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摘要 着重介绍了基于ArcEngine平台的绿地雨水生态管理系统的设计与实现过程；对设计系统的原因、系统实现的关键问题以及系统的关键功能进行了详细阐述，其中对绿地雨水的过程模拟模型进行了重点研究；探讨了使用组件技术构建GIS系统的技术方法及取得的实际应用效果。
关键词 绿地雨水；生态管理；ArcEngine；设计；实现
中图分类号 S27文献标识码 A文章编号 0517-6611（2016）25-230-03
Design and Implementation of Rainwater and Ecology Management System
ZHOU Wei， ZHANG Kai， ZHANG Lijuan
（Chengdu Huaxing Zhongzhi Engineering Consulting Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610047）
Abstract The design and implementation of the rainwater and ecology management system were mainly introduced based on ArcEngine platform. The reasons for the design system， the key issues of the system implementation and the key functions of the system were described in detail. The simulation of rainwater’s flowing in greenland was studied， and the method of constructing GIS system by using component technology was discussed. As a result， a good and practical application effect was obtained.
Key words Rainwater in greenland； Ecological management； ArcEngine； Design； Implementation
近年来，快速发展的城市化与气候变化使得城市暴雨呈上升趋势。由于国内很多城市特别是大城市所处地势较低，加之市政排水设施标准相对偏低，汛期若突降暴雨常造成城市内涝。发达国家从20世纪60年代起开始研制满足城市排水、防洪、环境治理等方面要求的城市雨洪模型，其中应用较广泛的为城市雨洪管理模型SWMM[1-4]，其可对径流水量水质进行单一事件或连续模拟，已被广泛应用于解决城市排水及环境整治等问题[5-7]。SWMM模型是一个开源软件，利于二次开发[8-10]。笔者以该模型为基础，在GIS平台下构建了城市绿地雨水生态管理系统。该系统能够对城市绿地雨水参数进行实时动态监测，还可以进行雨水的水文模拟，对城市绿地雨水的智能化管理具有重要的现实意义，可为相关部门及时处置城市内涝提供技术支持和决策依据。
1 总体设计
绿地雨水生态管理系统设计的基本思想是以绿地雨水数据为基础，以城市雨水智能控制的应用服务为导向，以多源、多主题数据的管理为核心，综合运用数据存储技术、数据库技术、GIS技术等先进技术，采用面向对象的方法和“高内聚，低耦合”的设计思想对系统进行开发。该设计应遵循以下原则：一是以绿地雨水实测数据作为管理系统设计的基础；二是以数据分析作为绿地雨水数据管理和设计的核心；三是以绿地雨水数据的应用作为系统功能设计的出发点。
1.1 技术架构
1.1.1 体系结构和总体框架。
根据分层的结构思想，該系统采用灵活的多层体系结构，包括数据层、数据访问层、组件层和应用层，其C/S架构如图1所示。整个系统是依据相关标准和管理规范进行建设，并依据相应的数据管理策略和信息安全体系而构建，与存储设备、存储管理软件结合，并在存储设备上建立此绿地雨水生态管理系统，最终为用户提供相应的服务。绿地雨水生态管理系统总体架构如图2所示。
1.1.2 开发策略。
系统采用.NET技术，开发过程采用反复增量模型，使用Microsoft Visual Studio.NET 2012作为开发工具，同时采用Developer Express Inc.公司的.Net系列组件实现界面框架的开发，利用ESRI公司提供的ArcGIS Engine和ArcSDE专用开发包提供的强大功能的COM组件构建满足业务功能需求的集成化数据库管理系统。
1.2 关键技术
1.2.1 系统算法。
绿地雨水水文模拟采用分布式水文流程，通过GIS的模块构建功能并利用C#编程语言实现，具体如图3所示。模型中出现的点状数据主要应用克里格插值法来实现面状区域的构建；出现的面状数据主要应用转换功能，按属性将其转化为统一大小的栅格；管网数据将利用矢量功能将其做成网络结构。
