水环境空间信息管理系统的设计和实现

<P><B><FONT color=#990000>1．前言</FONT></B>
　　本项目是基于网络客户/服务器模式（Client/Server）和地理信息系统（GIS）开发的国家、流域和省三级管理体系的水利部水环境空间信息管理系统。目的是为了提高各级水环境监测部门的管理与应用水平，以及监测信息应用的广度和深度。
本系统是自实验室监测数据入库、统计分析、评价、趋势分析至报表、评价地图输出等全过程信息处理、加工、远程传输和数据管理与维护功能的系统，并且具备一定的水质模型预测与分析能力。
　　该系统将克服数据转换环节多，时效性差等弊病，并采用电子地图进行监测站网基本信息管理，可以进行水环境信息的查询检索、统计、分析评价结果的图表化处理与输出，水质趋势分析和水质模型运算结果在图上的模拟。提高水环境监测信息的准确性和时效性，客观、准确、及时地反映水环境、水资源质量状况，为领导决策提供科学依据。
　　水环境信息反映的是一定空间范围内大气降水、地表水、地下水水质与水量及与此相关环境信息的分布特点和变化规律，这些信息形式繁多，面大量广，时效性强，既有描述水资源与水环境的特征的属性数据，又有描述有关地理特征的位置关系数据。将GIS与水环境信息以及水质模型的运用结合起来，充分发挥信息资源优势，提高监测数据在水质管理中的多目的性、时效性以及水环境管理的科学决策水平，是系统的技术关键问题。
<B><FONT color=#990000>2．系统设计</FONT></B>
<B>　2．1系统的体系结构</B>
　　Client/Server系统是第四代计算机系统。其核心是服务器集中管理数据资源，接收客户机请求、查询结果并发送给客户机；同时客户机具有自主的控制能力和计算能力，向服务器发送请求，接收结果。由于网络上流动的仅仅是请求信息和结果信息，所以流量大大的降低了，这就是Client/Server系统的目的。
　　Client/Server体系结构在逻辑上可分为两层的和三层的。两层Client/Server将应用软件分为两部分，显示服务和事务逻辑功能在客户PC上执行，数据访问功能由网络上的数据库服务器处理。这种结构缺陷是应用程序的升级要求所有客户PC机上的软、硬件也随之升级，导致版本控制问题。为了解决两层体系结构的缺陷，随之有了三层（有时称多层）Client/Server体系结构。它将软件重构成三层或更多个部分，显示服务应用程序或者还可能有一部分事物逻辑功能在客户PC机上执行。应用服务器或中间服务器被插入到基本结构，用于执行剩下的事务逻辑部分。数据访问则由一个或者多个后台数据库服务器处理。和两层式的不同之处是多了一个中间层-应用服务器。应用服务器不需要考虑GUI驱动的问题，它是一个共享的提供关键事物逻辑运算、数学运算功能的组件。当组件升级，不需要改动客户端的应用程序，只需要在服务器端重新安装一次。
根据水利部门现有的基础设备条件和对系统的具体需求，系统采用三层Client/Server的网络计算体系结构。
　　客户端程序负责信息的表达和数据的入库、查询和管理。应用服务器不需要考虑GUI驱动的问题，它是一个共享的提供关键事物逻辑运算、数学运算功能如水质评价模型、水质预测模型和其它水质分析模型的组件。他最大的优点是当组件更新后，不需要改动客户端的应用程序，只需要在服务器端重新安装一次。数据库层采用一般商用关系数据库，负责水环境数据的储存。
　<B>2．2空间数据库的设计</B>
　　本系统是基于GIS（地理信息系统）的管理系统，与传统管理信息系统相比，它的数据不仅包括属性数据，更有意义的是它还集成了空间数据。对于数据的存储我们采用的还是传统的"双库"结构，即属性数据存储在一般的商用关系数据库中，而空间数据存储在图形文件中。
　　由于系统框架定位在国家级的应用水平上，因此它的数据量及其庞大，数据的类型也极其复杂，数据在物理位置上也是分布式的。为了有效地管理和利用数据我们设计了基于元数据的管理模式，建立起了国家级水利部水环境空间信息管理系统的数据库结构。<IMG></P>
<P>　　数据是<B>集成</B>的，在我国计算机应用的各个阶段，水利部的各级部门都开发过自己的应用系统，积累了许多专业数据。由于每个系统都是各个部门独立开发的并且有自己专门的和特殊的需求。因此到我们导入这些数据是存在许多问题，如在不同的地方用不同的名字存放相同的数据；或不同的数据在不同的应用中用相同的名字；或某些数据用同样的名字却用不同的度量。因此我们的第一个任务就是对数据集成化，根据已有的系统和新的需求，遵照统一的地理信息分布模型，采用一致的编码结构和数据结构，编写转换程序，将原有数据规范化后导入新的数据库中。
