松花江流域水质管理空间数据库系统的研究与设计

沈维政 ，张成峰 ，香 宝，秦月阳

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030；2.中国环境科学研究院，北京 100012）

松花江是黑龙江的最大支流，全长1 840 km，流域面积54.56万km2，超过珠江流域面积，占东北三省总面积的69.32%[1]。近年来，国家已把松花江的水环境污染治理正式纳入“十一五”重点治理流域[3]，但其多尺度、多类型、多专题的特点导致基础数据的整理、分类、储存、查看困难，水环境质量管理空间数据库关键性技术也需研发。本文以此为出发点，将软件工程中结构化系统分析和设计思想应用于应用型地理信息系统空间数据库的分析和设计[4]，结合GIS、Arcgis Engine等组件技术设计并开发松花江流域水质管理空间数据库系统[5]。

1 系统设计的目标和原则

1.1 设计目标

综合利用全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)以及计算机网络等多种技术,结合松花江流域具体特征，采集与整理松花江水环境相关数据，集成松花江流域水环境质量所需的多源数据，设计松花江流域水质空间数据库，为水质评价、预警、应急响应、污染事故评估和政府决策等提供数据支撑。

1.2 设计原则

①成熟与先进性。选用技术应是成熟的、先进实用、稳定可靠的，是目前计算机技术上普遍流行的，同时有较好的性价比。

②系统集成方便。采用集成化的计算机系统与软件产品，减少自行开发的工作，尽量利用软件本身的功能进行系统开发。

③可扩展性。所设计的系统，无论从软件、硬件，还是从网络上，包括业务处理，要留有扩展余地，以满足今后业务规模发展需求。

2 空间数据库设计

2.1 数据库建设的总体思想

数据库建设的总体需求是针对松花江流域多风险源的特点和流域水环境质量管理的决策支持设定，根据数据标准与规范的要求，整合松花江流域各多源、多尺度、多专题数据形成多类型数据库，从区域尺度转向局地尺度，并将数据模型分成空间数据和属性数据两部分[6]，观察松花江流域水质量变化情况。

结合实际情况，设定每一尺度范围内的专题信息必须继承四种类型的空间属性信息，从而进行区域及局地尺度的数据采集和数据整理工作,其建设思想如图1所示。其多专题为松花江全流域、松花江干流和典型区域（以哈尔滨市区和齐齐哈尔市扎龙保护区为例）；多类型为基础地理信息数据库、河流水域信息数据库、水质监测信息数据库和国控企业信息数据库，类型数据库的规范标准以国家数据库建设标准为参考，对本次数据库命名，其要素分别为专题类型、数据集、数据别名、数据来源和数据格式，其中数据别名采用专题类型活数据集名称首字母命名，数据格式表示数据的空间特征。

图1 数据整体建设思想Fig.1 Whole construction thought of the data

2.2 数据库建设

数据库主要围绕着建库思想即基础地理信息库、河流水域信息库、水质监测信息库、国控企业信息库建设，其过程见图2：

①基础地理信息库建设：基础地理信息数据库建设以反映研究区域基本特征为主要对象，其构成的数据集有居民点、交通、行政区划界线和地势地形。根据松花江流域区域范围的大小分别在松花江全流域和松花江干流适当选择基础地理信息信息数据，典型区基础地理信息数据为DLG。“居民点”数据集中含有点要素：省级市、地级市、地区盟和县级市；“交通”数据集中含有线要素：国道、省道、铁路和高速公路；“行政区划”数据集中含有线要素和面要素：省界、地市界、县界和县级行政区。基础地理信息数据图形及颜色设置遵循国家地图学制图标准。

②河流水域信息数据库建设：河流水域信息数据库建设以反映松花江流域水域基本特征为主要对象，是研究水质量的基础对象，其构成的数据集有河流、湖泊、水库和流域境界。根据松花江流域区域范围的大小分别在松花江全流域和松花江干流选择四级河流水域基本数据，典型区基础地理信息数据为DLG。“河流”数据集中含有线要素和面要素：一级河流、二级河流、三四级河流和双线河；“湖泊”数据集中含有面要素：大型湖泊和中小型湖泊；“水库”数据集中含有面要素：大型水库和中小型水库；流域境界数据集中含有一级流域、二级流域、三级流域和四级流域；“水工设施”数据集中含有堤坝、河道横断和河闸。基础地理信息数据图形及颜色设置遵循国家地图学制图标准。

图2 空间数据库设计框架Fig.2 Framework of the spatial database construction

③水质监测信息数据库建设：建立水质监测信息数据库是对松花江流域风险源的特点和流域水环境质量的基础工作，其构成的数据集有基础站点、地表水监测站点、地下水监测站点和国家地表水监测站点。根据松花江流域内水质监测信息数据库中数据集功能的不同将收集数据入库。“基础站点”数据集中含有点要素：雨量、水质、水文、水库、河道和地表水；“地表水监测站点”数据集中含有点要素：总硬度、总氮、总磷、溶解氧、氯化物、氨氮、硫酸盐、矿化度、挥发酚、镉、高锰酸盐指数和五日生化需氧量；“地下水监测站点”数据集中含有点要素和线要素：地下水矿化度测站和地下水矿化度等值线图；“国家地表水监测站点”数据集中含有松花江流域内的国家地表水监测站点信息，分别按照“按年度”、“按季度”、“按月份”和“按周例”要素集入库。

