大连市水资源优化配置决策方案评价可视化系统研究与应用

王 子 茹， 罗 宝 力， 牛 云 格

(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024)

0 引 言

水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态环境的控制要素.随着信息技术的飞速发展，水利信息化建设在水资源管理中的重要性日益凸显.计算机技术、科学可视化渗透在整个水资源管理系统中，为实现水资源的动态监测、水资源的调查和评价、水资源可持续利用和优化配置以及提高水资源的管理水平，提供了前所未有的技术保障和决策支撑手段.

近年来，利用计算机可视化技术进行水资源管理方面已开展了大量的研究工作，文献[1、2]应用地理信息和可视化技术，建设了市级水资源管理系统，实现了区域水资源的动态监测以及水资源的评价、分区等；文献[3]以VB为开发平台，以区域水资源经济净效益最大化为目标函数，建立了多目标规划模型，得到水资源利用的最佳方案；文献[4]将GIS应用于地下水模拟、评价和管理，为地下水信息化工作引进了新的技术手段.

上述研究无疑推动了我国信息技术在水资源管理方面的应用和发展，为数字水利提供了先进的技术支持.但就已有研究成果中，应用陈守煜于2005年创建的可变模糊集理论[5～7]，对区域水资源配置方案进行评价优选，并将其以可视化的形式表达尚未见到.本文将VC＋＋可视化编程技术和GIS结合，采用文献[8]的评价方法，建立区域水资源优化配置决策方案评价可视化系统，并以大连市水资源优化配置为例，对多种方案进行优选，为水资源合理配置提供决策支持.

1 水资源优化配置决策方案评价模型简介[8]

设xi(i＝1，2，…，m)为已知待评对象u的指标特征值，依据m个指标c个级别的指标标准矩阵M＝(Mih)(i＝1，2，…，m；h＝1，2，…，c)进行综合评价.

根据文献[8]，评价对象u指标i对级别h的相对隶属度公式为

又根据文献[8]评价对象u对级别h的多指标综合相对隶属度模型为

α为模型优化准则参数，当α＝1时，优化准则相当于最小一乘方；α＝2时，优化准则相当于最小二乘方.p为距离参数，当p＝1时，为海明距离；p＝2时，为欧氏距离.两者可组成模型的4种组合:(1)α＝1，p＝1；(2)α＝1，p＝2；(3)α＝2，p＝1；(4)α＝2，p＝2.

应用文献[6]中的级别特征值公式

应用文献[7]中归属等级判断准则

2 系统的设计与实现

2.1 系统的总体结构和功能

基于Windows操作平台，利用VC＋＋中的MFC框架和GIS功能组件 MapObjects2.0集成，以大连市水资源配置方案为依据，应用可变模糊评价模型，开发建立了水资源优化配置可变模糊评价可视化系统，系统总体框架如图1所示.该系统由方案可变模糊评价子系统、信息查询子系统和GIS水系图子系统组成.系统的主要功能如下:

图1 系统的总体结构Fig.1 The general structure of the system

(1)方案可变模糊评价子系统

根据陈守煜最新提出的基于辩证法三大规律之一的质量互变规律的质量互变定理的水资源可持续利用可变模糊集模型，采用模块化和参数化的设计理念，通过建立方案参数、标准区间、相对隶属度、确定权重以及评价结果等菜单，开发出了基于可变模糊的水资源优化配置评价子系统.并以大连市水资源优化配置方案为例，对大连市2020年水资源优化配置方案进行评价优选.

(2)信息查询子系统

以VC和MapObjects相结合的形式开发了水资源优化配置可变模糊评价系统中信息查询子系统.主要功能是:

①可变模糊评价信息查询(包括水资源优化配置方案信息查询、指标标准矩阵查询、可变模糊评价模型查询、评价等级查询等).可以根据分析要求，查询到不同参数下的级别特征值.

②大连市各行政区水资源状况的空间属性查询，主要是水资源管理业务查询(水资源基础资料:地表水、地下水、海水、中水、外调水等).

③系统考虑到MapObjects组件的功能特点，将地理信息与属性信息有机地结合在一起，实现图文互动的功能，更直观地查询水资源状况.

(3)GIS水系图显示子系统

主要实现GIS的基本地图操作功能，包括地图的缩放、漫游和全图显示等，可使决策者对大连市辖区范围内的水资源分配情况有更加直观、准确的了解.

2.2 系统主界面设计

本系统基于MFC应用程序向导[9]，以CFormView类为基类，建立具有参数化功能的水资源优化配置方案可变模糊评价系统.通过插入MapObjects的Map控件来进行GIS图形显示，系统主界面如图2所示.

图2 系统主界面Fig.2 The system main interface

2.3 VC＋＋和MapObjects的集成

2.3.1 生成水系图 在ArcMap下绘制大连市水系图[10]，将GIS组件MapObjects与VC相结合，将绘制好的水系图通过Map控件添加到VC环境中，实现系统的集成，实现大连市水系图在VC环境下的可视化显示，并且生成的水系图具有平移、缩放、漫游和地图标注等功能.具体做法如下:

(1)空间数据的建立

在地理信息系统中，空间数据与属性数据通过拓扑关系来建立联系.本系统以空间数据为研究基础.首先启动ArcCatalog，在ArcCatalog目录窗口中，选择New／Shapefile…，进入新建Shapefile对话框.根据空间数据划分的情况，键入Name内容和选择Point、Polyline、Polygon等要素类，以及进行要素属性表(Feature Attribute Table)的编辑.然后，启动ArcMap，选择主菜单File／Add Data，加载新建的Shapefile，进行水系图的编辑.

