（农业工程专业论文）对GIS技术在河套灌区水资源管理中应用的研究.pdf

中文摘要 g i s 技术作为地理空间数据获取、存储、分析、处理的核心支撑技术，已经成为 大型灌区水资源管理信息化建设必不可少的技术手段。本文论述了g i s 技术应用于河 套灌区水资源管理信息化建设的关键技术及应用领域，并分析了目前在灌区水资源管 理信息化建设中应用g i s 技术所存在的问题。相信随着科学技术的不断发展。3 s 技 术在水利中的应用将会越来越广泛与深入，所取得的效益也将越来越大。 关键词：g i s ，r s ，g p s ，灌区水资源管理信息化。 l i a b s t r a c t f o rg sa sg o e s p a t i a ld a t aa c q u i s i t i o n , s t o r a g e , a n a l y s i s ，t e c h n i c a ls u p p o r to ft h ec o r e ，i t h a sb e c o m et h ei n d i s p e n s a b l em e a l - 塔o fi n f o r m a t i o nt e c t m o l o g yi nl a r g ei r r i g a t e da r e a so f w a t e rn 络o u r c 髓m a n a g e m e n t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o no f g i si nh e t a oi r r i g a t i o n d i s t r i c tw a t e rm a n a g e m e n ta r ek e yt e c h n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o na r e a s o nt h eo t h e r h a n d , a n a l y s i so ft h ec u r r e n tm a n a g e m e n to fw a t e rr e s m l r c e $ i ni r r i g a t e da r e ao fg i s a p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya l et h ep r o b l e m st h a te x i s t w eb l i e v et h a tw i t ht h e c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 3 st e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e dm o r e e x t e n s i v e l yi nt h ew a t e rc o n s e r v a n c y , a n di n c r e a s i n ge f f i c i e n c yw i l lb ea c h i e v e d k e y w o r d s ：g i s ，r s ，g p s ，i r r i g a t i o nd i s t r i c tw a t e rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n i h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蜀德易 时间：夕中年朗却日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：马德灰 时间：，砷年中月印日 导师签名： 时间：m 7 年月日 第一章引言 3 s 技术是g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、i l s ( r e m o t es e n s i n g ) 和g p s ( g l o b a l p o i s o n i n gs y s t e m ) 技术的统称，是目前对地观测系统中空间信息获取、管理、分析和应用中的 核心支撑技术其中，地理信息系统( g i s ) 是指在计算机技术支持下对空间信息输入，查询、 运算、分析、表达的技术系统。