喀什河水利信息管理平臺設計與研究

(新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

中國作為水資源相對匱乏的國家，近年來隨著國家經濟的飛速發展，城市化進程與各產業的推進使得供水需求不斷提升，與此同時，污水排放情況卻十分嚴重，資源性缺水和水質性缺水導致社會經濟發展與百姓生活經常受到影響?！端母锇l展“十三五”規劃》的總投資將達到2.43萬億元，可見中國對于水利改革與水利管理的決心，其中水利信息平臺的搭建是“十三五”期間最為重要的工作之一。水利信息涉及到對水資源的監控、旱情預警和水環境監測等，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、實時性差，而且準確性不足，如何通過現代信息技術實現水利信息的綜合管理是一個重要的研究課題。

1 GIS在水利信息管理平臺中的應用

1.1 GIS介紹

GIS(Geographic Information System,地理信息系統)是以地理空間數據庫為基礎對空間相關數據進行采集、存儲、查詢、分析、模擬和顯示的系統。將GIS應用到水利信息管理中有先天的優勢，能夠對水利信息所包含的海量數據進行高效管理，并能根據實時的地理要素變化作出準確反饋，使用戶可以通過圖形式交互界面對水利信息進行便捷管理，從而提高水利管理的效率，減少開支。

1.2 相關技術及特點

1.2.1 通信方式

GIS在水利信息管理平臺中的應用可以采用4種不同的通信方式，分別為基于文件的共享、基于數據庫API的直接獲取、集中式數據管理以及基于網絡實現共享的Web Service方法。其中，基于網絡實現共享的Web Service方法是最為先進的通信方式，采用HTTP協議，其核心是描述一組操作，能夠在網絡上以XML消息的形式進行訪問。Web Service通過對平臺數據庫進行封裝，進而使不同平臺即便采用不同編程語言也能正常通信，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，需要通過某種規范調用GIS的功能，而且大多數情況下屬于跨平臺、跨網絡的調用，因此信息共享模式至關重要。目前GIS技術體系中主流的信息共享方式為Service GIS，這是一種有很強聚合能力的服務信息發布模式，只需將Service GIS應用在不同SOA架構體系中，即可使業務開發變得簡潔、靈活。

1.2.3 關系數據庫平臺

為處理海量的水利數據，Oracle平臺可以提供統一的管理，同時借助于ArcSDE空間數據庫引擎，大大提高數據訪問與查詢的效率。

1.2.4 基于網絡的三維地理信息系統平臺

水利信息管理需要處理大量矢量數據和三維模型，并實現空間數據的創建與分析，目前Skyline體系能夠為用戶提供個性化的三維地理信息體系構建方法。該體系采用OGC標準，兼容ArcSDE、Spatial等多種空間數據庫，可為ArcGIS等二維地理信息系統提供標準化的數據服務。

2 水利信息管理系統總體設計

2.1 設計目標

本文設計以治理和田市玉龍喀什河區域水利工程作為項目目標，通過構建水利信息管理平臺實現防洪減災、河流湖泊環境管理、水利工程管理等多項職能。本系統的構建將對區域水利信息進行整合，優化資源配置，從而提高玉龍喀什河地區水利管理效率，通過大數據、智能感知等技術建立起“互聯網+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合的地圖操作功能，使水利數據得到可視化的管理。通過水利信息管理系統的構建，實現對水利空間信息的即時查詢與統計，為和田市開展水利業務與制定相關政策提供依據。

