福建模型库总体设计.docx
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福建模型库总体设计
环境污染空间模型库系统
概要设计文档
北京大学遥感与地理信息系统研究所
北京北大天创信息技术有限公司
日期
版本号
作者
修改内容
2002－9－3
1.0
北大遥感所
初稿
2002－9－6
1.1
北大遥感所
模型库和参数库结构
2002－9－7
1.2
北大遥感所
数据库结构
1引言
1.1编写目的
根据需求分析，进行环境污染空间模型库系统的概要设计，建立系统总体框架结构和技术流程，将系统划分为若干功能模块，对各个模块功能进行初步设计，并设计各个模块之间的接口规范。
1.2相关说明
本设计文档是关于环境污染空间模型库系统的概要设计，包括主体系统、模型库、主要模块接口和系统数据库结构的总体设计。
系统的详细设计，包括系统功能实现、模型库结构和实现模式、数据库结构和表结构的详细设计，在《环境污染空间模型库系统详细文档》中论述。
1.3参考资料
[1]环境污染空间模型库系统需求分析文档
2任务概述
2.1基本目标
本项目的核心任务定位于建立“福建省环境污染空间模型库”，包括大气污染模型库、河流污染模型库、海洋油类污染模型库三个部分，集中管理这三类环境污染模型，并提供模型的更新、评估、改进功能。
并以地理信息系统软件Citystar4.0为基础，开发模型库应用系统软件，实现环境污染空间数据的导入管理、模型计算、模拟显示和制图输出。
2.2运行环境
（1）硬件环境
最低配置：
PIICPU处理器、64M内存、4GB硬盘、CD-ROM。
（2）软件环境
Windows95，98，NT，2000及XP等操作系统。
Citystar4.0软件平台
SQLServer数据库平台
2.3需求概述
系统的总体需求概括成如下几个方面的具体目标：
（1）建立由大气污染模型库、河流污染模型库、海洋油类污染模型库三个部分组成的环境空间模型库。
（2）以地理信息系统及空间数据库为基础（城区采用1:
1万基础数据，大范围地区采用1:
25万基础数据，经过预处理的航片、卫片可以作为底图叠加），研制开发“环境污染空间模型库”应用系统软件。
（3）模型库中初始保存若干个模型（包括三大类污染类型），并提供用户扩展机制，可以对初始模型进行改进和更新。
（4）模型库管理实现对环境污染模型的目录管理，并支持以多种形式（动态链接库、组件）实现的新模型向模型库的添加。
（5）根据污染源或污染事故的参数信息，以及环境背景的具体情况，系统支持环境污染模型的智能选择和人机交互式选择两种方式。
（6）模型参数的自适应选择和生成。
对于因客观条件不能获得的模型参数，系统可根据历史统计资料或参考已经发生的可供参考的同类事故而选择或生成缺失的参数，进行计算。
（7）建立环境污染空间模型库与环境污染空间数据库的接口，通过该接口，系统管理平台可以实现污染源数据的导入管理和提供污染扩散模型运算所需的参数。
同时模型库管理平台提供模型库系统与环境信息系统其它模块的接口，实现其他子系统对模型库的调用功能。
（8）模型结果的可视化表达。
根据系统的模拟输出，对污染扩散的路径、范围和强度做出直观的表达，为决策者提供可靠的辅助决策信息。
（9）利用实际监测数据，对模型计算结果进行评价。
3总体设计
根据系统体系结构，系统总体设计分为以下几个部分：
（1）系统总体框架结构
（2）模型库和参数库设计
（2）环境污染模型库接口的设计
（3）空间数据库接口的设计
（4）控制管理模块的设计
（5）污染扩散的过程模拟模块设计
（6）制图输出模块的设计
（7）数据库结构设计
3.1处理流程
下图描述在系统建成之后系统运行的实际工作流程。
3.2总体结构和模块外部设计
3.2.1系统总体结构
3.2.2系统模块结构
根据框架结构和功能划分，系统由如下几个部分组成：
（1）系统主体功能模块：
主要负责系统总体的调度控制、输入输出、污染过程模拟与评估、与用户的交互等，并为其他模块提供操作界面。
具体又包括控制管理、过程模拟、制图输出、结果分析、调度控制几个子功能模块。
（2）GIS功能模块：
负责与空间数据和空间操作相关的功能。
（3）模型库和参数库：
负责模型的管理、调度、实施，以及参数的管理和修正等。
（4）数据库：
负责系统所需的各种数据的组织、存储、关系的维护。
（5）接口：
在各个模块之间通过相应的访问接口连接，完成数据交互和功能调用，包括GIS访问接口、模型库访问接口、数据库访问接口。
3.3功能分配
3.3.1系统主体功能模块
3.3.1.1数据管理
（1）区域环境基础数据管理
通过数据库访问接口管理区域环境基础数据库，包括社会、经济数据和自然环境数据
