基于GIS的地下水位預測管理信息系統

劉靜(北京市勘察設計研究院有限公司,北京 100038)

基于GIS的地下水位預測管理信息系統

劉靜?
(北京市勘察設計研究院有限公司,北京 100038)

摘 要:為了使北京市區域淺層地下水動態規律的數值模擬研究及地下水遠期最高水位的預測模型預測成果更好地為城市規劃、工程建設服務,將GIS技術與地下水位預測的專業模型相結合,研制開發了地下水位預測管理信息系統,使抽象的地下水位預測工作變得生動、直觀和全面,使地下水位預測管理工作走向智能化和科學化,從而全面提升地下水位預測和管理水平。

關鍵詞:地下水;預測;組件GIS;Excel-VBA;OWC;插值分析

1 引 言

如果能夠比較準確地預測在將來的規劃建設中需要考慮的地下水位條件,那么如工程結構的抗浮問題、地下水賦存與滲流形態及其對環境影響的問題等都可迎刃而解。為此,嘗試通過對區域地層及地下水位資料、氣象水文資料以及基于此的地下水位動態規律進行分析,然后根據滲流理論,建立區域性地下水三維滲流模型,并對該模型進行參數識別與驗證,從而實現對遠期最高水位的預測。目前,此項研究已取得了階段性成果[1]。

為了將這些成果和模型參數,更好地服務于生產實踐,特研制開發了地下水位預測管理信息系統,旨在建立面向用戶的,具備地下水環境管理、查詢、預測等功能的綜合管理信息系統。

2 系統設計

2．1系統開發目標

地下水位預測管理信息系統是以C#．NET和SuperMap Objects為基礎開發工具,實現對北京市區域淺層地下水動態規律的數值模擬研究及地下水的遠期最高水位預測,為北京市城市規劃和工程建設提供決策手段和輔助分析依據。具體目標如下[2]:

(1)通過電子地圖與地下水位預測離散點數據的關聯,實現地下水遠期最高水位的預測查詢,并能夠繪制水位動態預測曲線。

(2)將地理信息系統與地下水位模型相結合,對地下水位數據進行多種預測分析,實現決策支持。

(3)建立完善的功能擴展和數據更新機制,保證系統的可持續發展。

2．2體系結構設計

系統按照“分層設計、模塊構建”的思想進行設計,采用三層C/ S模式架構[3],依次為:人機交互層、業務邏輯層和基礎數據層。基礎數據層實現數據資源的存儲管理,由地圖數據庫和地下水位基礎數據庫組成;業務邏輯層主要是針對具體問題的操作和對數據業務邏輯處理,實現系統的具體功能;人機交互層采用WINFORM方式,提供用戶與系統之間的接口。如圖1所示:

圖1　系統邏輯結構

3 關鍵技術

3．1組件式GIS

組件式GIS是把GIS的功能模塊劃分為若干個控件,每個控件實現不同的功能。各個GIS控件之間及與其他非GIS控件之間,可通過可視化編程工具集成,最終形成所需的GIS應用。SuperMap Objects是Su-perMap GIS系列軟件中的以COM/ ActiveX技術規范為基礎的全組件式GIS開發平臺。主要由Super Map．ocx、Super Layout．ocx、SuperWorkspManage．ocx、Super-Legend．ocx等多個組件庫構成,可實現圖形顯示、瀏覽、編輯以及可視化等功能,提供地理空間數據的查詢與分析,可存儲管理海量空間數據,支持多種開發語言,支持多種數據格式[4]。

系統通過C#．NET調用SuperMap．ocx組件等,編程開發來實現各種功能,具體步驟如下:

(1)建立WinForm項目,嵌入SuperMap Objects對象類型庫;

(2)建立SuperMap Objects對象,并建立相應控件之間的聯系;

(3)調用SuperMap Objects對象和其他C#．NET對象方法和屬性完成GIS應用軟件功能;

(4)釋放SuperMap Objects對象級變量,斷開控件之間的連接,關閉相應的資源。

3．2Excel-VBA

VBA是一種宏語言,在擴展Word、Excel等軟件的自動化功能上應用較廣泛。Excel-VBA就是捆綁于Excel的自動化語言[5]。

Excel VBA可以幫助我們實現Excel的智能化,使工作更高效、操作更方便、重復性工作變得更有趣,還可以根據需求定制程序界面,開發受保護的專業程序,加上用戶對Excel的界面和操作熟悉等優勢,因此,可利用VBA對Excel進行二次開發實現地下水位預測曲線的自動繪制[6]。

3．3OWC控件

OWC是微軟公司開發的針對Web在Office中的在線分析處理(OLAP)組件,可以用來繪制絕大部分圖形,在Web上發布電子表格以及動態生成圖表等。OWC能將部分Office的功能擴展到Web上,是一個優秀的服務器端圖表引擎,具有與Excel同樣強大的圖表繪制能力,它能夠在服務器端動態生成GIF或JPG格式的圖表[7]。

