基于GIS和Flex的水环境管理系统设计与实现

廖国威，谢林伸

（1.深圳市环境科学研究院，广东 深圳 518001）

面对目前严峻的河流污染形势[1]，深圳借鉴全国先进的治河经验[2,3]，推行“河长制”水污染治理制度，由各级党政主要负责人担任“河长”，负责辖区内河流的污染治理。本文结合ArcGIS Server和Flex技术开发“河长制”河流水环境管理决策支持系统，全面提供深圳河流水环境信息，实现地图浏览、信息查询、统计分析、数据录入、信息发布、河长考核管理等功能，辅助“河长制”工作的开展。

1 关键技术

1.1 系统开发技术

GIS是一种基于计算机的对地理环境有关问题进行分析和研究的工具[4]，随着科技的发展出现了GIS向网络平台扩展和应用的WebGIS新技术。WebGIS技术具有适应性强、应用面广、现势性强、维护社会化、使用简单等特点[5]。上个世纪，随着工业发达国家对日益严重的环境问题的关注，基于GIS的环境信息系统逐渐得到发展，并应用在环境监测、环境预测与评价、环境预警与管理等领域[6]。空间决策支持系统[7]是在GIS和决策支持系统的基础上发展起来的[8,9]，能够表达和分析空间信息以满足决策分析的实际需求[10]，在土地利用规划[11]、流域管理[12]等领域得到长足的应用。本文系统在环境信息系统和空间决策支持系统的基础上利用WebGIS技术进行开发。

1.2 ArcGIS Server

ArcGIS Server是ESRI推出的一个创建企业级GIS应用的平台和解决方案，它提供了创建和配置GIS应用程序和服务的框架，能将基础到高级GIS功能，如空间分析等引入到网路环境[13]。开发者可以自行制作GIS资源，在服务器端通过ArcGIS Server发布GIS服务，在系统代码中进行调用，结合相应的API进行开发。

1.3 Flex

RIA拥有出色的页面表现力，提供复杂用户交互等优越的用户体验，是近年来GIS领域的新动向和Web开发领域的一大趋势。目前最为流行、成熟的RIA技术是Adobe公司的Flex，其为RIA平台的典型代表，堪称最完整、最强大的RIA开发解决方案。Flex Viewer是ESRI公司设计的一套基于Flex 4开发的WebGIS应用程序开发框架，在其基础上进行个性化设计、功能模块定制，可以完成界面友好、美观的应用系统[8]。在ArcGIS Viewer for Flex 3.4的基础上自行设计后的外观如图1所示。

1.4 PHP

PHP语言混合吸收了C、Java、Perl等语言的特点，广泛应用于网页开发领域。通过PHP可以轻松实现浏览器端和数据库的交互，PHP连接数据库的方式为服务器内部本地连接，数据库也并未开放直接暴露到网络环境的端口，且在浏览器端访问PHP只能得到脚本执行的结果信息而无法获得其源代码，因而PHP在进行用户身份匹配认证方面有较高的安全性。

2 系统开发设计

2.1 设计目标和原则

本系统是为推进深圳市“河长制”工作开展而开发设计的，是作为“河长制”管理决策过程的有力保障机制。系统在设计过程中除了要满足“河长制”实际工作需要之外，还遵循可行性、实用性、稳定性、可靠性、安全性、用户界面友好等基本原则[8]。

2.2 结构设计

系统架构如图2所示，采用B/S架构，将重级别任务都交由服务器端处理，实现浏览器端的轻便级浏览。服务器通过IIS暴露到网络环境中，浏览器端的请求也通过IIS传递回服务器。用户身份信息由PHP与数据库交互进行验证，通过验证后PHP即时向ArcGIS Server请求获取令牌，该令牌随数据流一同传送给浏览器端，使浏览器端通过ArcGIS API for Flex可以访问和调用加密的GIS服务。每个GIS服务都通过ArcSDE访问底层的空间数据库及与其关联的时间数据库，访问服务的REST API也经Web Adaptor整合直接暴露到网络中。其他与GIS无关的功能，如考核管理等，则不经ArcGIS Server直接由PHP访问系统数据库进行相应的数据处理工作。

