水资源管理信息系统的设计与实现
0. 背景介绍
在水资源管理工作中, 需要收集大量的与水资源有关信息资料, 这些信息资料是水资源管理和决策的重要依据。水资源具有动态分布和动态变化的特点, 其开发利用涉及气象、水文、地质、水文地质、环境、土地利用及社会经济等多方面的因素, 各因素的时空变化及其相互关系的信息量十分庞大。传统的信息管理方法, 在技术上越来越不适应现代水资源管理的需要。地理信息系统(Geographic Information System, GIS) 是在计算机软硬件支持下, 能够实现信息采集、贮存、管理、分析、处理及输出的技术系统。地理信息系统的一个显著特征是它能够实现对空间数据的分析、处理和管理。GIS 除了具有存储管理属性数据的能力外, 还具有存储管理表征空间定位和拓扑关系数据的能力。GIS 的这些特点正适合对水资源信息资料的管理。该软件就是对水资源的资料整合及其变化趋势进行跟踪。引入GIS 软件后, 可以使文字资料与其地理位置连接起来, 使水资源的资料在管理上, 可以非常形象的了解一个地区的地形地貌和水资源情况, 使得管理更加科学化、直观化、系统化、准确化, 也可以提高工作效率。将GIS 应用于水资源的管理作成一软件模型, 把一个地区的资料整合起来, 可为及时掌握当地的水资源时空分布、水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等提供优质服务并建设布局合理、功能齐全、技术先进、反应快速的水资源信息系统工程。
1. 水资源管理信息系统需求分析
1.1系统现状分析 水资源管理信息系统是面向用户的，有其特定的目的。具有明确而固定任务的用户希望借助水资源管理信息系统实现现有工作业务的现代化与自动化，改善水资源管理数据采集、分析、表示方法及过程。部分工作任务确定和固定，且有大量业务有待拓展与发展的用户，需要建立水资源管理系统来开拓他们的工作，对水资源管理系统的需求和水资源管理系统的要求只能是部分已知。由于水资源各项管理工作的不同要求，导致了用户对于水资源管理系统的需求是未知的或是可变的。可将目前国内水资源管理信息系统的主要用户，大致分为三种类型，即：水资源基层生产管理部门、水资源科研人员、水资源管理信息系统科研和教学部门。
1.2 本软件的系统需求
基于当地水资源有关部门的要求, 本软件的评价子系统主要由质库、地表水库、地下水文库三部分组成, 地质库部分由地层, 构造类型、统一地表层、钻孔基本情况分布图、钻孔孔径、钻遇地层钻遇含水层、钻孔水文地质实验和区域水文地质专题图; 地表水库部分由径流和水库组成; 地下水文库部分由长观井基本情况、长观井变动情况、长观井类型、长观井观测类、长观井地下水类型、长观井实测资料和水井分布专题图; 水资源评价的工作目的是为显示水资源状况为后续的宏观工作决策做准备, 需要大量的水文实测基础数据, 是各类流域规划工作的基础。检测子系统主要是水质检测部分包括水样情况、水样物理及常规化学项目、水样特殊项目、和水质分析结果等内容。预测子系统主要是根据以往用水量, 调查长治当地的三产用水情况, 收集到社会经济资料(主要有人口预测、牲畜预测耕地及灌溉面积预测、经济预测) 、供水工程情况、实际供水、用水情况, 再结合水质状况、农业灌溉状况、在规划建设中的工业企业用水情况等进行对未来几年的水资源供需情况进行预测分析。
2. 水资源管理信息系统总体设计
2.1 设计目标和任务
水资源管理信息系统总体设计实在需求分析的基础上，寻找能够实现水资源管理和决策支持特定功能的最佳软件结构，把一个软件系统划分成多个功能模块，形成优化的、完整的系统构图。根本任务是讲系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型。一般而言，系统设计主要可以分成3个部分进行：首先是系统的总体结构设计，包括系统的框架、运行平台等；其次是系统的功能设计，根据系统研制目标，确定系统必须具备的空间操作功能。最后进行数据采集设计、数据存储和检索设计等，确定空间数据的存储和管理模式。 2.2 系统总体架构
在系统的应用体系分布上，采取申请、申请受理相关的业务放在外网和内网，审批、管理、决策等功能全部放在内网处理。
系统采用B/S与C/S体系构架相结合的方式实现。应用系统采取三层体系结构，从逻辑上分为用户界面层、业务逻辑层和数据服务层3个层次。
整个应用系统构架方案如图1所示。
