基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台架构设计

金陶陶，邓富亮，马放 ，林泉

1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090

2.环境保护部环境规划院，北京 100012

3.中国科学院遥感应用研究所，北京 100101

4.北京林业大学，北京 100083

水质目标管理的对象是具有空间特征的水域［1］，需要建立量化的空间水质模型，而GIS技术是空间离散化、参数化以及可视化的有力工具［2］。因此，近年来，为了加强水质目标的管理，提高流域水质目标管理效率，保障流域水环境安全，基于GIS设计地理空间数据模型，研究地理空间数据库内核的空间扩展并开发地理空间数据库集成管理器是水质目标管理决策系统研究的主要方向［1-4］。当前，随着面向服务的架构(service-oriented architecture，SOA)的发展，与空间技术结合形成了服务式GIS［5］，笔者在综合研究了服务式GIS技术、流域水质目标管理技术以及水质模型与GIS集成技术的基础上，针对辽河流域水质目标管理技术平台建设需求，提出了一种基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台建设思路。

1 服务式GIS及流域水质目标管理技术

1.1 SOA与服务式GIS

SOA是一种组件模型，与传统技术相比，SOA从业务着眼，基于标准化的技术手段，以“服务”为基本元素来构建或整合适合于各行业应用需求的信息系统，提高信息系统的开发效率、充分整合和复用IT资源并使信息系统能灵活快速地响应业务变化需求［6-8］。SOA是一种面向动态、异构、分布式运行环境的信息平台建设方式，其借助现有的应用来组合产生新服务的敏捷方式，提供给企业更好的灵活性来构建应用程序和业务流程。

服务式GIS是一种基于面向服务软件工程方法的GIS技术体系，它支持按照一定规范把GIS的全部功能以服务的方式发布出来［5］。服务式GIS包括服务器、服务规范和客户端3个要素。服务器是服务的生产者，可以遵循某一种或多种规范发布服务。服务规范可以是公认的服务标准，如OGC的WMS，WCS，WFS，WPS和 GeoRSS等，同时 GIS平台软件厂商也可以自定义服务规范。客户端是服务端的消费者，一般可分为瘦客户端和富客户端。服务式GIS除继承了组件式GIS所具备的跨语言二次开发、所见即所得的应用开发方式、与其他IT技术继承的强大能力、高度可伸缩性等［9］外，还具备以下特点:1)跨网络集成与应用，把组件式GIS具备的强大集成应用能力扩展到了网络上;2)业务敏捷，可通过聚合和集成已有的应用服务快捷地构建新的应用系统或升级已有的应用系统［5］，以满足快速变化的用户需求。

1.2 流域水质目标管理技术

20世纪70年代以来，我国相继引进、开展了有关水质目标管理技术的研究，相对传统水质目标管理技术而言，探索出了以环境决策支持系统，水质模型，GIS，数据库技术等为核心技术的水质目标管理系统。环境决策支持系统(EDSS)以信息科学、地理科学、系统科学、环境科学和计算机科学为基础，具有多功能、多层次、多选择、自学习的特点，是环境管理者和决策者的辅助工具。由于环境问题的复杂性、多变性和不确定性，使环境管理决策者的工作困难重重。为了保护环境，实现社会、经济、人口、资源和环境协调发展，国内外专家学者将EDSS的开发作为环境管理的重要工具加以研究。目前，国内外在进行EDSS的开发时，主要采用GIS，ES，DSS等信息系统与环境模型集成的开发方式，充分发挥GIS的空间数据处理优势和环境模型的时间序列预测优势。

2 流域水质目标管理技术与GIS集成模式的对比分析

流域水质目标管理技术与GIS的集成是为了充分集合前者在水质模型方面，后者在数据表现和空间数据分析方面的优势［2］。水质模型与GIS的集成方法和集成程度取决于水质模型的目标性及复杂性、水质模型对基础数据及GIS功能的要求、界面的实用性以及数据模型的兼容性、GIS模型软件的系统结构［10-11］等。传统的水质模型与GIS的集成模式按照集成的紧密程度一般分为3类，即松散集成、紧密集成、完全集成［1-2］。笔者采用面向服务架构的分层体系结构构建流域水质目标管理技术平台，平台建设可以针对不同分层灵活选用或组合以上3种集成模式。传统和服务式GIS与水质目标管理技术集成模式的对比分析见表1。

