基于GIS和Flex的水環境管理系統設計與實現

廖國威，謝林伸

（1.深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518001）

面對目前嚴峻的河流污染形勢[1]，深圳借鑒全國先進的治河經驗[2,3]，推行“河長制”水污染治理制度，由各級黨政主要負責人擔任“河長”，負責轄區內河流的污染治理。本文結合ArcGIS Server和Flex技術開發“河長制”河流水環境管理決策支持系統，全面提供深圳河流水環境信息，實現地圖瀏覽、信息查詢、統計分析、數據錄入、信息發布、河長考核管理等功能，輔助“河長制”工作的開展。

1 關鍵技術

1.1 系統開發技術

GIS是一種基于計算機的對地理環境有關問題進行分析和研究的工具[4]，隨著科技的發展出現了GIS向網絡平臺擴展和應用的WebGIS新技術。WebGIS技術具有適應性強、應用面廣、現勢性強、維護社會化、使用簡單等特點[5]。上個世紀，隨著工業發達國家對日益嚴重的環境問題的關注，基于GIS的環境信息系統逐漸得到發展，并應用在環境監測、環境預測與評價、環境預警與管理等領域[6]。空間決策支持系統[7]是在GIS和決策支持系統的基礎上發展起來的[8,9]，能夠表達和分析空間信息以滿足決策分析的實際需求[10]，在土地利用規劃[11]、流域管理[12]等領域得到長足的應用。本文系統在環境信息系統和空間決策支持系統的基礎上利用WebGIS技術進行開發。

1.2 ArcGIS Server

ArcGIS Server是ESRI推出的一個創建企業級GIS應用的平臺和解決方案，它提供了創建和配置GIS應用程序和服務的框架，能將基礎到高級GIS功能，如空間分析等引入到網路環境[13]。開發者可以自行制作GIS資源，在服務器端通過ArcGIS Server發布GIS服務，在系統代碼中進行調用，結合相應的API進行開發。

1.3 Flex

RIA擁有出色的頁面表現力，提供復雜用戶交互等優越的用戶體驗，是近年來GIS領域的新動向和Web開發領域的一大趨勢。目前最為流行、成熟的RIA技術是Adobe公司的Flex，其為RIA平臺的典型代表，堪稱最完整、最強大的RIA開發解決方案。Flex Viewer是ESRI公司設計的一套基于Flex 4開發的WebGIS應用程序開發框架，在其基礎上進行個性化設計、功能模塊定制，可以完成界面友好、美觀的應用系統[8]。在ArcGIS Viewer for Flex 3.4的基礎上自行設計后的外觀如圖1所示。

1.4 PHP

PHP語言混合吸收了C、Java、Perl等語言的特點，廣泛應用于網頁開發領域。通過PHP可以輕松實現瀏覽器端和數據庫的交互，PHP連接數據庫的方式為服務器內部本地連接，數據庫也并未開放直接暴露到網絡環境的端口，且在瀏覽器端訪問PHP只能得到腳本執行的結果信息而無法獲得其源代碼，因而PHP在進行用戶身份匹配認證方面有較高的安全性。

2 系統開發設計

2.1 設計目標和原則

本系統是為推進深圳市“河長制”工作開展而開發設計的，是作為“河長制”管理決策過程的有力保障機制。系統在設計過程中除了要滿足“河長制”實際工作需要之外，還遵循可行性、實用性、穩定性、可靠性、安全性、用戶界面友好等基本原則[8]。

2.2 結構設計

系統架構如圖2所示，采用B/S架構，將重級別任務都交由服務器端處理，實現瀏覽器端的輕便級瀏覽。服務器通過IIS暴露到網絡環境中，瀏覽器端的請求也通過IIS傳遞回服務器。用戶身份信息由PHP與數據庫交互進行驗證，通過驗證后PHP即時向ArcGIS Server請求獲取令牌，該令牌隨數據流一同傳送給瀏覽器端，使瀏覽器端通過ArcGIS API for Flex可以訪問和調用加密的GIS服務。每個GIS服務都通過ArcSDE訪問底層的空間數據庫及與其關聯的時間數據庫，訪問服務的REST API也經Web Adaptor整合直接暴露到網絡中。其他與GIS無關的功能，如考核管理等，則不經ArcGIS Server直接由PHP訪問系統數據庫進行相應的數據處理工作。

