云南省河流污染源排查系統設計與實現

楊美菊+龍華+李宇昊+邵玉斌+杜慶治+楊曉紅

摘要：為解決人工排查河流突發水污染事件排污企業名單時，工作效率低、可靠性差等問題，針對云南省河流數量龐大、分布廣的特點，基于BS模式，利用Java編程語言及DBSCAN聚類算法、WebGIS的富客戶端技術設計實現了云南省河流污染源排查系統。該系統實現云南省內6大水系干流及其一級支流和排污企業的信息化管理，并在發生水污染事件時及時排查出導致水污染事件發生的疑似企業名單，為環保部門分析及執法提供決策依據，提高環保部門的工作效率。

關鍵詞關鍵詞：水污染；Java；排查系統；WebGIS

DOIDOI：10.11907/rjdk.171905

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011005804

0引言

環保部《2016年全國環境應急管理工作要點》提出做實環境安全隱患排查治理監管工作，各地環保部門要督促企業開展環境安全隱患排查治理，健全環境安全隱患治理制度，建立環境安全隱患排查治理檔案，深化重點領域環境應急管理工作[1]。信息化手段是環境應急管理的必要技術手段，各地環保部門只有通過信息化建設，充分掌控所管企業的涉污數據，才能有效地督促指導污染企業開展環境風險評估，制定切實可行的預案并備案，從而及時防范并妥善應對突發環境事件[2]。

由于沿河居民日常生活和農業生產對河流水資源的依賴程度較高，因此提升水污染事件排查效率尤為重要[3]。云南水資源豐富，總量僅次于西藏、四川兩省區，居全國第3位。省境內有大小河流600多條，其中水能資源蘊藏量在1萬千瓦以上的有300條。然而，根據2016年云南省國家重點監控企業名單顯示，云南省共有廢水國家重點監控企業78家，廢氣國家重點監控企業87家，污水處理廠國家重點監控企業98家，涉污國家重點監控企業256家，危險廢物國家重點監控企業32家[4]。除此551家登記在國家重點監控企業名單的企業外，還有許多企業存在排污。這些企業中的很大部分企業排污設施不完善，有些甚至直接將工業廢水直接排入附近河流。當發生突發性水污染事件時，相關部門除了制定相關措施處理被污染水源外，還需要迅速定位污染排放企業，從源頭上迅速堵截污染，并對相關企業進行追責。近年來，各級環保部門紛紛把制定突發性污染實踐應急預案作為維護社會安全穩定的主要措施[5]。因此，河流污染源排查系統設計在相關部門中的應用尤為必要，可在很大程度上緩解手工排查污染企業費時費力的弊端。

1關鍵技術

1.1基于WebGIS的河流標定

本系統主要實現云南省河流與污染企業的電子地圖展示，以及污染源排查結果的地圖顯示。因WebGIS（Web Geographic Information System）在水質監測系統中具有顯著優勢，可實現圖形、圖像、地理信息數據在空間框架下的動態鏈接，富客戶端技術又使得程序部署靈活且用戶交互性較強、用戶體驗豐富[67]。因此，系統調用高德地圖Javascript API（Javascript Application Programming Interface）接口進行GIS顯示。然而，河流在電子地圖中展示需要已知一系列的點才能在地圖上進行描繪。因此，需要先獲取河流上一系列點的坐標。

河流可視為一條起伏的曲線。在此，本文給出關于河流拐點的定義，拐點即地圖在某一縮放級別時，描繪河流曲線上的轉折點。當拐點附件折線段范圍無限小，則拐點就是極值點。假設將河流某一段抽象表示為二元函數表達式Z=f（lng，lat），其中lng和lat分別為點坐標的經度與緯度。則拐點為這一段中的極大值或者極小值，例如當P0坐標為（lng0，lat0）時使得Z=Zmin或者Z=Zmax，則P0點為拐點。

通過人工取點的方式從電子地圖中取得云南省6大水系干流及其一級支流拐點經緯度數據保存于數據庫中。

1.2污染源排查算法

污染源排查算法是污染源排查系統的核心，本系統中除了保存河流拐點信息，還將統計到的污染企業信息及其地理坐標也存儲于數據庫中。在污染源排查過程中通過對比提交的污染源地理坐標信息與數據庫中的河流及企業數據，找出污染來源上游的疑似排污企業，再根據污染源信息與企業排污成分對比和搜查范圍劃定最后的疑似排污企業名單。

