基于WebGIS的入海排污口信息管理系統的設計與實現

賈　卓，湯友華，李　秀，郭振華

（清華大學　深圳研究生院，廣東　深圳　518055）

基于WebGIS的入海排污口信息管理系統的設計與實現

賈卓，湯友華，李秀*，郭振華

（清華大學深圳研究生院，廣東深圳518055）

為了解決入海排污口的信息管理問題，設計了一個基于WebGIS技術的入海排污口信息管理系統，闡述了系統原理并給予實現。系統具備的功能包括：基本GIS地圖操作、排污口信息交互展示、GIS繪圖、測量、環境功能區/海洋功能區圖加載、專題圖管理、圖表生成、空間查詢與定位、地圖打印輸出、法律法規文件庫管理等。該系統可以簡化排污口信息管理流程，借助信息手段為環境保護部門提供參考信息，輔助進行排污口相關決策，提高排污口管理工作的效率。

WebGIS；入海排污口；信息管理系統

隨著中國經濟的飛速發展，水環境問題日益突出，對水生生物乃至人類的健康構成了極大威脅，甚至成為制約我國國民經濟可持續發展的重要因素之一。2013年，我國近岸海域海水污染依然嚴重，近岸海域中，尤以入海排污口鄰近海域污染最為嚴重，據統計，高達80%以上的排口鄰近海域存在水質超標的問題［1］。從20世紀70年代起，國外開始將地理信息系統（Geographic Information System，GIS）引入到環境管理、規劃問題之中，并陸續在水資源、大氣、固體廢棄物等污染與防治，環境應急響應，環境污染影響與評估等諸多方面進行了大量的科研工作，取得了許多有意義的成果。目前，國內外基于GIS的水資源管理主要集中在水文研究［2-3］，地下水資源分布［4-5］、評估［6］及其污染防治［7-11］，河流、湖泊資源管理［12-14］，突發環境事件處理［15-17］等方面，且都取得了較好的研究成果。然而在入海排污口管理領域，GIS的應用尚顯不足。同時，GIS技術的優越性越來越被廣泛認可，GIS也逐漸從早期龐大且專有的系統向輕便且大眾化的開放式系統過渡，“網絡化”是GIS在今后的發展歷程中最重要的特點之一，因此，WebGIS技術應運而生。它既有傳統的GIS技術的優勢，同時也整合了Internet技術和Web技術，具備空間適用性、平臺開放性、數據共享性等先天優勢［18］。

本文基于以ArcGIS Server為代表的WebGIS技術設計和實現一套入海排污口信息管理系統，以期獲得高信息共享性、高系統交互性、反應速度快、高擴展性等特點，最終希望能夠提高我國入海排污口管理工作的信息化水平，提升管理工作效率。

1　系統分析

1.1任務概述

本系統旨在利用已有的入海排污口監測統計資料，掌握入海排污口和直排海污染源的基本信息，建立直排海污染源與排污口動態數據庫，通過地理信息平臺與應用軟件的開發，實現數據庫與電子圖層的對接，直觀展現直排海污染源與排污口的空間定位，除GIS基本操作、查詢等功能外，實現規定空間（海區、海域、省、市、納污海域環境功能區）的匯總、統計、分析，為管理提供技術支撐和輔助決策支持。

1.2角色分析

本系統默認角色主要有以下幾類，同時也允許管理員根據不同需求創建、編輯、刪除角色，并能對不同角色的權限進行靈活配置。

（1）系統管理員。 主要負責系統的管理、維護等工作，例如：用戶信息管理、排污口信息表維護、監測數據備份等。系統管理員主要分為兩種，其一是擁有最高操作權限的超級管理員，既擁有系統管理權限，又擁有業務操作權限；其二是只行使后臺系統管理職能的普通系統管理員。系統管理員的存在保障系統安全、穩定地運行。

（2）數據管理員。 完成數據庫中針對監測數據的維護和操作等，具有數據庫管理和控制的全部權限。數據管理員的權限進行細分可以分為：數據上傳、數據編輯、數據備份與恢復、數據庫維護等。