④国控企业信息数据库建设：国控企业信息数据库中数据集有松花江流域内黑龙江省和吉林省国有控股企业信息。根据国有控股企业职能的不同将收集数据分别入库。“黑龙江省国有控股企业”数据集中含有点要素：企业排污点和城市生活污水处理厂；“吉林省国有控股企业”数据集中含有点要素：企业排污点和城市生活污水处理厂。

3 数据库系统的设计与开发

3.1 系统开发环境

空间数据库的整体设计与程序的整体设计与开发密不可分，合理的数据库设计仅是系统开发的基础，成败的关键在于软件设计和开发思路。本系统以Arcgis软件为应用平台，采用组件式开发方式，以c#为程序开发语言，同时利用Arcgis Engine提供的二次开发函数库及其基类库进行二次开发。

3.2 系统界面

本系统界面采用WPF界面的编程方式[7]，并结合Arcgis Engine集成组件，所展现的系统界面更加简明易懂。系统操作的地图是具体的工程地图，操作对象面向地理图层、地图要素，这样通过合理规划，设计成图层控制区、属性展现区，专区专用，解决了多窗口互相遮盖等操作不便问题。

系统界面由图层管理窗口、地图显示窗口、属性窗口、菜单栏、工具栏五部分组成（如图3所示），系统功能均可在该窗口下完成。图层管理窗口、地图显示窗口、菜单栏、工具栏和属性窗口具备windows对话框简易操作的特点。工具条位于窗口上部菜单栏条下，每一个工具栏图标在菜单中都有一项命令与之相对应，操作时不必每条命令都打开菜单选择，常用功能可直接选用工具条上的按钮，可方便、迅捷操作本系统。当系统加载相应地图时，图层管理窗口、属性管理窗口会显示对应的相应的图层、属性。

图3 系统用户界面Fig.3 System interface

4 功能模块

本系统采用模块化编程方法[8]，由文件、视图、查询、空间分析、地图加载、系统功能等模块构成。

①文件模块：打开地图文档、关闭地图文档、新建、添加数据、保存和另存为功能，可以实现快速加载地图，添加shape文件等基本功能。

②视图模块：此模块提供窗口放大、缩小、漫游功能，以及全图显示等功能。

③查询模块：本模块主要提供地图要素的点选、圆选、多边形选择等选择方式，选择要素会在地图上高亮显示，同时要素的属性数据会在图的右下角以列表形式展现，实现了图-属一体化的查询方式。

④空间分析模块：此模块的功能是以快捷工具的形式，利用Arcgis Engine提供的空间分析插件，通过对比不同空间位置、属性值、状态值并查看对应的专题图，根据结果做出分析[9-11]。

⑤地图加载模块：系统刚进入载入的地图为基础地理地图、通过点击菜单栏上的“国有企业信息”、“流域水质信息”，“水质监测信息”等不同的菜单可切换不同地图浏览，在图层管理器中用户可以查看不同图层，在属性窗口中显示图层窗口中对应的属性信息，选择性进行空间分析等基础功能。

⑥系统功能：本系统可以为不懂GIS功能的用户提供基本服务，用户通过菜单栏下方的工具栏，调整视图窗口的大小、颜色、以及窗口摆放位置完成基本工作，还可以利用帮助功能按照提示操作。

5 结 论

本文以地理信息系统、数据库系统等知识体系为核心，并以高起点、高要求、高标准的设计目标为原则开发松花江流域水质空间数据库系统。目前已经完成基础数据库、河流水域数据库、水质监测数据库、国有企业信息库的构建，并应用于国家松花江流域水质管理决策支持系统数据源采集及处理平台中，运行良好。

①通过收集、整理流域水质的相关数据，利用GIS强大的数据库管理、空间分析、空间检索等功能对流域水质数据进行管理，十分高效，能够为松花江流域水质管理决策、水质数据取样分析提供重要的数据基础平台。

②本系统采用第三代数据库模型进行设计，方便管理。

③本系统采用Arcgis Engine组件式的开发，结合WPF页面设计，给用户提供一个更合理的地理数据显示方式，使用户更加容易操作基础地理数据，为用户减轻了负担。

本系统还需在后续开发过程中逐步完善，已有模块功能也应在实践中改进，待探讨之处如下：

①地理数据库数据量特别大，后续的存储应使用商用关系型数据库，会对系统运行效率产生严重影响。

②系统虽按照软件结构流程化方式开发，但是有些环节没有特别规范，在后续开发中要严格按照规范，提高效率。

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