基于二三維的海河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺的研究與開發(fā)

齊建懷，楊井泉

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

1 引言

隨著流域水利信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)和 “數(shù)字海河流域”的實(shí)施，已經(jīng)生產(chǎn)了全流域的1：25萬、官廳密云水庫上游地區(qū)1：5萬、骨干河道、主要蓄滯洪區(qū)、潘家口、大黑汀水庫1：1萬、潘家口、大黑汀水庫壩區(qū) 1∶500 的地形圖（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）、水利工程三維模型等海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）作為采集、管理、分析、可視化表達(dá)空間信息的重要工具，能發(fā)揮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在水利工作中的作用。GIS技術(shù)包括二維地理信息系統(tǒng)、WebGIS、三維可視化地理信息系統(tǒng)等。其中，傳統(tǒng)的二維地理信息技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，在空間數(shù)據(jù)管理和空間分析上的強(qiáng)大功能，已經(jīng)被廣大的水利用戶所認(rèn)可，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地?cái)U(kuò)展；WebGIS隨著Internet和Web技術(shù)的不斷發(fā)展，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，能在網(wǎng)絡(luò)上終端上圖文并茂將水利業(yè)務(wù)信息有效地組織并展示給用戶；三維可視化地理信息系統(tǒng)作為GIS中的一只新軍，可直觀地、三維地、可視化地展現(xiàn)水利業(yè)務(wù)信息。基于此對流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的展示、應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)建立了基于二維GIS、WebGIS、三維GIS海河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

通過對海河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，實(shí)現(xiàn)流域數(shù)據(jù)信息資源共享，綜合展現(xiàn)流域空間數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)、防洪工程數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和遙感影像等數(shù)據(jù)庫建設(shè)成果，為水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供信息共享的技術(shù)支撐。

建設(shè)目標(biāo)從數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)服務(wù)等方面，解決多比例尺、多數(shù)據(jù)源、多數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)的有效組織、安全存儲、集成管理、高效應(yīng)用，滿足對流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)“放得妥、找得著、看得見、拿得走”的應(yīng)用要求，實(shí)現(xiàn)對流域海量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有效的管理與服務(wù)。

2.2 總體設(shè)計(jì)

2.2.1 基本思路

基于二維、三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)，建設(shè)用戶可定制個(gè)性化界面的數(shù)據(jù)管理工具，實(shí)現(xiàn)流域空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的可視化的檢索、顯示和查詢。平臺采用B/S和C/S方式結(jié)合，可管理Oracle、SQL Server、Sybase等海委目前全部數(shù)據(jù)庫類型，開發(fā)工具采用JAVA跨操作系統(tǒng)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺采用多層體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分為數(shù)據(jù)庫服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫接口層、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)層和水利業(yè)務(wù)應(yīng)用客戶端，保證數(shù)據(jù)的安全與準(zhǔn)確、平臺運(yùn)行效率與穩(wěn)定。

其中，數(shù)據(jù)庫層中三維影像數(shù)據(jù)庫是一個(gè)利用影像分塊技術(shù)、影像壓縮技術(shù)和影像金字塔技術(shù)的存儲柵格數(shù)據(jù)的影像數(shù)據(jù)庫，用于存儲水利三維應(yīng)用中所需的多比例尺、多分辨率的DEM、DOM等數(shù)據(jù)；空間數(shù)據(jù)庫是采用面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)模型技術(shù)的存儲矢量數(shù)據(jù)的二維圖形庫；而水利綜合數(shù)據(jù)庫是采用傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲的實(shí)時(shí)水雨情、歷史水文、工情、水質(zhì)、地下水、社會經(jīng)濟(jì)等水利專題屬性。客戶端采用統(tǒng)一的IE界面，對不同的多媒體、二維GIS、三維GIS、HTML文檔等的顯示采用多頁面的技術(shù)，集成二維圖形信息、三維場景信息、多媒體信息和動態(tài)網(wǎng)頁的“多彩”的界面呈現(xiàn)在用戶面前。

