吳兆良

（山東省濟寧市水利事業(yè)發(fā)展中心，272000，濟寧）

根據(jù)“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”要求，針對山東南四湖管理的實際業(yè)務(wù)需求，進行山東南四湖生態(tài)堤岸工程信息系統(tǒng)建設(shè)框架研究，為實施湖長制、建設(shè)南四湖生態(tài)文明提供強大的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

一、需求分析

南四湖生態(tài)堤岸線較長，治理標準也不完全一致，至今仍有部分低洼堤段未實施治理，整個防洪體系還沒有完全建成，在湖東大堤上存在多處涵閘、排灌站、分洪閘及一些缺口等防汛薄弱環(huán)節(jié)；多處涵閘上裝有監(jiān)控設(shè)備，堤防及建筑物涉及管護人員眾多；存在多處排污口和違法、違章建筑等。 線長、點多、面廣，相關(guān)信息量非常大， 由于缺乏先進的系統(tǒng)軟件，致使信息獲取及更新較慢，直接影響了環(huán)境及水質(zhì)管理，制約了南四湖整個生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。 因此有必要建立一個信息系統(tǒng)進行管理，這個系統(tǒng)涉及面很廣，需要實時、動態(tài)監(jiān)測，需要計算機軟硬件、計算機網(wǎng)絡(luò)、無線通信支持， 需要采用空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)、三維可視化技術(shù)、地圖制圖技術(shù)、多媒體技術(shù)等進行開發(fā)，是一項耗資、耗時的全方位系統(tǒng)工程。 本文擬進行系統(tǒng)的先期研究，為全方位的系統(tǒng)開發(fā)提供理論框架與體系規(guī)范。

二、策略研究

從當前研究水平和應(yīng)用情況看，集成GIS 系統(tǒng)也大多是各地方水利、測繪部門自行組織開發(fā)，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范和服務(wù)接口。 要適應(yīng)水利國情監(jiān)測任務(wù)的新挑戰(zhàn)，必須要完善與水利國情監(jiān)測相適應(yīng)的地理信息系統(tǒng)框架，使監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的接口，對水利設(shè)施的管理手段進行規(guī)范，對數(shù)據(jù)的分析和挖掘方法進行深入研究。

本系統(tǒng)針對轄區(qū)實際業(yè)務(wù)需求，利用GIS 空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)對南四湖湖東大堤及周邊地區(qū)地理數(shù)據(jù)進行組織、建庫，并將水利工程建設(shè)、水資源信息、 水文信息、 重要建筑物、閘口、入湖河道、取水口、排水口等重要空間信息以及相關(guān)聯(lián)的文檔、法規(guī)表格等與地理信息進行有機集成，建立轄區(qū)三維地形模型及其他基礎(chǔ)地理信息、 水利設(shè)施的三維仿真模型，實現(xiàn)多源、多維、多類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與調(diào)度，以此作為系統(tǒng)水利建設(shè)與資源數(shù)據(jù)庫，為業(yè)務(wù)功能模塊提供數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)。

在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)平臺的支持下，系統(tǒng)利用電子地圖技術(shù)、三維可視化技術(shù)對以湖東大堤為核心的南四湖區(qū)域進行地理信息多維度、動態(tài)展示，對堤防、 建筑物及湖周重要景觀進行三維仿真模擬、信息查詢；利用多媒體技術(shù)和熱點連接機制， 通過聲音、圖片、視頻、文字及實時監(jiān)測視頻的回放等手段對二維、 三維電子地圖進行重要信息（如違法事件、違章建設(shè)）的突出顯示；利用GIS 的幾何查詢、空間分析功能，為水利工程管理、防汛指揮調(diào)度、水資源管理、水政執(zhí)法等提供可視化的管理和決策支持， 同時通過與水資源信息自動采集系統(tǒng)、 水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)等相結(jié)合，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時更新，并對突發(fā)水利事件作出快速反應(yīng)， 實時發(fā)布預(yù)警預(yù)報信息等。

