沈維政 ，張成峰 ，香 寶，秦月陽(yáng)

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

松花江是黑龍江的最大支流，全長(zhǎng)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(guó)家已把松花江的水環(huán)境污染治理正式納入“十一五”重點(diǎn)治理流域[3]，但其多尺度、多類型、多專題的特點(diǎn)導(dǎo)致基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理、分類、儲(chǔ)存、查看困難，水環(huán)境質(zhì)量管理空間數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵性技術(shù)也需研發(fā)。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，將軟件工程中結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的分析和設(shè)計(jì)[4]，結(jié)合GIS、Arcgis Engine等組件技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)松花江流域水質(zhì)管理空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

綜合利用全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù),結(jié)合松花江流域具體特征，采集與整理松花江水環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，集成松花江流域水環(huán)境質(zhì)量所需的多源數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)松花江流域水質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，為水質(zhì)評(píng)價(jià)、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、污染事故評(píng)估和政府決策等提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 設(shè)計(jì)原則

①成熟與先進(jìn)性。選用技術(shù)應(yīng)是成熟的、先進(jìn)實(shí)用、穩(wěn)定可靠的，是目前計(jì)算機(jī)技術(shù)上普遍流行的，同時(shí)有較好的性價(jià)比。

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

③可擴(kuò)展性。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，無論從軟件、硬件，還是從網(wǎng)絡(luò)上，包括業(yè)務(wù)處理，要留有擴(kuò)展余地，以滿足今后業(yè)務(wù)規(guī)模發(fā)展需求。

2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的總體思想

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的總體需求是針對(duì)松花江流域多風(fēng)險(xiǎn)源的特點(diǎn)和流域水環(huán)境質(zhì)量管理的決策支持設(shè)定，根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(kù)，從區(qū)域尺度轉(zhuǎn)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(zhì)量變化情況。

結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)定每一尺度范圍內(nèi)的專題信息必須繼承四種類型的空間屬性信息，從而進(jìn)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(shè)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(hù)區(qū)為例）；多類型為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、河流水域信息數(shù)據(jù)庫(kù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和國(guó)控企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，類型數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為參考，對(duì)本次數(shù)據(jù)庫(kù)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(shè)思想Fig.1 Whole construction thought of the data

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

數(shù)據(jù)庫(kù)主要圍繞著建庫(kù)思想即基礎(chǔ)地理信息庫(kù)、河流水域信息庫(kù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息庫(kù)、國(guó)控企業(yè)信息庫(kù)建設(shè)，其過程見圖2：

①基礎(chǔ)地理信息庫(kù)建設(shè)：基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)以反映研究區(qū)域基本特征為主要對(duì)象，其構(gòu)成的數(shù)據(jù)集有居民點(diǎn)、交通、行政區(qū)劃界線和地勢(shì)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(dāng)選擇基礎(chǔ)地理信息信息數(shù)據(jù)，典型區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為DLG。“居民點(diǎn)”數(shù)據(jù)集中含有點(diǎn)要素：省級(jí)市、地級(jí)市、地區(qū)盟和縣級(jí)市；“交通”數(shù)據(jù)集中含有線要素：國(guó)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(jí)行政區(qū)?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)圖形及顏色設(shè)置遵循國(guó)家地圖學(xué)制圖標(biāo)準(zhǔn)。

②河流水域信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)：河流水域信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)以反映松花江流域水域基本特征為主要對(duì)象，是研究水質(zhì)量的基礎(chǔ)對(duì)象，其構(gòu)成的數(shù)據(jù)集有河流、湖泊、水庫(kù)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(jí)河流水域基本數(shù)據(jù)，典型區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為DLG。“河流”數(shù)據(jù)集中含有線要素和面要素：一級(jí)河流、二級(jí)河流、三四級(jí)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(kù)”數(shù)據(jù)集中含有面要素：大型水庫(kù)和中小型水庫(kù)；流域境界數(shù)據(jù)集中含有一級(jí)流域、二級(jí)流域、三級(jí)流域和四級(jí)流域；“水工設(shè)施”數(shù)據(jù)集中含有堤壩、河道橫斷和河閘?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)圖形及顏色設(shè)置遵循國(guó)家地圖學(xué)制圖標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)框架Fig.2 Framework of the spatial database construction

③水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)：建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)松花江流域風(fēng)險(xiǎn)源的特點(diǎn)和流域水環(huán)境質(zhì)量的基礎(chǔ)工作，其構(gòu)成的數(shù)據(jù)集有基礎(chǔ)站點(diǎn)、地表水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和國(guó)家地表水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。根據(jù)松花江流域內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)集功能的不同將收集數(shù)據(jù)入庫(kù)?！盎A(chǔ)站點(diǎn)”數(shù)據(jù)集中含有點(diǎn)要素：雨量、水質(zhì)、水文、水庫(kù)、河道和地表水；“地表水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)”數(shù)據(jù)集中含有點(diǎn)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(cè)站點(diǎn)”數(shù)據(jù)集中含有點(diǎn)要素和線要素：地下水礦化度測(cè)站和地下水礦化度等值線圖；“國(guó)家地表水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)”數(shù)據(jù)集中含有松花江流域內(nèi)的國(guó)家地表水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息，分別按照“按年度”、“按季度”、“按月份”和“按周例”要素集入庫(kù)。