2.2 整體設計思路

本系統將基于SOA架構進行設計，采用B/S和C/S相結合的應用體系，實現統一化存儲與服務的數據服務模式，構建完善的平臺安全技術體系。

a. SOA系統結構是一種面向服務的體系結構，可以把數據應用以鏈接的形式集成起來，當有服務請求時通過網絡即可直接獲取服務，這就可以使玉龍喀什河地區水利信息管理滿足不同業務需求，使數據管理與應用服務解耦，提高代碼復用率，加快新業務的開發效率。

b.采用B/S和C/S相結合的應用體系主要是為了在確保系統運行效率的同時，為更多的用戶提供不同的水利數據服務。C/S結構主要實現GIS圖形等對數據交互要求較高的服務，B/S結構則提供常規數據查詢與發布等操作相對簡單的服務。

c.統一化存儲與服務的數據服務模式指的是將基礎水利數據、三維數據等數據基于相同規范存儲在數據庫中，這對于水利信息決策至關重要。同時，通過應用服務器為內外網請求提供數據查詢服務。

d.水利信息管理應當有較高的安全防護水平，本系統將從數據安全、應用安全、賬號安全、系統安全以及網絡安全5個層面構建安全技術體系，框架示意見圖1。

圖1 水利信息管理系統安全技術體系

2.3 總體架構

本系統包括數據層、服務層以及應用層，系統總體構架見圖2。

圖2 系統總體架構

數據層是一切業務的基礎，包括水利信息的基礎數據、屬性數據和空間數據，通過Oracle與ArcSDE技術實現對空間數據和水文數據的統一管理。

服務層包括展示、結構、工具以及維護等4個子模塊，分別對應不同的子系統。其中起到維護作用的運維管理子系統對系統運行情況進行實時監控，確保系統的安全性與穩定性；起到工具作用的水利專題數據庫管理系統將二維與三維地理數據結合起來并展示，通過B/S設計模式為用戶提供性能良好的水利地圖數據服務；起到接口作用的服務發布與接口管理子系統根據用戶需求將地圖瀏覽、區劃定位等常用功能進行共享；起到展示作用的水利專題數據展示子系統以目錄管理與元數據管理的模式，實現數據一體化管理和維護。

應用層實現具體水利工作相關功能，例如水情預警、防洪調度、水環境監測等。

3 水利信息管理系統數據庫設計

3.1 數據庫建設任務

本系統的數據庫建設任務主要有以下三個方面：?構建基礎地理空間數據庫，收集并處理玉龍喀什河地區的1∶10000、1∶50000、1∶250000水利地理數據庫；?對重點水利工程區域建立精細模型，實現對重點區域的重點管理；?建立3D場景數據MPT文件。

3.2 數據庫整體結構

現代化水利信息管理中由基礎地理信息、重點水利工程相關地質數據、水文信息、水土行政等元數據構成的空間數據最為關鍵。空間數據格式主要為矢量、屬性和柵格等，對于重點水利工程還應有3D模型與紋理數據。從優化數據管理效率角度考慮，本系統基于ArcSDE與Oracle對空間數據和屬性數據進行統一管理，并通過Skyline中的TerraBuilder實現三維模型與紋理數據管理，實現地形數據和影像數據的整合，進而更迅速地建立起三維數據集。

3.3 數據收集與處理

為了對玉龍喀什河地區整體水域進行科學管理，首先應當解決數據收集問題。收集的數據應當與和田市玉龍喀什河相關行政單位進行數據的交換與共享，本系統構建所需的數據可以劃分為直接監測數據和間接監測數據兩類。直接監測數據為河流湖泊日常巡查過程中采集得到的信息，此類信息通過傳感器得到，例如閘站監測數據、視頻監控數據等，直接監測數據可以通過數據收集平臺從現場移動終端直接采集；間接監測數據為玉龍喀什河所在區域已有數據，例如和田市水文局、氣象局等收集整理的數據，此類數據通過一定文件格式接口入庫。

考慮到本系統數據量龐大，因此數據在入庫前還必須經過處理，數據處理的依據為水利空間數據庫相關規范以及管理的實際需求，主要從圖屬一致性、幾何要素等方面進行篩選，并通過拓撲關系、邏輯關系進行檢測，進而確保數據庫的有效性。

3.4 邏輯結構設計

數據庫的邏輯結構對于管理效果有重要影響，本系統的數據庫構建使用大表機制，即把某一比例尺寸的地圖看作若干固定尺寸的圖片，進而將這些圖片作為地圖單元，對其命名后存入圖庫里。采用這種邏輯結構將玉龍喀什河區域電子地圖自上而下分解成地圖瓦片集合，進而提升查詢效率。