擬建設(shè)的系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)：水利工程管理子系統(tǒng)、防汛指揮調(diào)度子系統(tǒng)、水資源管理子系統(tǒng)。

三、南四湖生態(tài)堤岸工程信息系統(tǒng)建設(shè)

1.基礎(chǔ)功能設(shè)計

根據(jù)濟寧市南四湖生態(tài)堤岸管理系統(tǒng)的初步設(shè)計， 系統(tǒng)采用C/S 模式（即客戶端/服務(wù)器端模式）進行開發(fā)，主要分為工程管理系統(tǒng)、防汛指揮調(diào)度系統(tǒng)、 水資源管理系統(tǒng)三個模塊。根據(jù)本項目的特點，系統(tǒng)擬采用胖客戶端模式， 大部分功能在客戶端完成， 服務(wù)器端主要負責進行監(jiān)測數(shù)據(jù)實時入庫、分析及預(yù)警等相關(guān)工作。

（1）服務(wù)器端

用戶管理與認證： 對用戶賬號、權(quán)限等進行管理；對登錄用戶進行身份認證并對用戶狀態(tài)進行實時瀏覽。

空間數(shù)據(jù)維護：系統(tǒng)管理員對基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)進行維護與更新操作，同時進行數(shù)據(jù)庫的備份與還原等操作。

監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫：對由通信設(shè)備傳輸來的湖東大堤水利工程各監(jiān)測點所采集的數(shù)據(jù)進行實時入庫、自動分類存儲。

電子地圖監(jiān)視與水情分析：顯示轄區(qū)電子地圖，對各監(jiān)測點的狀態(tài)進行顯示，結(jié)合空間數(shù)據(jù)與實時水情數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，并將結(jié)果顯示在地圖上，進行遠程監(jiān)控。

預(yù)警信息發(fā)布：建立預(yù)警機制，通過語音、鈴聲等提示警情，并向各客戶端發(fā)送預(yù)警信息。

（2）基礎(chǔ)GIS 功能

①空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理與維護

進行南四湖區(qū)域空間數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)入庫、影像疊加、數(shù)字地形模型處理、 水利工程各類信息的處理、坐標轉(zhuǎn)換與投影處理、各類文檔入庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時入庫等，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新與維護機制。系統(tǒng)管理員在需要時對數(shù)據(jù)庫進行備份與還原。

現(xiàn)有資料中的地圖主要是CAD圖， 還有一些不同格式的地圖圖像，這類數(shù)據(jù)可用于分類的專題顯示，不能用于GIS 查詢。 作為系統(tǒng)底圖，需要進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、 投影變換、地圖圖形編輯、要素編碼及屬性編輯等處理， 以作為查詢與分析的工作底圖，同時為三維仿真提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

②轄區(qū)電子地圖

本系統(tǒng)內(nèi)的工程管理區(qū)域包括濟寧市北湖新區(qū)、任城區(qū)石橋鎮(zhèn)及微山縣魯橋、兩城、留莊鎮(zhèn)、付村鎮(zhèn)、夏鎮(zhèn)、昭陽鎮(zhèn)、郗山鎮(zhèn)，各鎮(zhèn)下轄若干村。 此外還有富龍商貿(mào)有限責任公司、山東浚源港務(wù)有限公司、班村碼頭及重要的工礦企業(yè)如棗莊礦業(yè)集團高莊煤礦等。

電子地圖的基礎(chǔ)功能包括地圖的瀏覽、放大、縮小、漫游、全圖、選擇、查看、查找、定位、量算等操作，水文相關(guān)信息的檢索、查詢和分析，實現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地形圖、水系圖和防洪專題的分層顯示， 圖層控制樹可瀏覽各圖層，顯示并設(shè)置圖層屬性信息。