●数据导入
●存储管理
●查询
●为模型运算装载数据
（2）污染源数据管理
通过数据库访问接口管理污染源数据库
●污染源数据的导入
●编辑
●更新
●查询
●为模型运算装载数据
（3）空间数据管理
通过GIS访问接口，调用GIS的数据处理和分析功能，实现对区域空间数据的处理和调度
（4）历史数据管理
通过数据库访问接口管理历史数据
●将模型分析结果和模拟过程保存到历史数据库
●历史数据的编辑操作：
添加、删除
●历史数据查询
●历史数据重新装载并再现
（5）模型元数据管理
3.3.1.2过程模拟
（1）模型管理
通过模型库访问接口，调度模型管理功能。
（2）模型选择
通过模型库访问接口，根据污染物类型和发生时的时空位置等具体情况，选择合适的污染模型进行处理。
（3）参数选择
（3）模型运算
●通过数据库访问接口装载基础数据、污染源数据和参数数据
●通过模型库访问接口调用污染模型
●完成模型运算
（4）运算结果处理
●提交给制图输出模块，进行可视化表达和专题制图
●提交给数据管理模块，存储到历史数据库
（5）参数修正
根据运算结果，修正模型参数，重新计算。
3.3.1.3制图输出
提供GIS访问接口，利用GIS的的可视化功能，提供丰富的表达形式。
●基础数据的可视化显示
●污染源信息的可视化表达
●根据模型计算结果，对污染扩散的路径、范围和强度做出直观表达
●制作污染专题图
●制图输出
●统计图表
●表格
3.3.1.4结果分析
通过GIS访问接口，对模型计算结果做初步的分析
●量算统计：
长度、面积
●影响范围分析：
缓冲区
●叠加分析
3.3.1.5调度控制
●总体协调系统主体模块内部各个部分之间的数据交换和功能调度
●调用GIS访问接口，实现系统主体模块与GIS模块之间的的数据交换和功能调度
●调用模型库访问接口，实现系统主体模块与模型库之间的的数据交换和功能调度
●调用数据库访问接口，实现系统主体模块与各系统数据库之间的的数据交换和功能调度
●为各功能模块的调用提供操作界面
●为与用户的交互提供操作界面
3.3.2GIS功能模块
GIS功能模块主要由Citystar4.0的二次开发控件GISOCX构成，提供常规的GIS功能。
●基础地理数据的组织和管理
●常规数据编辑功能（根据需求分析确定）
●为制图输出模块提供数据的可视化表达
●以空间数据为背景的专题制图
●空间查询功能
●常规的空间统计和量算功能：
长度、面积、位置
●常规空间分析：
缓冲区、叠加
3.3.3模型库和参数库
模型库和参数库为相对独立的模块，其中的模型以插件形式提供，模型库和参数库通过模型库访问接口与主系统集成。
（1）模型库管理
●建库
●添加、删除、修改
●查询
●模型描述：
参数表、适用条件、模型类型等元数据信息
（2）参数数据管理
●参数数据的导入
●编辑：
添加、删除、修改
●更新
●查询
●为模型运算装载数据
●参数调整
（3）模型元数据管理
●维护
●查询
●利用元数据维护并操作模型和参数
（4）模型计算
●调用模型
●参数赋值
●计算并输出结果
（5）模型评估
●对污染结果的预测
●影响评估
（6）模型、参数修正
3.3.4系统数据库
系统数据库管理的系统运行及模型分析需要的所有数据，并通过数据库访问接口连接主系统，实现数据交换和功能调用。
●基础数据库：
基础地理数据、社会经济数据、自然环境数据
●污染源数据库
●历史数据
●元数据
4接口设计
系统的接口包括模型库访问接口、GIS访问接口、数据库访问接口。
这些接口不单独存在，而是集成在主体系统当中，并且主系统为这些接口的调用提供用户操作界面。
对于每个具体的接口，可能提供多个函数实现，以满足不同的输入条件和操作模式。
4.1模型库访问接口
（1）模型库管理接口
功能
调用模型库管理功能：
增加、删除、更新
实现
模型库管理功能由模型库内部实现，模型库管理接口只是为主系统提供操作入口。
（2）模型列表（查询）接口
功能
罗列模型库中满足条件的所有模型，并显示该模型属性
输入
模型库类型：
大气、河流、海洋
模型选择条件：
污染源类型、扩散类型、地形条件等
输出
模型（包括属性、说明）列表
实现
调用模型库的模型查询功能
（3）模型调用接口
功能
调用模型，并完成模型运算
输入
模型名称（或其他唯一标识）
污染源数据
参数列表
环境背景数据
输出
模型计算结果
条件
已经从模型库中选择确定的模型
已经从污染源数据库中获得污染源数据
已经从参数数据库中获得参数列表
已经从基础数据库中获得环境背景数据
实现
调用模型
参数赋值
模型计算
记录结果
（4）参数管理接口
功能
管理参数库中参数的添加、删除、修改
实现
调用参数库中的参数管理功能
（5）模型参数查询接口
功能
查询模型需要的参数，并根据需要调入参数数据