(2)利用 MFC AppWizard创建应用程序

本系统开发一个基于MFC的单文档(SDI)应用程序.选择 MFC AppWizard(exe)来创建应用程序.

(3)添加 MapObjects控件

选 择 菜 单 Project→ Add to Project→Components and Controls Gallery， 加 入MapObjects控件模板，将Map控件添加到Form中，并定义变量.

(4)加载图层

通过设置Map Control控件的属性对话框来加载要显示的图层数据[11].利用Class Wizard向CWaterMapView中添加 WM＿SIZE事件，在OnSize方法的函数体中添加代码.

(5)地图注记

MapObjects中用于添加注记的对象是CMoLabelRender对象和CMoLabelPlacer对象，这两个对象是常用的注记标注工具.本文采用CMoLabelPlacer对象，可以自动添加图层上对象的标注.

2.3.2 实现水资源优化配置情况的查询 以VC和MapObjects相结合的形式开发了水资源优化配置可变模糊评价系统中的信息查询子系统，实现了大连市各行政区的水资源状况的空间属性查询以及水资源配置方案的信息查询等.

查询方式有两种:菜单选择和GIS地图选择.通过菜单下拉项选择查询目标，操作简单；地图选择则是在GIS地图上选择需要查询的行政区域的水资源状况，鼠标点击水系图上任意图层，则该图层闪亮显示，弹出一个窗口，显示该图层的属性信息，为该区域的水资源状况.实现查询区域闪烁效果使用的是MapObjects组件的FlashShape()方法[12].

2.4 系统应用——以大连市为例

2.4.1 数据资料 根据大连市的社会、经济和环境等因素，筛选出与水资源可持续利用和大连社会经济发展有关的9个评价指标[13]进行评价:工业用水比例x1(%)，中水回用成本x2(106元)，外调水供水成本x3(106元)，地下水开发利用程度x4(%)，中水回用率x5(%)，污水处理率x6(%)，非传统水源占总供水比例x7(%)，本地淡水资源利用率x8(%)，外调水量占总供水量比例x9(%).其中，外调水量占总供水量比例是外调水利用量／总供水量.考虑现在的成本有所提高，故将评价指标标准值x2、x3做了相应的调整.评价指标及各级标准值见表1.采用文献[13]的有关数据，大连市2020年城镇水资源优化配置方案评价指标值如表2所示.

表1 指标分级标准值Tab.1 Index classification standard values

表2 大连市水资源配置方案评价指标值Tab.2 Water resources allocation plan evaluation index values in Dalian

采用文献[13]的指标权重向量为

2.4.2 可变模糊评价子系统的实现 可变模糊评价子系统由方案参数输入、指标分级标准值、指标相对隶属度计算、指标权重、评价结果等系统菜单组成.评价时，在相应的对话框中输入参数，即可得到该方案的评价结果(各种对话框略).

以方案1为例，通过可变模糊评价系统对其进行评价，最终将4组参数下的评价结果汇总，得出方案1的评价等级，如图3所示.

图3 评价结果汇总Fig.3 Integration of evaluation result

2.4.3 评价结果分析 应用可变模糊评价方法，采用可变模糊集中的4组模型分别对3套方案进行评判，评价结果见表3.

表3 大连市水资源优化配置方案评价等级Tab.3 Rank of water resources optimizing allocation plans in Dalian

根据判断准则式(5)，通过分析评价结果可知，3套方案的评价等级均为2级偏1级.但考虑到水资源系统是一个复杂的非线性系统，又考虑到在所选取的评价指标中有线性指标(例如中水回用成本等)，故采用α＝1，p＝1和α＝2，p＝1两种参数组合的平均值作为最后的评价结果，如表4所示.由此可见，方案2的评价结果与其他方案相比较，相对于最优级的隶属度较高，故方案2的配置方案为最优方案.

表4 两种参数组合下的评价结果Tab.4 Evaluation result of two kinds of parameters combination

2.4.4 系统查询

(1)菜单选择查询信息:通过菜单下拉项选择查询目标，图4为指标值查询.

(2)选择GIS地图查询空间属性:在GIS地图上可以任意选择需要查询的行政区域的水资源状况，点击鼠标左键即可实现水资源状况的空间属性查询.图5为金州以南地区的空间属性查询.

图4 指标值查询Fig.4 Inquirement of index values

图5 空间属性查询Fig.5 Inquirement of spatial attribute

3 结 语

利用可视化技术，以Windows系统为操作平台，通过VC＋＋6.0中的MFC框架结合GIS技术，开发出了大连市水资源优化配置方案评价可视化系统.根据文献[13、14]中的相关数据，系统实现了运用可变模糊集理论及模型对大连市城镇水资源优化配置方案的评价优选，得出最优方案.文献[15]同样说明了可变模糊集理论、模型与方法的科学性.实例表明，该系统运用于水资源优化配置方案评价，具有复杂问题简单化、计算方便快捷、人机界面交互性好的特点，为水资源优化配置方案评价可视化提供了一个新平台.

致谢:本文得到了陈守煜教授的悉心指导.

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