水环境功能区信息的空间管理系统

清华大学学报(自然科学版) 2009年第49卷第12期

　

CN 11-2223/N J T singh ua Un iv (Sci &Tech ) , 2009, V o l. 49, N o. 12w 16

http://qhx bw. chinajo urnal. net. cn

　

水环境功能区信息的空间管理系统

荆　平, 　贾海峰

1, 2

1

(1. 清华大学环境科学与工程系, 北京100084; 2. 天津师范大学城市与环境科学学院, 天津300387)

摘　要:为了对水环境功能区划的水质、水量、水环境容量、功能区划目标、污染源等进行信息化动态管理, 建立了一个信息系统的空间管理和分析系统。该系统基于地理信息系统(G IS ) , 采用数据库关联连接技术, 集成空间数据库、属性数据库和关系数据库于一体, 对数据进行空间分析和判断。将符合质量要求的水环境信息数据导入到数据库中, 实现数据的动态更新。采用专题地图渲染生成方法, 对信息数据进行可视化显示。该系统可为区域水环境综合管理及规划提供依据。

关键词:水环境功能区; 信息系统; 空间分析; 动态管理;

可视化

中图分类号:X 321

文章编号:1000-0054(2009) 12-1976-04

文献标识码:A

中国学者在水环境功能区管理信息系统的开发设计方面的研究, 主要运用数据库技术构建水环境功能区空间数据库及属性数据库, 存储区域水系及

水环境功能区划地理空间信息、污染源信息、排污口信息、水质控制断面信息、污水处理厂信息等内容。由于区域水环境监测统计数据的海量增长, 大量数据导入属性数据库将降低系统的运行效率。因此, 如何对信息数据进行系统管理, 避免大量统计数据及环境监测数据进入地理信息系统(geogr aphic info rmation system , GIS) 的属性数据库中, 动态加载与水环境功能区相关的信息数据, 解决数据冗余问题, 成为研究的重点。

本文以GIS 数据库管理技术为基础, 结合GIS 组件设计开发方法, 通过软件系统设计, 对信息数据的动态添加及管理进行深入分析研究, 实现区域水环境功能区信息数据的空间管理, 并对数据进行空间分析及可视化显示。

[1]

Spatial management system for water environmental regional distribution

information

JING Ping 1, 2, JIA Haifeng 1

(1. Department of Environmental S cience and Engineering ,

T s inghua University , Beij ing 100084, China ;

2. College of Urban and Environment , Tianjin Normal University ,

Tianj in 300387, China )

Abstract :A s patial analysis and d ecis ion-making s ystem was developed for data des crib ing the w ater condition in various regions to

im prove

the

management

of

w ater

qu ality,

quantity,

en vir on men tal capacity, regional distribution, and pollution sour ce. T he sys tem us es the GIS (geograp hic information system) and database m anagement. Spatial data man agemen t, the attribute data manag ement, and th e r elational database management are integrated into the s patial analysis and decision-making. New , high quality data is imported into the attribute database to dynam ically renew the database. Th e data is visualized us ing a them atic map ren dering meth od.

T hus ,

the sys tem provides the basis for syn th etic

manag ement and planning of regional water environmen ts.

Key words :w ater environmental region; inform ation s ystem ; spatial

1　水环境功能区数据集成管理

在计算机软硬件的支持下, 利用GIS 的基本功能, 对区域水环境地理空间数据及相关的环境信息数据进行采集、编辑、处理、分析、输出等基本操作, 对水环境功能区的水质、水量、水环境容量、功能区划目标、污染源等进行信息化管理, 采用特定的计算方法, 将字符数据、数值数据等信息转换为可视的直观几何图形, 实现区域水环境信息数据的可视化显示

[2-3]

[1]

。

1. 1　数据模型

GIS 的数据模型主要有以下3种:

1) 关系数据模型:直接存储GIS 数据到关系型数据库中, 通过在客户端增加空间数据引擎管理

收稿日期:2008-09-23

作者简介:荆平(1966—) , 男(汉) , 陕西, 博士后, 副教授。:,

荆　平, 等:　水环境功能区信息的空间管理系统

1977

空间数据的访问和处理;