1.2.2 雨水数据接收接口。
第三方的雨水数据接收可通过与第三方达成统一意见形成统一的数据格式规范。绿地雨水生态管理系统中设计了独立的数据监听接口，可24 h监听数据的接收，并对数据进行解析和入库，保证数据可稳定读取和写入。
2 数据库设计
绿地雨水生态管理系统的数据库主要是对城市绿地雨水相关的数据进行统一管理。其需要管理和存储的数据不仅包括水文实测数据，而且还包括矢量地图、卫星数据、基础地理信息数据和系统维护数据等。系统所涉及到的数据主要有3种：基础地理数据、绿地雨水模拟数据和系统属性数据。基础地理信息数据主要用于对分析后的栅格和矢量数据进行叠加分析并以此制图，进而以丰富的图形方式表达分析结果。基础地理信息数据如表1所示。 雨水模拟是绿地雨水生态管理系统的核心部分。依据GIS技术对矢量或栅格数据进行运算和分析，所有的空间数据均必须进行归一化处理，处理的数据必须完全符合ArcGIS GeoDatabase数据模型。雨水模拟主要涉及到的空间数据如表2所示。
绿地雨水属性数据主要用于维持系统的正常运行，其主要涉及用户数据、权限、软件配置参数等，属性数据主要涉及的参数如表3所示。
3 接口设计
3.1 系统界面设计
系统的用户界面就是各模块之间与界面的划分，它可使不同功能模块之间的接口、通讯、信息规范化、标准化，以便相互之间能“对话”或者具有互操作性。该系统的界面设计包括登录界面和主界面。在登录界面中，用户需要输入用户名和密码方可进入系统的主界面。在主界面中，通过各功能板块的设计，将各个模块集成在一起。
3.2 系统接口设计
各个模块之间的软件功能并不是相互独立的，而是彼此之间有许多共同的部分。各模块之间软件的界面需考虑到系统中模块之间的联系和独立，做到不同模块之间的代码共享，使设计的界面简洁明了且功能完备。系统的内部接口如图4所示。
系统的外部接口有打印机、绘图仪、终端工作站等，它们将数据通过标准接口的通讯方式向外传输，因此模块应用软件必须有一套与此相适应的接口界面软件。
从系统功能角度看，系统需充分考虑系统用户的专业背景以及使用的方便性与操作的高效性。系统要做到界面友好则需采用符合工作习惯的键盘和鼠标操作方式。用户只需简单培训后就能完全掌握该系统的操作。
为了实现系统的模拟试验，需要实时接收雨水数据，并将接收到的雨水数据保存至数据库，以保证系统在模拟运行时有数据可以使用。该系统主要通过通用文件读取的方式进行数据的交换，数据接受流程如图5所示。
4 功能设计
根据系统实际用途，将绿地雨水生态管理系统的功能模块主要分为6个部分：基础操作模块、绿地雨水接收、绿地雨水监测、绿地雨水管理、绿地雨水模拟和绿地雨水设计。
4.1 基础操作模块
该模块主要是进行一些基础性的操作，包括放大、缩小、平移、后退、全图、计算面积、计算长度、鹰眼窗口、图层设置等。
4.2 绿地雨水接收
雨水数据接收为一个单独模块，随计算机运行而运行，可时刻监听数据。其一旦接收到雨水数据会立刻解析数据，并将符合数据库需要的数据写入数据库，供系统使用。
4.3 绿地雨水监测
该模块主要设计了降雨量实时显示，降雨量相关数据的查看，数据的输出及对各个时间点的降雨量按照年、月、日等时间节点进行统计图显示。依据各个观测点的经纬度和降雨量数据，利用ArcGIS的插值算法（IDW、Spline、克里金）分析特定区域的平均降雨量。
4.4 绿地雨水模拟
该模块包括雨水模拟所需数据的加载、降雨参数的输入、排水网络数据的加载、绿地设计数据的加载、执行模拟、数据输出以及结果数据查看。
4.5 绿地雨水设计
该模块可根据输入的分析区域自动提取该区域内需进行绿地设计的区域，并自动生成相匹配的属性字段。绿地编辑控制主要包括开始编辑、保存编辑、结束编辑、回退、前进等控制。“开始编辑”开关打开后才可以对绿地进行勾画处理；“前进”是执行上一步操作；“回退”是放弃当前操作；“保存编辑”是保存当前操作；“结束编辑”是退出绿地类型设计。
4.6 绿地雨水管理
该模块包括对系统中的工程进行管理、对绿地设计图层的管理、排水网络图层的管理、降雨量数据的管理、模拟结果数据的管理、区域水管理以及系统的总体管理。系统管理是提供给系统管理员对系统进行维护和管理操作的，主要功能有用户管理、权限管理、系统日志管理和数据字典管理等。系统管理保证系统的安全性和正常运行。
5 結论与讨论
该研究所构建的绿地雨水生态管理系统能够实现城市绿地雨水的智能一体化管理。但该系统也有不足之处，主要问题有2个方面：一是对于研究区域的地下管道排水设施等的考虑不足；二是雨水水文模拟需要各种参数的调整，目前缺乏实际的试验。在下一步研究中，将对存在的问题进行完善与改进，促使其在城市绿地雨水的管理中发挥更实际、更准确的作用。
安徽农业科学 2016年
参考文献
[1] 刘俊，郭亮辉，张建涛，等.基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J].中国给水排水，2006，22（21）：64-66，70.
