)技術(shù)、科學(xué)可視化滲透在整個水資源管理系統(tǒng)中，為實現(xiàn)水資源的動態(tài)監(jiān)測、水資源的調(diào)查和評價、水資源可持續(xù)利用和優(yōu)化配置以及提高水資源的管理水平，提供了前所未有的技術(shù)保障和決策支撐手段.

近年來，利用計算機(jī)可視化技術(shù)進(jìn)行水資源管理方面已開展了大量的研究工作，文獻(xiàn)[1、2]應(yīng)用地理信息和可視化技術(shù)，建設(shè)了市級水資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了區(qū)域水資源的動態(tài)監(jiān)測以及水資源的評價、分區(qū)等；文獻(xiàn)[3]以VB為開發(fā)平臺，以區(qū)域水資源經(jīng)濟(jì)凈效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立了多目標(biāo)規(guī)劃模型，得到水資源利用的最佳方案；文獻(xiàn)[4]將GIS應(yīng)用于地下水模擬、評價和管理，為地下水信息化工作引進(jìn)了新的技術(shù)手段.

上述研究無疑推動了我國信息技術(shù)在水資源管理方面的應(yīng)用和發(fā)展，為數(shù)字水利提供了先進(jìn)的技術(shù)支持.但就已有研究成果中，應(yīng)用陳守煜于2005年創(chuàng)建的可變模糊集理論[5～7]，對區(qū)域水資源配置方案進(jìn)行評價優(yōu)選，并將其以可視化的形式表達(dá)尚未見到.本文將VC＋＋可視化編程技術(shù)和GIS結(jié)合，采用文獻(xiàn)[8]的評價方法，建立區(qū)域水資源優(yōu)化配置決策方案評價可視化系統(tǒng)，并以大連市水資源優(yōu)化配置為例，對多種方案進(jìn)行優(yōu)選，為水資源合理配置提供決策支持.

1 水資源優(yōu)化配置決策方案評價模型簡介[8]

設(shè)xi(i＝1，2，…，m)為已知待評對象u的指標(biāo)特征值，依據(jù)m個指標(biāo)c個級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)矩陣M＝(Mih)(i＝1，2，…，m；h＝1，2，…，c)進(jìn)行綜合評價.

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，評價對象u指標(biāo)i對級別h的相對隸屬度公式為

又根據(jù)文獻(xiàn)[8]評價對象u對級別h的多指標(biāo)綜合相對隸屬度模型為

α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，當(dāng)α＝1時，優(yōu)化準(zhǔn)則相當(dāng)于最小一乘方；α＝2時，優(yōu)化準(zhǔn)則相當(dāng)于最小二乘方.p為距離參數(shù)，當(dāng)p＝1時，為海明距離；p＝2時，為歐氏距離.兩者可組成模型的4種組合:(1)α＝1，p＝1；(2)α＝1，p＝2；(3)α＝2，p＝1；(4)α＝2，p＝2.

應(yīng)用文獻(xiàn)[6]中的級別特征值公式

應(yīng)用文獻(xiàn)[7]中歸屬等級判斷準(zhǔn)則

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能

基于Windows操作平臺，利用VC＋＋中的MFC框架和GIS功能組件 MapObjects2.0集成，以大連市水資源配置方案為依據(jù)，應(yīng)用可變模糊評價模型，開發(fā)建立了水資源優(yōu)化配置可變模糊評價可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖1所示.該系統(tǒng)由方案可變模糊評價子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)和GIS水系圖子系統(tǒng)組成.系統(tǒng)的主要功能如下:

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The general structure of the system

(1)方案可變模糊評價子系統(tǒng)

根據(jù)陳守煜最新提出的基于辯證法三大規(guī)律之一的質(zhì)量互變規(guī)律的質(zhì)量互變定理的水資源可持續(xù)利用可變模糊集模型，采用模塊化和參數(shù)化的設(shè)計理念，通過建立方案參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間、相對隸屬度、確定權(quán)重以及評價結(jié)果等菜單，開發(fā)出了基于可變模糊的水資源優(yōu)化配置評價子系統(tǒng).并以大連市水資源優(yōu)化配置方案為例，對大連市2020年水資源優(yōu)化配置方案進(jìn)行評價優(yōu)選.

(2)信息查詢子系統(tǒng)

以VC和MapObjects相結(jié)合的形式開發(fā)了水資源優(yōu)化配置可變模糊評價系統(tǒng)中信息查詢子系統(tǒng).主要功能是:

①可變模糊評價信息查詢(包括水資源優(yōu)化配置方案信息查詢、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)矩陣查詢、可變模糊評價模型查詢、評價等級查詢等).可以根據(jù)分析要求，查詢到不同參數(shù)下的級別特征值.

