沈阳市地下水资源数据库管理示范系统关键技术研究

冯 琳

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

1 背景及意义

水是人类生存发展的必备资源，地下水作为重要水源，在人类生活社会发展中发挥着重要作用。地下水监测是地下水规范管理和水资源优化配置调度的重要基础工作。如何及时、准确的掌握地下水时空变化规律，是每一位水资源管理者需要面对的一项重要课题。“沈阳市地下水资源数据库管理示范系统关键技术研究”作为沈阳市公益性研究及科技服务专项项目，便是在这一迫切需求背景下启动的。本研究充分结合实际需求，合理整合自动化采集资源，研发了专业分析模型，对地下水资源数据进行了深入的挖掘，解决了实现系统的关键技术问题。

2 系统设计成果

本研究在充分进行业务需求分析、数据流分析和软件开发构架模式分析的基础上，对系统进行了优化设计。主要成果如下：

(1)系统构建设计

系统开发采用生命周期法和原型法相结合模式，系统运行构架采用C/S与B/S相结合模式。数据采集接口、专业分析评价模型部分采用C/S模式(采用VB开发)，成果发布功能采用B/S模式(采用JAVA开发)。数据库采用大型关系型数据库SQL SERVER管理系统开发。

(2)数据流分析

系统是以地下水动态监测数据、人工历史监测数据和综合分析所需其他相关参数数据为基础，以水资源管理专业业务涉及各级别用户的需求为核心，以局域专网和internet公网为平台，为各级管理、工作人员提供常态化业务工作和专业分析支持与息化服务，数据流如图1所示。

(3)数据库设计

通过数据库管理系统实现综合数据库的设计、开发及相关数据存储，实现数据存储的安全、高效和优化。通过系统功能的开发，实现动态监测数据和原始参数数据的自动收集、批量导入和交互录入。

(4)系统平台设计

系统采用矢量概化图和3DGIS联动模式，结合菜单和图形化工具栏导航，构建可视化、易操作的优化交互平台。

(5)系统功能设计

在进行充分的工作需求分析的基础上，通过定制开发的方式实现管理工作所需的各项支持功能，主体功能包括：数据采集管理、数据库管理、数据查询管理、数据分析，数据整编管理、成果发布管理等其他功能。另外，通过对各项功能进行用户权限定制实现对各级别用户的全方位工作支持，系统功能见表1。

图1 系统数据流图(E-R图)

序号分项功能编号子功能一二三四五六数据采集管理数据库管理数据查询管理专业数据分析数据整编管理其他1采集接口模块2历史数据批量导入3人工录入4参数设置5数据表维护(记录添加、删除、修改)6数据备份7数据恢复8数据库转储优化9历史数据综合查询10数据表形式实时查询11概化图形式实时查询12GIS空间查询13报表统计14统计图15等值线分析16相关分析17三级实时告警(数据异常、超差异常、超限异常)18趋势预警(短期趋势异常、长期规律异常)19综合评价(灰色关联度法、模糊综合法、神经网络法)20～24日报表、月报表、年报表、自定义时段报表、自定义格式报表25～29成果web发布、系统设置、用户管理、系统介绍、使用帮助

3 关键技术研发成果

3.1 标准化数据接口开发

研发了基于硬件和软件两种接口形式。硬件接口形式是通过开发采集接口协议模块，从前端采集设备直接接入监测数据。本成果开发的转换协议模块包括：RS485-串口(RS232)、RS485-网口(RJ45)、串口(RS232)-网口(RJ45)，具体采集中只需设置采集参数即可。软件接口形式，主要是从采集硬件系统外部获取数据。可以有效解决不同采集自动化系统硬件接口问题。成果可支持三种导入模式，手工录入模式、格式报表批量导入模式(TXT、execl文本)和数据库接口批量导入模式，支持所有关系型数据，支持周期人工导入和触发器实时同步两种方式。

3.2 数据库开发

本系统数据库采用SQL server系统，根据系统功能设计，课题组设计研发了数据库系统。包括4类：实时数据库、综合数据库、测站属性库、基本参数库，均采用SQL语言通过代码编程方式实现，后期推广应用只需根据需求利用程序生成数据库表，无需重新开发。监测数据包括：地下水位、水温、水质，每个监测点独立成表，便于扩展。