遥感( r s ) 是利用卫星、飞行或其它设备上装载的各类传感器获 取地表空间信息的重要技术手段，已经成为g i s 动态更新的数据源。全球定位系统( g p s ) 可为 所获取的空间目标及属性信息提供实时、快速的空间定位。g p s 作为确定空间位置的最新手段 以其速度快、精度高、不受气候和通讯条件的影响，具有全天候、布点灵活、作业方便等优点 3 s 技术的集成已经广泛应用于各种空间资源和环境问题的决策支持。在国土资源统计、水资源管 理、灾害评估、自然环境监测以及城建规划等领域得到迅速应用。( 参考文献 3 、 5 、 7 、 1 2 ) 1 1 国内外g i s 技术的发展现状 1 i 1 国内外g i s 应用的发展 自1 9 8 4 年起，美国地调局与自然资源保护中心合作，首先在工程选址、河流污染和评价地 下水资源等研究方面，利用美国e s r i ( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c hi n s t i t u e ，i n c 美国 环境系统研究所) 开发的g i s 软件系统a i i c i n f o , 在数据采集、数据管理、数据分析和图形显示 方面开展工作。并进行评估这些项目的研究结果表明了g i s 对多源地学信息管理和分析的巨大 优越性，于是美国地调局u s g s 全面推广g i s 技术，到1 9 9 1 年就已安装了5 0 多套大型的g i s 系统。 在国外，也有不少在地质滑坡分析、水文模型、水质模型、洪水监测、排涝，流域管理等方 面成功应用g i s 的例子。美国德克萨斯州瑞斯县，利用当地牧场的位置，地形高程、土壤类型和 水系分布这些地理信息，用g r a s s 软件研究牧场对地表水水质的影响，可能造成的污染区域，以及 适合建立新的安全牧场范围。田纳西州谢比尔县，利用降雨径流计算的结果、地质构造和地下水 的特性、以及影响地下水水质和水量的地表特征，在a l l c i n f o 软件平台上，预测人类地表活动对 地表水和地下水的污染程度，以及该县在不同降雨标准下可能产生的洪水和洪水将淹没的范围。 美国内布拉斯加一林肯大学结合地下水模型d r a s t c 的模拟和计算，用e r d a s 软件模拟不同条件下 地下水受污染的程度。在瑞典的一项研究中，把各项水文指标进行空间叠加和综合分析，得到土壤 湿度的空间分布，来判断地下水的补给区和渗出区。 卡塔尔是个石油输出国，虽然国家小，十多年来发展很快，该国在进行建设的同时，建立起全 国范围的g i s 系统，将各种信息( 工程、管线、电力输送、城市建设) 全部输入系统，并且将全 国各个部门都与g i s 联网，因此该国无论在城市规划、市政管理方面，还是在工程设计、抢险排险 等各个方面，都充分利用已有的g i s 信息，来指导当前工作。 我国自八十年代末引入g i s 概念与相应的软件系统以来，在g i s 的应用和软件开发上作了不 少研究与努力。测绘、制图、城市规划、土地管理、矿产地质资源勘探等各方面都利用g i s 开展 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 了许多工作，并取得了有效的成果。g i s 在流域研究分析、管理方面也逐步得到应用。 国家防汛总指挥部利用g i s 对水情、旱情和气象卫星资料的信息显示，分析和比较等方面开 展研究与探讨，并将结果显示在大屏幕上，供决策者参考。 1 1 2 发展趋势 进入九十年代，6 i s 得以迅速发展。在软件方面，不少有名的软件开发商引进g i s 概念，在应 用软件中加入6 i s 模块，或开发与其原来软件相适应的g i s 系统，并融入其它应用模块，互相渗透 例如e a g l ep o i n t 在a u t o c a d 平台上，引用g i s 概念而开发的一些模块，用于工程勘测、设计和施 工。a u t o d e s k 公司本身也在最近开发了与a n t o c a d 配套的a u t o d e s kt i a p g u i d e 、a u t o d e s km a p 和a u t o d e s kw o r l d 。而g i s 软件开发商也向其它领域扩展，如e r s i 在前几年就推出了a r c c a d ，以 利于g i s 与城市规划、工程设计的结合。这种互相渗透的趋势还会更快地发展下去 由于已经存在的图件是地理信息的一个重要来源，这些图件的数字化是g i s 的一个繁重的 工作内容。