2) 对象数据模型:采用面向对象方法建立GIS 数据存取和处理的新模式, 将空间和非空间数据统一存储在对象存储系统中;

3) 混合型数据模型:空间数据采用数据文件的方式进行存储, 与其关联的属性数据存储在关系数据库中。

水环境功能区的信息数据主要由空间数据、属性数据和环境监测统计数据组成。空间数据通过ArcSDE 存储到大型关系型数据库(如Oracle 9i ) 中并进行管理; 属性数据以数据表的形式加以存储; 监测数据和环境统计数据则存储在一般的关系数据库中。因此, 数据的综合管理属于混合数据模型。1. 2　数据来源

1) GIS 空间数据。

空间数据库的建立包括数据的采集、输入、编辑、预处理和面向对象的数据组织等方面, 可运用ARCGIS 、ArcView 、MapInfo 等GIS 基础软件进行空间数据库的建设。

研究区域的GIS 空间数据主要指与水环境功能区各种自然、社会、经济的地理空间对象密切相关的地理信息数据, 包括数字高程模型(dig ital elev a-tio n m odels, DEM ) 数据, 省、县、镇、村的行政边界线及行政区分布, 交通要素(公路、铁路等) 图, 水系河流空间分布、流域汇水分区界线等水系水体流域分布图, 污染源、排污口及污水处理厂的空间分布图

[1, 5]

[4]

及统计年鉴中的社会经济统计资料, 具有海量性增

长和动态性变化的特征, 有些数据需要选择性地导入到属性数据库中进行保存和空间分析。目前主要利用ACCESS 、SQL 或Oracle 等进行数据管理, 应用时通过关键字段的关联实现数据调用、查询、分析等操作。

1. 3　数据集成管理方法

由于水环境功能区划数据库采用混合数据模型进行数据的综合管理, 增强了系统数据处理的灵活性, 并采用数据关联技术进行数据访问, 能够很好解决数据冗余问题。

在具体实践中, 空间数据以标准文件格式存储在特定目录下, 每个地物均有其对应的唯一关键检索字段, 系统以此为索引建立该地物的图形数据文件。与空间对象关联的属性数据库的管理, 主要是合理规划数据表的类型和表的结构设计, 分别建立社会数据库、经济数据库、环境数据库、资源数据库和人口数据库。表的结构设计关键是确定数据表的字段, 特别注意字段的类型, 避免由此造成对数据精度的影响或对存储、查询及索引带来困难, 然后进行数据的录入, 丰富数据记录。

属性数据与环境监测统计数据均以与地物对应的关键字为标志号, 实现图形文件与属性文件的一一对应。对于各个数据表, 通过设立关键索引字段, 最终与空间数据库建立关联, 同时使各表之间也建立了相互关联关系(见图1) 。

; 此外还包括区域内社会经济的空间对象分

布图, 如土地规划利用图、农业综合开发区域分布图、工业园区分布图等等。

GIS 空间数据的生成可在研究区域国家1÷25万或更大比例尺电子地形图的基础上, 运用AR-CGIS 9. 0应用软件绘制而成, 对于一些需要精确定位的空间对象可用GPS 进行实地调研绘制。

2) 属性数据。

属性数据与空间数据密切关联, 用于描述空间数据的特性, 可在空间数据的构建过程中对其进行设定和录入, 也可在空间图层的基础上创建属性字段来实现。在区域空间数据电子底图的基础上, 将与地理实体相关的水体水质指标、水环境功能分区目标、污染源的排污种类及数量等属性进行描述, 并不断更新属性数据库, 实现水环境信息的空间管理。

3) 环境监测及统计数据。

图1　水环境功能区信息系统数据库集成管理方式

2　数据库的动态更新及数据分析

,

1978

清华大学学报(自然科学版) 2009, 49(12)

要建立属性数据库与关系数据库之间的关联, 动态更新与空间对象对应的属性数据库中的环境信息数据, 结合专题图渲染方法, 直观显示数据的空间特征, 实现水环境功能区信息数据的系统管理。因此, 将环境属性数据存入非GIS 的关系数据库中, 运用数据库绑定方法, 动态连接环境信息数据并更新与其对应的属性数据库, 添加最新信息数据或删除修改以往的已有数据, 结合GIS 和数据库管理技术, 采用GIS 组件设计开发思想进行环境信息的空间管理, 对环境信息数据进行图形化显示, 实现数据库数据的动态修改和添加, 利于区域环境信息的综合

