基于WebGIS的入海排污口信息管理系统的设计与实现

贾　卓，汤友华，李　秀，郭振华

（清华大学　深圳研究生院，广东　深圳　518055）

基于WebGIS的入海排污口信息管理系统的设计与实现

贾卓，汤友华，李秀*，郭振华

（清华大学深圳研究生院，广东深圳518055）

为了解决入海排污口的信息管理问题，设计了一个基于WebGIS技术的入海排污口信息管理系统，阐述了系统原理并给予实现。系统具备的功能包括：基本GIS地图操作、排污口信息交互展示、GIS绘图、测量、环境功能区/海洋功能区图加载、专题图管理、图表生成、空间查询与定位、地图打印输出、法律法规文件库管理等。该系统可以简化排污口信息管理流程，借助信息手段为环境保护部门提供参考信息，辅助进行排污口相关决策，提高排污口管理工作的效率。

WebGIS；入海排污口；信息管理系统

随着中国经济的飞速发展，水环境问题日益突出，对水生生物乃至人类的健康构成了极大威胁，甚至成为制约我国国民经济可持续发展的重要因素之一。2013年，我国近岸海域海水污染依然严重，近岸海域中，尤以入海排污口邻近海域污染最为严重，据统计，高达80%以上的排口邻近海域存在水质超标的问题［1］。从20世纪70年代起，国外开始将地理信息系统（Geographic Information System，GIS）引入到环境管理、规划问题之中，并陆续在水资源、大气、固体废弃物等污染与防治，环境应急响应，环境污染影响与评估等诸多方面进行了大量的科研工作，取得了许多有意义的成果。目前，国内外基于GIS的水资源管理主要集中在水文研究［2-3］，地下水资源分布［4-5］、评估［6］及其污染防治［7-11］，河流、湖泊资源管理［12-14］，突发环境事件处理［15-17］等方面，且都取得了较好的研究成果。然而在入海排污口管理领域，GIS的应用尚显不足。同时，GIS技术的优越性越来越被广泛认可，GIS也逐渐从早期庞大且专有的系统向轻便且大众化的开放式系统过渡，“网络化”是GIS在今后的发展历程中最重要的特点之一，因此，WebGIS技术应运而生。它既有传统的GIS技术的优势，同时也整合了Internet技术和Web技术，具备空间适用性、平台开放性、数据共享性等先天优势［18］。

本文基于以ArcGIS Server为代表的WebGIS技术设计和实现一套入海排污口信息管理系统，以期获得高信息共享性、高系统交互性、反应速度快、高扩展性等特点，最终希望能够提高我国入海排污口管理工作的信息化水平，提升管理工作效率。

1　系统分析

1.1任务概述

本系统旨在利用已有的入海排污口监测统计资料，掌握入海排污口和直排海污染源的基本信息，建立直排海污染源与排污口动态数据库，通过地理信息平台与应用软件的开发，实现数据库与电子图层的对接，直观展现直排海污染源与排污口的空间定位，除GIS基本操作、查询等功能外，实现规定空间（海区、海域、省、市、纳污海域环境功能区）的汇总、统计、分析，为管理提供技术支撑和辅助决策支持。

1.2角色分析

本系统默认角色主要有以下几类，同时也允许管理员根据不同需求创建、编辑、删除角色，并能对不同角色的权限进行灵活配置。

（1）系统管理员。 主要负责系统的管理、维护等工作，例如：用户信息管理、排污口信息表维护、监测数据备份等。系统管理员主要分为两种，其一是拥有最高操作权限的超级管理员，既拥有系统管理权限，又拥有业务操作权限；其二是只行使后台系统管理职能的普通系统管理员。系统管理员的存在保障系统安全、稳定地运行。

（2）数据管理员。 完成数据库中针对监测数据的维护和操作等，具有数据库管理和控制的全部权限。数据管理员的权限进行细分可以分为：数据上传、数据编辑、数据备份与恢复、数据库维护等。