[2] 董欣，陈吉宁，赵冬泉.SWMM模型在城市排水系统规划中的应用[J].给水排水，2006，32（5）：106-109.
[3] 丛翔宇，倪广恒，惠士博，等.城市立交桥暴雨积水数值模拟[J].城市道桥与防洪，2006（2）：52-55.
[4] 赵冬泉 陈吉宁，佟庆远，等.基于GIS构建SWMM城市排水管网模型[J].中国给水排水，2008，24（7）：88-91.
[5] 张红旗.排水管网水力模型与地理信息系统（GIS）集成技术研究[D].北京：北京工业大学，2009.
[6] 岑国平，沈晋，范荣生.城市设计暴雨型研究[J].水科学进展，1998，9（1）：41-46.
[7] 刘俊，徐向阳.城市雨洪模型在天津市区排水分析计算中的应用[J].海河水利，2001（1）：9-11.
[8] 任伯帜，邓仁健，李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港区的应用[J].水运工程，2006（4）：41-44.
[9] 丛翔宇，倪广恒，惠士博，等.基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析[J].水利水电技术，2006，37（4）：64-67.
[10] 刘俊，郭亮辉，张建涛，等.基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J].中国给水排水，2006，22（21）：64-70.
关键词 绿地雨水；生态管理；ArcEngine；设计；实现
中图分类号 S27文献标识码 A文章编号 0517-6611（2016）25-230-03
Design and Implementation of Rainwater and Ecology Management System
ZHOU Wei， ZHANG Kai， ZHANG Lijuan
（Chengdu Huaxing Zhongzhi Engineering Consulting Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610047）
Abstract The design and implementation of the rainwater and ecology management system were mainly introduced based on ArcEngine platform. The reasons for the design system， the key issues of the system implementation and the key functions of the system were described in detail. The simulation of rainwater’s flowing in greenland was studied， and the method of constructing GIS system by using component technology was discussed. As a result， a good and practical application effect was obtained.
