楊美菊+龍華+李宇昊+邵玉斌+杜慶治+楊曉紅

摘要：為解決人工排查河流突發(fā)水污染事件排污企業(yè)名單時(shí)，工作效率低、可靠性差等問(wèn)題，針對(duì)云南省河流數(shù)量龐大、分布廣的特點(diǎn)，基于BS模式，利用Java編程語(yǔ)言及DBSCAN聚類(lèi)算法、WebGIS的富客戶(hù)端技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了云南省河流污染源排查系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)云南省內(nèi)6大水系干流及其一級(jí)支流和排污企業(yè)的信息化管理，并在發(fā)生水污染事件時(shí)及時(shí)排查出導(dǎo)致水污染事件發(fā)生的疑似企業(yè)名單，為環(huán)保部門(mén)分析及執(zhí)法提供決策依據(jù)，提高環(huán)保部門(mén)的工作效率。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：水污染；Java；排查系統(tǒng)；WebGIS

DOIDOI：10.11907/rjdk.171905

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011005804

0引言

環(huán)保部《2016年全國(guó)環(huán)境應(yīng)急管理工作要點(diǎn)》提出做實(shí)環(huán)境安全隱患排查治理監(jiān)管工作，各地環(huán)保部門(mén)要督促企業(yè)開(kāi)展環(huán)境安全隱患排查治理，健全環(huán)境安全隱患治理制度，建立環(huán)境安全隱患排查治理檔案，深化重點(diǎn)領(lǐng)域環(huán)境應(yīng)急管理工作[1]。信息化手段是環(huán)境應(yīng)急管理的必要技術(shù)手段，各地環(huán)保部門(mén)只有通過(guò)信息化建設(shè)，充分掌控所管企業(yè)的涉污數(shù)據(jù)，才能有效地督促指導(dǎo)污染企業(yè)開(kāi)展環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制定切實(shí)可行的預(yù)案并備案，從而及時(shí)防范并妥善應(yīng)對(duì)突發(fā)環(huán)境事件[2]。

由于沿河居民日常生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)河流水資源的依賴(lài)程度較高，因此提升水污染事件排查效率尤為重要[3]。云南水資源豐富，總量?jī)H次于西藏、四川兩省區(qū)，居全國(guó)第3位。省境內(nèi)有大小河流600多條，其中水能資源蘊(yùn)藏量在1萬(wàn)千瓦以上的有300條。然而，根據(jù)2016年云南省國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)名單顯示，云南省共有廢水國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)78家，廢氣國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)87家，污水處理廠國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)98家，涉污國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)256家，危險(xiǎn)廢物國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)32家[4]。除此551家登記在國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)名單的企業(yè)外，還有許多企業(yè)存在排污。這些企業(yè)中的很大部分企業(yè)排污設(shè)施不完善，有些甚至直接將工業(yè)廢水直接排入附近河流。當(dāng)發(fā)生突發(fā)性水污染事件時(shí)，相關(guān)部門(mén)除了制定相關(guān)措施處理被污染水源外，還需要迅速定位污染排放企業(yè)，從源頭上迅速堵截污染，并對(duì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行追責(zé)。近年來(lái)，各級(jí)環(huán)保部門(mén)紛紛把制定突發(fā)性污染實(shí)踐應(yīng)急預(yù)案作為維護(hù)社會(huì)安全穩(wěn)定的主要措施[5]。因此，河流污染源排查系統(tǒng)設(shè)計(jì)在相關(guān)部門(mén)中的應(yīng)用尤為必要，可在很大程度上緩解手工排查污染企業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的弊端。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1基于WebGIS的河流標(biāo)定

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)云南省河流與污染企業(yè)的電子地圖展示，以及污染源排查結(jié)果的地圖顯示。因WebGIS（Web Geographic Information System）在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)圖形、圖像、地理信息數(shù)據(jù)在空間框架下的動(dòng)態(tài)鏈接，富客戶(hù)端技術(shù)又使得程序部署靈活且用戶(hù)交互性較強(qiáng)、用戶(hù)體驗(yàn)豐富[67]。因此，系統(tǒng)調(diào)用高德地圖Javascript API（Javascript Application Programming Interface）接口進(jìn)行GIS顯示。然而，河流在電子地圖中展示需要已知一系列的點(diǎn)才能在地圖上進(jìn)行描繪。因此，需要先獲取河流上一系列點(diǎn)的坐標(biāo)。

河流可視為一條起伏的曲線。在此，本文給出關(guān)于河流拐點(diǎn)的定義，拐點(diǎn)即地圖在某一縮放級(jí)別時(shí)，描繪河流曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)拐點(diǎn)附件折線段范圍無(wú)限小，則拐點(diǎn)就是極值點(diǎn)。假設(shè)將河流某一段抽象表示為二元函數(shù)表達(dá)式Z=f（lng，lat），其中l(wèi)ng和lat分別為點(diǎn)坐標(biāo)的經(jīng)度與緯度。則拐點(diǎn)為這一段中的極大值或者極小值，例如當(dāng)P0坐標(biāo)為（lng0，lat0）時(shí)使得Z=Zmin或者Z=Zmax，則P0點(diǎn)為拐點(diǎn)。

