基于GIS的地下水位预测管理信息系统

刘静(北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

基于GIS的地下水位预测管理信息系统

刘静∗
(北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

摘 要:为了使北京市区域浅层地下水动态规律的数值模拟研究及地下水远期最高水位的预测模型预测成果更好地为城市规划、工程建设服务,将GIS技术与地下水位预测的专业模型相结合,研制开发了地下水位预测管理信息系统,使抽象的地下水位预测工作变得生动、直观和全面,使地下水位预测管理工作走向智能化和科学化,从而全面提升地下水位预测和管理水平。

关键词:地下水;预测;组件GIS;Excel-VBA;OWC;插值分析

1 引 言

如果能够比较准确地预测在将来的规划建设中需要考虑的地下水位条件,那么如工程结构的抗浮问题、地下水赋存与渗流形态及其对环境影响的问题等都可迎刃而解。为此,尝试通过对区域地层及地下水位资料、气象水文资料以及基于此的地下水位动态规律进行分析,然后根据渗流理论,建立区域性地下水三维渗流模型,并对该模型进行参数识别与验证,从而实现对远期最高水位的预测。目前,此项研究已取得了阶段性成果[1]。

为了将这些成果和模型参数,更好地服务于生产实践,特研制开发了地下水位预测管理信息系统,旨在建立面向用户的,具备地下水环境管理、查询、预测等功能的综合管理信息系统。

2 系统设计

2．1系统开发目标

地下水位预测管理信息系统是以C#．NET和SuperMap Objects为基础开发工具,实现对北京市区域浅层地下水动态规律的数值模拟研究及地下水的远期最高水位预测,为北京市城市规划和工程建设提供决策手段和辅助分析依据。具体目标如下[2]:

(1)通过电子地图与地下水位预测离散点数据的关联,实现地下水远期最高水位的预测查询,并能够绘制水位动态预测曲线。

(2)将地理信息系统与地下水位模型相结合,对地下水位数据进行多种预测分析,实现决策支持。

(3)建立完善的功能扩展和数据更新机制,保证系统的可持续发展。

2．2体系结构设计

系统按照“分层设计、模块构建”的思想进行设计,采用三层C/ S模式架构[3],依次为:人机交互层、业务逻辑层和基础数据层。基础数据层实现数据资源的存储管理,由地图数据库和地下水位基础数据库组成;业务逻辑层主要是针对具体问题的操作和对数据业务逻辑处理,实现系统的具体功能;人机交互层采用WINFORM方式,提供用户与系统之间的接口。如图1所示:

图1　系统逻辑结构

3 关键技术

3．1组件式GIS

组件式GIS是把GIS的功能模块划分为若干个控件,每个控件实现不同的功能。各个GIS控件之间及与其他非GIS控件之间,可通过可视化编程工具集成,最终形成所需的GIS应用。SuperMap Objects是Su-perMap GIS系列软件中的以COM/ ActiveX技术规范为基础的全组件式GIS开发平台。主要由Super Map．ocx、Super Layout．ocx、SuperWorkspManage．ocx、Super-Legend．ocx等多个组件库构成,可实现图形显示、浏览、编辑以及可视化等功能,提供地理空间数据的查询与分析,可存储管理海量空间数据,支持多种开发语言,支持多种数据格式[4]。

系统通过C#．NET调用SuperMap．ocx组件等,编程开发来实现各种功能,具体步骤如下:

(1)建立WinForm项目,嵌入SuperMap Objects对象类型库;

(2)建立SuperMap Objects对象,并建立相应控件之间的联系;

(3)调用SuperMap Objects对象和其他C#．NET对象方法和属性完成GIS应用软件功能;

(4)释放SuperMap Objects对象级变量,断开控件之间的连接,关闭相应的资源。

3．2Excel-VBA

VBA是一种宏语言,在扩展Word、Excel等软件的自动化功能上应用较广泛。Excel-VBA就是捆绑于Excel的自动化语言[5]。

Excel VBA可以帮助我们实现Excel的智能化,使工作更高效、操作更方便、重复性工作变得更有趣,还可以根据需求定制程序界面,开发受保护的专业程序,加上用户对Excel的界面和操作熟悉等优势,因此,可利用VBA对Excel进行二次开发实现地下水位预测曲线的自动绘制[6]。

3．3OWC控件

OWC是微软公司开发的针对Web在Office中的在线分析处理(OLAP)组件,可以用来绘制绝大部分图形,在Web上发布电子表格以及动态生成图表等。OWC能将部分Office的功能扩展到Web上,是一个优秀的服务器端图表引擎,具有与Excel同样强大的图表绘制能力,它能够在服务器端动态生成GIF或JPG格式的图表[7]。