图2 系统架构图

2.3 数据库设计

底层数据库使用Microsoft SQL Server 2008 R2进行搭建。数据库按类别可分为3类，即空间数据库、时间数据库和系统数据库（见图2）。空间数据库存储所有GIS数据，包括空间拓扑信息及其属性数据。与空间位置有关的时间序列数据则存储在时间数据库中，并通过关联字段与空间数据库进行关联。在每次查询过程中，二者可以通过相关关系进行相互寻址。而与GIS无关的数据则存储在系统数据库中，方便直接调用。空间要素包括河流、工业污染源、监测点位、污水处理设施、污染整治工程等，时间数据库包括不同时间水质监测数据、统计数据等，系统数据库包含用户信息、河长信息、水质目标、整治方案、考核得分等。

2.4 功能设计

结合深圳“河长制”工作的基本原则和具体要求，该水环境管理决策支持系统的功能结构见图3。系统从功能设计上进行划分可分为3个子系统：①水环境信息子系统完成所有与GIS相关的操作和分析功能，包括地图浏览、空间信息查询、专题统计分析等，数据录入、更新和处理的平台也整合进该子系统中。②方法库子系统包括河长管理、水质目标管理和整治方案管理3个平台，可查看各河流河长信息、目标和计划情况，并进行进度监督和工作协调。③决策子系统主要完成河长考核管理和信息发布工作，综合考虑河长职责、水质目标和整治方案完成情况，按照考核细则进行考核打分，并将考核结果信息报送和发布，增加政务信息透明度并接受群众监督。

图3 系统功能框架图

3 系统实现

3.1 系统开发环境

系统采用B/S架构，以.NET框架为技术平台，底层数据库采用Microsoft SQL Server 2008 R2数据库管理系统，通过ArcGIS 10.1 for Server搭建GIS服务器以提供GIS服务，用ArcSDE对空间数据进行访问、存储和管理，用PHP进行用户身份验证并进行数据库交互，浏览器端使用REST API+Flex API组合进行开发，在Adobe Flash Builder 4.6中用MXML和ActionScript语言调用API及进行Flex程序代码的编写，在ArcGIS Viewer for Flex 3.4应用框架的基础上深度定制WebGIS应用。

3.2 系统功能实现

1）空间信息查询与展示。设计了多种查询方式，如区域查询、分类查询、条件查询，以二级菜单的形式进行选择。为减轻服务器负担，第一次使用query调用GIS服务后将查询结果以FeatureSet的形式存储在Flex中，以后的每次查询只是按条件修改FeatureSet中Graphic的可见性。图4为区域查询的例子。

图4 区域查询

2）监测数据分析。对监测站提供的一定频次的水质监测数据进行分析，如计算平均值、超标率、水质类别、污染指数等。对于跨区的河流，上游监测断面的监测数据可以一定程度上反映上游污染排放的影响；在河长考核过程中，跨区河流按所在行政区划分河段长，段长对该行政区内的河段负责，上游河段的段长要对上游污染排放情况进行“买单”。图5为根据水质标准计算各指标的水质类别，并以颜色进行高亮填充。

图5 监测数据水质类别分析

3）统计分析。针对区域（流域或行政区）进行了统计分析，包括工业用水量、工业排水量、生活用水量、污水处理量、面源和区域污染负荷等方面的分析。点源进行叠加可核算出总量，例如区域工业用水量是区域内所有工业污染源的用水量字段值的总和。面源根据土地利用类型和相应产污系数可估算出其污染负荷。图6为某一区域（罗湖区）的区域统计结果，图6a为统计数据，图6b为图表。

图6 区域统计分析

4）集成管理模块。设计了系统集成管理模块，包括基于PHP数据库交互的系统输入或文件导入的信息录入功能、工作信息和考核结果对各级用户和门户网站的信息发布功能、系统数据统计分析功能，以及河长信息管理和考核评分功能等。

系统采用Flex和PHP等技术基于ArcGIS Server进行二次开发，通过GIS提供全面的水环境信息，能在很大程度上辅助“河长制”工作的开展，建立起部门间信息沟通的渠道和公众参与、考核管理等监督机制，为“河长制”提供周全的管理决策平台支持。

[1]深圳市人居环境委员会.2012年度深圳市环境状况公报[EB/OL].http://www.szepb.gov.cn/xxgk/xxgkml/xxgk_7/xxgk_7_1/201306/t20130603_84781.html, 2013-06-03/2014-06-01

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[5]环境保护编辑部.洱源：建立“河长制” 保护洱海源头[J].环境保护，2009(9):37

[6]熊金超.黄冈市水污染治理推行“河长制”[N].中国社会报，2009-03-30(B04)

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