表1為一級水功能分區表，其中包括了對象編碼、水系名稱、功能分區名、功能劃分、水質、水域起始斷面以及水系類型等字段。表2為一級水資源分區表，其中包括了對象編碼、水系名稱、一級水資源區名稱和一級水系類型等字段。

表1 一級水功能分區

表2 一級水資源分區

4 系統功能設計與實現

4.1 系統功能設計

玉龍喀什河地區水利信息管理系統包括以下4個子系統，分別實現不同功能，各子系統間不同模塊均保留一定接口，從而實現數據傳輸。水利數據庫管理子系統包括空間數據管理、地圖瓦片數據管理以及數據備份與恢復等3大模塊，該子系統是原始數據輸入的接口層，可以采集并處理矢量數據、柵格數據、屬性數據以及三維模型數據；服務發布與接口管理子系統包括各服務模塊，接收水利數據庫管理子系統的數據并對服務進行發布；水利數據展示子系統則基于用戶的瀏覽或者請求提供主要功能模塊的展示；運維管理子系統負責對其他子系統的監控。4個子系統間各模塊的關系見圖3。

圖3 子系統各模塊關系

4.2 系統開發

4.2.1 系統界面實現

本系統的4個子系統均有各自界面，從而為相應功能與水利業務提供精準服務。水利專題數據展示系統包括二維主界面與三維主界面兩部分，見圖4。

圖4 水利專題數據展示系統主界面

水利數據庫管理子系統為用戶提供編輯與檢索工具，其主界面見圖5。

圖5 水利數據庫管理子系統主界面

4.2.2 地圖服務

地圖服務是水利信息管理系統的核心，通過地圖緩存技術提高服務器響應速度，基于ArcGIS Server構建瓦片地圖庫，采用WGS1984坐標系統，進行圖片切割，為各圖片設置唯一的層號、行號，最后保存。各地圖切片均對應一個XML的描述文件。

4.2.3 空間查詢功能實現

本系統分別支持二維與三維的空間查詢，并支持點查詢、多邊形查詢等個性化的查詢方式，通過ArcGIS的IGeometry接口實現空間查詢。當用戶選擇某種查詢方式后，請求將在QueryService類中完成邏輯運算，并實例化為具體的類，最后把坐標值傳回QueryService類。在Query類查詢過程中將圖層、關鍵字等信息通過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 三維視頻監測

視頻監測是現代化水利管理的重要工具，本系統將現場采集并發回的視頻解碼后利用Skyline投影，為水利管理人員提供實時的視頻服務。該功能模塊的穩定性主要取決于傳輸協議，本系統采用MMS協議進行視頻顯示?？紤]到Skyline理論僅支持不超過六個影像的投放，實際使用中當達到四個影像情況下系統訪問速度將無法保證，所以在各監控點僅加載一個實時影像，具體實現方法如下：

a.將監測點位置信息進行位置轉換，保證與三維場景坐標一致。

b.根據采集到的視頻坐標點得到視頻點圖層，把Imagelable設成攝像頭突破，且圖片與URL地址一一對應。

c.將攝像機變換、標定參數、URL等存儲至數據庫。

d.用戶只需要通過點擊三維地圖，對應的URL將直接投射實時監控視頻。服務器把方向角和原始視角進行對比，通過圖像匹配算法對方向角進行微調，并更新攝像頭視角信息。

本系統三維視頻監控的實現效果見圖6。

圖6 水利信息管理平臺視頻監控模塊實現效果

5 結 語

本文以和田市玉龍喀什河地區的水利信息管理系統建設為背景，基于GIS理論與思想進行系統設計，通過結合ArcGIS與Skyline，實現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，從而為水利信息監控與決策提供支持，本文的設計思想與設計方法可為同類水域水利信息管理平臺構建提供借鑒。?