19空间信息技术在水利信息管理中的应用

空间信息技术在水利信息管理中的应用 1 概 述 近年来 ,空间信息技术(主要包括 GIS 技术、 遥感技术、 GPS 技 术、 空间数据管理技术等)无论在理论探索和实际应用方面 ,都取得 了巨大的进步和丰硕的成果。随着数字化时代的到来 ,空间信息技术 在我国许多行业得到了广泛的应用。由于其具有把各类置于空间分布 中的信息进行综合分析和管理的能力 ,而一般水利设施又是与空间地 域紧密相关 ,因此空间信息技术非常适合水利部门信息化的建设要求。 本文立足于探求分析空间信息技术与水利信息化建设的契合点 , 充分了解水利部门的需要，讨论空间信息技术的优势，将空间信息技 术引用到水利信息化建设中来 ,使水利设施、 水资源、 遥感数据、 DEM数据和水文观测数据等多方面信息在 GIS平台上进行有机整合 ,再 加上多方面新型技术的引入 ,设计形成 1 套高效的、 可视化的综合信 息管理平台实施方案并加以实现。管理平台的建设为水利设施的管理 ,日 常水情监控预报 ,洪涝灾害的防御、 损失评估、 预警处理等各个方 面提供详细、 快速的数据支持 ,为各级领导的指挥提供形象、 直观、 准确、 高效的辅助决策服务。 2 空间信息技术在水利中的应用 2. 1 海量数据的管理 海量数据的管理 ,是所有信息化工作的基础 ,是任何信息管理系 统是否能成功运行的关键。水利信息系统涉及使用的数据主要包括区 域矢量地形图、 遥感影像数据、 DEM 数据、 航空影像数据、 水利设 施属性数据、 文字、 图片、 视频等等 ,数据总量达几百 G B 以上。 因此数据的管理需要通过分类分层的组织方式进行管理和存储。在数 据存储方面 ,主要涉及到数据库管理技术和数据引擎技术。 (1) 数据库管理技术。数据库是数据存储的终端 ,是管理所有数 据的系统。由于水利信息数据涉及内容广泛 ,数据量大 ,数据格式各 异 ,因此需要一个强大的数据管理系统进行统一有效的管理。高效的 硬件存储能力和合理的数据存储设计 ,是数据管理工作中的焦点。目 前数据库管理设备硬件生产能力日趋成熟 ,已能达到海量数据的硬件 存储要求。数据的分类分层管理则是数据管理设计的重点 ,任何一个 数据管理系统 ,在逻辑上的层次结构设计仍然能决定其性能的好坏。 (2) 空间数据引擎技术(SDE) 。SDE(S patial Data Engine) 是 一种中间件技术 ,处于应用程序和关系数据库管理系统之间 ,它用关 系数据库来存储、 管理复杂的空间地理数据 ,支持空间关系运算和空 间分析等地理信息系统功能 ,解决了关系数据库与应用程序之间的数 据接口问题。用户可以透明地访问空间地理数据 ,而不必关心数据的 格式、 存储位置、 方式和数据结构等问题。ArcSDE 是 ERSI 公司推 出的 SDE 产品 ,也是当前主流的空间数据引擎软件。ArcSDE 采用开放 式 ClientP Server 体系结构 ,与客户端之间建立 TCPP IP 连接接受 客户应用程序的数据请求。服务器、 客户端之间采用异步缓冲机制传 输数据 ,提高了网络传输效率 ,使海量数据的调用显示的速度得到很 大的提高。 2. 2 WebGIS WebGIS 是当前 GIS 技术发展的一个主流 ,是基于 internet 的良 好的联通性和互动性将 GIS 服务通过网络平台传递给用户的一种服务 方式。它与传统的或局域网的 GIS 相比 ,具有平台无关性、 广泛的 访问范围、 更简单的操作、 平衡高效的计算负载和较低的系统成本 等优点。