基于電子地圖進行重要建筑物、閘口、排水口、取水口、違法建筑的疊加顯示，建筑物信息查詢、水質(zhì)、水位等監(jiān)控信息的實時顯示，并支持防汛調(diào)度方案的可視化輸出等。

此外，包括圖片、聲音、視頻與文字等在內(nèi)的各種類型數(shù)據(jù)都將與特定目標關(guān)聯(lián)后集成進系統(tǒng)中，為系統(tǒng)查詢提供重要的信息源。

③三維仿真平臺

實現(xiàn)南四湖區(qū)域三維虛擬場景的合成與動態(tài)瀏覽。 通過建立地形及基礎(chǔ)地理要素三維仿真模型以及水利工程等各類重要設(shè)施三維數(shù)字模型，疊加在三維場景中逼真展示湖東大堤水利工程布局和結(jié)構(gòu)以及周圍地形地貌，給人以身臨其境感覺。 同時進行多角度動態(tài)瀏覽與操作，支持三維場景信息查詢與分析，支持監(jiān)測信息的顯示、 應(yīng)急方案的顯示等，以逼真的形式對轄區(qū)業(yè)務(wù)進行三維直觀的數(shù)字化管理。

④空間信息二三維顯示及互動功能

本系統(tǒng)建立一個數(shù)據(jù)更新及時，場景瀏覽快速、美觀、真實的南四湖區(qū)域三維地理信息數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)水利管理局業(yè)務(wù)開發(fā)滿足工程需求的功能，發(fā)揮三維可視化技術(shù)在業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理與決策作用。

三維模型及場景功能：即對于三維數(shù)據(jù)以及相關(guān)場景的管理及編輯功能， 包括對3DMAX 模型支持功能、多數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入導(dǎo)出、二三維數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)庫連接、場景及地形編輯、支持不同天氣的場景與云彩的疊加及隨時間的場景變化等虛擬現(xiàn)實功能。重點研究雨雪天氣條件下的三維場景。

三維交互式瀏覽功能： 實現(xiàn)鼠標、鍵盤或游戲桿控制，用戶可以在三維場景中前進、后退、左移、右移、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，改變行走方向，升高、降低視點，俯仰角大小任意確定，且方向轉(zhuǎn)換畫面流暢；提供行走、駕駛、飛行等瀏覽模式，并能進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置； 用戶可以通過自定義視點位置、視線方向、視點高度、俯仰角大小以及漫游速度任意進行三維場景漫游并能錄制動畫；還能對選中的建筑進行360°的環(huán)繞瀏覽，要求運動速度以米/秒為單位；最終游覽路徑可以被記錄保存，以便今后再次瀏覽。

大場景無縫瀏覽及快速定制視點：實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量地形模型實時調(diào)度與無縫拼接及三維仿真場景漫游功能，實現(xiàn)動態(tài)、立體顯示現(xiàn)狀堤防建筑物以及周圍環(huán)境的情況，表現(xiàn)流域水利設(shè)施（包括水庫、水文防汛站等）和河流的干流、主要支流、防汛設(shè)施等三維概況。 同時允許用戶存儲當前視點，雙擊該視點名稱便能快速切換到該視點畫面。

圖層控制：用戶通過圖層控制設(shè)置， 自定義顯示或者隱藏的圖層信息、自定義添加、刪除圖層名稱，并能添加多級圖層和靈活導(dǎo)入、導(dǎo)出圖層內(nèi)的模型屬性信息。

多種選擇方式及空間查詢、計算功能：為用戶提供點選、框選、任意多邊形選擇、 反向選取等多種選擇方式。 進行空間定位、點選查詢，在此基礎(chǔ)上進行屬性信息查詢，包括建設(shè)信息、堤段及負責人信息、違章建設(shè)信息、排污口與取水口信息等的綜合查詢。 可進行距離量測、面積量算，基于DEM 進行體積量算及剖面等各類地形分析。