通過(guò)人工取點(diǎn)的方式從電子地圖中取得云南省6大水系干流及其一級(jí)支流拐點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.2污染源排查算法

污染源排查算法是污染源排查系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)中除了保存河流拐點(diǎn)信息，還將統(tǒng)計(jì)到的污染企業(yè)信息及其地理坐標(biāo)也存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。在污染源排查過(guò)程中通過(guò)對(duì)比提交的污染源地理坐標(biāo)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的河流及企業(yè)數(shù)據(jù)，找出污染來(lái)源上游的疑似排污企業(yè)，再根據(jù)污染源信息與企業(yè)排污成分對(duì)比和搜查范圍劃定最后的疑似排污企業(yè)名單。

檢索污染源位于哪條河流拐點(diǎn)附近時(shí)，先確定污染源所在簇，由簇序號(hào)在河流表中確定與污染源距離最近的拐點(diǎn)。通過(guò)該拐點(diǎn)向上游拐點(diǎn)追溯，由上游某一范圍內(nèi)的拐點(diǎn)依次調(diào)用距離計(jì)算函數(shù)求出距離河流上游指定距離企業(yè)名單，再通過(guò)污染成分篩查即可確定最終疑似企業(yè)名單。從地圖中取出的拐點(diǎn)數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度、緯度。在系統(tǒng)中為了加速污染定位排查速度，使用DBSCAN（DensityBased Spatial Clustering of Applications with Noise）聚類(lèi)算法對(duì)河流拐點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)，基于簇的核心對(duì)象建立索引[8]。DBSCAN聚類(lèi)算法的核心對(duì)象是給定對(duì)象在ε鄰域（搜索半徑）內(nèi)的樣本點(diǎn)數(shù)大于等于MinPts（最小點(diǎn)數(shù)）[9]。本文設(shè)置ε=0.1，MinPts=4，然后將得到的每個(gè)核心對(duì)象的坐標(biāo)范圍和所包含的對(duì)象ID存到數(shù)據(jù)庫(kù)表中。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，河流表以【id |河流id |點(diǎn)序號(hào) |經(jīng)度 |緯度 |所在簇序號(hào)】 的格式存儲(chǔ)。

例如，假設(shè)污染源P的坐標(biāo)為（Plng，Plat），集合 C={Ci，i=1，2，…}為河流拐點(diǎn)簇的集合，集合中的某個(gè)簇Ci={Pj，j=1，2，…}為部分拐點(diǎn)的集合。則距離污染源最近的河流拐點(diǎn)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

Cilngmin≤Plng≤Cilngmax

Cilatmin≤Plat≤Cilatmax（1）

Pjlng≤Plng≤Pj+1lng或Pj+1lng≤Plng≤Pjlngendprint

Pjlat≤Plat≤Pj+1lat或Pj+1lat≤Plat≤Pjlat（2）

其中，Plng和Plat分別為污染源的經(jīng)度與緯度；Cilngmin和Cilngmax為某個(gè)簇經(jīng)度的最大值和最小值；Cilatmin和Cilatmax為某個(gè)簇緯度的最大值和最小值；Pjlng和Pjlat分別表示所找到的簇中某一拐點(diǎn)的經(jīng)度與緯度。

此系統(tǒng)篩選出來(lái)的疑似排污名單可為環(huán)保部門(mén)工作人員提供走訪調(diào)查依據(jù)，大大節(jié)省人工排查污染企業(yè)的人力與物力投資，提高排查準(zhǔn)確性。污染源排查具體流程如圖1所示。