②大連市各行政區(qū)水資源狀況的空間屬性查詢，主要是水資源管理業(yè)務(wù)查詢(水資源基礎(chǔ)資料:地表水、地下水、海水、中水、外調(diào)水等).

③系統(tǒng)考慮到MapObjects組件的功能特點(diǎn)，將地理信息與屬性信息有機(jī)地結(jié)合在一起，實現(xiàn)圖文互動的功能，更直觀地查詢水資源狀況.

(3)GIS水系圖顯示子系統(tǒng)

主要實現(xiàn)GIS的基本地圖操作功能，包括地圖的縮放、漫游和全圖顯示等，可使決策者對大連市轄區(qū)范圍內(nèi)的水資源分配情況有更加直觀、準(zhǔn)確的了解.

2.2 系統(tǒng)主界面設(shè)計

本系統(tǒng)基于MFC應(yīng)用程序向?qū)9]，以CFormView類為基類，建立具有參數(shù)化功能的水資源優(yōu)化配置方案可變模糊評價系統(tǒng).通過插入MapObjects的Map控件來進(jìn)行GIS圖形顯示，系統(tǒng)主界面如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 The system main interface

2.3 VC＋＋和MapObjects的集成

2.3.1 生成水系圖 在ArcMap下繪制大連市水系圖[10]，將GIS組件MapObjects與VC相結(jié)合，將繪制好的水系圖通過Map控件添加到VC環(huán)境中，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)大連市水系圖在VC環(huán)境下的可視化顯示，并且生成的水系圖具有平移、縮放、漫游和地圖標(biāo)注等功能.具體做法如下:

(1)空間數(shù)據(jù)的建立

在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)通過拓?fù)潢P(guān)系來建立聯(lián)系.本系統(tǒng)以空間數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ).首先啟動ArcCatalog，在ArcCatalog目錄窗口中，選擇New／Shapefile…，進(jìn)入新建Shapefile對話框.根據(jù)空間數(shù)據(jù)劃分的情況，鍵入Name內(nèi)容和選擇Point、Polyline、Polygon等要素類，以及進(jìn)行要素屬性表(Feature Attribute Table)的編輯.然后，啟動ArcMap，選擇主菜單File／Add Data，加載新建的Shapefile，進(jìn)行水系圖的編輯.

(2)利用 MFC AppWizard創(chuàng)建應(yīng)用程序

本系統(tǒng)開發(fā)一個基于MFC的單文檔(SDI)應(yīng)用程序.選擇 MFC AppWizard(exe)來創(chuàng)建應(yīng)用程序.

(3)添加 MapObjects控件

選 擇 菜 單 Project→ Add to Project→Components and Controls Gallery， 加 入MapObjects控件模板，將Map控件添加到Form中，并定義變量.

(4)加載圖層

通過設(shè)置Map Control控件的屬性對話框來加載要顯示的圖層數(shù)據(jù)[11].利用Class Wizard向CWaterMapView中添加 WM＿SIZE事件，在OnSize方法的函數(shù)體中添加代碼.

(5)地圖注記

MapObjects中用于添加注記的對象是CMoLabelRender對象和CMoLabelPlacer對象，這兩個對象是常用的注記標(biāo)注工具.本文采用CMoLabelPlacer對象，可以自動添加圖層上對象的標(biāo)注.

2.3.2 實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置情況的查詢 以VC和MapObjects相結(jié)合的形式開發(fā)了水資源優(yōu)化配置可變模糊評價系統(tǒng)中的信息查詢子系統(tǒng)，實現(xiàn)了大連市各行政區(qū)的水資源狀況的空間屬性查詢以及水資源配置方案的信息查詢等.

查詢方式有兩種:菜單選擇和GIS地圖選擇.通過菜單下拉項選擇查詢目標(biāo)，操作簡單；地圖選擇則是在GIS地圖上選擇需要查詢的行政區(qū)域的水資源狀況，鼠標(biāo)點(diǎn)擊水系圖上任意圖層，則該圖層閃亮顯示，彈出一個窗口，顯示該圖層的屬性信息，為該區(qū)域的水資源狀況.實現(xiàn)查詢區(qū)域閃爍效果使用的是MapObjects組件的FlashShape()方法[12].