3．3插值分析技术

获取的地下水位数据是离散点的形式。离散的点数据是通过空间采样点进行观测获得,无法对空间所有点进行观测,但可以设置一些关键的样本点,这些样本点的观测值能反映空间分布的全部或部分特征,然后利用空间内插方法来获取未采样点的值。一般所说的空间内插就是指点内插,一般都是基于下述假设进行的:空间位置上越靠近的点,越有可能具有相似的特征值,离得越远的点,其特征值相似的可能性越小。点内插根据其基本假设和数学本质可分为几何方法、统计方法、空间统计方法、函数方法、随机模拟方法、物理模型模拟方法和综合方法等。

考虑到可操作性,本项目借助GIS中的空间分析模块,使用距离权重反比法、克吕金法、样条函数法进行空间内插[8]。

4 系统实现

4．1开发环境

开发语言选择C#,C#是一种界面像Delphi,语言风格像Java,开发方面像VB,名字和灵活性像C的语言。C#．net和VB．net均是基于．NET Framework框架的编程语言,所以除了语法外基本没什么区别,但普遍认为C#．net要比VB．net编程更严谨,效率更高。

GIS组件选择Supermap Objects,与依附于通用GIS平台的二次开发模式不同,基于Supermap Objects开发使本系统具有独立的应用程序框架,更方便管理人员使用。

4．2主要功能

北京市地下水位预测管理信息系统分为4个模块:地图控制模块、地图查询模块、等值线展示模块、三维展示模块。整个系统组成如图2所示。

图2　系统功能组成

系统主界面如图3所示:

(1)地图控制模块

地图控制模块实现与图形数据处理相关的显示、控制、编辑、管理等功能。包括图层浏览、图层操作等。

①图层浏览:地图的放大、缩小、漫游、全图、测距、地图切换等。

②图层操作:用户可以增加、删除、编辑图层,并可设置图层的显示、编辑、排序、颜色等相关属性。

图3　系统主界面

(2)地图查询模块

查询是系统最核心的功能,包括动态查询、实时查询、属性查询(单一属性查询、区域属性查询)、动态预测曲线生成等。

①动态查询:根据水位预测模型,利用GIS的空间分析功能,建立插值分析模型,基于栅格数据实现监测点的自动插值,预测未知区域的水位数据。

②实时查询:通过对相邻时间段的地下水监测数据进行时间上的一维线性插值,实现监测点的实时水位查询。

③属性查询:实现单一监测点、区域内多个监测点的水位数据查询。

④动态预测曲线生成:为了直观、形象地显示某监测点的水位变化过程,系统提供水位动态预测曲线自动绘制,一可以生成Excel曲线图表,二可以通过OWC控件直接绘制曲线图。

(3)等值线模块

系统可自动生成水位等值线,并叠加地图显示。

(4)三维展示模块

系统可自动加载三维模型,展示三维效果。

5 结 语

地下水位预测是一项极其复杂的工作,涉及内容多、数据量大、处理难度大,依托计算机技术与地理信息系统(GIS)技术,进行地下水位预测可大大提高工作效率,实现预测工作的自动化。随着人工智能、专家系统技术的越发成熟,如何将人工智能、专家系统技术引用到预测工作中来是下一步的研究方向。

参考文献

[1] 王军辉,韩煊,周宏磊等．地下结构对渗流场阻隔问题的解析～半解析法[J]．水文地质工程地质,2009(2):13～18．

[2] 王海侠．基于SuperMap Objects组件技术的征地资料管理系统的设计与实现[J]．城市勘测,2014(3):88～92．

[3] 沈丽霞．基于GIS的城市环保地理信息系统的设计与建设[J]．城市勘测,2014(4):43～46．

[4] 周江,李崇巍,宋宜全．基于组件GIS的海岸线分形计算系统设计与实现[J]．天津师范大学学报·自然科学版, 2015(1):38～42．

[5] 端礼钦,王静．应用Excel-VBA编制检验报告[J]．分析仪器,2013(5):99～102．

[6] 林玉英,陈诚,刘娜翠等．基于VBA的福建省道路客运需求分布预测[J]．重庆交通大学学报·自然科学版,2013 (5):991～994．

[7] 丁剑博,杨昆．OWC系列控件的图形化开发与应用[J]．计算机时代,2011(1):33～35．

[8] 付瑞全,向先全,杨翼等．基于WEB服务的海水污染面积计算方法研究[J]．海洋通报,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

文章编号:1672-8262(2015)06-38-03中图分类号:P208．2

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—09—16

作者简介:刘静(1980—),女,高级工程师,主要从事工程测量及GIS开发等。