劉靜(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038)

基于GIS的地下水位預(yù)測管理信息系統(tǒng)

劉靜?
(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038)

摘 要:為了使北京市區(qū)域淺層地下水動態(tài)規(guī)律的數(shù)值模擬研究及地下水遠(yuǎn)期最高水位的預(yù)測模型預(yù)測成果更好地為城市規(guī)劃、工程建設(shè)服務(wù),將GIS技術(shù)與地下水位預(yù)測的專業(yè)模型相結(jié)合,研制開發(fā)了地下水位預(yù)測管理信息系統(tǒng),使抽象的地下水位預(yù)測工作變得生動、直觀和全面,使地下水位預(yù)測管理工作走向智能化和科學(xué)化,從而全面提升地下水位預(yù)測和管理水平。

關(guān)鍵詞:地下水;預(yù)測;組件GIS;Excel-VBA;OWC;插值分析

1 引 言

如果能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測在將來的規(guī)劃建設(shè)中需要考慮的地下水位條件,那么如工程結(jié)構(gòu)的抗浮問題、地下水賦存與滲流形態(tài)及其對環(huán)境影響的問題等都可迎刃而解。為此,嘗試通過對區(qū)域地層及地下水位資料、氣象水文資料以及基于此的地下水位動態(tài)規(guī)律進(jìn)行分析,然后根據(jù)滲流理論,建立區(qū)域性地下水三維滲流模型,并對該模型進(jìn)行參數(shù)識別與驗(yàn)證,從而實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)期最高水位的預(yù)測。目前,此項(xiàng)研究已取得了階段性成果[1]。

為了將這些成果和模型參數(shù),更好地服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐,特研制開發(fā)了地下水位預(yù)測管理信息系統(tǒng),旨在建立面向用戶的,具備地下水環(huán)境管理、查詢、預(yù)測等功能的綜合管理信息系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)

地下水位預(yù)測管理信息系統(tǒng)是以C#．NET和SuperMap Objects為基礎(chǔ)開發(fā)工具,實(shí)現(xiàn)對北京市區(qū)域淺層地下水動態(tài)規(guī)律的數(shù)值模擬研究及地下水的遠(yuǎn)期最高水位預(yù)測,為北京市城市規(guī)劃和工程建設(shè)提供決策手段和輔助分析依據(jù)。具體目標(biāo)如下[2]:

(1)通過電子地圖與地下水位預(yù)測離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)地下水遠(yuǎn)期最高水位的預(yù)測查詢,并能夠繪制水位動態(tài)預(yù)測曲線。

(2)將地理信息系統(tǒng)與地下水位模型相結(jié)合,對地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行多種預(yù)測分析,實(shí)現(xiàn)決策支持。

(3)建立完善的功能擴(kuò)展和數(shù)據(jù)更新機(jī)制,保證系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2．2體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)按照“分層設(shè)計、模塊構(gòu)建”的思想進(jìn)行設(shè)計,采用三層C/ S模式架構(gòu)[3],依次為:人機(jī)交互層、業(yè)務(wù)邏輯層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的存儲管理,由地圖數(shù)據(jù)庫和地下水位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫組成;業(yè)務(wù)邏輯層主要是針對具體問題的操作和對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯處理,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的具體功能;人機(jī)交互層采用WINFORM方式,提供用戶與系統(tǒng)之間的接口。如圖1所示:

圖1　系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3．1組件式GIS

組件式GIS是把GIS的功能模塊劃分為若干個控件,每個控件實(shí)現(xiàn)不同的功能。各個GIS控件之間及與其他非GIS控件之間,可通過可視化編程工具集成,最終形成所需的GIS應(yīng)用。SuperMap Objects是Su-perMap GIS系列軟件中的以COM/ ActiveX技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)的全組件式GIS開發(fā)平臺。主要由Super Map．ocx、Super Layout．ocx、SuperWorkspManage．ocx、Super-Legend．ocx等多個組件庫構(gòu)成,可實(shí)現(xiàn)圖形顯示、瀏覽、編輯以及可視化等功能,提供地理空間數(shù)據(jù)的查詢與分析,可存儲管理海量空間數(shù)據(jù),支持多種開發(fā)語言,支持多種數(shù)據(jù)格式[4]。

