寧波市水利信息化綜合管理平臺的設計與實現

徐 寧，聶 倩，李丹農

（1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042）

隨著水利信息化建設的加快，如何有效地進行水利信息精細管理、推動水利信息的可持續發展應用已經成為各水利管理部門亟待解決的重要問題[1-4]。寧波市水利信息化綜合管理平臺是以寧波市基礎地理信息系統（GIS）平臺為依托，建立完整統一的基礎地理空間和水利專題數據庫，并基于多元水利信息一體化管理、高速地圖訪問圖片引擎和二、三維一體化等關鍵技術，構建集水利信息采集、信息傳輸交換共享、信息管理和應用、輔助決策支持與公眾信息服務于一體的水利信息化綜合管理平臺，實現水利信息的科學、嚴格、精細、長效管理，從而全面推進水資源合理配置和高效利用。

1 平臺總體架構

寧波市水利信息化綜合管理平臺的總體架構可劃分為1個基礎平臺（IT基礎設施平臺），3個體系（標準規范體系、安全保障體系和系統管理維護體系）和5個層次（數據采集層、資源管理層、應用支撐層、業務應用層和表現層），如圖1所示。

1）IT基礎設施平臺。包括系統運行所需的軟硬件和基礎網絡，是寧波市水利信息化綜合管理平臺運行、提供服務、共享信息的基石。

2）數據采集層。采集水利信息化綜合管理平臺的各類基礎數據、專題數據，通過外業測量、影像識別、地形圖調繪、污染源普查等過程，向資源管理層提供數據。

3）資源管理層。管理存儲各類基礎數據、專題數據，通過數據轉換、加工、提取和過濾等過程，向應用支撐層提供應用服務數據。

4）應用支撐層。作為寧波市水利信息化綜合管理平臺的基礎組件，包括應用系統開發、組件化開發部署、運行和管理環境及其相應規范。

5）業務應用層。包括各業務系統，集中運行業務邏輯。

6）表現層又稱用戶訪問層，負責與用戶交互，接受用戶對系統的服務請求，并把業務應用層的處理結果展現給用戶。

圖1 平臺的總體架構設計

2 平臺關鍵技術

2.1 數據采集與數據庫建設

寧波市水利信息化綜合管理平臺組織和管理的數據主要分為基礎地理數據庫、三維模型數據庫和專題數據庫。其中，基礎地理數據庫包括歷年遙感影像和政務電子地圖數據；三維模型數據庫是以現有的寧波市1：5 000 DEM和DOM數據為基礎，建立三維地形地貌模型，并將水文站點以興趣點形式標注出來；專題數據庫包括河流湖泊特征信息、水源保護區界線和污染源、水文站網信息、水雨情數據等。

由于寧波市水利信息化綜合管理平臺包含了各類空間、非空間以及三維模型等相關數據，其數據形式包括了矢量、柵格、文本、多媒體數據等，故采用Geodatabase模式組織和管理空間數據，并通過ArcSDE空間數據庫引擎，實現數據的檢索與查詢。三維模型數據庫采用文件庫的方式進行存儲和組織，其他數據采用Oracle數據庫進行組織和管理。

2.2 圖片引擎技術

采用圖片引擎技術實現地圖數據的快速瀏覽可視化，其主要原理是：采用地圖拼接機制把大塊地圖分割成一定大小的圖片，在應用程序客戶端瀏覽和可視化時進行分塊下載和拼接，從而實現地圖的快速顯示和動態調度。同時采用了瀏覽器緩存機制，訪問過的地圖可直接從瀏覽器引擎中讀取，大大加快了地圖的顯示速度和用戶體驗效果。

圖片引擎由于預先生成了地圖圖片，不需要在后臺讀取空間數據庫數據和實時渲染地圖，所以大大節省了系統運行時間，地圖響應速度很快。用戶并發的限制將取決于硬盤的讀取和網絡傳輸，可以通過擴展低成本的硬件來提升系統性能。同時實現了平滑的移動和漫游，地圖移動不再露白，放大縮小和漫游幾乎不需要等待時間，地圖圖片內容可以非常復雜和美觀，不再受平臺限制。