Key words Rainwater in greenland； Ecological management； ArcEngine； Design； Implementation
近年来，快速发展的城市化与气候变化使得城市暴雨呈上升趋势。由于国内很多城市特别是大城市所处地势较低，加之市政排水设施标准相对偏低，汛期若突降暴雨常造成城市内涝。发达国家从20世纪60年代起开始研制满足城市排水、防洪、环境治理等方面要求的城市雨洪模型，其中应用较广泛的为城市雨洪管理模型SWMM[1-4]，其可对径流水量水质进行单一事件或连续模拟，已被广泛应用于解决城市排水及环境整治等问题[5-7]。SWMM模型是一个开源软件，利于二次开发[8-10]。笔者以该模型为基础，在GIS平台下构建了城市绿地雨水生态管理系统。该系统能够对城市绿地雨水参数进行实时动态监测，还可以进行雨水的水文模拟，对城市绿地雨水的智能化管理具有重要的现实意义，可为相关部门及时处置城市内涝提供技术支持和决策依据。
1 总体设计
绿地雨水生态管理系统设计的基本思想是以绿地雨水数据为基础，以城市雨水智能控制的应用服务为导向，以多源、多主题数据的管理为核心，综合运用数据存储技术、数据库技术、GIS技术等先进技术，采用面向对象的方法和“高内聚，低耦合”的设计思想对系统进行开发。该设计应遵循以下原则：一是以绿地雨水实测数据作为管理系统设计的基础；二是以数据分析作为绿地雨水数据管理和设计的核心；三是以绿地雨水数据的应用作为系统功能设计的出发点。
1.1 技术架构
1.1.1 体系结构和总体框架。
根据分层的结构思想，該系统采用灵活的多层体系结构，包括数据层、数据访问层、组件层和应用层，其C/S架构如图1所示。整个系统是依据相关标准和管理规范进行建设，并依据相应的数据管理策略和信息安全体系而构建，与存储设备、存储管理软件结合，并在存储设备上建立此绿地雨水生态管理系统，最终为用户提供相应的服务。绿地雨水生态管理系统总体架构如图2所示。
1.1.2 开发策略。
系统采用.NET技术，开发过程采用反复增量模型，使用Microsoft Visual Studio.NET 2012作为开发工具，同时采用Developer Express Inc.公司的.Net系列组件实现界面框架的开发，利用ESRI公司提供的ArcGIS Engine和ArcSDE专用开发包提供的强大功能的COM组件构建满足业务功能需求的集成化数据库管理系统。
1.2 关键技术
1.2.1 系统算法。
绿地雨水水文模拟采用分布式水文流程，通过GIS的模块构建功能并利用C#编程语言实现，具体如图3所示。模型中出现的点状数据主要应用克里格插值法来实现面状区域的构建；出现的面状数据主要应用转换功能，按属性将其转化为统一大小的栅格；管网数据将利用矢量功能将其做成网络结构。
1.2.2 雨水数据接收接口。
第三方的雨水数据接收可通过与第三方达成统一意见形成统一的数据格式规范。绿地雨水生态管理系统中设计了独立的数据监听接口，可24 h监听数据的接收，并对数据进行解析和入库，保证数据可稳定读取和写入。
2 数据库设计
绿地雨水生态管理系统的数据库主要是对城市绿地雨水相关的数据进行统一管理。其需要管理和存储的数据不仅包括水文实测数据，而且还包括矢量地图、卫星数据、基础地理信息数据和系统维护数据等。系统所涉及到的数据主要有3种：基础地理数据、绿地雨水模拟数据和系统属性数据。基础地理信息数据主要用于对分析后的栅格和矢量数据进行叠加分析并以此制图，进而以丰富的图形方式表达分析结果。基础地理信息数据如表1所示。 雨水模拟是绿地雨水生态管理系统的核心部分。依据GIS技术对矢量或栅格数据进行运算和分析，所有的空间数据均必须进行归一化处理，处理的数据必须完全符合ArcGIS GeoDatabase数据模型。雨水模拟主要涉及到的空间数据如表2所示。
绿地雨水属性数据主要用于维持系统的正常运行，其主要涉及用户数据、权限、软件配置参数等，属性数据主要涉及的参数如表3所示。
3 接口设计
3.1 系统界面设计
系统的用户界面就是各模块之间与界面的划分，它可使不同功能模块之间的接口、通讯、信息规范化、标准化，以便相互之间能“对话”或者具有互操作性。该系统的界面设计包括登录界面和主界面。在登录界面中，用户需要输入用户名和密码方可进入系统的主界面。在主界面中，通过各功能板块的设计，将各个模块集成在一起。
3.2 系统接口设计
各个模块之间的软件功能并不是相互独立的，而是彼此之间有许多共同的部分。各模块之间软件的界面需考虑到系统中模块之间的联系和独立，做到不同模块之间的代码共享，使设计的界面简洁明了且功能完备。系统的内部接口如图4所示。