系統(tǒng)通過C#．NET調(diào)用SuperMap．ocx組件等,編程開發(fā)來實(shí)現(xiàn)各種功能,具體步驟如下:

(1)建立WinForm項(xiàng)目,嵌入SuperMap Objects對象類型庫;

(2)建立SuperMap Objects對象,并建立相應(yīng)控件之間的聯(lián)系;

(3)調(diào)用SuperMap Objects對象和其他C#．NET對象方法和屬性完成GIS應(yīng)用軟件功能;

(4)釋放SuperMap Objects對象級變量,斷開控件之間的連接,關(guān)閉相應(yīng)的資源。

3．2Excel-VBA

VBA是一種宏語言,在擴(kuò)展Word、Excel等軟件的自動化功能上應(yīng)用較廣泛。Excel-VBA就是捆綁于Excel的自動化語言[5]。

Excel VBA可以幫助我們實(shí)現(xiàn)Excel的智能化,使工作更高效、操作更方便、重復(fù)性工作變得更有趣,還可以根據(jù)需求定制程序界面,開發(fā)受保護(hù)的專業(yè)程序,加上用戶對Excel的界面和操作熟悉等優(yōu)勢,因此,可利用VBA對Excel進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)地下水位預(yù)測曲線的自動繪制[6]。

3．3OWC控件

OWC是微軟公司開發(fā)的針對Web在Office中的在線分析處理(OLAP)組件,可以用來繪制絕大部分圖形,在Web上發(fā)布電子表格以及動態(tài)生成圖表等。OWC能將部分Office的功能擴(kuò)展到Web上,是一個優(yōu)秀的服務(wù)器端圖表引擎,具有與Excel同樣強(qiáng)大的圖表繪制能力,它能夠在服務(wù)器端動態(tài)生成GIF或JPG格式的圖表[7]。

3．3插值分析技術(shù)

獲取的地下水位數(shù)據(jù)是離散點(diǎn)的形式。離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過空間采樣點(diǎn)進(jìn)行觀測獲得,無法對空間所有點(diǎn)進(jìn)行觀測,但可以設(shè)置一些關(guān)鍵的樣本點(diǎn),這些樣本點(diǎn)的觀測值能反映空間分布的全部或部分特征,然后利用空間內(nèi)插方法來獲取未采樣點(diǎn)的值。一般所說的空間內(nèi)插就是指點(diǎn)內(nèi)插,一般都是基于下述假設(shè)進(jìn)行的:空間位置上越靠近的點(diǎn),越有可能具有相似的特征值,離得越遠(yuǎn)的點(diǎn),其特征值相似的可能性越小。點(diǎn)內(nèi)插根據(jù)其基本假設(shè)和數(shù)學(xué)本質(zhì)可分為幾何方法、統(tǒng)計方法、空間統(tǒng)計方法、函數(shù)方法、隨機(jī)模擬方法、物理模型模擬方法和綜合方法等。

考慮到可操作性,本項(xiàng)目借助GIS中的空間分析模塊,使用距離權(quán)重反比法、克呂金法、樣條函數(shù)法進(jìn)行空間內(nèi)插[8]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4．1開發(fā)環(huán)境

開發(fā)語言選擇C#,C#是一種界面像Delphi,語言風(fēng)格像Java,開發(fā)方面像VB,名字和靈活性像C的語言。C#．net和VB．net均是基于．NET Framework框架的編程語言,所以除了語法外基本沒什么區(qū)別,但普遍認(rèn)為C#．net要比VB．net編程更嚴(yán)謹(jǐn),效率更高。

GIS組件選擇Supermap Objects,與依附于通用GIS平臺的二次開發(fā)模式不同,基于Supermap Objects開發(fā)使本系統(tǒng)具有獨(dú)立的應(yīng)用程序框架,更方便管理人員使用。

4．2主要功能

北京市地下水位預(yù)測管理信息系統(tǒng)分為4個模塊:地圖控制模塊、地圖查詢模塊、等值線展示模塊、三維展示模塊。整個系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能組成

系統(tǒng)主界面如圖3所示:

