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基于WebGIS的水质信息发布系统

    摘 要: 水环境信息公开已经成为水环境管理手段发展的新趋势,信息技术的飞速发展为其提供了技术支持。本文提出将WebGIS技术引入水质信息管理系统,构建基于WebGIS的水质信息发布系统,实现更加便捷的水质信息管理和信息发布,并对系统的工作方式、体系结构、系统环境和主要功能进行了详细介绍。该系统的运用将实现水质信息的公开、直观发布,并提高水质信息的管理效率。
    关键词:水质信息、信息系统、信息公开、互联网、WebGIS

1. 系统建设的必要性
1.1 适应环境管理的新发展
  在信息化浪潮中,国家提出要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置,在全社会广泛应用信息技术,提高计算机和网络的普及应用程度,加强信息资源的开发和利用。政府行政管理、社会公共服务、企业生产经营要运用数字化、网络化技术,加快信息化步伐。信息技术作为一门新兴技术,发展迅猛,必须大力推进水环境管理信息化的进程。把信息化作为一项战略性任务, 提高信息采集、传输、处理的时效性和自动化水平,为实现水资源优化配置提供手段,为决策提供依据,为水环境管理更好地服务经济社会发展创造条件。
  利用现代信息技术实现环境信息的公开,体现了社会发展的进步。发达国家环境管理经历了行政手段、经济手段、公众参与三个发展时期,当前,促进公众了解周边环境质量状况、监督污染物治理、积极参与环境管理已经成为重要的管理手段[1,2]。因此,采用现代信息技术使公众及时准确了解水环境状况,成为水环境管理发展的新趋势。应用WebGIS技术,实现网上水质信息的直观、图像化发布,正是适应了这样的发展趋势,也体现出采用现代信息技术改造传统管理模式的目的。
1.2 信息管理系统体系结构的发展
  在水质信息管理系统中,应该及时引入先进的计算机体系结构。与Internet技术发展趋势相一致,现代计算机信息系统发展的趋势是,系统体系结构正逐步从客户机/服务器(Client/Server)结构向浏览器/服务器(Browser/Server)过渡。与传统的两层式Client/Server体系结构明显不同之处在于,Brower/Server体系结构中,将分布式网络系统分为三层,分别是:前端用户、中端事务逻辑和后端数据存储。
Browser/Server结构的优点可以归纳为以下几点:
  ·无需不断升级客户端的硬件设备,由于客户端软件的更新,不断地提高了对计算机性能的要求。采用Browser/Server模式,系统主要运行在服务器端,客户端不需要购买或升级硬件,在相当程度上拓展了计算机的生命周期;
  ·简化了客户端的安装、配置,由于Browser/Server是建立在广域网的基础上,有比Client/Server更强的适应范围,客户端只需安装操作系统和通用浏览器即可,不必安装特别的应用软件、数据库接口等,有效节省了人力和物力;
  ·显著降低了系统开发的费用,Browser/Server模式允许在不依赖客户端系统平台的情况下,快速应用开发,并且应用完全在服务器端执行,客户端通过有效的网络协议,向服务器发送请求,中端业务逻辑系统将请求的信息返回到客户端显示;
  ·大大减少系统维护的工作量,由于客户端不再担负数据访问和复杂数据计算等任务,只负责显示,而把事务逻辑处理放在服务器端,从而充分发挥了服务器的强大作用,这样一方面大大降低了对客户端的要求,另一方面也把技术人员从繁重的维护升级工作中解脱出来,使维护人员不再为维护工作奔波于各个客户机之间,每一次的软件升级只需要更新服务器端程序即可。
1.3 GIS发展的新趋势
  地理信息是一种重要的分布式信息资源,它既具有社会效益,也具有市场价值,是解决人口、资源、环境和灾害等重大社会可持续发展面临的问题,以及促进社会经济持续、快速和健康发展的基础信息手段。所以,在地理信息领域,如何发布信息,使得地理信息系统(GIS)真正地为非专业人员服务,建立信息的共享技术和开放技术就显得尤为重要。
  随着Internet技术的不断发展和人们对GIS的需求的日益增长,利用Internet在Web上发布空间数据,为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能,已经成为GIS发展的必然趋势。于是,基于Internet技术的地理信息系统--WebGIS就应运而生。网上地理信息系统可以将地图与相应的数据库有机地结合起来,实现图形与数据的有效连接,在查询图形时,可以相应查出地图中某图形目标的相应数据库信息,反之可以通过对于数据库的查询,查看到相应的地图位置,真正实现信息的动态查询,使各种信息的浏览和查询变得更加直观、方便、快捷[3,4]。
2. 系统环境设计
  系统基本的网络结构如图1所示,系统实际运行时可以在此基本框架的基础上进行扩展和变化。例如,为了提高系统的安全性,可以采用防火墙技术;为了提高系统的可靠性,可以采用存储局域网或者网络附属存储设备;并且系统逻辑处理、GIS服务、数据库服务可以根据需要,集中或者分布在不同的硬件设备上。目前存在三种WebGIS解决方案:方案一是基于ASP的WebGIS,方案二是基于ISAPI/ActiveX的WebGIS,方案三是基于 ISAPI/JavaApplet的WebGIS。本次系统开发采用第一种解决方案[5,6]。 本次系统采用Microsoft Windows2000以及IIS网络服务器,GIS系统采用了国产并拥有完全自主产权的GIS软件--TOPMAP WORLD,数据库管理系统采用 SQL Server 2000,开发工具是可视化开发工具Visual InterDev 6.0。