圖2 系統架構圖

2.3 數據庫設計

底層數據庫使用Microsoft SQL Server 2008 R2進行搭建。數據庫按類別可分為3類，即空間數據庫、時間數據庫和系統數據庫（見圖2）。空間數據庫存儲所有GIS數據，包括空間拓撲信息及其屬性數據。與空間位置有關的時間序列數據則存儲在時間數據庫中，并通過關聯字段與空間數據庫進行關聯。在每次查詢過程中，二者可以通過相關關系進行相互尋址。而與GIS無關的數據則存儲在系統數據庫中，方便直接調用。空間要素包括河流、工業污染源、監測點位、污水處理設施、污染整治工程等，時間數據庫包括不同時間水質監測數據、統計數據等，系統數據庫包含用戶信息、河長信息、水質目標、整治方案、考核得分等。

2.4 功能設計

結合深圳“河長制”工作的基本原則和具體要求，該水環境管理決策支持系統的功能結構見圖3。系統從功能設計上進行劃分可分為3個子系統：①水環境信息子系統完成所有與GIS相關的操作和分析功能，包括地圖瀏覽、空間信息查詢、專題統計分析等，數據錄入、更新和處理的平臺也整合進該子系統中。②方法庫子系統包括河長管理、水質目標管理和整治方案管理3個平臺，可查看各河流河長信息、目標和計劃情況，并進行進度監督和工作協調。③決策子系統主要完成河長考核管理和信息發布工作，綜合考慮河長職責、水質目標和整治方案完成情況，按照考核細則進行考核打分，并將考核結果信息報送和發布，增加政務信息透明度并接受群眾監督。

圖3 系統功能框架圖

3 系統實現

3.1 系統開發環境

系統采用B/S架構，以.NET框架為技術平臺，底層數據庫采用Microsoft SQL Server 2008 R2數據庫管理系統，通過ArcGIS 10.1 for Server搭建GIS服務器以提供GIS服務，用ArcSDE對空間數據進行訪問、存儲和管理，用PHP進行用戶身份驗證并進行數據庫交互，瀏覽器端使用REST API+Flex API組合進行開發，在Adobe Flash Builder 4.6中用MXML和ActionScript語言調用API及進行Flex程序代碼的編寫，在ArcGIS Viewer for Flex 3.4應用框架的基礎上深度定制WebGIS應用。

3.2 系統功能實現

1）空間信息查詢與展示。設計了多種查詢方式，如區域查詢、分類查詢、條件查詢，以二級菜單的形式進行選擇。為減輕服務器負擔，第一次使用query調用GIS服務后將查詢結果以FeatureSet的形式存儲在Flex中，以后的每次查詢只是按條件修改FeatureSet中Graphic的可見性。圖4為區域查詢的例子。

圖4 區域查詢

2）監測數據分析。對監測站提供的一定頻次的水質監測數據進行分析，如計算平均值、超標率、水質類別、污染指數等。對于跨區的河流，上游監測斷面的監測數據可以一定程度上反映上游污染排放的影響；在河長考核過程中，跨區河流按所在行政區劃分河段長，段長對該行政區內的河段負責，上游河段的段長要對上游污染排放情況進行“買單”。圖5為根據水質標準計算各指標的水質類別，并以顏色進行高亮填充。

圖5 監測數據水質類別分析

3）統計分析。針對區域（流域或行政區）進行了統計分析，包括工業用水量、工業排水量、生活用水量、污水處理量、面源和區域污染負荷等方面的分析。點源進行疊加可核算出總量，例如區域工業用水量是區域內所有工業污染源的用水量字段值的總和。面源根據土地利用類型和相應產污系數可估算出其污染負荷。圖6為某一區域（羅湖區）的區域統計結果，圖6a為統計數據，圖6b為圖表。

圖6 區域統計分析

4）集成管理模塊。設計了系統集成管理模塊，包括基于PHP數據庫交互的系統輸入或文件導入的信息錄入功能、工作信息和考核結果對各級用戶和門戶網站的信息發布功能、系統數據統計分析功能，以及河長信息管理和考核評分功能等。

系統采用Flex和PHP等技術基于ArcGIS Server進行二次開發，通過GIS提供全面的水環境信息，能在很大程度上輔助“河長制”工作的開展，建立起部門間信息溝通的渠道和公眾參與、考核管理等監督機制，為“河長制”提供周全的管理決策平臺支持。

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