（3）普通用戶。 登錄系統后可以進行數據查詢、統計分析等基本操作，不具備對系統或數據的修改能力，用戶具體權限需要系統管理員為其分配。

系統角色的制定可以實現不同用戶在系統中操作指定的對象，有利于在符合系統業務邏輯的前提下最大限度簡化權限管理工作。

1.3數據分析

入海排污口數據特點主要表現在：

（1）排污口信息具有顯著的地理位置特征，需要對地理空間信息有合適的表達。

（2）排污口與監測數據存在一對多關系，即某一排污口在不同時間對應著不同的監測數據；

（3）既包含空間矢量數據（如功能區圖），又包含監測標量數據（如COD、PH等）。

ArcGIS可以較好地處理具有顯著地理位置特征的信息和數據，并將其進行展示。通過排污口圖層與數據圖層之間建立“虛鏈接”的方式，可以將排污口信息與監測數據對應起來。借助ArcSDE空間數據引擎，可以在數據庫中建立空間數據庫，統籌管理空間矢量數據與監測標量數據。

2　系統設計

早些時候，人們將入海排污口信息以表格形式儲存在數據庫中，通過數據庫管理軟件或者自主開發的客戶端進行信息管理和數據交互，即電子檔案式的管理模式［19］。這種模式只能滿足信息的基本儲存需求，在信息量逐漸增大、信息交互和展示需求強烈的今天顯得有些力不從心。隨著計算機技術的發展，近些年來有學者將GIS技術應用于排污口信息管理系統之中。這些系統運行于單機之上，借助GIS系統對空間數據進行管理和顯示，開發人員在此基礎之上開發特定的業務功能。例如，馬民濤［20］等人基于ArcGIS Engine實現了排污口管理信息系統，同時提供水質預測功能。基于ArcGIS Engine組件式開發的信息管理系統雖然較好地解決了信息的統一存儲和管理問題，并且具備一定交互功能。但是，利用該技術構建的系統為客戶端/服務器（C/S）模式，信息共享性較差，需要購買特定區域電子地圖作為底圖，成本較高，而且該種模式下，系統功能擴展不甚便利。

本文重點設計基于ArcGIS Server的入海排污口管理信息系統，構建B/S模式的平臺，融合WebGIS、基于Flex的RIA、ArcGIS Online等技術和手段，在滿足系統功能需求的前提下，收獲高信息共享性、高系統交互性和高擴展性等特點。借助云GIS平臺獲取免費電子地圖，可以大大節約系統開發成本。

2.1架構設計

采用分層設計思想，將系統自下而上分為數據層、應用層和表現層。如圖1所示。

2.1.1數據層涉及到本系統的數據類型主要分為兩種，其一是空間數據，例如功能區圖等；其二是屬性數據，例如排污口信息、監測數據等，無論是空間數據還是屬性數據都被保存在SQL Server數據庫中集中管理。除此之外，在ArcMap中生成的地圖文檔也需要存儲，不過該部分數據并不存入數據庫，而是以文件形式存儲在本地硬盤上。SQL Server支持空間數據庫的創建，ArcGIS Desktop通過空間數據引擎ArcSDE可以在SQL Server中創建空間數據庫，完成對數據的儲存和管理等功能。Flex Builder可以通過Java提供的類庫連接到數據庫，從而調取數據進行開發。空間數據和非空間數據在數據層得到有效管理和統籌，為后續的系統功能提供保障。

2.1.2應用層ArcGISServer將來自ArcGISDesktop的地圖文檔發布成為地圖服務，同時提供地理編碼服務。發布成功之后，ArcGIS Server即為這些服務封裝好REST接口供其他應用調用。ArcGIS Online是ESRI推出的云GIS平臺，在這里，用戶可以免費使用其提供的云端地圖，同時生成網絡地圖或者應用［21］。借助ArcGIS Online平臺，可以設計出符合各種特定業務邏輯的網絡地圖應用，并可以通過任何連接到Internet上的設備來訪問這些應用。本系統采用插件式開發方式來提高系統的可擴展性。Flex Builder是Adobe公司為開發Flex應用推出的集成開發環境，它基于Eclipse軟件進行擴展開發而來。在本系統的設計中，實現各種業務功能的插件即是在Flex Builder中開發和調試。應用層主要負責整合各種服務和功能。

