基于GIS的北京市取水许可管理系统的设计与实现

吴爱华

(北京市测绘设计研究院，北京 100038)

1 引言

北京是我国严重缺水的城市之一，人均水资源占有量只有 300 m3，是全国人平均水平的1/8，是世界人平均水平的1/30，远远超低于国际公认的人均 1 000 m3的下限［2］。随着北京城市规模和人口的急剧增长，加之连续12年干旱少雨，北京地下水位逐年下降，地表水库蓄水能力严重不足，水资源的供需矛盾问题日益突出。

基于上述原因，北京市水务局提出要落实“最严格的水资源管理制定”，要以更加科学、严密的方式审批核查取水许可、控制核算取排水量、合理配置调度水资源，最终实现水资源配置管理“总量控制，定额管理”的目标［3］。

北京市取水许可管理系统应运而生，旨在以业务应用为基础，以GIS技术为核心，综合运用空间数据库技术、中间件技术、数据交换技术等信息化技术建立准确、全面、规范的地理信息系统，实现对北京市水资源管理行政许可业务(含取水许可和凿井许可)工作的分析和支持，为北京市实施水资源总量控制，实现水资源业务管理的科学化、信息化提供必要的依据和手段。同时为朝阳和平谷两个区县级水资源管理分中心试点建设提供技术框架，逐步将水资源管理体系延伸至区县及三级水管单位，全面提升水资源综合管理能力。

2 系统设计

2.1 系统设计原则

系统设计遵循以下原则［4］:①标准化与可扩展原则，严格遵循现有的国家标准和行业规范，充分利用先进的软件开发理论、技术，使搭建的系统具有良好的扩展性、开放性，能适应业务的增长和扩充。②实用、易操作、便于维护原则。系统应具有良好的实用性，操作简单快捷，界面友好，系统和数据易于部署、维护、更新和管理。③高性能和安全性原则。系统在系统设计、开发和应用时，充分考虑系统的性能，确保较高的稳定性和响应速度，保证相关数据的安全。

2.2 系统总体建设思路

北京市取水许可管理系统，涉及用户为社会公众(取用水户)和内网用户(水务行政主管审批部门)，总体建设思路如图1所示。

图1 系统总体架构图

外网取水用户(社会公众)通过北京市水务局外网申报系统填写取水许可申报信息(含凿井许可和取水许可)，内外网数据交换通道实时将外网申报数据同步至局中心内网前置机;与此同时，外网申报系统调用取水许可管理系统提供的WebService数据接口，将申报数据(位于局中心内网前置机)同步写入取水许可管理系统。最终办结结果也以这种方式，实时向外网公布。

内网审批人员通过登陆内网统一门户(水务信息平台)访问局中心OA行政审批系统，该系统实现了与CA统一认证集成，可以以链接方式直接查看取水许可管理系统的业务申报表单，解决了局中心OA行政审批系统与取水许可管理系统的无缝集成问题。

取水许可证文件服务器存储北京市13个区县的取水许可证备案数据，该数据由各区县负责审批，利用ETL工具定时抽取最终汇交到市水务局。区县前置机存储试点区县朝阳、平谷两个分节点的数据库，该数据库通过共享交换平台实时与凿井、取水分析系统进行数据共享交换。

2.3 系统开发架构

凿井与取水分析系统总体设计与详细设计时，严格遵循模型－视图－控制器(MVC)分离原则，采用了Dojo+DWR+Hibernate的J2EE结构多层开发架构［5］，架构图如2所示。

图2 系统分层开发架构

本系统的数据实际存储在Oracle 10g中，但是本系统并不直接操作该Oracle 10g，而是通过DB2数据总线来进行间接的操作。数据访问层使用Hibernate框架。Hibernate是Java平台上的一种成熟的、全功能的 O/R Mapping(对象/关系映射)开源框架，它封装了所有数据访问细节，使业务逻辑层可以专注于实现业务逻辑。

业务层使用Spring框架。Spring可以轻松地管理应用组件以及它们之间的依赖性，同时Spring还提供事务管理框架、DAO支持、支持主流O/R Mapping框架的集成、支持各种标准J2EE组件技术的集成。

在服务层，对于空间数据以及地图，使用ArcGIS Server 9.3发布为Web服务。而对于业务属性数据与信息，使用DWR框架将其发布为Web服务。

用户界面层使用Dojo JavaScript库。Dojo设计的包加载机制和模块化的结构，能保持更好的扩展性，提高执行性能，减轻了用户开发的工作量，并保持一定的灵活性(用户可以自己编写扩展)。