（3）普通用户。 登录系统后可以进行数据查询、统计分析等基本操作，不具备对系统或数据的修改能力，用户具体权限需要系统管理员为其分配。

系统角色的制定可以实现不同用户在系统中操作指定的对象，有利于在符合系统业务逻辑的前提下最大限度简化权限管理工作。

1.3数据分析

入海排污口数据特点主要表现在：

（1）排污口信息具有显著的地理位置特征，需要对地理空间信息有合适的表达。

（2）排污口与监测数据存在一对多关系，即某一排污口在不同时间对应着不同的监测数据；

（3）既包含空间矢量数据（如功能区图），又包含监测标量数据（如COD、PH等）。

ArcGIS可以较好地处理具有显著地理位置特征的信息和数据，并将其进行展示。通过排污口图层与数据图层之间建立“虚链接”的方式，可以将排污口信息与监测数据对应起来。借助ArcSDE空间数据引擎，可以在数据库中建立空间数据库，统筹管理空间矢量数据与监测标量数据。

2　系统设计

早些时候，人们将入海排污口信息以表格形式储存在数据库中，通过数据库管理软件或者自主开发的客户端进行信息管理和数据交互，即电子档案式的管理模式［19］。这种模式只能满足信息的基本储存需求，在信息量逐渐增大、信息交互和展示需求强烈的今天显得有些力不从心。随着计算机技术的发展，近些年来有学者将GIS技术应用于排污口信息管理系统之中。这些系统运行于单机之上，借助GIS系统对空间数据进行管理和显示，开发人员在此基础之上开发特定的业务功能。例如，马民涛［20］等人基于ArcGIS Engine实现了排污口管理信息系统，同时提供水质预测功能。基于ArcGIS Engine组件式开发的信息管理系统虽然较好地解决了信息的统一存储和管理问题，并且具备一定交互功能。但是，利用该技术构建的系统为客户端/服务器（C/S）模式，信息共享性较差，需要购买特定区域电子地图作为底图，成本较高，而且该种模式下，系统功能扩展不甚便利。

本文重点设计基于ArcGIS Server的入海排污口管理信息系统，构建B/S模式的平台，融合WebGIS、基于Flex的RIA、ArcGIS Online等技术和手段，在满足系统功能需求的前提下，收获高信息共享性、高系统交互性和高扩展性等特点。借助云GIS平台获取免费电子地图，可以大大节约系统开发成本。

2.1架构设计

采用分层设计思想，将系统自下而上分为数据层、应用层和表现层。如图1所示。

2.1.1数据层涉及到本系统的数据类型主要分为两种，其一是空间数据，例如功能区图等；其二是属性数据，例如排污口信息、监测数据等，无论是空间数据还是属性数据都被保存在SQL Server数据库中集中管理。除此之外，在ArcMap中生成的地图文档也需要存储，不过该部分数据并不存入数据库，而是以文件形式存储在本地硬盘上。SQL Server支持空间数据库的创建，ArcGIS Desktop通过空间数据引擎ArcSDE可以在SQL Server中创建空间数据库，完成对数据的储存和管理等功能。Flex Builder可以通过Java提供的类库连接到数据库，从而调取数据进行开发。空间数据和非空间数据在数据层得到有效管理和统筹，为后续的系统功能提供保障。

2.1.2应用层ArcGISServer将来自ArcGISDesktop的地图文档发布成为地图服务，同时提供地理编码服务。发布成功之后，ArcGIS Server即为这些服务封装好REST接口供其他应用调用。ArcGIS Online是ESRI推出的云GIS平台，在这里，用户可以免费使用其提供的云端地图，同时生成网络地图或者应用［21］。借助ArcGIS Online平台，可以设计出符合各种特定业务逻辑的网络地图应用，并可以通过任何连接到Internet上的设备来访问这些应用。本系统采用插件式开发方式来提高系统的可扩展性。Flex Builder是Adobe公司为开发Flex应用推出的集成开发环境，它基于Eclipse软件进行扩展开发而来。在本系统的设计中，实现各种业务功能的插件即是在Flex Builder中开发和调试。应用层主要负责整合各种服务和功能。