[2, 6]

管理, 实现数据的动态更新及分析(见图2)

。

3) 数据连接成功后, GeoDatasets 就会移到当前层或SDE 层中的shape 文件集里, 构建一个接口, 通过选择shape 文件或SDE , 采用GeoDatasets 集中的FindGeoDataset 方法连到GeoDatasets 。2. 2　信息数据的空间分析

信息数据的空间分析主要用于对地理信息进行可视化表示, 能够实现数据的空间分析及图形化显示, 直观表示管理区域的水环境质量及信息空间分布规律。利用各种数学模型, 把各类统计数据、实验数据、观察数据和地理调查资料等进行分级处理, 然后选择适当的视觉变量以专题地图的形式表示出来, 如分级统计图、分区统计图和直方图等。

专题图的生成主要采用图层的渲染来实现, 在设计开发时, 通过设置图层对象的Renderer 属性, 采用不同的渲染方法就可以生成不同类型的专题图。主要包括文本标注图对象LabelRenderer 、数量分类图对象ClassBreakRenderer 、点密度图对象DotDensityRenderer 、唯一值图对象Val-ueMapRender er 、直方图对象ChartRender 等。

ClassBreakRenderer 可用于生成单一字段的分级专题图, 对于水环境功能区的环境质量、功能区等级的描述非常适合; ValueM apRenderer 可以按照单一字段的数值实现专题图渲染, 不仅支持数值字段, 也支持字符字段; ChartRenderer 可以利用饼图或棒图来描述多个字段参数特征, 还可以用显示的图表的大小来表示特征值的多少, 其中ChartTy pe 属性确定是用饼图或棒图。用Field 和Color 属性数

[8]

图2　数据库的动态更新及数据分析框架图

组表示图表来源字段和采用的颜色, 用FieldCount 属性表示数组的维数。

在对信息数据进行空间分析时, 可以采用复合专题图的方式进行多种信息的图形化显示, 其中主要包括多字段数据的对比分析, 也可以对不同的单一字段生成不同类型的专题图进行显示。

2. 1　数据连接的设计方法

由于环境信息数据主要存储在关系数据库中, 与空间对象的关联通过属性数据库来实现, 数据库的更新主要通过创建索引字段的关联来实现, 以避

[7]

免数据冗余。

系统设计时, 数据连接通过面向对象语言的数据对象来实现。具体方法为:

1) 利用GIS 组件加入GIS 图层, 通过Data-Connection 和Geo Dataset 对象从文件系统或SDE 数据服务器中查找和连接数据。

2) DataCo nnection 对象可用于连接包含图层文件的文件夹, 应用Co nnect 方法进行连接, 但设置数据库属性为具有文件夹名的串; 也可连接SDE 数据库, 在设置数据库、密码、服务器和用户特性后, 3　研究示例

采用GIS 组件M apObjects , 在VB 平台上进

行佛山市南海区水环境信息数据管理系统的设计开发, 实现水环境质量数据的动态分析功能, 并与功能分区专题图进行对比, 分析功能区划的空间合理性及功能区的环境质量现状, 为污染物的总量控制及制定环境规划方案提供依据。

系统的主要功能包括:1) 信息管理功能:实现数据的信息化管理, 如水环境功能分区信息数据的

荆　平, 等:　水环境功能区信息的空间管理系统

1979

功能:主要用于进行水环境质量评价, 获取水质现状评价的图形化结果, 了解不同等级的水质分布; 通过在代码中加入评价方法模块, 调用数据层数据, 实现各种信息数据的分析与评价; 3) 空间可视化功能:显示功能分区的环境质量特征, 区域污染物总量控制的管理区、控制区、目标区的分布及污染状况图。对水环境信息数据进行图形化空间处理, 直观显示结果, 如点密度图、柱状图、饼图等等, 实现单一环境信息数据的图形化显示。