　　数据是<B>多维</B>的，维是人们观察现实世界的角度，在本系统中，数据具有时间属性和地理属性。每个数据都有个时间戳，记录了数据采集的时间。我们把本年度的监测数据数据叫现实数据，它是面向应用的，主要是用来做年度的水质评价，生成国家或水利部规定的各种标准报表；上报后的数据就成为历史数据，代表过去较长时间的数据，是趋势分析和其它水质模型与分析模型的基础。同时每个数据还有个地理戳，记录了数据采集的具体位置，和空间数据结合不仅能更直观的表现水环境状况，而且具有了分析水环境的空间分布特征和变化规律的能力。这样时间维、空间维和各个主题域（不同的水环境信息）一起构成了多维数据，在实际分析过程中，可以按照需要把任意一维和其它维进行组合，以多维的方式现实数据，让用户从不同角度认识水环境、水资源质量状况。
　　数据是有<B>粒度</B>的，本系统的源数据在采样时间上精确到了分钟（采样时间，采样时分），而时间跨度为有水质监测以来的所有数据；在取样位置上又精确到了测点（测站、断面、测线、测点），而地理范围包括了全国的所有流域。因此数据量是极其庞大的，在访问和查询数据上会出现效率问题。同时在更多的情况下，我们查询和分析数据的要求只需要达到月平均或年平均这个级别上。所以我们对数据进行了综合，按时间形成不同粒度的数据，低度综合的月平均、季度平均，高度综合的年平均、水期（枯水期、丰水期）平均，这样在满足了对不同粒度数据需求的同时，提高了访问数据的效率。
　　<B>元数据</B>就是数据的数据，水环境空间元数据是关于系统中所有水环境空间数据包括属性数据、空间数据的描述性信息。如果说水环境空间数据集是对现实世界中水环境的一个抽象映射，水环境空间元数据则是对水环境空间数据集一个抽象映射。所以水环境空间元数据和水环境空间数据只不过是对水环境不同抽象层次的描述，是对水环境信息的不同深度的表达，它们统一于它们所反映的客观内容。从另外一个角度讲我们可以把它想象成是系统的数据目录，它描述了数据的内容、质量、粒度、采集时间、位置、采集单位等等。利用它我们就可以知道系统中有什么数据；利用我们可以将数据划分为国家级、流域级、省级，实现三级管理体系；利用它我们才能有效地定位、查询、获取相关数据。系统任何功能的完成都需要通过元数据来实现，因此是<B>基于元数据的管理模式</B>。.
　<B>2．3GIS集成</B>
　　水环境信息反映的是一定空间范围内大气降水、地表水、地下水水质与水量及与此相关环境信息的分布特点和变化规律，这些信息形式繁多，面大量广，时效性强，既有描述水资源与水环境的特征的属性数据，又有描述有关地理特征的位置关系数据。将GIS与水环境信息以及水质模型的运用结合起来，充分发挥信息资源优势，提高监测数据在水质管理中的多目的性、时效性以及水环境管理的科学决策水平，是系统的技术关键问题。
　　我们采用的GIS平台为CityStar，这是由我们自己开发的GIS基础平台，它在国内处于领先水平。更有利的是由于是自主办权的软件，我们可以修改程序以满足系统的特殊需求。
<B><FONT color=#990000>3．系统的实现</FONT></B>
　<B>3．1数据库的建立</B>
　　专业属性库的建立主要基于早期系统。首先需要对原有系统的数据进行集成，如建立一套统一的编码系统，解决2000年问题，监测项目的变化，不同流域管理部门数据的统一以及由于原有数据库技术的局限产生的问题。这些是通过编写转换程序来实现。然后定义元数据以及元数据操作。元数据的主要内容有数据表的名称、位置、数据库类型、数据表类型、数据类型、原始表年份、流域、省市、提交单位、关键字、描述等。这是就可以将集成的数据导入系统（入库）。系统的监测数据类型包括地表水、地下水、降水、饮用水、污水、水体底质和污染事故数据。最后还需要建立和完善一些辅助数据如监测单位一览表，监测人员基本情况一览表，检测仪器设备一览表等等。</P>
<P><B>　　图形库</B>的建立,

　<B>3．2客户端和中间件的实现</B>
　　Visual Basic为开发人员提供了生成强大的Windows98和Windows NT兼容应用程序的有效工具，并且第三方厂家开发了丰富的控件可供选择，所以我们选择Visual Basic开发客户端和中间件代码。数据存储工具为DAO（数据存取对象），GIS功能（我们自己开发的GisOCX）、图表功能（MsChart）和报表功（ActiveReport）都由ActiveX控件提供。关于客户端和中间件的功能划分。目前我们只是将水质评价模型，趋势分析模型和其它分析模型划分到中间层，而关于数据的基本操作和查询系统放在客户端。