3 数据库设计

3.1 空间数据库设计

从数据的类型来看，可以将系统的空间数据分为基础地理数据、水务基础数据、水资源规划专题数据、地名地址数据和元数据共5类数据。空间数据库设计如图3所示。

图3 空间数据库设计图

(1)基础地理数据

基础地理数据是系统数据库建设的基础空间位置参考。包括:水系及附属设施、地址地貌、植被、居民地、工矿及附属设施、交通及附属设施、境界等7大类要素。

(2)水务基础数据

机井、用户取水口数据是整个系统的核心数据图层。它们不仅要体现各类机井、取水口的空间位置，而且要可以查询到某一个机井、取水口的对应属性。包括机井用水单位、取水用途、水源类型、井深、年取水量等。

(3)水资源规划专题数据

水资源规划专题数据是系统辅助决策分析的基础数据，业务人员用于分析是否可以凿井、取水的重要依据。包括水资源保护区规划、地下水超采区范围、地下水埋深变化、松散岩层孔隙水富水性分区、地下水功能区划等。

(4)元数据

元数据是用来描述数据的数据，主要包括对空间图层使用投影、坐标系、比例尺、采集人、采集时间等的说明［6］。

3.2 业务数据库设计

业务数据库由两个许可业务(凿井许可和取水许可)申报数据、备案数据以及辅助决策的配置数据组成。主要包括:凿井工程申报表、取水许可申报表;凿井许可证、成井验收单、水源热泵备案表、取水许可登记表、取水许可证等。配置数据主要包括:可开采水资源量、区县计划水量、监测井埋深、业务分析结果及用户管理、权限控制等系统维护数据组成。

4 功能设计

取水许可管理系统分为申报备案管理子系统、证书管理子系统、凿井GIS决策分析子系统、取水GIS决策分析子系统、综合统计子系统、服务接口管理系统、系统配置管理子系统。功能框架如图4所示。

图4 系统功能框架图

(1)申报备案管理子系统

为办理凿井许可和取水许可的单位或个人提供申报材料和备案材料的网上录入、删除、修改、查询功能。包括凿井许可申报管理、凿井许可备案信息管理、取水许可申报管理、取水许可登记管理功能。

(2)证书管理子系统

包括凿井许可证和取水许可证的生成及打印、许可证变更、作废、延续、到期提醒、过期等常用功能。

(3)凿井许可GIS分析子系统

含凿井许可GIS分析、取水许可GIS分析功能。凿井许可GIS分析主要是依据当前申报件的申请信息，综合申报件所在区域的地下水开采量和控制量、各类水资源规划专题图、凿井对周边机井可能产生的影响、凿井地点的地下水动态变化情况4个比较重要的方面进行凿井许可分析，最终形成电子评价报告供局办公OA系统使用。

(4)取水许可GIS分析子系统

提供地表水取水许可、地下水取水许可和再生水取水许可的审批决策分析功能。系统根据当前申报件的申报位置，与北京市地址地名数据库进行模糊匹配至取水周边位置，同时综合考虑取水位置与取水口的关系以及所在区县的开采量和控制量，最终形成电子评价报告供局办公OA系统使用。

(5)综合统计子系统

为用户提供关于机井类型、机井深度、地下水埋深变化、取水量、取水用途、业务办理情况等各类信息的横向、纵向统计分析。统计结果以直观的统计图表形式展现，供业务人员和水务局领导宏观决策使用。

(6)服务接口管理子系统

对区县取水许可证和机井数据的数据汇交接口、数据更新接口、数据抽取ETL包等进行管理，包括服务及接口权限、更新方式、更新周期。

(7)系统配置管理

主要包括系统权限、用户管理、数据配置管理等。

5 系统实现

5.1 开发环境

系统基于ArcGIS Server 9.3.1的Javascript API开发，空间数据库引擎为 ArcSDE 9.3.1 for Oracle 10g R2。业务数据通过数据总线DB2访问。开发架构采用Dojo+DWR+Hibernate的J2EE结构，前端基于Ajax技术，极大丰富客户端的应用体验及交换操作，开发工具为myEclipse 6.5。部署开发环境时，需要一台独立的数据库服务器存储空间数据以及业务数据。另外，需要3台前置机集成来自外网的申报数据、取水许可证数据、朝阳平谷业务系统的相关数据。

系统运行环境由4台数据库服务器(1台为主数据库服务，另3台为前置机数据库服务器)、1台GIS服务器、多台客户机组成。其中主服务器是局中心综合数据库，安装Oracle数据库系统，空间数据库引擎ArcSDE采用分布式安装模式，与ArcGIS Server一同安装在GIS服务器上。