2.1.3表现层本系统使用ArcGIS Viewer for Flex生成最终的系统框架。ArcGIS Viewer for Flex是一个可以简便部署的浏览器应用程序，通过该工具，用户可以通过配置的方式来方便添加工具和数据内容。利用ArcGIS Viewer for Flex框架，结合ArcGIS API for Flex，开发人员就可以开发有特定功能的插件，将插件上传安装到ArcGIS Viewer for Flex之上，测试通过后便可以部署到最后的应用中，提供给用户使用。

2.2功能模块设计

系统共分为基本地图操作、信息展示、空间查询、空间统计、空间分析、地图打印、文件库管理7大功能模块，每个功能模块都有1个或多个子功能予以实现，如图2所示。

图2　功能模块设计图

2.2.1地图服务地图服务为不同客户端之间共享地图等GIS资源提供了有效途径。服务器上储存和管理发布好的地图资源，客户端直接调取服务即可使用。通过ArcGIS Server，开发人员可以发布的服务和所需资源如表1所示。

表1　ArcGIS中的地图服务类型和所需资源

在ArcGIS Online云端GIS平台上，通过调用ArcGIS Server发布的地图服务生成网络地图应用，在该应用中可以实现地图的平移、放大、缩小等操作，并不需要单独编程实现。ArcGIS Server发布的地图服务中包含排污口图层的基本信息，在网络地图应用中可以配置单击排污口图标时系统返回的信息内容，以此达到输出入海排污口信息的功能，实现用户与排污口图层的交互操作。

2.2.2图层控制最终呈现出的地图界面是通过若干图层相互叠加而成，因此必须提供相应的图层控制功能。该部分可以作为一个功能插件实现，将地图服务中的图层信息调取出，并以复选框的形式展现给用户，通过挑选来指定显示的图层，专题图的管理工作也同时在此完成。

2.2.3GIS绘图/测量交互式绘图功能，即用户通过鼠标在地图可视化界面上进行各种形状的绘制，主要包括点、线、面等。可以将绘图功能做成一个单独的工具，结合API中绘图相关的类来实现鼠标绘图的功能。同时通过编辑工具对绘制好的图形的外观进行编辑，以获得更好的可读性。

测量主要包括两部分功能：距离测量和面积测量。在地图上点击直接获取的是屏幕坐标，通过Flex API提供的函数可以转换成地理坐标。求某两点之间的距离时，可以通过其屏幕距离与当前地图比例尺进行换算求得。面积测量主要基于面积计算公式，涵盖三角形、四边形到多边形。

2.2.4环境功能区/海洋功能区加载针对shape形状文件，有一种开源的数据处理框架——LibertyGIS［22］。该框架内主要包含三个对象和一个事件：一个独立的Map对象，.shp文件相关对象，一个DataLayer图层对象以及自己的MapEvent事件。使用LibertyGIS框架能够比较方便地展现客户端.shp数据，以此达到功能区图的加载目标。

2.2.5图表以图或者表的形式展示数据的能力使Flex用户与数据的交互变得更加容易。基于Flex可以开发条状图、饼图、线图或其他类型图表，而且可以采用不同颜色、标题等来修饰相应的图表。

2.2.6空间查询/定位在GIS中空间查询可以借助查找任务（FindTask）来实现基于关键字的空间搜索。此外，可以通过拉框方式选取想要查询的入海排污口，系统返回相应的排污口信息。

定位相当于一个逆地理编码的过程，系统接收地理坐标（经纬度），定位到地图中的相应位置，实际上与空间查询实现步骤类似。

2.2.7打印/链接在GIS系统应用中，时常需要将地图进行输出留存，因此设计一个地图打印的模块是有必要的。ArcGIS API for Flex中提供了相应的类（PrintTask）来实现我们所需要的功能。