水环境功能区数据管理系统的关键在于实现数据的动态添加及生成专题图, 针对南海区域内水环境信息数据, 进行水系识别与提取, 生成外围河涌、内河涌、水库及水工设施等图层。依据《中国水库名称代码SL259-2000》的编码方式, 对水库进行编码并设定为关键字段, 建立水库GIS 矢量数据库, 通过每个地物的唯一标志(ID 号) 将属性数据库与空间数据关联, 空间属性数据与非空间属性数据均采用ID 号存储各地物属性记录, 系统以此为索引建立属性数据库与关系数据库的关联, 实现空间数据与属性数据及监测统计数据的一一对应关系, 采用程序设计实现非空间属性数据的动态更新。依据各种水体特征的分级数据以及国家地表水环境质量标准, 采用ClassBreaksRenderer 方法, 将该方法的Br eakCount 与环境标准级别、功能分区数量等设定为同一值, 就可以对水环境的特征、环境功能分区、环境质量分布进行图形化显示, 也可以选择其他专题图渲染方法, 实现空间分析及显示。

以水库面积大小的空间可视化显示为例, 实现效果见图3

。

数据库中, 动态更新数据库的信息量, 避免造成数据冗余。

2) 基于数据库技术实现了信息数据空间分析及可视化表示, 分析的结果以专题地图的形式来描述, 更好地实现环境信息数据的空间可视化。

3) 本研究可动态加载环境模型预测数据并进行分析, 增强水环境功能区信息数据的动态管理功能, 扩充水环境功能区管理信息系统的功能模块, 实现对未来水环境质量变化的分析与决策, 利于及早采取环境管理措施。

参考文献　(References )

[1]

王俭, 胡成, 孙铁珩, 等. GIS 支持下的辽宁省地表水环境功能区划[J]. 生态学杂志, 2007, 26(10) :1611-1615. W ANG Jian, HU Ch eng, SUN T ieheng, et al. Functional z on ing of su rface w ater environment in Liaoning Province based on GIS [J]. Chin J E colog y , 2007, 26(10) :1611-1615. (in Chinese) [2]

Ettazar ini S. Groundw ater pollution r isk mapping for th e Eocene aquifer of the Ou m Er-Rabia basin, M orocco [J]. E nv ir on Geol , 2006, 51(3) :341-347. [3]

Zhou G, Esaki T, M ori J. GIS -based sp atial and temporal prediction sys tem developm ent for regional lan d s ubs idence h azard mitigation [J]. E nv ir on Geol , 2003, 44(6) :665-678. [4]

Green J A, M ar ken W J , Alexander E C J, et al. Kars t unit m apping us ing geographic information sys tem technology, M ow er County, M innesota, US A [J]. E nv ir on Geol , 2002, 42(5) :457-461. [5]

崔磊, 赵璇, 王本. 区域水环境信息管理系统的开发和应用[J ]. 清华大学学报(自然科学版) , 2008, 48(3) :443-447. CU I Lei, ZHAO Xuan, W ANG Ben.

Developm ent and

application of the inform ation manag ement s ystem for regional w ater environ ment [J ]. J T sing hua Univ (S ci &[6]

T ech ) , 2008, 48(3) :443-447. (in Chin es e)

S hanmuganath an S, S allis P, Buckeridge J. Self-organising m ap meth ods in integr ated m od elling of environmental and economic sys tems [J]. Env iron M od elling and S of tw are , 2006, 21(9) :1247-1256. [7]

Letcher R A, Croke B F W , J akeman A J. Integrated ass es sment modelling for w ater resource allocation and m anagem ent:[8]

A

generalized conceptual framework [J].

E nv ir on M od elling &S of tw are , 2007, 22(5) :733-742. PARK No-W ook, C HI Kw ang-Hoon, KW ON Byu ng-Doo. Accounting for s patial patterns of m ultiple geological data s ets in geological th ematic mapping us ing GIS-based s patial analysis [J]. E nv ir on Geol , 2007, 51(7) :1147-1155.

图3　分级专题图的生成及效果

4　结　论

1) 利用关系数据库对水环境功能区划信息数据中的环境监测统计数据进行存储, 选择性地将关