5.2 系统主要功能实现

(1)凿井许可GIS决策支持

如何设计便捷、友好的凿井和取水GIS辅助决策功能，实现与局办公OA审批系统的互为补充是系统设计的难点之一。考虑业务办理人员操作方便和长期习惯，凿井许可GIS决策功能设计及实现步骤如下:

①业务人员登录取水许可管理系统或通过局OA系统直接跳转定位到申报件管理窗口(图5)，点击申报件管理窗口的“分析”按钮，开始进入GIS分析。

②进入GIS分析界面后，系统根据当前申报件的位置坐标X、Y，高亮并自动定位到当前申报件的位置(图6)，系统底图为北京市行政区划图叠加全市机井分布图，地图上右上方Widget信息面板为当前申报件的凿井基本申请信息。包括:申报位置所属区县、乡镇、取水单位、年取水量、年回灌量、取水用途、机井类型等信息。

图5 凿井许可申报件查询界面

图6 凿井许可GIS分析主界面

图7 凿井许可GIS决策综合评价

③业务人员点击地图上右上方Widget信息面板的“综合分析评价”按钮，系统自动根据预先设定的专业评价方法生成电子评价报告供决策者使用。该评价方法综合考虑了业务人员长久的业务办件习惯，对常用水资源专题数据进行统一标准、加工入库、集中管理，同时充分借用了GIS技术优势性，设计了4种综合评价方法(图7):水资源控制总量核对、水资源专题图叠置分析、凿井对周边机井的影响、凿井地点地下水动态变化分析。

其中，水资源控制总量核对是指根据申报地点所在区域的地下水年可开采量、控制取水量、已批地下水取水量以及截至目前已审批的取水量之间的数据自动计算剩余水量，从而分析在该地点凿井取水的合理性。

水资源专题图叠置分析是指在北京市行政区划图上分别叠加北京市地下水功能区划图、平原区松散岩层孔隙水富水性分区图、水资源保护区规划图等多种水资源专题图层，分析凿井地点是否违反了各类水资源规划的要求。

周边机井影响分析是指根据凿井地点周边机井的数量、具体分布情况、机井的密度、年取水量统计，分析新凿机井是否对原有机井取水产生不利影响。

地下水动态变化分析，即利用地下水历年埋深数据，绘制地下水埋深等值线面、地下水埋深变幅等值线面，分析凿井地点所在区域的地下水位变化情况，从而了解地下水位的变化趋势。

(2)市区两级水资源管理体系的初步建立

由于市局和区县分局都有凿井许可和取水许可审批的权限，但审批通过的机井和取水许可证数据不能实时集成共享，导致审批过程参考的基础数据资料存在现势性、准确性较差等问题，达不到北京市执行严格水资源管理制定的要求。本系统开发了机井数据更新接口和取水许可证数据定时抽取模式，改变了长期以来市区水资源粗放管理的工作现状，初步建立了市区两级水资源共享管理体系，实现了数据的互联互通、及时共享更新。下面是根据外网数据，开发的机井数据更新片段代码:

6 总结与展望

取水许可管理系统实现了与水务局外网申报系统、水务局办公OA系统的无缝集成，实现业务申报、行政审批、竣工备案全流程业务办理的信息化支撑，改变以往纸质档案业务办理模式，提高了办公效率。尤其是引入GIS技术开发的决策支持模块，使业务办理人员能够快速做出决策，有效节省审批人员翻阅资料的时间，很大程度上减少或避免取水的不合理性，实现水资源管理“总量控制，定额管理”的目标。目前系统运行于水务局内网，就以后长远考虑，本系统应考虑与水务局其他现行系统(比如水量月报管理系统、水源地管理系统、地下水超采区管理系统)的集成，逐步实现水资源的精细化管理。

［1］中华人民共和国水法［M］.中国民主法制出版社.

［2］邱化蛟，程序，常欣等.北京市水资源现状分析［J］.北京农学院学报，2004(4)

［3］胡军，吴爱华.基于WebGIS的取水许可管理系统设计［J］.北京水务，2010(6)

［4］杨骥，林继贤，汤坚.基于GIS的用户终端水质服务保障系统的设计与实现［J］.测绘通报，2011(6)

［5］刘光，唐大仕.ArcGIS Server JavaScript API开发GeoWeb 2.0应用［M］.北京:清华大学出版社，2010

［6］刘涛，彭清山，张淼.基于GIS的城市规划管理系统的研究［J］.测绘通报，2011(6)

［7］王玲玲，刘惊雷，马晓敏.基于GIS的污染源管理信息系统设计与实现［J］.微计算机信息，2008(1)