图1
2.3 系统功能设计
水资源管理信息系统的研制与开发不但要完成逻辑模型所规定的任务，而且要使所设计的系统达到优化。水资源管理信息系统基本继承了工具型GIS 所提供的基本功能。按总体功能划分，大致可以分为数据录入、数据处理、数据输出三大基本功能模块。图2为水资源管理信息系统的基本功能模块总体结构图。
图2
2.4 系统安全设计
为水资源管理信息系统的安全性，需建立一整套系统安全保障体系，该体系主要分系统硬件安全、系统软件安全与系统安全管理三大部分。系统硬件安全主要用于保障主机设备与网络设备的正常运行；系统软件安全则用于解决在系统是哟各种如何防止用户密码被盗用，如何保证数据的可维护和恢复等问题，它可以进一步分为系统软件安全、应用软件安全、internet 服务安全数据库服务安全四个方面。系统安全体系结构图如图3所示。
图3
3. 水资源管理信息系统开发
3.1 系统开发总体方案
本着构建一个“基于C/S和B/S架构的应用型地理信息系统，以业务为先导，分层次的，组件式的”信息系统的设计思想进行水资源管理信息系统的开发。根据系统开发目标与模块化开发方案，水资源管理信息系统采用面向对象的“用例驱动，以架构为中心，迭代和增量开发”的同一软件开发过程以及面向对象的自顶向下逐步求精的软件开发方法进行软件开发。水资源管理信息系统卷发的总体路线为：在充分分析各个模块的功能和结构的基础上，采用面向对象的用例分析，了解各个模块所涉及的对象和对象间的关系，建立系统就爱狗，然后进行面向对象的设计。迭代和增量开发系统各个组成模块，最后采用面向对象的程序设计，用面向对象的语言实现整个水资源管理系统的开发。
水资源管理信息系统开发技术路线如图4所示。
图4
3.2 系统开发模式
采用生命周期开发法，分为5个基本阶段：系统规划、系统分析、系统设计、系统实施和系统维护。在系统分析上对对象进行必要的抽象概念化，外部只要知道其方法和属性就可以对其操作，其次进行必要的封装和继承。程序设计由数据结构和功能两方面组成，对象概念把这两方面结合起来，是程序设计更接近人们的思维方式。可划分为4个主要步骤：
1、 前期准备。理想、调研、可行性分析、用户需求分析。
2、 系统设计。总体设计、标准的制定、系统详细设计、数据库设计。 3、 系统实施。软件开发、建库、继承、试运行、侧视。 系统运行。系统交付使用和更新维护。 3.3 系统数据流程
根据系统结构，实现系统功能由两个数据流程组成，即由属性查询图形和由图像查询属性的数据流程。根据属性条件查询空间位置的实现原理是利用GIS 中的XML 向服务器传递参数，列出所有符合条件的地理对象，定位到页面上。
根据图形查询喝道监测断面属性信息的实现原理则是利用ASP.NET 工具，首先从图形对象页面获取所选图形的URL ，然后到数据库调用相应数据。
3.4 系统结构
根据水功能去水质监测的业务要求，本系统采用浏览器/服务器和客户机/服务器的混合结构，其中数据库管理模块采用B/S结构体系，空间数据管理模块采用C/S结构体系，系统体系构架与图4类似。
3.5 系统功能组成 根据惯例内容，系统可划分为水功能区的监测断面数据录入模块、水功能区的监测断面数据查询模块、水功能区监测数据的统计与评价模块、水功能区的监测与分析数据可视化模
块。
主要功能分为：数据录入（主要对水功能区的监测断面基本信息的录入）；数据查询（根据输入的监测断面的ID 号和监测时间查询水功能区基本信息和各检测项目的指标）；数据统计与分析（分析监测要素数据，判断该水资源的水之类别）；监测与分析数据可视化（以直方图输出各水质及功能区点比例的直方图）
3.6 属性与空间数据统一管理 根据输入的条件，在图上显示复合输入条件的水功能区的监测断面，或者显示水质不达标的河流、各类水质的河流区域。但在地图上以高亮显示的时候要考虑到该河流是否全部在该功能区内，通过拓扑关系的处理超过该功能区的河流不予显示。通过选择水功能区的监测断面，则可查找每个监测的属性信息。同时，通过选择某个水功能区的若干个水质监测断面，可以进行断面之间的水质分析，并以分析直方图或曲线图形式表达，达到可视化界面的目标。
4. 水资源管理数据库数据
在水资源管理信息系统中，数据结构的设计包括两部分，一是空间数据结构设计；一是属性数据结构设计
表1 水文地质分区基本情况数据结构定义表
表2含水层基本信息数据结构定义表
表3 取水单位取水工程数据结构定义表
表4取水单位取水工程数据结构定义表