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用——以大連市為例

2.4.1 數(shù)據(jù)資料 根據(jù)大連市的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等因素，篩選出與水資源可持續(xù)利用和大連社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)的9個評價指標(biāo)[13]進(jìn)行評價:工業(yè)用水比例x1(%)，中水回用成本x2(106元)，外調(diào)水供水成本x3(106元)，地下水開發(fā)利用程度x4(%)，中水回用率x5(%)，污水處理率x6(%)，非傳統(tǒng)水源占總供水比例x7(%)，本地淡水資源利用率x8(%)，外調(diào)水量占總供水量比例x9(%).其中，外調(diào)水量占總供水量比例是外調(diào)水利用量／總供水量.考慮現(xiàn)在的成本有所提高，故將評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值x2、x3做了相應(yīng)的調(diào)整.評價指標(biāo)及各級標(biāo)準(zhǔn)值見表1.采用文獻(xiàn)[13]的有關(guān)數(shù)據(jù)，大連市2020年城鎮(zhèn)水資源優(yōu)化配置方案評價指標(biāo)值如表2所示.

表1 指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值Tab.1 Index classification standard values

表2 大連市水資源配置方案評價指標(biāo)值Tab.2 Water resources allocation plan evaluation index values in Dalian

采用文獻(xiàn)[13]的指標(biāo)權(quán)重向量為

2.4.2 可變模糊評價子系統(tǒng)的實現(xiàn) 可變模糊評價子系統(tǒng)由方案參數(shù)輸入、指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值、指標(biāo)相對隸屬度計算、指標(biāo)權(quán)重、評價結(jié)果等系統(tǒng)菜單組成.評價時，在相應(yīng)的對話框中輸入?yún)?shù)，即可得到該方案的評價結(jié)果(各種對話框略).

以方案1為例，通過可變模糊評價系統(tǒng)對其進(jìn)行評價，最終將4組參數(shù)下的評價結(jié)果匯總，得出方案1的評價等級，如圖3所示.

圖3 評價結(jié)果匯總Fig.3 Integration of evaluation result

2.4.3 評價結(jié)果分析 應(yīng)用可變模糊評價方法，采用可變模糊集中的4組模型分別對3套方案進(jìn)行評判，評價結(jié)果見表3.

表3 大連市水資源優(yōu)化配置方案評價等級Tab.3 Rank of water resources optimizing allocation plans in Dalian

根據(jù)判斷準(zhǔn)則式(5)，通過分析評價結(jié)果可知，3套方案的評價等級均為2級偏1級.但考慮到水資源系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，又考慮到在所選取的評價指標(biāo)中有線性指標(biāo)(例如中水回用成本等)，故采用α＝1，p＝1和α＝2，p＝1兩種參數(shù)組合的平均值作為最后的評價結(jié)果，如表4所示.由此可見，方案2的評價結(jié)果與其他方案相比較，相對于最優(yōu)級的隸屬度較高，故方案2的配置方案為最優(yōu)方案.

表4 兩種參數(shù)組合下的評價結(jié)果Tab.4 Evaluation result of two kinds of parameters combination

2.4.4 系統(tǒng)查詢

(1)菜單選擇查詢信息:通過菜單下拉項選擇查詢目標(biāo)，圖4為指標(biāo)值查詢.

(2)選擇GIS地圖查詢空間屬性:在GIS地圖上可以任意選擇需要查詢的行政區(qū)域的水資源狀況，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可實現(xiàn)水資源狀況的空間屬性查詢.圖5為金州以南地區(qū)的空間屬性查詢.

圖4 指標(biāo)值查詢Fig.4 Inquirement of index values

圖5 空間屬性查詢Fig.5 Inquirement of spatial attribute

3 結(jié) 語

利用可視化技術(shù)，以Windows系統(tǒng)為操作平臺，通過VC＋＋6.0中的MFC框架結(jié)合GIS技術(shù)，開發(fā)出了大連市水資源優(yōu)化配置方案評價可視化系統(tǒng).根據(jù)文獻(xiàn)[13、14]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了運(yùn)用可變模糊集理論及模型對大連市城鎮(zhèn)水資源優(yōu)化配置方案的評價優(yōu)選，得出最優(yōu)方案.文獻(xiàn)[15]同樣說明了可變模糊集理論、模型與方法的科學(xué)性.實例表明，該系統(tǒng)運(yùn)用于水資源優(yōu)化配置方案評價，具有復(fù)雜問題簡單化、計算方便快捷、人機(jī)界面交互性好的特點(diǎn)，為水資源優(yōu)化配置方案評價可視化提供了一個新平臺.

致謝:本文得到了陳守煜教授的悉心指導(dǎo).

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