3．3插值分析技術

獲取的地下水位數據是離散點的形式。離散的點數據是通過空間采樣點進行觀測獲得,無法對空間所有點進行觀測,但可以設置一些關鍵的樣本點,這些樣本點的觀測值能反映空間分布的全部或部分特征,然后利用空間內插方法來獲取未采樣點的值。一般所說的空間內插就是指點內插,一般都是基于下述假設進行的:空間位置上越靠近的點,越有可能具有相似的特征值,離得越遠的點,其特征值相似的可能性越小。點內插根據其基本假設和數學本質可分為幾何方法、統計方法、空間統計方法、函數方法、隨機模擬方法、物理模型模擬方法和綜合方法等。

考慮到可操作性,本項目借助GIS中的空間分析模塊,使用距離權重反比法、克呂金法、樣條函數法進行空間內插[8]。

4 系統實現

4．1開發環境

開發語言選擇C#,C#是一種界面像Delphi,語言風格像Java,開發方面像VB,名字和靈活性像C的語言。C#．net和VB．net均是基于．NET Framework框架的編程語言,所以除了語法外基本沒什么區別,但普遍認為C#．net要比VB．net編程更嚴謹,效率更高。

GIS組件選擇Supermap Objects,與依附于通用GIS平臺的二次開發模式不同,基于Supermap Objects開發使本系統具有獨立的應用程序框架,更方便管理人員使用。

4．2主要功能

北京市地下水位預測管理信息系統分為4個模塊:地圖控制模塊、地圖查詢模塊、等值線展示模塊、三維展示模塊。整個系統組成如圖2所示。

圖2　系統功能組成

系統主界面如圖3所示:

(1)地圖控制模塊

地圖控制模塊實現與圖形數據處理相關的顯示、控制、編輯、管理等功能。包括圖層瀏覽、圖層操作等。

①圖層瀏覽:地圖的放大、縮小、漫游、全圖、測距、地圖切換等。

②圖層操作:用戶可以增加、刪除、編輯圖層,并可設置圖層的顯示、編輯、排序、顏色等相關屬性。

圖3　系統主界面

(2)地圖查詢模塊

查詢是系統最核心的功能,包括動態查詢、實時查詢、屬性查詢(單一屬性查詢、區域屬性查詢)、動態預測曲線生成等。

①動態查詢:根據水位預測模型,利用GIS的空間分析功能,建立插值分析模型,基于柵格數據實現監測點的自動插值,預測未知區域的水位數據。

②實時查詢:通過對相鄰時間段的地下水監測數據進行時間上的一維線性插值,實現監測點的實時水位查詢。

③屬性查詢:實現單一監測點、區域內多個監測點的水位數據查詢。

④動態預測曲線生成:為了直觀、形象地顯示某監測點的水位變化過程,系統提供水位動態預測曲線自動繪制,一可以生成Excel曲線圖表,二可以通過OWC控件直接繪制曲線圖。

(3)等值線模塊

系統可自動生成水位等值線,并疊加地圖顯示。

(4)三維展示模塊

系統可自動加載三維模型,展示三維效果。

5 結 語

地下水位預測是一項極其復雜的工作,涉及內容多、數據量大、處理難度大,依托計算機技術與地理信息系統(GIS)技術,進行地下水位預測可大大提高工作效率,實現預測工作的自動化。隨著人工智能、專家系統技術的越發成熟,如何將人工智能、專家系統技術引用到預測工作中來是下一步的研究方向。

參考文獻

[1] 王軍輝,韓煊,周宏磊等．地下結構對滲流場阻隔問題的解析～半解析法[J]．水文地質工程地質,2009(2):13～18．

[2] 王海俠．基于SuperMap Objects組件技術的征地資料管理系統的設計與實現[J]．城市勘測,2014(3):88～92．

[3] 沈麗霞．基于GIS的城市環保地理信息系統的設計與建設[J]．城市勘測,2014(4):43～46．

[4] 周江,李崇巍,宋宜全．基于組件GIS的海岸線分形計算系統設計與實現[J]．天津師范大學學報·自然科學版, 2015(1):38～42．

[5] 端禮欽,王靜．應用Excel-VBA編制檢驗報告[J]．分析儀器,2013(5):99～102．

[6] 林玉英,陳誠,劉娜翠等．基于VBA的福建省道路客運需求分布預測[J]．重慶交通大學學報·自然科學版,2013 (5):991～994．

[7] 丁劍博,楊昆．OWC系列控件的圖形化開發與應用[J]．計算機時代,2011(1):33～35．

[8] 付瑞全,向先全,楊翼等．基于WEB服務的海水污染面積計算方法研究[J]．海洋通報,2014(6):712～716．

Management Information System Based on GIS of Groundwater Level Forecast

Liu Jing
(BGI Engineering Consultants LTD,Beijing 100038,China)

Abstract:In order to make the numerical simulation research on the Beijing area of shallow groundwater dynamic and forward the highest groundwater level prediction model prediction results better service for urban planning,engineering construction,the GIS technology combined with the professional model of underground water level,research and development of the underground water level forecasting Management Information System,make the abstract of the underground water level prediction becomes vivid,intuitive and comprehensive work,makes the prediction of groundwater level to intellectual and scientific management work,so as to improve the prediction of ground water level and management level．

Key words:groundwater;prognosis;component GIS;Excel-VBA;OWC;interpolation analysis

文章編號:1672-8262(2015)06-38-03中圖分類號:P208．2

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—09—16

作者簡介:劉靜(1980—),女,高級工程師,主要從事工程測量及GIS開發等。