2.1.3表現層本系統使用ArcGIS Viewer for Flex生成最終的系統框架。ArcGIS Viewer for Flex是一個可以簡便部署的瀏覽器應用程序，通過該工具，用戶可以通過配置的方式來方便添加工具和數據內容。利用ArcGIS Viewer for Flex框架，結合ArcGIS API for Flex，開發人員就可以開發有特定功能的插件，將插件上傳安裝到ArcGIS Viewer for Flex之上，測試通過后便可以部署到最后的應用中，提供給用戶使用。

2.2功能模塊設計

系統共分為基本地圖操作、信息展示、空間查詢、空間統計、空間分析、地圖打印、文件庫管理7大功能模塊，每個功能模塊都有1個或多個子功能予以實現，如圖2所示。

圖2　功能模塊設計圖

2.2.1地圖服務地圖服務為不同客戶端之間共享地圖等GIS資源提供了有效途徑。服務器上儲存和管理發布好的地圖資源，客戶端直接調取服務即可使用。通過ArcGIS Server，開發人員可以發布的服務和所需資源如表1所示。

表1　ArcGIS中的地圖服務類型和所需資源

在ArcGIS Online云端GIS平臺上，通過調用ArcGIS Server發布的地圖服務生成網絡地圖應用，在該應用中可以實現地圖的平移、放大、縮小等操作，并不需要單獨編程實現。ArcGIS Server發布的地圖服務中包含排污口圖層的基本信息，在網絡地圖應用中可以配置單擊排污口圖標時系統返回的信息內容，以此達到輸出入海排污口信息的功能，實現用戶與排污口圖層的交互操作。

2.2.2圖層控制最終呈現出的地圖界面是通過若干圖層相互疊加而成，因此必須提供相應的圖層控制功能。該部分可以作為一個功能插件實現，將地圖服務中的圖層信息調取出，并以復選框的形式展現給用戶，通過挑選來指定顯示的圖層，專題圖的管理工作也同時在此完成。

2.2.3GIS繪圖/測量交互式繪圖功能，即用戶通過鼠標在地圖可視化界面上進行各種形狀的繪制，主要包括點、線、面等。可以將繪圖功能做成一個單獨的工具，結合API中繪圖相關的類來實現鼠標繪圖的功能。同時通過編輯工具對繪制好的圖形的外觀進行編輯，以獲得更好的可讀性。

測量主要包括兩部分功能：距離測量和面積測量。在地圖上點擊直接獲取的是屏幕坐標，通過Flex API提供的函數可以轉換成地理坐標。求某兩點之間的距離時，可以通過其屏幕距離與當前地圖比例尺進行換算求得。面積測量主要基于面積計算公式，涵蓋三角形、四邊形到多邊形。

2.2.4環境功能區/海洋功能區加載針對shape形狀文件，有一種開源的數據處理框架——LibertyGIS［22］。該框架內主要包含三個對象和一個事件：一個獨立的Map對象，.shp文件相關對象，一個DataLayer圖層對象以及自己的MapEvent事件。使用LibertyGIS框架能夠比較方便地展現客戶端.shp數據，以此達到功能區圖的加載目標。

2.2.5圖表以圖或者表的形式展示數據的能力使Flex用戶與數據的交互變得更加容易。基于Flex可以開發條狀圖、餅圖、線圖或其他類型圖表，而且可以采用不同顏色、標題等來修飾相應的圖表。

2.2.6空間查詢/定位在GIS中空間查詢可以借助查找任務（FindTask）來實現基于關鍵字的空間搜索。此外，可以通過拉框方式選取想要查詢的入海排污口，系統返回相應的排污口信息。

定位相當于一個逆地理編碼的過程，系統接收地理坐標（經緯度），定位到地圖中的相應位置，實際上與空間查詢實現步驟類似。

2.2.7打印/鏈接在GIS系統應用中，時常需要將地圖進行輸出留存，因此設計一個地圖打印的模塊是有必要的。ArcGIS API for Flex中提供了相應的類（PrintTask）來實現我們所需要的功能。