链接工具即提供一个外部文件库的入口，通过该工具建立起用户与相关法律法规站点或文件的通道，实现站点和文件的统一管理。

2.3业务流程设计

用户进入系统后，系统将会自动加载云端的网络地图服务。用户可以通过拖拽、放大、缩小等方式浏览地图以及地图上的排污口信息。对感兴趣的排污口可以单击其图标，系统会弹出窗口显示该排污口的信息。倘若该排污口在数据库中存有图片，则在基本信息的末尾予以显示，否则不显示排污口图片。用户可以在工具栏选择相应的工具来实现GIS功能，设计的GIS功能包括绘图、测量等基本功能，加载环境功能区/海洋功能区图，空间查询、定位，图表功能，以及专题制图等。关闭工具窗口即可推出相应功能，直至完全退出系统。本系统的详细业务流程图如图3所示。

3　系统实现

3.1系统概览

入海排污口信息管理系统整个界面可以划分为6个区域，如图4所示。其中，①部分为标题栏，地理信息子系统名称、Logo和版本号；②部分为地图导航栏，在此有放大、缩小、平移、全图等工具；③为比例尺信息；④为工具栏，具体GIS功能在此实现；⑤为地图区域，工具的操作和界面交互在此完成；⑥为地址定位器。

图3　业务流程设计图

图4　系统概览

3.1.1排口信息展示在系统中，排污口信息可以通过与地图中排污口图表进行交互进行展示。排污口信息如果包含图片，在信息页末尾会展示出该图片，如图5所示。

图5　排口信息展示

3.1.2环境功能区/海洋功能区加载本系统可以将科学手段生成的功能区图加载到信息系统上进行展示，如图6所示。

图6　加载功能区图

3.1.3GIS绘图/测量绘图和测量是基本的GIS功能，系统提供交互式绘图体验，可以直接在地图上绘制点、线、面等图形来辅助地图理解，同时支持点、线、面的测量，点元素返回坐标值，线元素返回长度，面元素则返回周长和面积，测量结果提供多种单位可选，如图7所示。

图7　GIS绘图/测量功能

3.1.4空间搜索/定位空间搜索功能可以自定义搜索域，目前系统以“排污口代码”和“企业或单元名称”为例进行搜索功能的展示。搜索方式可以框选要素、也可以手动输入关键字。空间定位支持传统的经纬度定位，同时也支持排口图层中按照排污口名称、排污口代码、海区代码、海湾代码等信息进行定位。如图8所示。

图8　空间查询/定位功能

3.1.5图表系统提供两种不同的图表显示方式，其一是针对单个排污口的排放情况统计，可以直观展现出排污口排放污染物的占比；其二是针对多排污口某种污染物的展示，方便进行多排污口之间的对比，如图9所示。

图9　图表功能

3.1.6打印/链接打印功能实现将当前可视范围内的地图打印输出，链接工具主要提供网址或文档的链接功能，集中管理各种文件，例如：直排口管理的法规、政策、技术指南等等，如图10所示。

图10　打印/链接功能

3.2应用实例

信息系统的最终目标是为管理者提供辅助决策信息。本文提出的入海排污口管理信息系统可以从多个角度进行辅助决策支持。

3.2.1超排预警决策支持超排预警功能可以有效指导入海排污口的污水排放，其辅助决策支持方式主要包括：对已经超标排放的企业执行限制排放或禁止排放措施以及对尚未超标排放的企业提醒其排放余量等。

一般而言，超排预警包括两种形式：浓度预警与总量预警。浓度预警是指将污染物检测浓度与标准排放浓度相对比，超出规定范围即给出警示信息。总量预警表示在规定时间（本文以1 a为例）内，计算排口排放所有污染物的总量，与排口信息中的总量控制相比较，超出则给出警示信息，通过两个量的差值也可以得到可排放污染物余量，如图11所示。

图11　超排预警决策支持

3.2.2排污口选址辅助本系统可以从三个角度进行排污口选址辅助：纳污总量控制、海洋功能区限制及缓冲区叠加分析。

（1）纳污总量控制。 通过空间统计模块获取污染物实际排放总量信息，与海域纳污控制总量进行比较，可以判断污染物排放的超标情况，从而辅助进行排污口选址决策支持。

（2）海洋功能区限制。 在不同的海洋功能区设置入海排污口必须要遵循一定的原则，例如：禁止在水产种植保护区排放污水。将各功能区图加载到入海排污口管理信息系统之后，可以直观判断相应区域是否可以设置入海排污口，以及可以设置何种类型的排污口。