图1 系统工作方式示意图


3 系统结构设计

图2 系统结构示意图

系统结构如图2所示,系统结构在第一个层次上分为信息维护、水质评价、基本GIS功能、信息查询和专题地图五个部分,根据各个部分的实际目标,可以进一部划分,从而形成第二个层次上的结构。其中,信息维护是整个系统的基础,水质评价是对基础数据的进一步处理,信息查询和专题地图是对这些数据的应用,系统主界面如图3所示。
系统数据库包含了水质信息发布查询系统的基本属性数据,根据需要系统数据表包括以下三类:
  ·基础数据,存储基本信息数据和监测数据,包括测站信息表、断面数据表、地面水水质成果表、地面水环境质量标准表。在地面水水质成果表中包括以下监测项目:流量、水温、PH值、悬浮物、总硬度、氯离子、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、亚硝酸盐氮、总磷、氰化物、砷、总汞、六价铬、铜、镉、大肠杆菌;
  ·结果数据,存储对基础数据的计算、评价结果,包括地面水水质年平均值表、地面水水质评价成果表、地面水年平均水质评价成果表;
  ·系统数据,系统用户信息表用于存储系统用户信息。

图3 系统主界面图

系统各个功能模块的简要描述如下:
3.1 信息维护
  在信息维护子系统中,能够实现对各类信息的录入、修改、删除等功能。并且,在系统用户对数据进行这些操作时,系统能够辨别用户对数据的操作权限,对未被授权的用户拒绝其操作。
系统规划三种用户类型:系统管理员、数据库管理员、普通用户。一般用户只能对信息进行查询,不能修改或删除数据; 数据库管理员则可以对基础数据进行录入、修改及删除;系统管理员除拥有数据库管理员的权限外,可以添加或删除用户及对用户授权。系统根据登录用户的类别进行判断,只有具有权限的用户才可以进行信息维护的操作,维护的内容包括测站信息、监测断面信息、水质信息、水质标准和系统用户信息。维护的方式是在Web上对以上信息进行浏览、添加、编辑和删除,并由具有相应权限的用户负责这些信息的维护工作。
3.2 水质评价
  水质评价是水环境管理的重要组成部分,其目的是指出水体的污染程度,主要污染物质,污染时段、位置及发展趋势。
  本系统采用我国目前实际通用的评价方法,即根据水体用途,分别对照相应的水质标准,如地面水环境质量标准(GB3838-88)、地面水环境质量标准(GHZB1-1999), 选择评价参数,评价河段各水质指标以及全指标能够满足何种类别的水用途,统计出超标污染物名称及超标倍数,将评价结果存储在地面水水质评价结果表中,并且形成评价成果表。地面水水质评价分为每测次水质评价和年平均水质评价。
3.3 基本的GIS功能
  提供地图的放大、缩小、漫游功能,对不同的地理信息如各种测站,提供分图层分别显示,实现地图的打印预览和打印。
3.3.1地图放大
  对地图上关心的位置进行随意的放大浏览。 实现功能有两种方式:一是在地图窗口内点击,则以点击点为放大后地图的中心点,地图放大一倍;二是在地图窗口内拖动画出一矩形框,矩形框内的地图便放大为整个地图的窗口。
3.3.2 地图缩小
  可以对地图进行随意的缩小浏览,在地图窗口内点击,则以点击点为缩小后地图的中心点,地图缩小一倍。
3.3.3 地图漫游
  对地图进行漫游浏览,在地图窗口内拖动鼠标,窗口内的地图跟随移动,使地图上当前窗口范围外的内容进入屏幕视野范围。
3.3.4 全图显示
  显示整个地图,执行命令后无论地图是在放大或缩小的状态,立即显示全图,即按地图的外包矩形填满窗口。
3.3.5 图层控制
  不同类型的地图对象分布在各自的图层上,可以对任意图层进行显示或隐藏。
3.3.6 保存图形
  对系统固有的及新生成的地理信息图形按特定格式保存起来,使得当前地图窗口内的地图存储为JPG或者PNG格式的图片,可在其他应用程序中调用。
3.4 信息查询
  通过点检索、站位名称、站位编号的检索,对各类水质信息进行查询,查询结果以表格、图形的方式进行显示。
3.4.1 查询站网布设状况
  查询监测断面相关信息,在地图窗口点击测站空间点位置,即可以查询到测站代码、名称、布设位置、设置时间、断面照片等。
3.4.2 查询测站位置
  通过选定测站名称或测站编码,在地图上查询站点位置,将查询的测站显示在地图区域的中心位置。
3.4.3 查询分析区域环境质量状况
  利用水质监测成果和经过评价的监测数据信息,综合分析区域内水环境在空间分布规律及随时间变化的趋势,并以各种表格、图形方式直观可视化地反映出来。通过选定测站、选定时间范围、选定水质指标,系统将该处所有测次监测纪录的水质指标浓度值和对应的水质评价类别,按时间顺序,以表格和图形的方式显示查询结果,从而了解某监测断面上某个水质指标浓度和水质类别在时间上的变化趋势。
3.5 专题图制作
3.5.1 污染物浓度分布专题地图
  通过设定时间、选定水质指标,制作柱状专题地图,从而反映在同一时间某污染物在空间的分布态势。按照时间类别,包括逐测次和年平均两种方式,前者可以反映在特定时间上的污染物浓度空间分布态势,后者可以反映年平均的污染物浓度空间分布态势。
3.5.2 污染物评价类别分布专题地图
  通过设定时间、选定水质指标,制作柱状专题地图,从而反映在同一时间某污染物评价类别或者综合评价类别在空间的分布态势,在专题地图上可以进一步查询具体监测断面上的污染物评价类别。按照时间类别,包括逐测次和年平均两种方式,前者可以反映在特定时间上的污染物类别空间分布态势,后者可以反映年平均的污染物类别空间分布态势。
3.5.3 污染物评价类别时间变化趋势专题地图
  通过选定时间范围、选定水质指标,系统将该时间范围内、该水质指标或者综合评价各类别测次占总测次的百分比,制作成饼图专题地图。按照时间类别,包括逐测次和年平均两种方式,前者可以反映在特定时间上的污染物类别占有比例,后者可以反映年平均的污染物类别占有比例。
3.5.4 污染物评价类别色彩渲染专题地图
  通过设定时间、水质指标或者综合类别,将区域内各河段的数据不同按评价类别以不同色彩显示在水系图上,形成评价结果图。根据平面地图上不同的线条颜色,可以直观地了解评价范围内各处的水质状况。按照时间类别,包括逐测次和年平均两种方式,前者可以反映在特定时间上的污染物类别空间分布,后者可以反映年平均的污染物类别空间分布。