檢索污染源位于哪條河流拐點附近時，先確定污染源所在簇，由簇序號在河流表中確定與污染源距離最近的拐點。通過該拐點向上游拐點追溯，由上游某一范圍內的拐點依次調用距離計算函數求出距離河流上游指定距離企業名單，再通過污染成分篩查即可確定最終疑似企業名單。從地圖中取出的拐點數據為二維數據，包括經度、緯度。在系統中為了加速污染定位排查速度，使用DBSCAN（DensityBased Spatial Clustering of Applications with Noise）聚類算法對河流拐點經緯度數據進行聚類，基于簇的核心對象建立索引[8]。DBSCAN聚類算法的核心對象是給定對象在ε鄰域（搜索半徑）內的樣本點數大于等于MinPts（最小點數）[9]。本文設置ε=0.1，MinPts=4，然后將得到的每個核心對象的坐標范圍和所包含的對象ID存到數據庫表中。在數據庫中，河流表以【id |河流id |點序號 |經度 |緯度 |所在簇序號】 的格式存儲。

例如，假設污染源P的坐標為（Plng，Plat），集合 C={Ci，i=1，2，…}為河流拐點簇的集合，集合中的某個簇Ci={Pj，j=1，2，…}為部分拐點的集合。則距離污染源最近的河流拐點滿足以下兩個條件：

Cilngmin≤Plng≤Cilngmax

Cilatmin≤Plat≤Cilatmax（1）

Pjlng≤Plng≤Pj+1lng或Pj+1lng≤Plng≤Pjlngendprint

Pjlat≤Plat≤Pj+1lat或Pj+1lat≤Plat≤Pjlat（2）

其中，Plng和Plat分別為污染源的經度與緯度；Cilngmin和Cilngmax為某個簇經度的最大值和最小值；Cilatmin和Cilatmax為某個簇緯度的最大值和最小值；Pjlng和Pjlat分別表示所找到的簇中某一拐點的經度與緯度。

此系統篩選出來的疑似排污名單可為環保部門工作人員提供走訪調查依據，大大節省人工排查污染企業的人力與物力投資，提高排查準確性。污染源排查具體流程如圖1所示。

圖1污染源排查流程

2系統需求分析

本系統以信息化手段支持對涉污企業的管控，提高管控的及時性和高效性。開發云南省河流污染源排查系統，通過建立云南省國家重點監控涉污企業信息管理數據庫，以電子地圖的可視化方式，結合大數據分析模型與技術，從地理空間、時間和污染關聯因素等多方面直觀展現云南省國家重點監控涉污企業分布情況、企業基本信息和其特征污染因子等信息，并通過信息間的關聯檢索，快速篩查和鎖定污染企業，并將污染企業的基本情況和其特征污染因子以圖表形式展示，為水質預警預報和應急提供基礎資料。系統將完成以下7方面內容：①設計涉污企業信息管理平臺硬件和軟件構架；②實現涉污企業信息管理系統的服務器、數據庫構建；③涉污企業監管信息數據的采集和入庫，包括涉污企業基本數據、污染因子數據、主要污染物、數量等數據；④實現基于電子地圖的BS工作引擎，加載云南省電子地圖基礎數據，實現云南省6大水系及其一級、二級支流的地圖數據矢量化，并為其構造相應數據庫，完成污染源水系的查詢和顯示；⑤完成對采集數據的多方位查詢應用，并得出輸出數據的統計分析；⑥基于GIS的可視化前臺應用界面，實現基于電子地圖的污染源數據分析，并以圖表形式展示出分析結果；⑦數據后臺管理應用界面，實現對采集數據的錄入和管理、用戶管理和安全管理等后臺功能。

圖2系統架構

應用軟件架構設計分為7層：基礎軟件層即為服務器基礎平臺，包括操作系統、Web服務器以及數據庫軟件；數據層即基于MySQL數據庫的各種數據存儲，分為WebGIS數據和業務應用數據兩大類；在數據層之上，是為用戶提供數據查詢檢索、編輯錄入以及用戶管理等基本功能的基礎功能層，通過基礎功能層提供的功能模塊，形成業務應用層上的各種業務組合，包括后臺維護應用和基于GIS用戶界面的前臺業務應用等；通信層即業務內網，用戶通過業務內網以瀏覽器方式訪問Web服務器上的業務應用，從而構成業務應用的軟件系統。

3系統設計與實現

采用BS架構，服務器由Web服務器軟件和數據庫服務器軟件構成，用戶通過瀏覽器進行交互，實現前臺業務應用和后臺數據管理。服務器操作系統采用Windows Server 2010，Web服務器為Resin，數據庫采用MySQL，應用軟件采用Java和JSP編程實現。

3.1數據庫設計

數據庫可以存放企業、河流和用戶基本信息，系統中共建立了用戶表USER_LIST、權限表PERMISION_LIST、企業信息表COMPANY_INFO、河流表RIVER_LIST、污染物信息表POLLUTENT_INFO等 20張數據表。企業信息表的表結構如表1所示。