输入
模型名称
参数查询条件
输出
模型参数列表
实现
调用参数库中的模型参数查询功能
从参数库中调入参数数据
（6）模型参数自适应生成接口
功能
针对模型参数不能全部获得或准确获得情况，系统自动选择或生成缺失的模型参数
输入
模型名称（或其他唯一标识）
模型参数名称
模型参数生成方法
历史数据或可参考数据
输出
模型参数值
条件
已知模型名称和待生成的参数名称
已经获得用于生成参数的参考数据
实现
调用模型库中的模型参数生成功能
（7）模型、参数修正接口
功能
根据条件修正模型或参数
输入
模型名称
模型参数名称
修正的方法
用于修正模型和参数的可参考数据
输出
修正后的新的模型或参数
条件
已知待修正的模型名称和参数名称
已经获得用于修正模型和参数的参考数据
实现
调用模型库中的模型参数修正功能
更新模型库和参数库中的内容
4.2GIS访问接口
GIS访问接口主要由GISOCX接口来实现。
建立起对区域基础信息（包括人口分布、交通运输、气候气象、地形地貌等），和污染源信息进行导入、查询和管理的空间数据库的接口，可以以这些数据作模型运算的输入参数。
4.3数据库访问接口
为系统主体功能模块的数据调度请求提供服务。
（1）数据导入接口
功能
导入外部数据加入的系统数据库中
输入
外部数据源
目标数据库：
基础数据库、污染源数据库库
条件
外部数据源符合目标数据库标准
实现
为外部数据源创建数据表
复制数据
为新表生成相关的元数据信息
（2）数据编辑接口
功能
数据记录的添加、删除、修改
输入
待修改的数据表
待修改的记录
修改条件（内容）
实现
采用数据库的相关SQL操作实现
（3）数据表结构编辑接口
功能
修改表名，字段的添加、删除、修改
输入
待修改的数据表
修改条件（内容）
实现
采用数据库的相关SQL操作实现
（4）数据查询接口
功能
查询
输入
查询条件
输出
满足条件的结果集
实现
采用数据库的相关SQL操作实现
（5）数据装载接口
功能
为特定的模型装载数据，包括基础数据、污染源数据等
输入
装载条件
输出
满足条件的结果集
实现
可以只输入模型名称，通过模型属性自动查找满足条件的数据
也可以输入具体的要求条件，利用查询接口获得数据
需要采用数据库的相关SQL操作实现
（6）历史数据存储接口
功能
将模型计算结果保存到历史数据库中
输入
历史数据（模型计算结果）
实现
为历史数据创建需要的数据表
存储数据
为历史数据生成相关的元数据信息
（7）历史数据装载接口
功能
恢复历史数据
输入
历史数据标识
实现
装载历史数据
重现
（8）历史数据管理接口
功能
历史数据的删除、查询
输入
历史数据标识
操作条件
实现
采用数据库的相关SQL操作实现
需要考虑数据间的关联性
（8）元数据管理接口
功能
元数据的添加、删除、修改、查询
输入
元数据标识
操作条件
实现
采用数据库的相关SQL操作实现
需要考虑数据间的关联性
5数据结构设计
5.1模型库和参数库结构
5.1.1总体结构
模型库和参数库的总体结构及其相互关系如下图。
（1）结构
模型库在逻辑上是一个相对独立的整体，内部完成库的维护和模型的管理。
模型库具有较高的封装性，模型库内部的组织和操作方式对外部是透明的。
模型库提供一系列接口供外部程序调用模型库的功能，这些接口是外部程序操纵模型库的唯一入口。
模型作为插件的形式高度包容在模型库内部，模型不提供直接供外部程序访问的途径，必须通过模型库提供的接口间接实现。
参数库的结构与模型库基本一致，同样具有较高的封装性，并对外提供访问接口。
（2）模型库接口
●模型管理接口：
模型的添加、删除、修改、查询
●模型属性信息接口：
获得模型的元数据信息
●模型调用接口：
获得模型实例，并计算
●模型评估接口：
评估模型，修正模型
（3）参数库接口
●参数管理接口：
参数的添加、删除、修改、更新、查询
●参数属性信息接口：
获得参数的元数据信息
●参数装载接口：
为特定的模型装载参数列表
●参数生成接口：
参数的自适应生成或生成缺失参数
●参数修正接口：
根据参考数据修正参数
（4）元数据
●描述模型库和参数库的元数据信息
●连接模型库和参数库，特别是描述模型和参数之间的关系
5.1.2模型库结构
模型库按模型类型对其中的模型分类、分级管理，一方面逻辑上便于组织，另一方面查找维护比较方便。
模型以插件的形式存在，安装统一的规则模式建立，并提供一致的接口供模型库调用，模型库负责模型的注册和反注册。
模型的属性信息由模型元数据维护，包括参数列表、模型说明、适用条件、模型类型和模型使用的历史记录。
模型和元数据是一对一的关系。
5.1.3模型结构
模型遵循一致的接口规范，包括输入、输出、参数表和调用接口，这样有利于模型库的统一管理，应用程序也可以通过一致的模式调用所有模型。