图4污染物评价类别色彩渲染专题图


4 结论
  在Internet上采用WebGIS技术,在促进水质信息系统的使用和维护变得更加方便、快捷的同时,可以实现水质数据的公开、直观发布,使公众及时了解水体质量信息,从而积极引导和促进公众广泛参与环境管理。这种系统的发展体现出利用现代信息技术促进水环境管理方式的变革,因此具有重要的应用价值。

Water Quality Information Publishing System Based on WebGIS
YU Xuezhong, MA Wei (Department of Water Environment, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038)
Abstract: It has become a new trend to release water environmental information to the public as a management measure, and the swift development of information technology provide it with technical support. With the introducing of WebGIS technology, the water quality information publishing system based on WebGIS is established in order to make the management and release of water quality information more fast and convenient. The working mode, structure, working environment and functions of the system are discussed in detail in this paper. Water quality information can be released visually and managing efficiency can be greatly improved with the system.
Keywords: Water Quality Information, Information System, Information Publication, Internet, WebGIS

参考文献
1. 王华,污染控制的信息手段及其在中国的应用[J], 中国环境科学,2000,20(3) , 268-272。
2. 王远,污染控制信息手段--镇江市工业企业环境行为信息公开化[J],中国环境科学,2000,20(6),528-531。
3. 宋关福、钟耳顺、王尔琪, WebGIS--基于Internet的地理信息系统[J], 图像图形学报, 1998,(3):251-254。
4. 阎君等, 地理信息共享与开放式地理信息系统技术研究[J],图像图形学报,1998,(2):140-144。
5. Eric A. Smith 著,韩军等译,Avtive Server Pages宝典[M],电子工业出版社,2000年6月。
6. 胡旭高主编,JavaScript应用开发指南[M],人民邮电出版社,1998年12月。

第一作者个人信息:
禹雪中, 男, 1971年3月, 硕士,工程师,水环境与水资源专业
中国水利水电科学研究院水环境研究所, 北京玉渊潭科技园,100038
Tel: (010)68781792 Fax: (010)68572804 Email: xzyu@iwhr.com

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