随着 Ajax (Asynchronous JavaScript AndXML)技术的引入 ,WebGIS的功能更加强大 ,因此 ,基于 WebGIS 的信息系统非常适应于 水利部门广泛的信息收集 ,监察的平台共享建立的需求。 Ajax 技术是一个结合了 Java ,XML 和 JavaScript 的编程技术。 通过使用客户端脚本与 Web 服务器交换数据的 Web 应用开发方式 , 可以构建基于 Java 技术的 Web 应用 ,并打破了使用页面重载的惯例 ,从 而实现 Web 页面不用打断交互流程而进行重新加载就可以动态更新的 效果。Ajax 技术的引入将使 WebGIS 浏览器访问达到一个无刷新操作 的 Web2. 0 时代 ,使其具有更好的使用效果和更大的应用范围。 2. 3 空间分析技术 空间分析是基于地理对象的空间布局的地理数据分析技术 ,是 GIS的核心和灵魂 ,是 GIS 区别于一般的信息系统、 CAD 或者电子地 图系统的主要标志之一。 空间分析配合空间数据的属性信息 ,能提供 强大、 丰富的空间数据查询、 空间量算、 缓冲区分析、 叠加分析、 网络分析、 统计分析等等各种智能化的功能 ,为空间信息系统提供 良好的技术支持。 在水利应用方面 ,空间分析技术更是必不可少的。根据水 文 数据、 地理信息数据等现有数据的支持 ,空间分析技术的使用将为水 文预测 ,灾害分析 ,损失评估等各方面提供准确、 科学、 可靠的数 据分析计算 ,为决策分析 ,救灾抢险等工作提供最详实的技术支持。 2. 4 三维可视化 三维可视化技术是通过 DEM、 DOM、 三维模型等 ,将数据再现在 三维坐标系下 ,重现地形地物原貌的技术。三维可视化技术在 GIS 系 统中 ,将 DEM数据和 DOM 数据有机的结合 ,充分反映出当前地理位置 的三维场景 ,为水利设施的建设、 检查、 决策提供良好的演示和辅 助决策平台。 3 应用需求 水利信息系统是水利信息查询、 监测的有效手段 ,是提高水利工 作的重大举措之一。系统的建设目的是通过计算机和空间信息技术 , 建设一个为市一级的水利部门相关人员(决策者、 专业技术人员、 普 通查询人员以及其他用户)提供水利信息管理 ,查询更新 ,辅助决策的 计算机应用系统平台。根据多次调研和分析 ,结合水利行业工作的特 点 ,水利部门对信息化系统的需求 主要表现为以下几个方面: (1) 建立覆盖范围广 ,满足管辖区域内三防工作需要的二维和三 维地形电子地图;满足用户查看地形 ,查询水利工程设施信息 ,查找定 位到地物等需求。 (2) 建立完善的水利综合信息数据库对海量数据进行管理 ，将数 据整理、 归类、 建库、 分析 ,作为决策时的依据。 (3) 建立洪水淹没仿真模型 ,对可能发生的洪涝灾害做出预测及分析。 (4) 建立完善的计算机网络应用 ,使水利部门和其他各有关部门 通过计算机网络可以实现数据共享和信息发布。 (5) 具有良好的可扩展性和开放性的系统设计 ,可以满足日后的 升级更新要求。 4 系统设计 4. 1 系统结构设计 根据水利信息系统的需要和要求 ,系统设计采用客户端 P 服务器 (ClientP Server)和浏览器 P 服务器(BrowserP Server)模式相结合的 B - CP S综合结构(如图 1) ,用户可根据不同工作的需要通过不同的 方式访问服务器数据。比如在条件较差的监测站 ,堤防或基层工作点 ,可 直接通过 IE 浏览器在网上获取相关的信息数据 ,并进行数据操作 ,无 需通过客户端软件;而在各地水利监测单位 ,则可以通过客户端软件访 问服务器 ,获取更加完善的信息服务和数据分析功能。 