3 基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台研究

3.1 层次结构

服务式GIS可以理解为采用SOA软件工程开发方法构建的面向服务的组件式GIS，其将GIS的不同功能单元(称为服务)通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来［5］。而接口是采用中立的方式进行定义的，它独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种这样的系统中的服务可以一种统一和通用的方式进行交互。因此，要实现一个SOA解决方案，必须设计出架构的逻辑［5］，即如何利用特定的技术、产品、平台符合逻辑地构建SOA。相比其他解决方案，SOA的特点是:1)以标准化的简单方式，从新应用程序和现有应用程序中封装业务功能，可以创建服务;2)服务用于在适当的时候，向适当的人提供适当的信息;3)服务可以重复使用并加以组合，可用来部署复合的应用程序来创造新应用;4)越来越多的应用基于开放式标准的 Web服务，可用来完善现有服务技术［5-9］。

表1 传统集成模式与服务式GIS集成模式的对比Table 1 Comparison of traditional and service GIS for integration mode

基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台架构采用4层结构(图1)，分别为:

(1)数据资源管理工具层。主要包含基础空间地理信息数据和水质模型数据的处理及综合管理的工具，如数据规整工具、数据质检工具、数据迁移工具等。

(2)数据、服务资源层。主要包含处理好的空间和水质模型数据服务、封装好的功能服务。

(3)基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台层。通过数据适配器和服务适配器与数据、服务资源层提供的数据服务、功能服务进行关联，并可实现服务的组合、编排等。

(4)流域水质目标管理技术平台统一门户层。主要实现数据服务、功能服务的发布，表现为基础地理服务资源目录、水质模型服务目录、专题服务资源目录、元数据目录、接口资源目录等。

3.2 总体架构

平台建设采用服务式GIS体系结构，从实现角度及逻辑上，将平台分为3个层次，分别是数据资源层、应用服务层、应用层［5，12］(图 2)。

(1)数据资源层:负责数据的分类存储，包括流域基础地理信息数据库、污染源数据库、水环境数据库、水生态数据库、遥感影像数据库、社会经济统计数据库、文档数据库、元数据、系统数据等。

图1 基于服务式GIS的水质目标管理技术平台层次结构Fig.1 The hierarchy structure of the basin water-quality target management technological platform based on service GIS

(2)应用服务层:负责对流域空间数据资源，水质模型服务资源，元数据服务资源，接口资源的注册、发布、目录、安全进行管理。

(3)应用层:负责数据资源的展现、发布、专题应用。包括Web发布系统、水质信息资源门户、流域水质目标管理模拟系统以及扩展的水质目标管理专题应用系统等。

3.3 建设步骤

基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台建设流程如图3所示。

3.3.1 标准建设

在平台建设之前需要在服务式GIS服务标准的基础上制定流域水质目标管理服务的相关规范和数据标准，各种流域水质目标管理的信息系统建设必须符合这一规范和标准，在服务资源开发完成后，向平台登记注册，完成与GIS服务的集成。数据标准建设包括2个部分:1)资源数据库，包括流域基础地理信息数据库、污染源数据库、水环境数据库、水生态数据库、文档数据库、社会经济统计数据库、自然要素数据库等;2)模型数据库，包括水生态承载力模型、水质目标模型、水污染负荷模型、水污染单元控制与负荷分配模型、生态需水模型、水生态健康评价模型等。

3.3.2 数据库设计

对流域水质目标管理技术平台中涉及的各类数据进行数据库设计，包括基础空间数据库设计、流域水资源数据库设计、水质模型数据库设计、元数据库设计、数据目录结构设计、档案库设计、系统运行数据库设计等。

3.3.3 数据规整建库

对流域水质目标管理技术平台中涉及的各类空间数据进行规整、质检、建库，包括多种比例尺基础地形图线划图(DLG)数据建库、多种分辨率影像数据建库、高程数据建库、流域水资源数据建库、水质模型建库等。

图2 基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台总体架构Fig.2 The architecture of the basin water-quality target management technological platform based on service GIS

图3 基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台建设主要步骤Fig.3 The main building steps of the basin water-quality target management technological platform based on service GIS

3.3.4 平台软件开发部署

主要包括基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台框架开发、流域水质目标管理模拟系统、流域水质目标管理综合决策系统、流域水质目标信息共享服务门户网站开发、与政府内网门户网站集成、数据库管理系统开发部署、水质目标管理专题应用系统等开发部署。

3.3.5 接口开发

主要包括与水质目标管理系统数据库之间同步复制接口开发、实现系统访问核心共享数据库的接口等。

3.3.6 机制建立

建立流域水质基础地形数据和影像数据的更新机制;建立流域水资源数据和水质模型的更新机制;建立地理数据和水质数据集成共享及更新机制;建立专门的水质资源和水质模型信息共享及服务平台的运行机制等。