九十年代以来，扫描技术有了突破性的的进展：首先是硬件的发展，从a 4 到a 0 的扫描 图幅，从黑白扫描到彩色扫描，加上高分辨率的扫描精度和各种自动扫描校正，扫描仪的性能有了 很大的提高，能处理各种各样的地图和专题图件，而扫描仪的价格却大幅度地下降；与此同时，将 光栅文件自动转换成矢量文件的矢量化软件，有了长足的进步，其矢量化的程度和质量提高了许 多，但还不是真正的自动化。值得一提的是中国地质大学开发的m a p c a d 制图软件，在扫描、处理， 矢量化、图形的编辑和校正、以及精度上，能较好地满足g i s 对矢量图件的要求 八十年代末至九十年代，g p s 有了许多的进展。定位精度提高很多，应用的范围也大大地扩 大了。6 i s 与g p s 结合，无论是移动目标上携带的g i s 系统( 可用来显示所在的位置和指引前进的 方向) ，还是控制中心的g i s 系统( 可专门用来追踪和监视移动目标的动向) ，都有很实际的意义和 发展前途。例如公安系统管理中心的报警和决策，警车和运钞车的监控和执行任务，都可用上这套 系统。 随着传感器、数字技术、微处理器技术和数字信息传播技术的迅速发展，遥测站i h l i 越来越 普及，大量的实时观测数据，源源不断地通过无线电( 甚至高频、微波乃至卫星) 或有线系统传到 管理中心，这些实时信息为g i s 提供了实时分析和实时决策的可能性。特别是一些抗灾、救灾6 i s 系统，更可以在这些实时信息的基础上，辅以有效的预报模块，加上预报测算，提前作出相应的预 防措施，或根据实际情况，有效地组织救灾工作，尽可能减少人民生命财产损失 卫星遥感也有了新的发展：分辨率的提高使得卫星图象能区分更小的地面目标，而雷达探测 卫星则可不受天气和时间的限制，获得高质量的信息。这都给g i s 带来更多的可利用信息。 近年来，信息高速公路在我国迅猛地发展起来，网上有了新的应用，例如w e b6 i s 等。 总之，上述各种新技术的发展，使得g i s 如虎添翼，g i s 将会更普及，应用更广泛。( 参考文献 3 6 卜 4 7 ) 2 中国农业大学硕士学位论文第一章引言 1 2 研究的目的和意义 据统计，地球上8 0 的信息与地理空间位置有关，3 s 技术作为对空间地理数据进行采集、 存贮、处理、分析的技术手段已经成为当今水资源管理必不可少的技术手段灌区水资源管理信 息化建设作为水利信息化建设的重要内容之一，同样离不开3 s 技术的支撑。目前，网络g i s 、组 件式g i s 、三维g i s 等技术的发展，使g i s 为水利行业服务的领域越来越广泛和实用。此外，这 些与空间位置有关的海量水利信息的存在也为g i s 技术的应用提供了广阔的需求。随着3 s 技术 与网络计算机等高新技术以及水利行业本身传统技术的更紧密结合，必将进一步促进水利信息化 的快速发展，从而更大地改善我国水利建设的管理水平和工作效率。( 参考文献 1 、 2 、 4 ) g i s 技术的发展与计算机硬件和操作系统、元数据库的建设、数据仓库、数据挖掘，网络、 遥感、数据库管理，数字摄影与自动成像等技术的发展是紧密相关的每项技术的发展都会给g i s 带来深刻的变化。g i s 技术在水利行业应用的发展，不仅仅取决于g i s 技术的发展，更取决于水 利行业信息化的进程在以信息化带动水利现代化的战略方针指导下，g i s 在水利行业的应用将 越来越广泛。g i s 在水利行业应用主要有以下四个方面的趋势： 1 2 1 网络g i s ( w e b g i s ) ， 目前国内w e b ( ；i $ 的研制基本上与国际同步，但在应用上常受制于网络传输能力，即带宽。， w e b g l 8 在防汛会商等系统中特别有用，但如动态地访问地理空间数据时反应太慢，会大大影响工 作但随着信息基础设施的发展，这不会成为影响w e b g i s 发挥优越性的障碍。 1 2 2 组件式g i s ( c o m g i s ) g i s 软件的技术体系经历了g i s 模块、集成式g i s 和模块式g i s 这三个阶段后，已发展到了 组件式g i s 阶段。c o m g i s 使软件的可配置性，可扩展性和开放性更强，使用更灵活，更便于二次 开发，特别有利于应用系统集成和拓展 1 2 3 三维g i s 和四维g i s 三维尤其是实时的三维g i s 系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。