模型对外暴露调用接口，这是应用程序调用模型的唯一入口，调用接口中包括函数声名、参数声名和返回值声名。
模型的输入由参数表控制，可能的输入包括基础数据、环境数据、污染源数据、模型系数等。
模型的输出通常是模型计算的结果，按照统一规定的模式提交。
模型和它的元数据密不可分，元数据描述了模型实现和调用需要的全部信息，是外部程序调用模型已经模型库管理模型的依据。
元数据中的参数列表与模型实现部分的参数表一一对应。
5.1.4参数库和参数的结构
参数库统一管理模型需要的参数和系数，并对外提供统一的接口供应用程序调用和装载参数。
参数库以表的形式管理参数，每个参数作为表中的一条记录。
参数的属性信息记录在参数元数据表中。
元数据描述参数的所有属性，包括参数类型、适用条件、缺省值等等。
同时元数据维护一个参数使用和更新的历史记录，这些历史记录可以作为参考数据被参数库适用，从而采用合适的方法实现修正参数的功能。
元数据同时还要维护参数与其所属的模型之间的关系。
一个模型可能包括多个参数。
参数的结构如下图。
5.2数据库结构
系统中管理的数据包括：
基础地理数据库；环境背景数据库；污染源数据库；参数数据库；元数据。
基础地理数据库和部分污染源数据库属于空间数据库，由Citystar工程来管理。
其它数据则由关系数据库管理。
数据库的结构框架如下。
5.2.1总体框架
5.2.2表结构
（1）元数据表
表名：
Meta_Table
说明：
总表，记录系统中的所有表名
主码：
Table_ID
列名
类型
长度
描述
Table_ID
整型
4
表ID
Table_Name
字符
20
表名称
Table_Description
字符
120
表描述
Table_Type
字符
4
属于模型库，参数库，背景数据库，还是源数据库
（2）模型表
表名：
Model_Table
说明：
模型库元数据表
主码：
Model_ID
列名
类型
长度
描述
Model_ID
整型
4
模型ID
Model_Name
字符
20
模型名称
Model_File
字符
32
模型文件名（不含路径，路径默认）
Model_Description
字符
120
模型简要描述
Model_type
字符
4
属于大气，河流还是海洋类型
Parameter_Table_ID
整型
4
对应的参数表ID
（3）参数表
表名：
Parameter_Table
说明：
每个模型对应一个参数表
主码：
Parameter_Name
列名
类型
长度
描述
Parameter_Name
字符
20
参数名称
Parameter_Description
字符
120
参数描述
Parameter_type
字符
4
参数类型
Parameter_Value
Binary
根据参数类型确定参数值
（4）污染源表
表名：
Source_Table
说明：
污染源数据表
主码：
Source_ID
列名
类型
长度
描述
Source_ID
整型
4
污染源ID
Source_Name
字符
20
污染源名称
Source_Description
字符
120
污染源描述
Source_Location
坐标
8
污染源位置
Source_Gross
浮点型
4
污染源总量
Source_Intensity
浮点型
4
污染源源强
Source_Kind
字符
20
污染物类型（如SO2，NOX，氰化物等）
（5）文献表
表名：
Reference_Table
说明：
标准法规数据表
主码：
Article_ID
列名
类型
长度
描述
Article_ID
整型
4
文献ID
Article_Name
字符
20
文献名称
Article_Table_ID
整型
4
文献数据表ID
Article_File
字符
32
文献文件名（不含路径，路径默认）
Article_Type
字符
10
文献类型
（6）背景数据表
表名：
Background_Table
说明：
背景数据表
主码：
Background_ID
列名
类型
长度
描述
Background_ID
整型
4
环境背景实例ID
Background_Name
字符
20
环境背景实例名称（如风频表）
Background_Table_ID
整型
4
环境背景实例数据表ID
Background_File
字符
32
环境背景实例文件名（不含路径，路径默认）
Background_Type
字符
10
环境背景实例类型（适用于哪类模型）
其它数据表由用户自定义。
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