圖1污染源排查流程

2系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)以信息化手段支持對(duì)涉污企業(yè)的管控，提高管控的及時(shí)性和高效性。開(kāi)發(fā)云南省河流污染源排查系統(tǒng)，通過(guò)建立云南省國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控涉污企業(yè)信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)，以電子地圖的可視化方式，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析模型與技術(shù)，從地理空間、時(shí)間和污染關(guān)聯(lián)因素等多方面直觀展現(xiàn)云南省國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)控涉污企業(yè)分布情況、企業(yè)基本信息和其特征污染因子等信息，并通過(guò)信息間的關(guān)聯(lián)檢索，快速篩查和鎖定污染企業(yè)，并將污染企業(yè)的基本情況和其特征污染因子以圖表形式展示，為水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)和應(yīng)急提供基礎(chǔ)資料。系統(tǒng)將完成以下7方面內(nèi)容：①設(shè)計(jì)涉污企業(yè)信息管理平臺(tái)硬件和軟件構(gòu)架；②實(shí)現(xiàn)涉污企業(yè)信息管理系統(tǒng)的服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建；③涉污企業(yè)監(jiān)管信息數(shù)據(jù)的采集和入庫(kù)，包括涉污企業(yè)基本數(shù)據(jù)、污染因子數(shù)據(jù)、主要污染物、數(shù)量等數(shù)據(jù)；④實(shí)現(xiàn)基于電子地圖的BS工作引擎，加載云南省電子地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云南省6大水系及其一級(jí)、二級(jí)支流的地圖數(shù)據(jù)矢量化，并為其構(gòu)造相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成污染源水系的查詢(xún)和顯示；⑤完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的多方位查詢(xún)應(yīng)用，并得出輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析；⑥基于GIS的可視化前臺(tái)應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)基于電子地圖的污染源數(shù)據(jù)分析，并以圖表形式展示出分析結(jié)果；⑦數(shù)據(jù)后臺(tái)管理應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的錄入和管理、用戶(hù)管理和安全管理等后臺(tái)功能。

圖2系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)分為7層：基礎(chǔ)軟件層即為服務(wù)器基礎(chǔ)平臺(tái)，包括操作系統(tǒng)、Web服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件；數(shù)據(jù)層即基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，分為WebGIS數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)兩大類(lèi)；在數(shù)據(jù)層之上，是為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)查詢(xún)檢索、編輯錄入以及用戶(hù)管理等基本功能的基礎(chǔ)功能層，通過(guò)基礎(chǔ)功能層提供的功能模塊，形成業(yè)務(wù)應(yīng)用層上的各種業(yè)務(wù)組合，包括后臺(tái)維護(hù)應(yīng)用和基于GIS用戶(hù)界面的前臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用等；通信層即業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)以瀏覽器方式訪問(wèn)Web服務(wù)器上的業(yè)務(wù)應(yīng)用，從而構(gòu)成業(yè)務(wù)應(yīng)用的軟件系統(tǒng)。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用BS架構(gòu)，服務(wù)器由Web服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件構(gòu)成，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)前臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用和后臺(tái)數(shù)據(jù)管理。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2010，Web服務(wù)器為Resin，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，應(yīng)用軟件采用Java和JSP編程實(shí)現(xiàn)。

3.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)可以存放企業(yè)、河流和用戶(hù)基本信息，系統(tǒng)中共建立了用戶(hù)表USER_LIST、權(quán)限表PERMISION_LIST、企業(yè)信息表COMPANY_INFO、河流表RIVER_LIST、污染物信息表POLLUTENT_INFO等 20張數(shù)據(jù)表。企業(yè)信息表的表結(jié)構(gòu)如表1所示。

3.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

河流污染源排查系統(tǒng)用戶(hù)登錄后，主界面使用HTML

中的frameset標(biāo)簽設(shè)置頁(yè)面框架為頂部、左部和中部3個(gè)模塊。其中頂部顯示系統(tǒng)名稱(chēng)、登錄用戶(hù)信息和重新登錄鏈接等信息，左部為導(dǎo)航欄，中部嵌套顯示左部導(dǎo)航欄中的頁(yè)面內(nèi)容，用戶(hù)點(diǎn)擊導(dǎo)航欄模塊，頁(yè)面局部刷新操作結(jié)果，使得操作者具有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。系統(tǒng)包含以下6個(gè)功能模塊：用戶(hù)管理、企業(yè)信息、河流信息、污染源排查、污染物信息、法律法規(guī)模塊。云南省河流污染源排查系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3云南省河流污染源排查系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）用戶(hù)管理模塊。用戶(hù)角色不同，該用戶(hù)在系統(tǒng)中能夠訪問(wèn)的功能模塊則不同[10]。管理員可以添加、刪除、修改用戶(hù)，并分配用戶(hù)權(quán)限。權(quán)限分以下8種：參觀、業(yè)務(wù)操作、污染物管理、企業(yè)信息管理、地圖配置管理、用戶(hù)管理、權(quán)限分配、日志管理等權(quán)限。管理員根據(jù)用戶(hù)職能范圍給用戶(hù)分配具體權(quán)限，比如一般職員只有參觀者權(quán)限，即允許參觀瀏覽，但不能使用系統(tǒng)業(yè)務(wù)。此外，如管理員發(fā)現(xiàn)用戶(hù)操作異常，可在用戶(hù)管理中凍結(jié)用戶(hù)權(quán)限。