系统的外部接口有打印机、绘图仪、终端工作站等，它们将数据通过标准接口的通讯方式向外传输，因此模块应用软件必须有一套与此相适应的接口界面软件。
从系统功能角度看，系统需充分考虑系统用户的专业背景以及使用的方便性与操作的高效性。系统要做到界面友好则需采用符合工作习惯的键盘和鼠标操作方式。用户只需简单培训后就能完全掌握该系统的操作。
为了实现系统的模拟试验，需要实时接收雨水数据，并将接收到的雨水数据保存至数据库，以保证系统在模拟运行时有数据可以使用。该系统主要通过通用文件读取的方式进行数据的交换，数据接受流程如图5所示。
4 功能设计
根据系统实际用途，将绿地雨水生态管理系统的功能模块主要分为6个部分：基础操作模块、绿地雨水接收、绿地雨水监测、绿地雨水管理、绿地雨水模拟和绿地雨水设计。
4.1 基础操作模块
该模块主要是进行一些基础性的操作，包括放大、缩小、平移、后退、全图、计算面积、计算长度、鹰眼窗口、图层设置等。
4.2 绿地雨水接收
雨水数据接收为一个单独模块，随计算机运行而运行，可时刻监听数据。其一旦接收到雨水数据会立刻解析数据，并将符合数据库需要的数据写入数据库，供系统使用。
4.3 绿地雨水监测
该模块主要设计了降雨量实时显示，降雨量相关数据的查看，数据的输出及对各个时间点的降雨量按照年、月、日等时间节点进行统计图显示。依据各个观测点的经纬度和降雨量数据，利用ArcGIS的插值算法（IDW、Spline、克里金）分析特定区域的平均降雨量。
4.4 绿地雨水模拟
该模块包括雨水模拟所需数据的加载、降雨参数的输入、排水网络数据的加载、绿地设计数据的加载、执行模拟、数据输出以及结果数据查看。
4.5 绿地雨水设计
该模块可根据输入的分析区域自动提取该区域内需进行绿地设计的区域，并自动生成相匹配的属性字段。绿地编辑控制主要包括开始编辑、保存编辑、结束编辑、回退、前进等控制。“开始编辑”开关打开后才可以对绿地进行勾画处理；“前进”是执行上一步操作；“回退”是放弃当前操作；“保存编辑”是保存当前操作；“结束编辑”是退出绿地类型设计。
4.6 绿地雨水管理
该模块包括对系统中的工程进行管理、对绿地设计图层的管理、排水网络图层的管理、降雨量数据的管理、模拟结果数据的管理、区域水管理以及系统的总体管理。系统管理是提供给系统管理员对系统进行维护和管理操作的，主要功能有用户管理、权限管理、系统日志管理和数据字典管理等。系统管理保证系统的安全性和正常运行。
5 結论与讨论
该研究所构建的绿地雨水生态管理系统能够实现城市绿地雨水的智能一体化管理。但该系统也有不足之处，主要问题有2个方面：一是对于研究区域的地下管道排水设施等的考虑不足；二是雨水水文模拟需要各种参数的调整，目前缺乏实际的试验。在下一步研究中，将对存在的问题进行完善与改进，促使其在城市绿地雨水的管理中发挥更实际、更准确的作用。
安徽农业科学 2016年
参考文献
[1] 刘俊，郭亮辉，张建涛，等.基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J].中国给水排水，2006，22（21）：64-66，70.
[2] 董欣，陈吉宁，赵冬泉.SWMM模型在城市排水系统规划中的应用[J].给水排水，2006，32（5）：106-109.
[3] 丛翔宇，倪广恒，惠士博，等.城市立交桥暴雨积水数值模拟[J].城市道桥与防洪，2006（2）：52-55.
[4] 赵冬泉 陈吉宁，佟庆远，等.基于GIS构建SWMM城市排水管网模型[J].中国给水排水，2008，24（7）：88-91.
[5] 张红旗.排水管网水力模型与地理信息系统（GIS）集成技术研究[D].北京：北京工业大学，2009.
[6] 岑国平，沈晋，范荣生.城市设计暴雨型研究[J].水科学进展，1998，9（1）：41-46.
[7] 刘俊，徐向阳.城市雨洪模型在天津市区排水分析计算中的应用[J].海河水利，2001（1）：9-11.
[8] 任伯帜，邓仁健，李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港区的应用[J].水运工程，2006（4）：41-44.
[9] 丛翔宇，倪广恒，惠士博，等.基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析[J].水利水电技术，2006，37（4）：64-67.
[10] 刘俊，郭亮辉，张建涛，等.基于SWMM模拟上海市区排水及地面淹水过程[J].中国给水排水，2006，22（21）：64-70.