④國(guó)控企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)：國(guó)控企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)集有松花江流域內(nèi)黑龍江省和吉林省國(guó)有控股企業(yè)信息。根據(jù)國(guó)有控股企業(yè)職能的不同將收集數(shù)據(jù)分別入庫(kù)。“黑龍江省國(guó)有控股企業(yè)”數(shù)據(jù)集中含有點(diǎn)要素：企業(yè)排污點(diǎn)和城市生活污水處理廠；“吉林省國(guó)有控股企業(yè)”數(shù)據(jù)集中含有點(diǎn)要素：企業(yè)排污點(diǎn)和城市生活污水處理廠。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

空間數(shù)據(jù)庫(kù)的整體設(shè)計(jì)與程序的整體設(shè)計(jì)與開發(fā)密不可分，合理的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)僅是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，成敗的關(guān)鍵在于軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)思路。本系統(tǒng)以Arcgis軟件為應(yīng)用平臺(tái)，采用組件式開發(fā)方式，以c#為程序開發(fā)語(yǔ)言，同時(shí)利用Arcgis Engine提供的二次開發(fā)函數(shù)庫(kù)及其基類庫(kù)進(jìn)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(jié)合Arcgis Engine集成組件，所展現(xiàn)的系統(tǒng)界面更加簡(jiǎn)明易懂。系統(tǒng)操作的地圖是具體的工程地圖，操作對(duì)象面向地理圖層、地圖要素，這樣通過合理規(guī)劃，設(shè)計(jì)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(duì)話框簡(jiǎn)易操作的特點(diǎn)。工具條位于窗口上部菜單欄條下，每一個(gè)工具欄圖標(biāo)在菜單中都有一項(xiàng)命令與之相對(duì)應(yīng)，操作時(shí)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(dāng)系統(tǒng)加載相應(yīng)地圖時(shí)，圖層管理窗口、屬性管理窗口會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的相應(yīng)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(gòu)成。

①文件模塊：打開地圖文檔、關(guān)閉地圖文檔、新建、添加數(shù)據(jù)、保存和另存為功能，可以實(shí)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(diǎn)選、圓選、多邊形選擇等選擇方式，選擇要素會(huì)在地圖上高亮顯示，同時(shí)要素的屬性數(shù)據(jù)會(huì)在圖的右下角以列表形式展現(xiàn)，實(shí)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(duì)比不同空間位置、屬性值、狀態(tài)值并查看對(duì)應(yīng)的專題圖，根據(jù)結(jié)果做出分析[9-11]。

⑤地圖加載模塊：系統(tǒng)剛進(jìn)入載入的地圖為基礎(chǔ)地理地圖、通過點(diǎn)擊菜單欄上的“國(guó)有企業(yè)信息”、“流域水質(zhì)信息”，“水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)的屬性信息，選擇性進(jìn)行空間分析等基礎(chǔ)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(wù)，用戶通過菜單欄下方的工具欄，調(diào)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(jié) 論

本文以地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等知識(shí)體系為核心，并以高起點(diǎn)、高要求、高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為原則開發(fā)松花江流域水質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。目前已經(jīng)完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、河流水域數(shù)據(jù)庫(kù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、國(guó)有企業(yè)信息庫(kù)的構(gòu)建，并應(yīng)用于國(guó)家松花江流域水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)源采集及處理平臺(tái)中，運(yùn)行良好。

①通過收集、整理流域水質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、空間分析、空間檢索等功能對(duì)流域水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，十分高效，能夠?yàn)樗苫ń饔蛩|(zhì)管理決策、水質(zhì)數(shù)據(jù)取樣分析提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)。

②本系統(tǒng)采用第三代數(shù)據(jù)庫(kù)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，方便管理。

③本系統(tǒng)采用Arcgis Engine組件式的開發(fā)，結(jié)合WPF頁(yè)面設(shè)計(jì)，給用戶提供一個(gè)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(chǔ)地理數(shù)據(jù)，為用戶減輕了負(fù)擔(dān)。

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(yīng)在實(shí)踐中改進(jìn)，待探討之處如下：

①地理數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)量特別大，后續(xù)的存儲(chǔ)應(yīng)使用商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

②系統(tǒng)雖按照軟件結(jié)構(gòu)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(yán)格按照規(guī)范，提高效率。

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