3.3 系统平台开发

系统实现了逻辑概化图、属性数据、GOOGLE earth三位一体的联动的操作模式，达到了良好的应用效果，其界面如图2所示。其中概化图功能采用了矢量化动态生成技术，可通过人工拖拽和编辑的方式维护库结构，将水资源专业人员从负责的数据库设计和代码操作模式解放出来。在操作过程中，用户只需单击形象的概化图即可在地图区实现快速飞行定位，在属性区动态切换到该测站的基本属性、监测数据和过程曲线。同时点击属性栏和地图中相应的测站也可以实现其他两个工作区的同步切换，所有功能具有极强的可操作性、友好性和便捷性。

图2 系统平台界面图

3.4 概化图查询

该功能实现了概化图和监测数据表同步实时显示功能，如图3所示，可直观快速的获取用户关心的监测信息，并支持一键发布功能。本功能创新之处在于可动态生成概化图，通过开发CreateDatabasePage功能函数，实现了根据属性数据库中的测站信息自动生成概化图，同时根据用户的时间要求从实时数据库中获取监测数据生成概化图数据和数据表。

图3 概化图查询功能界面图

3.5 本地化3DGIS空间查询

本地化3DGIS空间查询功能采用Google Earth ActiveX二次开发技术实现，该技术可以充分利用Google的基础地理资源数据，所有用户信息和监测地标数据采用kml文件形式进行管理，并利用二次开发方式动态加载到gis图层中，最终实现本地化Google Earth的应用效果。另外，本成果还采用了定制缓存技术，实现了Google Earth空间资源数据的本地化管理，在实际应用中通过接入internet网，可实时加载地图信息，若无法上网可自动加载预存到缓存文件中的基础地图资源信息。通过该方法解决了传统3D GIS系统需要定制大量空间基础信息和需要图形工作站和空间属性数据库服务器支持的开发和应用模式。极大的提高了3D GIS系统的开发效率和应用体验效果。本地化3DGIS叠加等值线分析成果如图4所示。

另外，本研究采用定制开发方式实现，根据测点分布采用距离加权法模型和克立格法进行网格化内插计算，并形成等值线数据，生成kml文件，可利用Google Earth二次开发技术加载到3DGIS系统图层中，取得良好的结合效果。

图4 本地化3DGIS叠加等值线分析成果图

3.6 综合评价模型开发

综合评价模型是系统的主要功能，研究成果对模型的输入、计算、输出、成果管理进行计算机软件支持与数据库支持。成果主要支持模型包括：灰色关联度评价模型、模糊综合评价模型和人工神经网络模型。对实现模型构建的评价体系建立、指标权重分析、模型库管理、综合趋势分析等关键技术进行定制开发，形成工具包。系统功能结构图如图5所示。

图5 综合评价功能结构图

通过上述专项功能模块的开发，实现了地下水状态的综合趋势分析功能，通过分析可计算出相对于某一评价体系标准的量化评价成果值，通过长序列分析，便可绘制出根据评价体系的指标状态趋势变化曲线，从而辅助管理者掌握监测数据的总体状态。研发成果如图6所示。

图6 综合评价系统应用成果图

4 结语

本系统面向沈阳市地下水资

源管理工作需求，充分运行现代信息技术研发的示范系统，通过在沈阳市的示范应用取得了良好的效果。主要特点：

(1)基于逻辑概化图、属性数据、GOOGLE earth的三位联动的平台实现了全拖拉式互动操作，具有良好的便利性和友好性。

(2)系统采用的空间数据缓存管理技术，实现了GOOGLE earth数据本地化，摆脱了常规第三方GIS系统(如Arcgis系列、Mapinfo系列等)需要空间数据库服务器和本地数据支持的模式。

(3)通用型评价体系构建支持系统，可支持在线生成评价指标体系、专家打分、一致性检验和权重计算功能，结合沈阳市节水型城市建设目标研究制定了与之相结合的地下水资源评价体系指标，研发了模糊综合评价和灰色关联度评价联动的动态评价模型，实现了地下水综合状态的趋势分析。

(4)本成果具有显著的社会经济效益，成果的应用可有效提高管理者的工作效率，节省人力物力，提高数据分析的及时性、规范性。应用开源免费的GoogleEearth API技术和本地空间数据缓存管理技术，实现良好3DGIS互动效果的同时，节约了大量的专业地理信息系统组件采购和空间基本信息处理费用，具有良好的推广应用前景。

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