（3）缓冲区叠加分析。 缓冲区是设置在污染源和纳污水域之间，充分利用环境自净能力，避免生态破坏的一种手段，对于水体保护具有十分积极的意义［23］。入海排污口可以视作一个个独立的点状污染源，污染物排放到海域之后，会随水流迁移，在迁移过程中不断扩散、稀释、降解，浓度逐渐降低。依据经验或计算结果为排污口设置一个缓冲区范围，有利于直观地展现污染物浓度达标的大致范围，多个排污口缓冲区的叠加也从一定程度上代表着污染物浓度的叠加，可以有效地为排污口的选址提供辅助信息。如图12所示，由缓冲区叠加可知，Ⅰ区和Ⅱ区存在污染物浓度叠加的情况，而Ⅲ区水域不再受污染物影响，可以适当进行排污口的设置。

图12　缓冲区叠加分析

3.2.3特制污染物排放分析特征污染物是反映某种行业污染物排放特征的某种或某几种污染物，一般而言，可以理解为排放总量较多的污染物。在入海排污口排放的污染物中，特征污染物主要有COD，BOD5，总氮、总磷，溶解氧等。BOD5，全称五日生化需氧量，表征的是水中有机物质在微生物作用下进行生物化学分解过程中消耗溶解氧的总量，能够有效反映水中有机物质的多少，同时也间接说明水体受有机物污染的严重情况。氮和磷是生物和粪便的重要组成元素，因此对近岸海域水体中的总氮和总磷进行分析可以有效反映目标海域受岸上居民生活污染的程度，对指导生活污水排放入海具有指导意义。对溶解氧含量进行分析可以有效反映目标海域水体的自净能力。本系统可以对特征污染物在一定时间区间内的排放情况进行统计，同时给出不达标情况，用以进行决策支持，如图13所示。

图13　特征污染物排放分析

4　总结

本文设计和实现了基于ArcGIS Server的入海排污口管理信息系统，引入云GIS平台，所构建的系统具备共享性好、交互性好、反应灵敏、扩展性好等优点，同时使用云端电子地图也节约了系统的开发成本。在此基础之上，对应用本系统进行排污口管理决策支持进行了探讨。实践表明，本系统可以实现排污口信息的统一管理，能够通过GIS等信息技术手段为排污口管理者提供参考信息，从而推动排污口管理工作的信息化。

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Design and Implementation of an Information Management System for Sewage Outfall Based on WebGIS

JIA Zhuo，TANG You-hua，LI Xiu，GUO Zhen-hua
Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，Guangdong Province，China

In order to solve the problem in the information management of sewage outfalls，an information management system is designed for sewage outfall based on the WebGIS technology.The architecture design and principle of the system are elaborated and implemented.The presented system possesses the following functions: basic GIS operation，interactive information display of outfalls，GIS mapping and measurement，loading the maps of environmental and marine functional areas，management of thematic maps，charting，spatial query and positioning，map printing，as well as management of the legal document library.The system can simplify the outfall information managing process，provide reference information for the environmental protection agencies with the means of information technology，assist decision-making for outfall management，and thus improve the efficiency of management affairs.

WebGIS；sewage outfall；information management system

X84

A

1003-2029（2016）02-0038-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.007

2015-07-17

国家高新技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA09A408）；国家自然科学基金资助项目（71171121）；深圳市基础研究资助项目“面向科研环境的Cyberinfrastructure关键技术研究”（JCYJ20130402145002418）；国家环境保护公益行业科研专项资助项目（201309006）。

贾卓（1989-），男，硕士研究生，研究方向为地理信息系统、决策支持系统。E-mail：418741916@qq.com

李秀（1971-），女，博士后，副研究员，研究方向为海洋观测系统架构、CIMS环境下的决策支持系统、人工智能在CIMS中的应用、电子商务与供应链技术。E-mail：li.xiu@sz.tsinghua.edu.cn