在调水线路 沿线贯穿飞行、城市及蓄滞洪区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、水流 流动的三维表现、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等等方面使用得特别多，前景非 常广阔，而且它也是虚拟或仿真的基础 水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题。因此，加上时问维的4 d g i s 应用需 求很广 3 中国农业大学硕士学位论文第一章引言 i 2 4v r g i s 技术 v r - g i s 技术是虚拟现实技术与g i s 技术的结合。应用v r - g i s 技术进行模拟试验时必须了 解对象的机制，并建立模型( 数理或概念模型) 或采用人工智能及可视化技术，此外还必须进行实 验分析和验证。 在水利行业可模拟的例子也不少，例如工程结构、河流地貌过程、三角洲演化过程、天气过 程、湖泊与沼泽演化过程、调水工程、水资源调控、河道整治、大型水利工程的环境评价、水质 污染过程、区域可持续发展、生态系统的恶化与恢复、洪涝灾害的发生与救灾、防洪规划，河口 与港口整治、垮坝溃堤、土壤侵蚀，水土保持效果、荒漠化过程、大型水利水电工程规划以及 替代传统的水工模拟等等。 综上所述，近1 0 年来g i s 在水利行业中有了更广和更深入的应用，已替代了许多传统的手 段。作为一种先进和有效的工具，g i s 技术已被越来越多的水利工作者所了解，但在水利行业， 遥感和g i s 应用较突出的问题是还要进一步实用化，解决问题要更到位。只有这样，才能使更多 的水利专业人员使用g i s 技术，反过来又推动水利学科的发展 1 3 河套灌区g i s 项目概况 内蒙古河套灌区位于黄河“几字型”西北段，该地区气候干燥，降雨量少、蒸发量大，属 于无灌溉既无农业区因此，如何合理利用水资源，充分发挥每一滴水的作用直接影响到该地区 人民生计与经济发展。整个灌区区域由南边靠近黄河的主干渠与北边靠近阴山的排水渠组成，西 边从磴口开始引黄河水入总干渠，东边由乌梁素海接纳排水渠余水捧入黄河。该灌区为中国第二 大灌区，世界第六大灌区内蒙古河套灌区灌渠按级别从主干渠、干渠、支渠到毛渠分为七级， 行政上按照总局、管理局、管理所、管理段四级管理( 见附录图1 ) 1 3 i 业务需求 河套灌区3 s 系统建设属于河套信息化工程建设的一个子项目，灌区建立该系统的目的是为了 配合其他系统组成立体的水资源及水利设施的监测和管理系统，以合理利用水资源，满足农业灌 溉，同时防汛，尤其是防凌汛提供管理决策参考。 1 3 2 精量灌溉 河套灌区气候干燥，水资源短缺，属于无灌溉即无农业区，如何合理利用水资源，保证农业 灌溉需求是用户非常关注的问题。因此需要利用各类数据分析每个灌溉地段需水量的大小。并结 合各节制闸实时的水位、水量信息，同时考虑水流到达目的地的距离、时间、蒸发量、渗透量等 因素计算分析供水量的多少，合理利用每一滴水资源。 4 中国农业大学硕十学位论文第一章引言 另一方面，当黄河水量比较充裕时，灌渠中的水不仅能保证农业灌溉需求，而且会有余水， 这会造成灌渠两岸土壤的盐碱化，因此同样需要精量灌溉，保证开闸放水量恰好满足灌溉需求而 不会有多余。 1 3 3 防汛 河套灌区一年中大概有两三个月为防汛时期。由于灌区引用了大量的黄河水，导致黄河主河 道水量减少，流速下降，因此许多泥沙无法被黄河水带走而沉积于河道，久而久之，这里成为黄 河上游一处地上悬河，可见，防汛的任务异常重要。另外，河套灌区处于黄河几字型北段，因此， 黄河水从南向北流入灌区。冬季河道结冰，而至夏季时，南面的黄河水已经解冻，而北面的河套 由于纬度高尚处于冻结状态，这自然会造成凌汛。防凌汛也是灌区必须面对的防汛任务。 1 3 4 渠道清淤量算 黄河水携带大量泥沙进入灌区，泥沙沉淀的造成各级渠道的淤塞，因此需要定期清淤以保障 渠道的畅通。这就需要计算清淤土方量，以便于安捧工程进度计划以及手段方式。 1 3 5 其它 计算水坝承受力，在一定的水压下如果超过水坝承受力会造成渗漏。根据历年的卫星影像或 航片，对灌渠与黄河河道变化状况进行监测。根据气象资料生成水利应用专题图。 