2.2.2 平臺體系架構(gòu)

平臺體系架構(gòu)，如圖1所示。

2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于二三維的流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺集成了地理信息系統(tǒng)、遙感、虛擬仿真、數(shù)據(jù)庫管理等高新技術(shù)，為用戶提供了非常多樣、科學(xué)、直觀和詳實(shí)的水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，解決了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在存儲、管理、應(yīng)用、輔助決策和數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的實(shí)際應(yīng)用。具體而言，解決了以下關(guān)鍵技術(shù)：①海量空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)高效調(diào)度技術(shù)；②大范圍網(wǎng)絡(luò)三維可視化大場景漫游（LOD）技術(shù)；③二維GIS和三維GIS無縫集成技術(shù)；④網(wǎng)站式空間信息發(fā)布和多頁面集成二三維、多媒體等信息技術(shù)。

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺功能

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺主要包括空間數(shù)據(jù)管理工具、三維地形可視化、綜合信息管理工具、信息發(fā)布與網(wǎng)站管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)展示與服務(wù)等功能（見圖2），實(shí)現(xiàn)了流域1∶25萬，官廳密云水庫上游地區(qū)1：5萬，潘家口水庫、大黑汀水庫1∶1萬，永定新河、獨(dú)流減河、大清河、漳衛(wèi)新河、子牙新河等骨干河道1∶1萬，永定河泛區(qū)、小清河分洪區(qū)、文安洼、賈口洼、大黃鋪洼、黃莊洼、衛(wèi)河坡洼等蓄滯洪區(qū)1∶1萬，潘家口、大黑汀壩區(qū)1∶500的不同比例尺、不同分辨率的DLG、DEM、DOM空間數(shù)據(jù)（約300G），以及實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)、歷史水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)、防洪工程數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)（約300M）和相關(guān)的文檔、圖像（片）、視頻、音頻等多媒體數(shù)據(jù)的管理、展示與數(shù)據(jù)服務(wù)。這些數(shù)據(jù)在流域防洪規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃、地下水利用與規(guī)劃、蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)規(guī)劃等以及防汛抗旱指揮系統(tǒng)、會商系統(tǒng)、水資源管理系統(tǒng)、水資源保護(hù)信息系統(tǒng)、水土保持監(jiān)測系統(tǒng)等水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮很大作用。

3.1 空間數(shù)據(jù)管理工具

以可視化方式實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理與建庫，支持矢量、柵格、影像、DEM 4種類型空間數(shù)據(jù)處理，通過Oracle、SQL Server等大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲空間數(shù)據(jù)，具有全庫瀏覽、圖幅編輯、屬性批處理、地名注記提取、可視化設(shè)置等功能，可為空間信息操作提供基本數(shù)據(jù)支持。

實(shí)現(xiàn)單幅或多幅的多圖層矢量空間數(shù)據(jù)的入庫、管理、編輯、圖形維護(hù)、屬性維護(hù)、注記提取、地名庫提取與維護(hù)、空間索引等功能。

實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的入庫、裁切、分層設(shè)色、影像生成、圖幅管理、索引生成等功能。

3.2 三維地形可視化

系統(tǒng)以地形數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫、地名數(shù)據(jù)庫和專題數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大范圍、多層次、快速地形三維顯示、查詢與分析。系統(tǒng)功能包括用戶化定制、大場景地形三維瀏覽與飛行控制、地名快速定位、點(diǎn)線面矢量數(shù)據(jù)加載、三維空間距離量測、屬性查詢、圖層管理等功能。

實(shí)現(xiàn)多尺度、多分辨率、不同范圍的影像數(shù)據(jù)層級式管理，通過與多尺度DEM數(shù)據(jù)疊加，可實(shí)現(xiàn)大場景三維地形可視化，支持三維顯示、查詢與分析。實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面、注記等各種類型的矢量數(shù)據(jù)的加載與疊加顯示；同時(shí)，平臺提供了多尺度影像數(shù)據(jù)圖層任意加載、多類型矢量數(shù)據(jù)分層管理與加載、量算分析等功能。