(1)地圖控制模塊

地圖控制模塊實(shí)現(xiàn)與圖形數(shù)據(jù)處理相關(guān)的顯示、控制、編輯、管理等功能。包括圖層瀏覽、圖層操作等。

①圖層瀏覽:地圖的放大、縮小、漫游、全圖、測距、地圖切換等。

②圖層操作:用戶可以增加、刪除、編輯圖層,并可設(shè)置圖層的顯示、編輯、排序、顏色等相關(guān)屬性。

圖3　系統(tǒng)主界面

(2)地圖查詢模塊

查詢是系統(tǒng)最核心的功能,包括動態(tài)查詢、實(shí)時查詢、屬性查詢(單一屬性查詢、區(qū)域?qū)傩圆樵?、動態(tài)預(yù)測曲線生成等。

①動態(tài)查詢:根據(jù)水位預(yù)測模型,利用GIS的空間分析功能,建立插值分析模型,基于柵格數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的自動插值,預(yù)測未知區(qū)域的水位數(shù)據(jù)。

②實(shí)時查詢:通過對相鄰時間段的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時間上的一維線性插值,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時水位查詢。

③屬性查詢:實(shí)現(xiàn)單一監(jiān)測點(diǎn)、區(qū)域內(nèi)多個監(jiān)測點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)查詢。

④動態(tài)預(yù)測曲線生成:為了直觀、形象地顯示某監(jiān)測點(diǎn)的水位變化過程,系統(tǒng)提供水位動態(tài)預(yù)測曲線自動繪制,一可以生成Excel曲線圖表,二可以通過OWC控件直接繪制曲線圖。

(3)等值線模塊

系統(tǒng)可自動生成水位等值線,并疊加地圖顯示。

(4)三維展示模塊

系統(tǒng)可自動加載三維模型,展示三維效果。

5 結(jié) 語

地下水位預(yù)測是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作,涉及內(nèi)容多、數(shù)據(jù)量大、處理難度大,依托計算機(jī)技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù),進(jìn)行地下水位預(yù)測可大大提高工作效率,實(shí)現(xiàn)預(yù)測工作的自動化。隨著人工智能、專家系統(tǒng)技術(shù)的越發(fā)成熟,如何將人工智能、專家系統(tǒng)技術(shù)引用到預(yù)測工作中來是下一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 王軍輝,韓煊,周宏磊等．地下結(jié)構(gòu)對滲流場阻隔問題的解析～半解析法[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009(2):13～18．

[2] 王海俠．基于SuperMap Objects組件技術(shù)的征地資料管理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]．城市勘測,2014(3):88～92．

[3] 沈麗霞．基于GIS的城市環(huán)保地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)[J]．城市勘測,2014(4):43～46．

[4] 周江,李崇巍,宋宜全．基于組件GIS的海岸線分形計算系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]．天津師范大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版, 2015(1):38～42．

[5] 端禮欽,王靜．應(yīng)用Excel-VBA編制檢驗(yàn)報告[J]．分析儀器,2013(5):99～102．

[6] 林玉英,陳誠,劉娜翠等．基于VBA的福建省道路客運(yùn)需求分布預(yù)測[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版,2013 (5):991～994．

[7] 丁劍博,楊昆．OWC系列控件的圖形化開發(fā)與應(yīng)用[J]．計算機(jī)時代,2011(1):33～35．

[8] 付瑞全,向先全,楊翼等．基于WEB服務(wù)的海水污染面積計算方法研究[J]．海洋通報,2014(6):712～716．

Management Information System Based on GIS of Groundwater Level Forecast

Liu Jing
(BGI Engineering Consultants LTD,Beijing 100038,China)

Abstract:In order to make the numerical simulation research on the Beijing area of shallow groundwater dynamic and forward the highest groundwater level prediction model prediction results better service for urban planning,engineering construction,the GIS technology combined with the professional model of underground water level,research and development of the underground water level forecasting Management Information System,make the abstract of the underground water level prediction becomes vivid,intuitive and comprehensive work,makes the prediction of groundwater level to intellectual and scientific management work,so as to improve the prediction of ground water level and management level．

Key words:groundwater;prognosis;component GIS;Excel-VBA;OWC;interpolation analysis

文章編號:1672-8262(2015)06-38-03中圖分類號:P208．2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

收稿日期:?2015—09—16

作者簡介:劉靜(1980—),女,高級工程師,主要從事工程測量及GIS開發(fā)等。