从以上分析可以看出，用户的应用需求主要集中在水利应用方面，如何利用g i s ，尤其是三 维g i s 的手段方法实现以上应用是完成该系统的核心 1 4 业务需求与g i s 的结合 在内蒙河套灌区信息化建设中，g i s 系统建设在g p s 和r s 数据的基础上，利用g i s 的空问数 据处理和分析功能，来解决多维异构的信息数据，多方面知识、多种分析方法、多种模型和工具 的综合集成应用，为灌区的管理决策提供及时、科学、准确的技术支持g i s 一方面为其它水利 系统或水利模型的计算提供空间数据基础，另一面可以将其它系统或水利模型的计算结果以空间 可视化的方式展现给用户，为灌区水利业务提供辅助管理与决策支持。结合灌区总体业务需求， 利用g i s 的手段与方法实现如下应用，包括水调方案制定，水质污染监测、水土保持与防汛减灾。 根据河套灌区信息化建设项目的目标。提出以下需求： 1 4 1 建立全灌区水利要素的空间地理坐标，如水系、枢纽，水工建筑物，观测站( 井) 、井泵， 作物、土地、水库、湖泊等； 5 中国农业大学硕士学位论文第一章引言 1 4 2 河套地区基础空间数据采集与更新； 1 4 3 监测灌区任意区域的气象，土壤墒情、作物结构、作物面积、作物含水率、长势、旱情、 水质状况、水污染状况，水土流失状况，汛情的实时动态及对土壤盐碱化、沙地、荒地、林地的 普查： 1 4 4 水雨情数据自动实时采集，基础空间数据管理，水资源优化调配，灌溉面积计算、水量计 算，工程量地图量算，水利工程虚拟三维实现可视化及分析； 1 _ 4 5 信息发布、信息多项关联查询 1 4 6 联机空间分析和分布式处理 1 4 7 制作灌区的各类专题图，例如：任意区域的实时灌溉进度图、灌溉效果图、需水量分布图、 实时水位流量图、水费计收情况图，实时种植结构图、土地利用分布图等； 1 4 8 实现基于g i s 系统的业务管理，提供增值服务。 6 中国农业大学硕士学位论文第二章主要戍用技术 2 1 空间数据库 第二章主要应用技术 具备精确地理参考的空间数据库是灌区水资源管理信息化的地理信息基础。在此基础上。将 灌区水资源管理信息化中相关水利水文信息与空间信息集成，一方面便于信息的检索分类，另一 方面利用g i s 空间分析手段发掘水利专题信息的空间分布规律，为灌区水利业务的决策分析提供 辅助手段。灌区空间数据库建设结合了国家建设的已有成果，遵循g i s 规范，形成行业内地理信 息数据库群。地理信息空间数据库包括： 2 1 1 地形数据库 地形数据库是空间型的g i s 数据库。它是将基本比例尺地形图上各类要素包括水系、境界， 交通，居民地、地形、植被等按照一定的规则分层，按照标准分类编码，对各要素的空间位置、 属性信息及相互间空间关系等数据进行采集、编辑、处理建成的数据库。 2 1 2 地名数据库 地名数据库是空间定位型的关系数据库。它是将基本比例尺地形图上各类地名注记包括居民 地、河流、湖泊、山脉、山峰、沙漠、盆地、自然保护区等的名称，连同其汉语拼音及属性特征 如类别、政区代码、归属、网格号、交通代码、高程、图幅号、图名、图版年度、更新日期，x 坐标、y 坐标、经度、纬度等录入计算机建成的数据库。它与地形数据库之间通过技术接口码连 接，可以相互访问。也可以作为单独的关系型数据库运行 2 1 3 栅格地图数据库 数字栅格地图数据库是空间型数据库它是将已经出版的地形图进行扫描，经过几何校正， 色彩校正和编辑处理，建成的栅格数据库。 2 1 4 正射影象数据库 正射影象数据库是空间型数据库。它是将航空影像扫描数据或航天遥感数据，经过辐射校正、 几何校正，并利用数字高程模型进行投影差改正，有时附之以主要居民地、地名、境界等矢量数 据，建成的数据库。影像可以是全色、假彩色或真彩色。其比例尺系列与地形数据库相一致。 2 1 5 数字高程模型( d 删) 数字高程模型是空间型数据库。它是按照一定的格网间隔采集地面高程而建立的规则格网高 7 中国农业大学硕士学位论文第二章主要应用技术 程数据库，简称d 酬。它可以利用已采集的矢量地貌要素( 等高线、高程点) 和部分水系要素作 为原始数据，进行数学内插获得。也可以利用数字摄影测量方法，直接从航空摄影影像采集。其 中，陆地和岛屿上格网的值代表地面高程。 2 1 6 大地数据库 大地数据库是空间定位型关系数据库它是将各种类型、各种等级的平面、高程等大地 测量控制数据，包括各类控制点( 三角点、水准点、天文点g p s 点等) 的点号，点名，坐标、 高程等，经过编辑处理，建成的数据库。 