(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

中國(guó)作為水資源相對(duì)匱乏的國(guó)家，近年來(lái)隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程與各產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)使得供水需求不斷提升，與此同時(shí)，污水排放情況卻十分嚴(yán)重，資源性缺水和水質(zhì)性缺水導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與百姓生活經(jīng)常受到影響。《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的總投資將達(dá)到2.43萬(wàn)億元，可見(jiàn)中國(guó)對(duì)于水利改革與水利管理的決心，其中水利信息平臺(tái)的搭建是“十三五”期間最為重要的工作之一。水利信息涉及到對(duì)水資源的監(jiān)控、旱情預(yù)警和水環(huán)境監(jiān)測(cè)等，以往的水利信息管理大多依賴于人工處理，不僅處理效率低、實(shí)時(shí)性差，而且準(zhǔn)確性不足，如何通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)水利信息的綜合管理是一個(gè)重要的研究課題。

1 GIS在水利信息管理平臺(tái)中的應(yīng)用

1.1 GIS介紹

GIS(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、查詢、分析、模擬和顯示的系統(tǒng)。將GIS應(yīng)用到水利信息管理中有先天的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)λ畔⑺暮Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，并能根據(jù)實(shí)時(shí)的地理要素變化作出準(zhǔn)確反饋，使用戶可以通過(guò)圖形式交互界面對(duì)水利信息進(jìn)行便捷管理，從而提高水利管理的效率，減少開(kāi)支。

1.2 相關(guān)技術(shù)及特點(diǎn)

1.2.1 通信方式

GIS在水利信息管理平臺(tái)中的應(yīng)用可以采用4種不同的通信方式，分別為基于文件的共享、基于數(shù)據(jù)庫(kù)API的直接獲取、集中式數(shù)據(jù)管理以及基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享的Web Service方法。其中，基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享的Web Service方法是最為先進(jìn)的通信方式，采用HTTP協(xié)議，其核心是描述一組操作，能夠在網(wǎng)絡(luò)上以XML消息的形式進(jìn)行訪問(wèn)。Web Service通過(guò)對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行封裝，進(jìn)而使不同平臺(tái)即便采用不同編程語(yǔ)言也能正常通信，屬于松散耦合型的共享模式。

1.2.2 信息共享方式

為了搭建水利信息管理平臺(tái)，需要通過(guò)某種規(guī)范調(diào)用GIS的功能，而且大多數(shù)情況下屬于跨平臺(tái)、跨網(wǎng)絡(luò)的調(diào)用，因此信息共享模式至關(guān)重要。目前GIS技術(shù)體系中主流的信息共享方式為Service GIS，這是一種有很強(qiáng)聚合能力的服務(wù)信息發(fā)布模式，只需將Service GIS應(yīng)用在不同SOA架構(gòu)體系中，即可使業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)潔、靈活。

1.2.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

為處理海量的水利數(shù)據(jù)，Oracle平臺(tái)可以提供統(tǒng)一的管理，同時(shí)借助于ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，大大提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)與查詢的效率。

1.2.4 基于網(wǎng)絡(luò)的三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)

水利信息管理需要處理大量矢量數(shù)據(jù)和三維模型，并實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的創(chuàng)建與分析，目前Skyline體系能夠?yàn)橛脩籼峁﹤€(gè)性化的三維地理信息體系構(gòu)建方法。該體系采用OGC標(biāo)準(zhǔn)，兼容ArcSDE、Spatial等多種空間數(shù)據(jù)庫(kù)，可為ArcGIS等二維地理信息系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 水利信息管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)以治理和田市玉龍喀什河區(qū)域水利工程作為項(xiàng)目目標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建水利信息管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi)、河流湖泊環(huán)境管理、水利工程管理等多項(xiàng)職能。本系統(tǒng)的構(gòu)建將對(duì)區(qū)域水利信息進(jìn)行整合，優(yōu)化資源配置，從而提高玉龍喀什河地區(qū)水利管理效率，通過(guò)大數(shù)據(jù)、智能感知等技術(shù)建立起“互聯(lián)網(wǎng)+水利”的新型水利管理模式。為水利管理人員提供直觀的二維與三維相結(jié)合的地圖操作功能，使水利數(shù)據(jù)得到可視化的管理。通過(guò)水利信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利空間信息的即時(shí)查詢與統(tǒng)計(jì)，為和田市開(kāi)展水利業(yè)務(wù)與制定相關(guān)政策提供依據(jù)。