　<B>3．3系统的主要功能</B>
<B>　　数据输入和编辑</B>，根据权限提供对监测数据（地表水、地下水、降水、饮用水、污水、水体底质）的录入和修改功能。
　　属性数据的组织和管理，基于元数据管理模式，对分布在不同机器上，不同类型的数据库（目前支持MS ACCESS，FOXPRO，DEBASE）进行集中式管理。系统提供了入库功能，可以将各种分布的、异构的数据源经过审查后入库（即建立连接）。系统的级别（国家级，流域级，省级）不依赖于应用程序，而只依赖于数据。当只有一个省的数据时就是省级，有一个流域的数据时就是流域级，有全国的数据时就是国家级。系统还提供出库功能，将不再需要的数据从系统中删除（即断开连接）。系统还提供了维护数据的功能，不仅在入库时检查数据的完整性（用户自定义），当监测项目增加时（有权限的用户可添加和修改监测项目）。系统自动更新系统中所有的数据表。
　　<B>空间数据的组织和管理</B>，根据权限添加或删除图形数据。注意空间数据和属性数据要采用了一套统一的编码系统。
　　<B>查询系统</B>，支持各种查询方式，包括复杂的组合查询和图形查询。属性查询，检索系统中的监测数据采用分级查询模式。如对地表水，根据用户预先选择的是全国的或某个流域的或某个省的范围，显示该范围的水系，再依照用户的显式选择显示河流、站点、断面。同时还可以选择监测项目，某个时间段（精确到月份），以及算术和逻辑运算，帮助用户精确找到要检索的数据。空间查询，在电子地图上提供给用户更直观的查询方式，系统有点选，圆选，框选，多边形等选择工具。不仅能检索监测数据，还可以查看和电子地图上要素相关的其它信息如测站基本信息等。
　　<B>数据统计</B>，对查询结果可进行各种粒度（测站，断面，测线，测点）和时间（公元年，水文年，枯水期，丰水期，各季度）上的统计，包括最大值，最大值出现时间，最小值，最小值出现时间，均值，10%分点值，25%分点值，中分点值，75%分点值，90%分点值，方差，样品总数。提供图形工具，对各测点，时间段的各统计量生成各种类型的直方图。
　　<B>水质评价及评价结果返图</B>，对查询结果按照指定的评价标准（可添加修改，目前有国家和水利部两套标准）进行评价，包括水质类别，超标数，超标率，超标倍数。评价结果可以通过不同颜色（自定义）反映在电子地图上并打印输出。
　　<B>水质趋势分析</B>，提供季节性肯达尔法工具。
　　<B>生成报表</B>，支持各种标准报表（现在主要是地表水共有10种报表）。
　　<B>文件和数据的输出和传输</B>，监测数据，统计结果，评价结果，直方图可以输出到数据库或文件。监测数据，空间数据，统计结果，评价结果，直方图可以打印。监测数据，统计结果，评价结果可以HTML发布。
　　<B>文档管理</B>，各种文件类型（文字，声音，图片，录像等）的文档的入库，修改，删除，查询
　　<B>污染事故管理</B>，污染事故（带图）的入库，修改，删除，查询。
　　<B>系统管理</B>，用户管理，用户权限分四级，个人，一般用户，高级用户，管理员。不同级有不同的权限。
　　<B>日志管理</B>，对系统错误，数据错误进行纪录生成日志文件。
<B><FONT color=#990000>4．结论与展望</FONT></B>
近年来，空间信息技术迅猛发展，国内外都已将其应用到环境保护与规划、政府管理等方面，为加快监测信息的管理与利用，更好地为国民经济建设与水环境、水资源管理服务，建立一套水利系统统一的水环境空间信息管理系统势在必行。本系统的设计和实现就是为了建立起国家级的水环境空间信息管理系统作了有益的尝试，它已经安装在水利部门，经过试运行，效果良好。</P>
<P>
<B>参考文献</B>
[1] Kanter J P Understanding-Client/Server Computing[M].
1 Inmon W H著 王志海 等译.数据仓库.机械工业出版社.
2 长江流域水环境监测中心.水利部水环境空间信息管理系统项目申请.
3 沈体雁、程承旗、袁文.基于空间元数据的分布式地理数据管理模型及应用研究.测绘通报，1999，7
4 Joel P.Kanter Understanding-Client/Server Computing[M]
</P>

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<P>呵呵，和水结合的gis</P>

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