图 1 水利信息系统结构 针对水利部门的管理模式 ,水利信息系统服务器建设以市局为主 ,建 立主要服务器 ,各区水利局建设备份服务器。备份服务器通过政府网 与市局服务器相连 ,时时更新备份本区内所有信息数据。日常工作时 ,客 户端系统以市局服务器为主要访问终端 ,当出现通讯事故或特殊情况 时 ,启用各区的备用服务器提供网络访问 ,以备不时之需。 4. 2 系统功能设计与实现 如图 2所示 ,系统的功能设计主要包括 4大部分:二维信息管理模 块;三维显示模块;洪水淹没分析模块和权限管理模块。其中前两部分 主要是针对基本信息的管理查询而建立的数据查询 ,管理和效果演示 模块;洪水淹没分析模块主要是针对洪水淹没灾害 ,引入空间分析技术 而设计的灾害分析系统;权限管理模块则是针对系统安全和用户管理提 供的权限管理服务。 图 2 系统功能结构 4. 2. 1 二维信息系统 二维信息系统是基于 BP S结构设计 ,以矢量地形图、 航空影像 图为基础分层表现各类数据信息的分布的数据管理系统。二维信息系 统的建设通过 WebGIS 技术 ,基于 ArcServer9. 2 开发组件进行开发。 使用先进的 Ajax 技术进行的网络服务平台的开发使 GIS 网络浏览达 到了无刷新查询显示的效果。主要功能设计如下： (1) 地图浏览。在数据的二维显示条件下 ,系统对各种比例尺的 基础地形图以不同颜色进行显示 ,提供中心放大、 中心缩小、 拉框 放大、 拉框缩小、 漫游、 坐标定位、 注记定位、 图幅号定位等 GIS基本功能。基本的地图浏览功能为数据的使用提供基础的数据管理 服务。 (2) 查询定位。查询定位是指在数据的二维显示条件下 ,查询系 统根据用户输入的查询条件 ,查找符合条件的结果列表 ,当用户点击 某一结果时 ,系统自动定位到该工程设施所在地点。 (3) 属性查询更新。属性查询是提供对所有水利设施的相关属性 信息查询。用户在图上点击任意水利设施(已入库) ,系统将根据其种 类 ,提供详细的属性信息数据。属性数据是基于水利局提供的信息字 段 ,有统一的格式要求。另外 ,在查询定位的基础上 ,在权限允许的 条件下可对属性字段进行修改更新 ,这样能满足在任何有网络的条件 下对监测数据进行修改更新 ,减少工作量。 (4) 路径分析。路径分析功能是基于二维地形数据的一项空间分 析功能。系统可以根据用户在地图上选择的起始点和最终点 ,根据地 形状况 ,智能化分析出最短到达路线和最优到达路线。此功能的使用 能为水利工作提供智能的数据参考服务。 (5) 打印输出。为用户提供地图的打印输出和报表打印输出功能。 4. 2. 2 三维信息系统 三维地理信息系统主要是基于 CP S 结构实现 ,通过 Arc2G loble组件实现数据的三维显示功能。此项功能的开发设计是根据水利 部门对三维效果显示的要求而设置的。三维数据涉及到 DEM、 DOM、 水利专题数据等。系统在 DEM 的基础上结合 DOM进行基础地形数据的 三维显示 ,在三维显示效果下加载水利专题数据 ,并设置查询和浏览 功能 ,能为用户提供全景三维的数据浏览平台。其主要功能包括: (1) 地图浏览。在数据的三维显示条件下 ,系统提供中心放大、 中心缩小、 拉框放大、 拉框缩小、 漫游、 旋转、 模拟飞行等 GIS 基本功能。在三维场景下进行自动的飞行浏览 ,能更加直观全面的显 示水利设施状况和地形地貌。 (2) 三维查询定位。