4 基于服务式GIS的辽河流域水质目标管理技术平台架构

根据辽河流域水质管理技术平台建设任务和建设内容，在3.1，3.2节列出的平台总体架构的基础上进一步细化，设计了辽河流域水质目标管理技术平台框架，该平台采用SOA的思想体系架构，基于服务式GIS平台ArcGIS Server和强大的J2EE平台构建，其总体架构如图4所示。

4.1 辽河流域水质目标管理技术平台建设任务

图4 辽河流域水质目标管理技术平台总体架构Fig.4 The architecture of water-quality target management technological platform in the Liaohe River basin

辽河流域水质目标管理技术平台建设的主要任务是针对辽河流域水质目标和水环境管理的数字化和业务化需求，基于数据标准、数据集成与共享、模型集成与管理及系统集成技术等相关标准和成果，建立包括辽河流域基础地理信息数据库、污染源数据库、水环境数据库、水生态数据库、遥感影像数据库、社会经济统计数据库、文档数据库等各种类型数据库，以流域生态功能分区、水环境系统模拟、水生态承载力计算、总量分配、日最大负荷计算为核心，结合水生态功能分区和控制单元划分技术，集成水生态承载力模型、水质目标模型、水污染负荷模型、水污染单元控制与负荷分配模型、水生态健康评价等模型，研发基于GIS技术的流域水质目标数字化管理集成关键技术，开发集数据处理、数据传输与网络共享、生态评估与污染负荷控制、水质目标管理与辅助决策为一体的辽河流域水质目标管理与决策信息平台;研究基于控制单元的水质目标管理模式和保障机制，实现辽河流域阶段性水质目标关系，实现管理集成创新［13］。

4.2 辽河流域水质目标管理技术平台建设内容

辽河流域水质目标管理技术平台建设主要是构建多尺度多维流域自然、经济、社会和水环境综合空间数据库，建立流域水质目标管理综合决策支持平台。

4.2.1 基础数据库建设

数据库是辽河流域水质目标管理综合决策平台建设的基础，建立一个安全、高效、稳定的数据库系统是整个技术平台建设的关键。根据现有调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等，对各类数据进行标准化和数字化，以利于调用和数据挖掘为准则，实现辽河流域各类基础数据库及专题数据库的建库工作。具体建库原则包括:1)进行各类基础数据及专题数据的标准化工作，保证数据的一致性及标准化。主要包括各类数据元数据建设、数据分类研究、数据编码研究及建设。2)空间数据采取统一投影储存的方式，以保证空间匹配。业务数据涉及的类型较多，制定统一的编码规范，便于数据的管理。数据实行分层管理，尽量做到单项数据独立存贮，以提高数据的更新效率，同时也便于系统的读取。3)健全信息共享机制，研究基于元数据的辽河流域各类基础数据的共享机制及共享办法，实现辽河流域各类数据同辽河流域水质目标管理信息综合决策支持等系统之间的信息共享及数据交换［14］。

4.2.2 模拟系统建设

根据辽河流域水环境演变规律的模拟方法，实现对流域水环境的演变规律的可视化展示;从流域基础数据库中读取有关基础数据以及专业数据，采用水生态模型计算水生态承载力;采用总量分配模型计算辽河流域污染物总量分配及重点行业污染物排放限值;采用水污染模型计算控制单元日最大污染负荷。

4.2.3 技术集成及平台建设

基于基础数据库和模拟系统建设，实现辽河流域总量分配及重点行业污染物排放限值、控制单元日最大污染负荷、水质现状、辽河流域水生态功能分区及控制单元在地图上的可视化管理。平台建设采用基于服务式GIS的流域水质目标管理技术平台技术方案，其主要内容包括标准规范建设、基础数据库建设、平台软件开发、服务开发、接口开发、应用软件开发等。

5 结论

目前，随着IT技术和服务式GIS技术的发展，基于服务式GIS构建流域水质目标管理技术的研究将逐渐深入，该技术距应用和推广还有一定的距离，在今后应加强的研究工作包括:1)进一步研究水质模型与GIS模型和功能的集成技术，针对平台不同分层，不同的集成模式，对水质目标管理应用模型以及层之间的衔接作更深入和细致的研究;2)进一步研究面向服务的水质数学模型、水质目标计算等水质目标管理技术;3)规范面向服务的水质目标管理技术与服务式GIS技术的互操作接口和服务标准，增强平台的可扩展性和应用开发的敏捷性。

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