3.2系統功能模塊設計實現

河流污染源排查系統用戶登錄后，主界面使用HTML

中的frameset標簽設置頁面框架為頂部、左部和中部3個模塊。其中頂部顯示系統名稱、登錄用戶信息和重新登錄鏈接等信息，左部為導航欄，中部嵌套顯示左部導航欄中的頁面內容，用戶點擊導航欄模塊，頁面局部刷新操作結果，使得操作者具有良好的用戶體驗。系統包含以下6個功能模塊：用戶管理、企業信息、河流信息、污染源排查、污染物信息、法律法規模塊。云南省河流污染源排查系統功能結構如圖3所示。

圖3云南省河流污染源排查系統功能結構

（1）用戶管理模塊。用戶角色不同，該用戶在系統中能夠訪問的功能模塊則不同[10]。管理員可以添加、刪除、修改用戶，并分配用戶權限。權限分以下8種：參觀、業務操作、污染物管理、企業信息管理、地圖配置管理、用戶管理、權限分配、日志管理等權限。管理員根據用戶職能范圍給用戶分配具體權限，比如一般職員只有參觀者權限，即允許參觀瀏覽，但不能使用系統業務。此外，如管理員發現用戶操作異常，可在用戶管理中凍結用戶權限。

（2）企業信息模塊。在企業信息管理模塊，以列表的形式將企業信息展現給用戶。用戶和管理人員可以查詢、查看、添加、編輯、修改企業相關數據。用戶可以依據企業名、地址或者類別查詢企業信息，并生成查詢結果報表以Excel表格形式導出；通過頁面上的地圖顯示操作按鈕，在地圖上查看該企業的具體位置；通過污染物管理操作按鈕，將企業排污種類更新到數據庫中。目前更新的污染物有：

（3）河流信息模塊。在河流信息管理模塊，河流信息以列表方式呈現，用戶可根據水系或者河流名稱查詢河流基本信息，如需查看具體河流的拐點或者位置信息，可點擊河流輔助編輯工具按鈕在地圖頁面通過輸入河流ID查看該河流在地圖上的具體位置。如發現河流拐點信息與地圖圖層上的河流有偏差，可拖動相應拐點，之后以更新所有點標記的方式更新拐點信息有誤的河流。因河流拐點信息數據為排查的基本數據，不能隨便更改，因此只有管理員或者具有地圖配置管理權限的用戶才能操作。

（4）污染源排查模塊。污染源排查模塊，在地圖上將所有污染企業以點標記，河流以折線的方式將信息加以展示。用戶可以通過添加污染源、污染物及需要搜索的范圍（默認值5 000m），提交后臺計算之后得到疑似企業信息。這些檢索出來的疑似排污企業以點標記的形式展示在地圖上，并且河流上下游以污染源為分界線，標記不同的顏色。執法人員或決策分析人員將根據排查結果，對疑似企業進行走訪調查。endprint

如圖4所示，在地圖上的信息框中添加污染源報告點，設置范圍為3 000m，污染物為鉛，提交后臺檢索得到3家疑似排污企業。點擊其中一個點標記，可查看具體企業信息，如圖中所點擊查看的企業為“昆明市XX礦業有限公司”。

圖4污染源排查

（5）污染物信息模塊。該模塊以列表的方式展示涉污企業排放的所有污染物種類、排放標準和相關介紹。目前，系統中錄入的污染物有總磷、總氮、氨氮、銅、鎘、汞、砷等16種。如企業生產工藝改變或新增企業類型與現有類型都不同，需增加或刪除污染物類型時，執法或者辦公人員可根據變更信息在頁面中添加、刪除或修改污染物信息并保存，以更新數據庫中的信息。

（6）法律法規模塊。該部分以列表的方式羅列了環保部門常用的法律法規，執法或者辦公人員可以輸入關鍵詞檢索符合要求的法律法規，然后根據自己的需求查看某部法律法規的詳細信息，解決在執法過程中遇到的問題。系統中使用jspSmartUpload上傳、下載組件，完成新增法律法規的上傳。如需補充新的法律法規，可以文本文檔形式或者直接將內容粘貼到編輯框完成上傳更新。

4結語

本文以軟件工程設計思想為指導，采用面向對象的設計方法，實現基于JSP和WebGIS的云南省河流污染源排查系統。系統采用基于B/S架構的Web Service技術，同時融合了數據庫和計算機網絡等最新前沿技術，實現了河流及污染企業管理信息化。一是結果顯示直觀，將WebGIS技術應用于河流污染源排查，查找統計結果可直接在地圖上顯示，使用戶可以直觀看到排查結果；二是準確性提高，通過后臺直接進行經緯度及距離運算，與人工比對企業及河流信息的方式相比，準確性更高；三是工作效率提升，對比人工篩查方式，利用DBSCAN智能算法大大縮短了篩查時間，減少了人力物力投入，提升了相關部門的工作效率。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）endprint