鏈接工具即提供一個外部文件庫的入口，通過該工具建立起用戶與相關法律法規站點或文件的通道，實現站點和文件的統一管理。

2.3業務流程設計

用戶進入系統后，系統將會自動加載云端的網絡地圖服務。用戶可以通過拖拽、放大、縮小等方式瀏覽地圖以及地圖上的排污口信息。對感興趣的排污口可以單擊其圖標，系統會彈出窗口顯示該排污口的信息。倘若該排污口在數據庫中存有圖片，則在基本信息的末尾予以顯示，否則不顯示排污口圖片。用戶可以在工具欄選擇相應的工具來實現GIS功能，設計的GIS功能包括繪圖、測量等基本功能，加載環境功能區/海洋功能區圖，空間查詢、定位，圖表功能，以及專題制圖等。關閉工具窗口即可推出相應功能，直至完全退出系統。本系統的詳細業務流程圖如圖3所示。

3　系統實現

3.1系統概覽

入海排污口信息管理系統整個界面可以劃分為6個區域，如圖4所示。其中，①部分為標題欄，地理信息子系統名稱、Logo和版本號；②部分為地圖導航欄，在此有放大、縮小、平移、全圖等工具；③為比例尺信息；④為工具欄，具體GIS功能在此實現；⑤為地圖區域，工具的操作和界面交互在此完成；⑥為地址定位器。

圖3　業務流程設計圖

圖4　系統概覽

3.1.1排口信息展示在系統中，排污口信息可以通過與地圖中排污口圖表進行交互進行展示。排污口信息如果包含圖片，在信息頁末尾會展示出該圖片，如圖5所示。

圖5　排口信息展示

3.1.2環境功能區/海洋功能區加載本系統可以將科學手段生成的功能區圖加載到信息系統上進行展示，如圖6所示。

圖6　加載功能區圖

3.1.3GIS繪圖/測量繪圖和測量是基本的GIS功能，系統提供交互式繪圖體驗，可以直接在地圖上繪制點、線、面等圖形來輔助地圖理解，同時支持點、線、面的測量，點元素返回坐標值，線元素返回長度，面元素則返回周長和面積，測量結果提供多種單位可選，如圖7所示。

圖7　GIS繪圖/測量功能

3.1.4空間搜索/定位空間搜索功能可以自定義搜索域，目前系統以“排污口代碼”和“企業或單元名稱”為例進行搜索功能的展示。搜索方式可以框選要素、也可以手動輸入關鍵字。空間定位支持傳統的經緯度定位，同時也支持排口圖層中按照排污口名稱、排污口代碼、海區代碼、海灣代碼等信息進行定位。如圖8所示。

圖8　空間查詢/定位功能

3.1.5圖表系統提供兩種不同的圖表顯示方式，其一是針對單個排污口的排放情況統計，可以直觀展現出排污口排放污染物的占比；其二是針對多排污口某種污染物的展示，方便進行多排污口之間的對比，如圖9所示。

圖9　圖表功能

3.1.6打印/鏈接打印功能實現將當前可視范圍內的地圖打印輸出，鏈接工具主要提供網址或文檔的鏈接功能，集中管理各種文件，例如：直排口管理的法規、政策、技術指南等等，如圖10所示。

圖10　打印/鏈接功能

3.2應用實例

信息系統的最終目標是為管理者提供輔助決策信息。本文提出的入海排污口管理信息系統可以從多個角度進行輔助決策支持。

3.2.1超排預警決策支持超排預警功能可以有效指導入海排污口的污水排放，其輔助決策支持方式主要包括：對已經超標排放的企業執行限制排放或禁止排放措施以及對尚未超標排放的企業提醒其排放余量等。

一般而言，超排預警包括兩種形式：濃度預警與總量預警。濃度預警是指將污染物檢測濃度與標準排放濃度相對比，超出規定范圍即給出警示信息。總量預警表示在規定時間（本文以1 a為例）內，計算排口排放所有污染物的總量，與排口信息中的總量控制相比較，超出則給出警示信息，通過兩個量的差值也可以得到可排放污染物余量，如圖11所示。

圖11　超排預警決策支持

3.2.2排污口選址輔助本系統可以從三個角度進行排污口選址輔助：納污總量控制、海洋功能區限制及緩沖區疊加分析。

（1）納污總量控制。 通過空間統計模塊獲取污染物實際排放總量信息，與海域納污控制總量進行比較，可以判斷污染物排放的超標情況，從而輔助進行排污口選址決策支持。

（2）海洋功能區限制。 在不同的海洋功能區設置入海排污口必須要遵循一定的原則，例如：禁止在水產種植保護區排放污水。將各功能區圖加載到入海排污口管理信息系統之后，可以直觀判斷相應區域是否可以設置入海排污口，以及可以設置何種類型的排污口。