整个空间数据库必须具有以下功能： 数据转换； 数据监理与查错； 数据入库； 数据库管理； 综合应用； 元数据管理与在线项目管理； 与其他应用系统的接口； 基础空间数据建库的标准化体系 下面将主要的功能加以描述： 空间数据库的管理功能 空间数据库管理系统主要是从对数据库的安全、组织、更新、时态等几个方面对空间数据进 行科学的管理，使用户可以合理的合法的使用空间数据，真正做到空间数据的共享。 数据库的安全管理：结合关系数据库的用户管理机制，建立角色和用户，同时定制开发了对 象，功能、和区域权限，保证数据的安全性。 透明应用和存储的联系，自由的实现数据库的扩充，用户可以根据自己应用的发展定制新的 空间数据子库灵活的更新功能：用户可以按照标准的地形图更新数据也可以自定义范围更新数 据。 历史数据的浏览，由于在实体中存在了时间索引字段，使用户可以方便的浏览任意时刻的历 史数据，也可以对历史数据做删除、合并的操作。 空间数据库的综合应用 空间数据的应用功能包括编辑、分析、制图等主要g i s 功能，同时还根据用户实际的应用情 况和业务流程定制专业的应用功能。强大的编辑功能，实现了目前作业中用到的所有编辑功能， 同时针对特殊的需要开发相应的功能 8 中国农业大学硕+ 学位论文第二章主要虑用技术 查询分析，灵活，方便的查询，分析和统计的功能。 专业制图，使用户可以根据国家标准的地形图规范生成标准的地形图，也可以对空间分析查 询的的结果制作专题地图。 空间数据的发布 使更多的用户可以通过( i n t e r n e t 、i n t r a n e t ) 浏览空间数据库中的数据，做到空间数据更 大范围的共享。 许多成熟的空间数据库是在已有的数据库基础上、增加一个空间数据引擎构成的，例如 d b 2 ，s o l s e r v e r ，o r a c l e ，i n f o r m i x 等，其结构如图2 所示。 图2 空间数据库结构 2 2 电子地图的制作 2 2 1 电子地图制作、更新 基本电子地图制作更新遵循以下原则： 所有电子地图数据统一经分层数字化建库，整套数据制作流程包括数据扫描、几何纠正、要 素矢量化、校正、数据编码、属性数据输入、数据编辑，数据接边、数据分幅和数据入库等工作； 数据格式：采用g i s 通用数据交换格式d x f 、e 0 0 或m i f 格式进行数据转换和入库；此外， 与空间数据对应的属性信息通常采用普通的关系数据库存储和管理，属性数据和g i s 数据通过公 共码动态建立联接关系，从而扩展地图要素的属性项内容； 3 ，数据更新：数据是g i s 系统运行的血液，只有保持数据的高度现实性，系统运行结果才 具有高度可靠性。数据更新按时间周期分为长周期短周期。长周期更新一般三年至五年一次，用 于地物变化率超过3 0 时对数据的全面更新，基础地理数据适用于长周期更新。基础地理数据库 采用2 0 0 0 年以后的l o m 、2 5 m 、l m 、0 6 m 卫星影象和航测数据进行部分更新或将数据更新工作 直接委托给数据提供商进行定期更新对数据及三防日常业务用到的测站数据、水利设施数据等 9 中国农业大学硕+ 学位论文第二章主要应用技术 的更新属于短周期更新，周期一般为当天、一周、一月，或数月。一般在各类规划工程、在建工 程方案通过审批或实施完成后，即可将其输入数据库，并修改相应属性，以保证水利工程数据库 的实时性。 2 2 24 d 制作方案 数据源 高空间分辨率卫星数据是指空间分辨率达到5 m 以上的全色或多光谱卫星遥感数据，它的出 现不仅为遥感应用提供了新的数据源，而且可以部分代替航空遥感，为遥感工程化应用开创了美 好的前景。 根据用户需要，我们提出利用s p o t 5 卫星影像进行4 d 产品生产的解决方案。因为它具备了 如下的条件： 全色2 5 m 的分辨率，能够满足1 ：5 0 0 0 图的更新 与l o m 多光谱影像融合，能够生产2 5 m 分辨率的彩色d 叫 具有数据实现性强的特点 数据成本低，生产周期短 表1 河套灌区影像数据情况 河套灌区影像数据 地理范围 卫星平台与数据源 成像时间 空间分辨率 数据覆盖情况 河套灌区 法国s p o t 卫星第5 号星：s p o t 5 多光谱数据 2 0 0 2 0 9 - 0 6 2 5 m 多光谱数据有完整覆盖，2 5 米p a n 数据覆盖不全( 见附图) 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章主要应用技术 技术流程( 如图3 ) 图34 d 制作技术流程 2 2 3 电子地图存储和管理 电子地图在本系统中使用两种存储方式：文件方式和数据库方式。 