2.2 整體設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)將基于SOA架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用B/S和C/S相結(jié)合的應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化存儲(chǔ)與服務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)模式，構(gòu)建完善的平臺(tái)安全技術(shù)體系。

a. SOA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，可以把數(shù)據(jù)應(yīng)用以鏈接的形式集成起來(lái)，當(dāng)有服務(wù)請(qǐng)求時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即可直接獲取服務(wù)，這就可以使玉龍喀什河地區(qū)水利信息管理滿足不同業(yè)務(wù)需求，使數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用服務(wù)解耦，提高代碼復(fù)用率，加快新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)效率。

b.采用B/S和C/S相結(jié)合的應(yīng)用體系主要是為了在確保系統(tǒng)運(yùn)行效率的同時(shí)，為更多的用戶提供不同的水利數(shù)據(jù)服務(wù)。C/S結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)GIS圖形等對(duì)數(shù)據(jù)交互要求較高的服務(wù)，B/S結(jié)構(gòu)則提供常規(guī)數(shù)據(jù)查詢與發(fā)布等操作相對(duì)簡(jiǎn)單的服務(wù)。

c.統(tǒng)一化存儲(chǔ)與服務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)模式指的是將基礎(chǔ)水利數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)基于相同規(guī)范存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這對(duì)于水利信息決策至關(guān)重要。同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器為內(nèi)外網(wǎng)請(qǐng)求提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

d.水利信息管理應(yīng)當(dāng)有較高的安全防護(hù)水平，本系統(tǒng)將從數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、賬號(hào)安全、系統(tǒng)安全以及網(wǎng)絡(luò)安全5個(gè)層面構(gòu)建安全技術(shù)體系，框架示意見(jiàn)圖1。

圖1 水利信息管理系統(tǒng)安全技術(shù)體系

2.3 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及應(yīng)用層，系統(tǒng)總體構(gòu)架見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)層是一切業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，包括水利信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，通過(guò)Oracle與ArcSDE技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

服務(wù)層包括展示、結(jié)構(gòu)、工具以及維護(hù)等4個(gè)子模塊，分別對(duì)應(yīng)不同的子系統(tǒng)。其中起到維護(hù)作用的運(yùn)維管理子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性；起到工具作用的水利專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)將二維與三維地理數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)并展示，通過(guò)B/S設(shè)計(jì)模式為用戶提供性能良好的水利地圖數(shù)據(jù)服務(wù)；起到接口作用的服務(wù)發(fā)布與接口管理子系統(tǒng)根據(jù)用戶需求將地圖瀏覽、區(qū)劃定位等常用功能進(jìn)行共享；起到展示作用的水利專(zhuān)題數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)以目錄管理與元數(shù)據(jù)管理的模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化管理和維護(hù)。

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)具體水利工作相關(guān)功能，例如水情預(yù)警、防洪調(diào)度、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

3 水利信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)任務(wù)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)任務(wù)主要有以下三個(gè)方面：?構(gòu)建基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，收集并處理玉龍喀什河地區(qū)的1∶10000、1∶50000、1∶250000水利地理數(shù)據(jù)庫(kù)；?對(duì)重點(diǎn)水利工程區(qū)域建立精細(xì)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的重點(diǎn)管理；?建立3D場(chǎng)景數(shù)據(jù)MPT文件。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代化水利信息管理中由基礎(chǔ)地理信息、重點(diǎn)水利工程相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文信息、水土行政等元數(shù)據(jù)構(gòu)成的空間數(shù)據(jù)最為關(guān)鍵?？臻g數(shù)據(jù)格式主要為矢量、屬性和柵格等，對(duì)于重點(diǎn)水利工程還應(yīng)有3D模型與紋理數(shù)據(jù)。從優(yōu)化數(shù)據(jù)管理效率角度考慮，本系統(tǒng)基于ArcSDE與Oracle對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并通過(guò)Skyline中的TerraBuilder實(shí)現(xiàn)三維模型與紋理數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的整合，進(jìn)而更迅速地建立起三維數(shù)據(jù)集。

3.3 數(shù)據(jù)收集與處理

為了對(duì)玉龍喀什河地區(qū)整體水域進(jìn)行科學(xué)管理，首先應(yīng)當(dāng)解決數(shù)據(jù)收集問(wèn)題。收集的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)與和田市玉龍喀什河相關(guān)行政單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與共享，本系統(tǒng)構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)可以劃分為直接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和間接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩類(lèi)。直接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為河流湖泊日常巡查過(guò)程中采集得到的信息，此類(lèi)信息通過(guò)傳感器得到，例如閘站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等，直接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)收集平臺(tái)從現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)終端直接采集；間接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為玉龍喀什河所在區(qū)域已有數(shù)據(jù)，例如和田市水文局、氣象局等收集整理的數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)通過(guò)一定文件格式接口入庫(kù)。

考慮到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，因此數(shù)據(jù)在入庫(kù)前還必須經(jīng)過(guò)處理，數(shù)據(jù)處理的依據(jù)為水利空間數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)規(guī)范以及管理的實(shí)際需求，主要從圖屬一致性、幾何要素等方面進(jìn)行篩選，并通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系、邏輯關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而確保數(shù)據(jù)庫(kù)的有效性。

3.4 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)于管理效果有重要影響，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建使用大表機(jī)制，即把某一比例尺寸的地圖看作若干固定尺寸的圖片，進(jìn)而將這些圖片作為地圖單元，對(duì)其命名后存入圖庫(kù)里。采用這種邏輯結(jié)構(gòu)將玉龍喀什河區(qū)域電子地圖自上而下分解成地圖瓦片集合，進(jìn)而提升查詢效率。