3.3 綜合信息管理工具

包括空間數(shù)據(jù)配置管理、綜合信息維護(hù)、專題維護(hù)等功能。支持網(wǎng)頁、關(guān)系表、多媒體和其他類型信息的導(dǎo)入、編輯、獨(dú)立顯示或與空間信息關(guān)聯(lián)顯示，提供建立專題、應(yīng)用封裝與維護(hù)等功能，用于實(shí)現(xiàn)矢量、柵格、影像等多類型、多尺度空間數(shù)據(jù)一體化顯示的圖集配置，可實(shí)現(xiàn)圖層的顯示比例、是否顯示、各尺度圖庫的互相調(diào)用關(guān)系的定制。

實(shí)現(xiàn)各類水利信息的入庫管理，包括對文檔、空間數(shù)據(jù)屬性信息、多媒體信息的入庫、管理、編輯、顯示樣式定制等。

實(shí)現(xiàn)地圖查詢、統(tǒng)計(jì)地圖、空間統(tǒng)計(jì)分析等功能，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)各類工具操作的定制、地圖顯示范圍的定義等功能。

3.4 信息發(fā)布與網(wǎng)站管理系統(tǒng)

在專題數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，以電子地圖為背景，通過網(wǎng)站方式發(fā)布信息服務(wù)，以方便、快捷的界面對不同用戶提供不同的服務(wù)，主要功能包括支持多站點(diǎn)運(yùn)行與信息發(fā)布和對站點(diǎn)基本信息、站點(diǎn)樣式布局、欄目、條目的創(chuàng)建、維護(hù)與管理。

在綜合信息維護(hù)與管理工具實(shí)現(xiàn)GIS功能操作封裝后，采用該工具可實(shí)現(xiàn)按專題或按條目的信息分布，支持GIS功能的網(wǎng)頁化服務(wù)。

通過用戶管理、角色與權(quán)限設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、瀏覽、應(yīng)用。

3.5 數(shù)據(jù)展示與服務(wù)

面向?qū)ο筮M(jìn)行數(shù)據(jù)管理與組織，將數(shù)據(jù)對象、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)集成展示。通過對數(shù)據(jù)對象的檢索、查詢，將與該數(shù)據(jù)對象相關(guān)的所有信息，包括不同比例尺的圖形、不同分辨率的影像、屬性信息一體化主動展示給用戶，用戶可以方便操作進(jìn)行二維地圖、三維地圖的無縫瀏覽，可以查詢對象的各屬性信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等，主要功能包括：①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息全文檢索；②空間對象相關(guān)信息查詢與展示；③空間量算、空間統(tǒng)計(jì)；④多時(shí)態(tài)空間信息展示；⑤空間信息、圖表、政務(wù)文檔信息一體化應(yīng)用；⑥統(tǒng)計(jì)信息表達(dá)，包括統(tǒng)計(jì)地圖、統(tǒng)計(jì)圖表；⑦圖典功能，在文檔中通過鼠標(biāo)取詞，自動調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)地名的地圖信息；⑧二維、三維地形瀏覽與查詢；⑨數(shù)據(jù)輸出與服務(wù)。

4 結(jié)語

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺基于二三維地理信息系統(tǒng)、遙感、數(shù)據(jù)庫技術(shù)面向數(shù)據(jù)對象，實(shí)現(xiàn)了流域多比例尺、多數(shù)據(jù)源、多數(shù)據(jù)類型的有效組織、安全存儲、集成管理、高效應(yīng)用，使用戶通過數(shù)據(jù)平臺直觀、可視化地瀏覽、使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合海河流域防汛抗旱、水資源管理與保護(hù)、水土保持等專題應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，建立“數(shù)字海河流域”信息化平臺，更好地為流域信息化建設(shè)服務(wù)。