（2）企業(yè)信息模塊。在企業(yè)信息管理模塊，以列表的形式將企業(yè)信息展現(xiàn)給用戶(hù)。用戶(hù)和管理人員可以查詢(xún)、查看、添加、編輯、修改企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以依據(jù)企業(yè)名、地址或者類(lèi)別查詢(xún)企業(yè)信息，并生成查詢(xún)結(jié)果報(bào)表以Excel表格形式導(dǎo)出；通過(guò)頁(yè)面上的地圖顯示操作按鈕，在地圖上查看該企業(yè)的具體位置；通過(guò)污染物管理操作按鈕，將企業(yè)排污種類(lèi)更新到數(shù)據(jù)庫(kù)中。目前更新的污染物有：

（3）河流信息模塊。在河流信息管理模塊，河流信息以列表方式呈現(xiàn)，用戶(hù)可根據(jù)水系或者河流名稱(chēng)查詢(xún)河流基本信息，如需查看具體河流的拐點(diǎn)或者位置信息，可點(diǎn)擊河流輔助編輯工具按鈕在地圖頁(yè)面通過(guò)輸入河流ID查看該河流在地圖上的具體位置。如發(fā)現(xiàn)河流拐點(diǎn)信息與地圖圖層上的河流有偏差，可拖動(dòng)相應(yīng)拐點(diǎn)，之后以更新所有點(diǎn)標(biāo)記的方式更新拐點(diǎn)信息有誤的河流。因河流拐點(diǎn)信息數(shù)據(jù)為排查的基本數(shù)據(jù)，不能隨便更改，因此只有管理員或者具有地圖配置管理權(quán)限的用戶(hù)才能操作。

（4）污染源排查模塊。污染源排查模塊，在地圖上將所有污染企業(yè)以點(diǎn)標(biāo)記，河流以折線的方式將信息加以展示。用戶(hù)可以通過(guò)添加污染源、污染物及需要搜索的范圍（默認(rèn)值5 000m），提交后臺(tái)計(jì)算之后得到疑似企業(yè)信息。這些檢索出來(lái)的疑似排污企業(yè)以點(diǎn)標(biāo)記的形式展示在地圖上，并且河流上下游以污染源為分界線，標(biāo)記不同的顏色。執(zhí)法人員或決策分析人員將根據(jù)排查結(jié)果，對(duì)疑似企業(yè)進(jìn)行走訪調(diào)查。endprint

如圖4所示，在地圖上的信息框中添加污染源報(bào)告點(diǎn)，設(shè)置范圍為3 000m，污染物為鉛，提交后臺(tái)檢索得到3家疑似排污企業(yè)。點(diǎn)擊其中一個(gè)點(diǎn)標(biāo)記，可查看具體企業(yè)信息，如圖中所點(diǎn)擊查看的企業(yè)為“昆明市XX礦業(yè)有限公司”。

圖4污染源排查

（5）污染物信息模塊。該模塊以列表的方式展示涉污企業(yè)排放的所有污染物種類(lèi)、排放標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)介紹。目前，系統(tǒng)中錄入的污染物有總磷、總氮、氨氮、銅、鎘、汞、砷等16種。如企業(yè)生產(chǎn)工藝改變或新增企業(yè)類(lèi)型與現(xiàn)有類(lèi)型都不同，需增加或刪除污染物類(lèi)型時(shí)，執(zhí)法或者辦公人員可根據(jù)變更信息在頁(yè)面中添加、刪除或修改污染物信息并保存，以更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息。

（6）法律法規(guī)模塊。該部分以列表的方式羅列了環(huán)保部門(mén)常用的法律法規(guī)，執(zhí)法或者辦公人員可以輸入關(guān)鍵詞檢索符合要求的法律法規(guī)，然后根據(jù)自己的需求查看某部法律法規(guī)的詳細(xì)信息，解決在執(zhí)法過(guò)程中遇到的問(wèn)題。系統(tǒng)中使用jspSmartUpload上傳、下載組件，完成新增法律法規(guī)的上傳。如需補(bǔ)充新的法律法規(guī)，可以文本文檔形式或者直接將內(nèi)容粘貼到編輯框完成上傳更新。

4結(jié)語(yǔ)

本文以軟件工程設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)基于JSP和WebGIS的云南省河流污染源排查系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于B/S架構(gòu)的Web Service技術(shù)，同時(shí)融合了數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等最新前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了河流及污染企業(yè)管理信息化。一是結(jié)果顯示直觀，將WebGIS技術(shù)應(yīng)用于河流污染源排查，查找統(tǒng)計(jì)結(jié)果可直接在地圖上顯示，使用戶(hù)可以直觀看到排查結(jié)果；二是準(zhǔn)確性提高，通過(guò)后臺(tái)直接進(jìn)行經(jīng)緯度及距離運(yùn)算，與人工比對(duì)企業(yè)及河流信息的方式相比，準(zhǔn)確性更高；三是工作效率提升，對(duì)比人工篩查方式，利用DBSCAN智能算法大大縮短了篩查時(shí)間，減少了人力物力投入，提升了相關(guān)部門(mén)的工作效率。

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