表1為一級(jí)水功能分區(qū)表，其中包括了對(duì)象編碼、水系名稱、功能分區(qū)名、功能劃分、水質(zhì)、水域起始斷面以及水系類(lèi)型等字段。表2為一級(jí)水資源分區(qū)表，其中包括了對(duì)象編碼、水系名稱、一級(jí)水資源區(qū)名稱和一級(jí)水系類(lèi)型等字段。

表1 一級(jí)水功能分區(qū)

表2 一級(jí)水資源分區(qū)

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

玉龍喀什河地區(qū)水利信息管理系統(tǒng)包括以下4個(gè)子系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)不同功能，各子系統(tǒng)間不同模塊均保留一定接口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。水利數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)包括空間數(shù)據(jù)管理、地圖瓦片數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)等3大模塊，該子系統(tǒng)是原始數(shù)據(jù)輸入的接口層，可以采集并處理矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)；服務(wù)發(fā)布與接口管理子系統(tǒng)包括各服務(wù)模塊，接收水利數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并對(duì)服務(wù)進(jìn)行發(fā)布；水利數(shù)據(jù)展示子系統(tǒng)則基于用戶的瀏覽或者請(qǐng)求提供主要功能模塊的展示；運(yùn)維管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)其他子系統(tǒng)的監(jiān)控。4個(gè)子系統(tǒng)間各模塊的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 子系統(tǒng)各模塊關(guān)系

4.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

4.2.1 系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的4個(gè)子系統(tǒng)均有各自界面，從而為相應(yīng)功能與水利業(yè)務(wù)提供精準(zhǔn)服務(wù)。水利專(zhuān)題數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)包括二維主界面與三維主界面兩部分，見(jiàn)圖4。

圖4 水利專(zhuān)題數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)主界面

水利數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)為用戶提供編輯與檢索工具，其主界面見(jiàn)圖5。

圖5 水利數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)主界面

4.2.2 地圖服務(wù)

地圖服務(wù)是水利信息管理系統(tǒng)的核心，通過(guò)地圖緩存技術(shù)提高服務(wù)器響應(yīng)速度，基于ArcGIS Server構(gòu)建瓦片地圖庫(kù)，采用WGS1984坐標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行圖片切割，為各圖片設(shè)置唯一的層號(hào)、行號(hào)，最后保存。各地圖切片均對(duì)應(yīng)一個(gè)XML的描述文件。

4.2.3 空間查詢功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)分別支持二維與三維的空間查詢，并支持點(diǎn)查詢、多邊形查詢等個(gè)性化的查詢方式，通過(guò)ArcGIS的IGeometry接口實(shí)現(xiàn)空間查詢。當(dāng)用戶選擇某種查詢方式后，請(qǐng)求將在QueryService類(lèi)中完成邏輯運(yùn)算，并實(shí)例化為具體的類(lèi)，最后把坐標(biāo)值傳回QueryService類(lèi)。在Query類(lèi)查詢過(guò)程中將圖層、關(guān)鍵字等信息通過(guò)XML文件保存，文件代碼格式如下：

layerIndex=“0”KeyField=“FID” XPosition=“X” YPosition=“Y” IfDosearch=“Ture”/>

4.2.4 三維視頻監(jiān)測(cè)

視頻監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代化水利管理的重要工具，本系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)采集并發(fā)回的視頻解碼后利用Skyline投影，為水利管理人員提供實(shí)時(shí)的視頻服務(wù)。該功能模塊的穩(wěn)定性主要取決于傳輸協(xié)議，本系統(tǒng)采用MMS協(xié)議進(jìn)行視頻顯示?？紤]到Skyline理論僅支持不超過(guò)六個(gè)影像的投放，實(shí)際使用中當(dāng)達(dá)到四個(gè)影像情況下系統(tǒng)訪問(wèn)速度將無(wú)法保證，所以在各監(jiān)控點(diǎn)僅加載一個(gè)實(shí)時(shí)影像，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

a.將監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息進(jìn)行位置轉(zhuǎn)換，保證與三維場(chǎng)景坐標(biāo)一致。

b.根據(jù)采集到的視頻坐標(biāo)點(diǎn)得到視頻點(diǎn)圖層，把Imagelable設(shè)成攝像頭突破，且圖片與URL地址一一對(duì)應(yīng)。

c.將攝像機(jī)變換、標(biāo)定參數(shù)、URL等存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

d.用戶只需要通過(guò)點(diǎn)擊三維地圖，對(duì)應(yīng)的URL將直接投射實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻。服務(wù)器把方向角和原始視角進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)圖像匹配算法對(duì)方向角進(jìn)行微調(diào)，并更新攝像頭視角信息。

本系統(tǒng)三維視頻監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)效果見(jiàn)圖6。

圖6 水利信息管理平臺(tái)視頻監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)效果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以和田市玉龍喀什河地區(qū)的水利信息管理系統(tǒng)建設(shè)為背景，基于GIS理論與思想進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)合ArcGIS與Skyline，實(shí)現(xiàn)了水利信息的多樣化展示，為用戶提供便捷的水利信息查詢服務(wù)，從而為水利信息監(jiān)控與決策提供支持，本文的設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)方法可為同類(lèi)水域水利信息管理平臺(tái)構(gòu)建提供借鑒。?