二三維互動功能：一是電子地圖跟蹤指引，即用戶在三維場景中漫游時，二維電子地圖可以實時指示用戶的位置和行走方向（即視點和視角）；二是快速空間定位功能，即在二維電子地圖中點擊任意點，三維場景可迅速切換到此處，或在三維場景中雙擊任意點，視點馬上切換到此點，并在右鍵中具有反向功能實現(xiàn)視點的180°反向；三是二三維疊加分析，即通過查詢出的地塊指標與輸入系統(tǒng)中的控規(guī)指標進行對比，從而為規(guī)劃審批提供參考。

2.功能子系統(tǒng)

（1）工程管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要的分為六個模塊： 堤防管理模塊、 建筑物管理模塊、設(shè)備管理模塊、自動監(jiān)控模塊、規(guī)范化管理與考核模塊、 基層機構(gòu)建設(shè)模塊。 主要為了實現(xiàn)工程基礎(chǔ)信息的查詢與顯示， 對單個單元工程、局部分布工程、整體分布工程的信息進行管理， 同時對規(guī)范化管理細則及驗收標準進行圖形化表達與管理， 據(jù)此對所轄65 km 南四湖堤防及15 個涵閘實施規(guī)范化管理與考核。

（2）防汛指揮調(diào)度子系統(tǒng)

防汛指揮與調(diào)度是水利地理信息系統(tǒng)的重要組成部分，省、市、縣不同級別的防汛部門對系統(tǒng)建設(shè)的功能需求有所不同。 本系統(tǒng)用于南四湖湖東大堤的防汛指揮與調(diào)度，應(yīng)突出防汛的薄弱環(huán)節(jié)、水位自動測報與預(yù)警、防汛指揮及人員與物料調(diào)配等實用功能。

當在流域電子地圖上點擊時，顯示相應(yīng)河系圖，河系圖包括河系的干流和各支流、堤防線和滯洪區(qū)，分別以不同著色和符號表示， 便于識別，可以縮放圖、漫游圖、全景顯示，并在電子地圖上反映相關(guān)防洪工程信息、綜合信息、 防汛救災(zāi)物資分布信息。同時顯示相應(yīng)的所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域圖，并同時顯示該鄉(xiāng)鎮(zhèn)所負責的缺口、險涵、采煤塌陷段、排污水口以及違章建設(shè)項目及相應(yīng)的搶險方案、防汛備料等信息。

本子系統(tǒng)擬建設(shè)防汛預(yù)案、防汛預(yù)警、薄弱環(huán)節(jié)、物料儲備、人員調(diào)度、自動測報等六個模塊。 各模塊以GIS 功能為依托，借助數(shù)據(jù)庫、電子地圖與三維場景進行防汛的指揮與調(diào)度，以期提高應(yīng)急反應(yīng)能力與風險管理水平，充分發(fā)揮防洪工程體系的綜合減災(zāi)效益，從而最大限度地減輕洪澇災(zāi)害可能造成的損失，保障人民生命財產(chǎn)安全。

（3）水資源管理子系統(tǒng)

水資源實時信息監(jiān)控系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息分析處理系統(tǒng)、 決策支持系統(tǒng)及其相應(yīng)硬件設(shè)備組成， 以此建成水資源數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面共享。 通過水資源管理信息發(fā)布平臺向水行政主管部門、 社會公眾及科研規(guī)劃設(shè)計部門提供信息發(fā)布、數(shù)據(jù)處理和輔助決策支持功能， 從而實現(xiàn)水資源實時調(diào)度、 水資源變化狀態(tài)監(jiān)控、污水總量控制等研究，制定管理方案。

擬建設(shè)的第一期工程主要進行水質(zhì)、水量、排污口污染情況等的監(jiān)測、管理，及稅費征收情況等功能開發(fā)。 后續(xù)工程將根據(jù)資金安排及一期工程的運行效果，適時進行完善及開發(fā)其他功能。