查询定位是指在数据的三维显示条件下 ,根 据用户输入的查询条件 ,查找符合条件的结果列表。当用户点击某一 结果时 ,系统自动定位到该对象所在地点。同时 ,由于是三维数据为 基础 ,因此查询功能还包括高程查询和坐标查询 ,用户可随时查询到 任何地点的高程值和空间坐标。 4. 2. 3 洪水淹没分析子系统 洪水淹没分析系统的实现也是基于 CP S 结构 ,在 ArcScene 开发 组件下进行开发的 GIS 分析模块。为了保证系统的运行速度 ,洪水淹 没分析系统运行的方式 ,主要以每个堤防联围为分析单元范围。系统 通过淹没模型计算 ,自动生成当前联围在发生洪水淹没的时刻 ,在指 定防汛水位下的淹没范围 ,并能计算淹没区域内的面积和水容量。洪 水淹没系统通过三维演示效果的展示 ,将各种条件下的区域淹没状况 展现出来 ,并提供一定的数据计算和分析功能。此项功能是水利信息 系统的一个亮点 ,将智能分析功能引入了传统的信息管理系统中 ,使 空间信息技术更加有效的作用于实际工作中。 (1) 淹没显示。使用三维显示窗口来显示三维图像效果 ,显示在输入 条件下区域性的洪水淹没状况 ,从各个视角展现淹没效果。提供中心 放大、 中心缩小、 拉框放大、 拉框缩小、 漫游等基本的 GIS 浏览 功能。 (2) 淹没计算。根据输入的淹没参数 ,基于 DEM 数据 ,系统自动 计算生成淹没区域 ,计算淹没区域内的面积和水容量 ,查询淹没区域 的坐标 ,高层等信息。 (3) 淹没拟合。在一定约束条件下 ,淹没水面高度和淹没面积、 体积之间存在线性函数关系。因此系统通过多项式拟合技术 ,拟合出 淹没方程并绘制出关系曲线。通过曲线拟合结果 ,系统能科学的估算 出任何可能的淹没高度下的指定区域淹没的面积和体积(包括有源淹没 和无源淹没) ,为防洪工作提供有效的数据参考。为保证数据的准确和 可靠性 ,淹没点已知数据来自实测数据和历史数据。 (4) 淹没统计。统计计算出淹没时刻各个重要参数的数值 ,进行 统计分析计算 ,为决策提供参考数据。 4. 2. 4 系统权限 权限的管理是任何一个信息管理系统所必备的。它的设计和安排 关系着系统的安全与用户使用的效果。本系统的权限管理采用 “用户 组 权限角色 权限颗粒” 3 级组合管理方式。如图 3 ,权限颗 粒是最基本的权限单元 ,每个权限颗粒代表 1 个最基本的操作权限。 多个不同类型的权限颗粒的组合组成了不同的权限角色 ,因此每个权 限角色就拥有了不同的权限。最后再由用户管理员将不同的权限角色 分配给各个不同的用户组和用户。由于这种权限管理方式是分级组合 性管理 ,因此具有较高的灵活性、 实用性和安全性。 (1) 权限分配。为用户分配权限角色。 (2) 权限设置。为权限角色设置权限颗粒 ,形成不同的角色的权限范 围。 图 3 权限管理示意 4. 3 开发平台 4. 3. 1 系统开发平台 系统选择在 Window2003 操作系统下 ,使用 Micros oft Visualstudio2005.NET作为开发平台 ,采用地理信息技术领先的 ARC2GIS9. 2软件系列中的 ArcServer、 ArcEngine 开发组件进行系 统的开发实现。 4. 3. 2 数据库管理平台 数据服务器采用目前流行的数据库 Oracle 9i ,数据引擎采用 ArcSDE。ArcSDE 的使用使数据输入输出性能大大提高 ,加上合理的数 据分层设计 ,使数据运行的效果良好。 5 应用实例 根据以上系统设计的理念 ,结合佛山市水利局的需要 ,开发并实 现了 佛山市水利局三防设施地理信息系统 ,将空间信息技术与水 利信