2.3 海量真三維數據更新與發布技術

按照傳統的三維數據編譯方式，影像、三維模型數據等編譯發布需要較長的時間。同時，由于水利建設、更新和保護，使得水利相關的三維模型數據不斷更新，如果每次更新都需要重新編譯發布，將給系統數據維護帶來極大不便。為提高系統的可維護性，本平臺綜合利用了多種技術，包括：

1）不同分辨率地形影像數據的實時融合技術。在傳統瓦片金字塔技術構建基礎上，與覆蓋級別、網格掩碼等技術共同作用，以解決不同精度數據的融合問題。

2）多任務并發處理技術。采用矩形任務分解和XML實現影像多任務并發處理，以大幅縮短高分辨率影像編譯時間。

3）斷點續編技術。三維數據編譯時間較長，編譯過程中很容易出現斷電、系統崩潰或其他各種問題，系統采用日志記錄、文件更替等多種技術實現了斷點續編。

4）任意范圍更新技術。在不關停數據服務器的情況下，進行任意范圍的地形、影像和三維模型數據在線更新。

2.4 二三維一體化技術

二維GIS具有強大的二維空間查詢分析統計功能、靈活多樣的應用形式和成熟的業務處理流程。而三維GIS具有更為直觀的空間信息展示功能，其多維度空間分析功能也更為強大，因此三維GIS更容易為用戶所接受[5-7]。本文利用動態坐標匹配技術，根據預先設定的誤差閾值進行二維和三維坐標間的同名興趣點間匹配搜索，實現二維和三維GIS系統間的無縫轉換，并能夠在三維系統中動態加載和編輯ArcSDE數據，真正實現了二三維數據一體化管理、一體化查詢顯示和一體化分析。

3 平臺實現的功能

3.1 基于手機的水文信息查詢系統

基于手機的水文信息查詢系統是通過3G/GPRS等網絡在線實時查看水文相關信息，具體包括各水文站點的水情、雨情、潮位、風向風速、臺風、天氣等實時和歷史數據，實現移動辦公，以便于管理層快速地了解當前的水文信息并作出相應決策。基于手機的水文信息查詢系統的主界面如圖2所示。

圖2 基于手機的水文信息查詢系統主界面

3.2 水文站網信息管理系統

水文站網信息管理系統基于ArcGIS API for Silverlight實現了水利站網多專題數據的一體化集成。其圖層控制采用了兩種模式，一類是地理底圖，即影像圖和電子政務圖，利用圖片引擎技術進行地圖高速訪問；另一類是動態圖層，主要分為基礎圖層和水文站網圖層，其中基礎圖層對應電子政務數據庫數據，而水文站網圖層對應水文站網專題數據庫數據。為用戶提供按地名、經緯度或模糊等3種空間定位功能，如圖3所示。同時，提供了空間查詢、屬性查詢和組合查詢等多種方式快速查詢和檢索關聯信息資源，用戶可根據需要選擇統計的屬性（如測站類別、測驗項目、測驗方式等）進行統計，統計結果以表格、柱狀圖、餅圖等形式表示，如圖4。此外，用戶可修改水文測站等專題數據的空間及屬性信息，維護數據的正確性。

圖3 3種空間定位方式

圖4 水文信息查詢和統計分析

3.3 三維可視化分析系統

三維可視化分析系統以寧波基礎地理信息數據（DLG、DOM、DEM）為數據源，通過對城市三維數據的標準制作和LOD的數據策略，動態精細模型加載和實時三維場景渲染的技術匹配，并結合水文站網管理需要，實現了包括山形、海岸、地貌等自然三維場景和精細模型的快速瀏覽，同時將水文站、水位站、雨量站、遙測站、污染源等水利專題信息無縫集成到三維立體空間，實現立體化的水利管理。同時，三維可視化分析系統提供了三維量算分析、淹沒分析、剖面分析和挖填方分析等功能。圖5為水淹分析模擬。

圖5 水淹分析模擬

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