（3）緩沖區疊加分析。 緩沖區是設置在污染源和納污水域之間，充分利用環境自凈能力，避免生態破壞的一種手段，對于水體保護具有十分積極的意義［23］。入海排污口可以視作一個個獨立的點狀污染源，污染物排放到海域之后，會隨水流遷移，在遷移過程中不斷擴散、稀釋、降解，濃度逐漸降低。依據經驗或計算結果為排污口設置一個緩沖區范圍，有利于直觀地展現污染物濃度達標的大致范圍，多個排污口緩沖區的疊加也從一定程度上代表著污染物濃度的疊加，可以有效地為排污口的選址提供輔助信息。如圖12所示，由緩沖區疊加可知，Ⅰ區和Ⅱ區存在污染物濃度疊加的情況，而Ⅲ區水域不再受污染物影響，可以適當進行排污口的設置。

圖12　緩沖區疊加分析

3.2.3特制污染物排放分析特征污染物是反映某種行業污染物排放特征的某種或某幾種污染物，一般而言，可以理解為排放總量較多的污染物。在入海排污口排放的污染物中，特征污染物主要有COD，BOD5，總氮、總磷，溶解氧等。BOD5，全稱五日生化需氧量，表征的是水中有機物質在微生物作用下進行生物化學分解過程中消耗溶解氧的總量，能夠有效反映水中有機物質的多少，同時也間接說明水體受有機物污染的嚴重情況。氮和磷是生物和糞便的重要組成元素，因此對近岸海域水體中的總氮和總磷進行分析可以有效反映目標海域受岸上居民生活污染的程度，對指導生活污水排放入海具有指導意義。對溶解氧含量進行分析可以有效反映目標海域水體的自凈能力。本系統可以對特征污染物在一定時間區間內的排放情況進行統計，同時給出不達標情況，用以進行決策支持，如圖13所示。

圖13　特征污染物排放分析

4　總結

本文設計和實現了基于ArcGIS Server的入海排污口管理信息系統，引入云GIS平臺，所構建的系統具備共享性好、交互性好、反應靈敏、擴展性好等優點，同時使用云端電子地圖也節約了系統的開發成本。在此基礎之上，對應用本系統進行排污口管理決策支持進行了探討。實踐表明，本系統可以實現排污口信息的統一管理，能夠通過GIS等信息技術手段為排污口管理者提供參考信息，從而推動排污口管理工作的信息化。

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Design and Implementation of an Information Management System for Sewage Outfall Based on WebGIS

JIA Zhuo，TANG You-hua，LI Xiu，GUO Zhen-hua
Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，Guangdong Province，China

In order to solve the problem in the information management of sewage outfalls，an information management system is designed for sewage outfall based on the WebGIS technology.The architecture design and principle of the system are elaborated and implemented.The presented system possesses the following functions: basic GIS operation，interactive information display of outfalls，GIS mapping and measurement，loading the maps of environmental and marine functional areas，management of thematic maps，charting，spatial query and positioning，map printing，as well as management of the legal document library.The system can simplify the outfall information managing process，provide reference information for the environmental protection agencies with the means of information technology，assist decision-making for outfall management，and thus improve the efficiency of management affairs.

WebGIS；sewage outfall；information management system

X84

A

1003-2029（2016）02-0038-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.007

2015-07-17

國家高新技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2012AA09A408）；國家自然科學基金資助項目（71171121）；深圳市基礎研究資助項目“面向科研環境的Cyberinfrastructure關鍵技術研究”（JCYJ20130402145002418）；國家環境保護公益行業科研專項資助項目（201309006）。

賈卓（1989-），男，碩士研究生，研究方向為地理信息系統、決策支持系統。E-mail：418741916@qq.com

李秀（1971-），女，博士后，副研究員，研究方向為海洋觀測系統架構、CIMS環境下的決策支持系統、人工智能在CIMS中的應用、電子商務與供應鏈技術。E-mail：li.xiu@sz.tsinghua.edu.cn