主要采用数据库方式存放，使用综合数据库存放，数据应用通过a r c s d e 进行管理；文件方 式作为另一种存储方式，数据应用直接使用a r c g i s 及其二次开发的系统。 2 3g i s 平台建设 2 3 1g i s 开发平台选型 本项目根据项目特点，所选软件是a r c g i s ，m a p i n f o 。 2 3 2g i s 空间数据管理系统设计 g i s 空间数据管理系统采用c s 两层体系结构。 系统分为数据层和应用层两层：( 如图4 ) 中国农业大学硕士学位论文第二章主要麻用技术 图4g i s 空间数据管理系统结构 数据层：主要是存放空间数据和属性数据。其中空间数据以文件方式和数据库方式两种方式 存放，属性数据以数据库方式存放。 应用层：g i s 数据管理系统在a r c i n f o 。桌面系统的基础上进行二次开发( 利用a r c o b j e c t s 组件) ，建立g i $ 管理系统，主要功能实现基本g i s 数据管理、专题图管理、图像操作、空间分 析、与其他系统的接口、系统管理等。 系统从功能上面分为基本g i $ 数据管理，专题图管理，与其他系统的接口、系统管理4 个方 面。 中国农业大学硕士学位论文第二章主要麻用技术 基本g i s 数据管理 基本数据管理主要是对基本g i s 数据及相关属性数据进行管理，包括数据查询、修改、编辑， 输出等功能。 g i s 地图基本查询 放大、缩小、漫游、全图、属性信息查询、导航图、图层控制等功能。 g i s 地图数据管理 空间数据管理：点线面实体，图层的添加、删除、修改、样式改变等操作； 属性数据：和空间元素相关联的静态属性数据的添加、删除、修改、条件查询等；字段的添 加、修改、删除。 属性数据和空间数据的关联查询。 相关综合数据库管理 静态数据：地名数据库、土地利用分类数据库、地形数据库、d r g ，d e m 、d o m 。 动态数据：水工实时监测数据、水文实时监测数据、水质实时监测数据。 数据索引树的建立和维护 包括数据索引树的建立、修改，删除等工作，主要是将纷繁复杂的数据通过建立索引树的方 法达到简明有序的管理目的。这部分工作是本系统的主要内容，也是为。专题管理系统”服务的， 其建立的数据索引树在“专题管理”中直接被引用 数据的输出 包括将数据所表现的地图输出到文件、剪贴板，打印机及预览屏幕等工作 一数据采集，检验与编辑，保证数据在内容与空间上的完整性、数据值逻辑一致，无错等，具 有扫描数据的自动化编辑与处理的功能。 专题图管理 专题图管理主要对系统中的专题地图进行管理维护，主要分为静态专题图管理和动态专题图 管理。 专题图管理的主要功能为： 专题图维护 专题图的建立、修改、删除、输出等工作主要是利用地理信息系统工具，将属性数据和空 间数据进行有机的链接，并选择需要的属性指标，采用一定的地图渲染方式，制作专题地图，使 之以可视化的图形方式反映所需要的某一方面的数据信息。 1 3 中国农业大学硕十学位论文第二章主要应用技术? 量曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 皇曼! 蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! ! 曼鼍皇皇! 曼皇曼曼曼! 晕曼曼曼曼! ! 曼! ! ! ! 皇4 专题图操作( 如图5 ) 专题地图的放大、缩小、移动等便利操作，以及图层注记，地图提示的开关，显示界面的布 置和地图的现场渲染等工作。 图5 专题图操作 专题图查询 功能图像查询、关键字查询、坐标查询等分类查询功能。采用先进的技术，以数字地图为主 索引，辅助以树型分类结构索引，实现文字到地图，地图到文字的互动检索，切换 对专题所关联的属性数据表进行过滤筛选，排序、用属性数据生成统计图表及清除过滤条件 等工作。 多媒体信息管理 实现多媒体数据与数字地图和影像地图的结合。并且对专题所关联的多媒体资料进行查询显 示及管理维护等工作。 专题图的输出 包括将专题图输出到文件、剪贴板，打印机及预览屏幕等工作。 系统接口 提供各种基于g i s 系统的数据连接的接口。 系统管理 系统管理模块主要实现系统的配置管理，包括： 1 4 中国农业大学硕士学位论文第二章主要应用技术 一参数配置 主要包括综合数据库目录设置、多媒体目录设置、地理信息文件数据存放路径配置、空间数 据库配置等。 一权限管理 对系统的数据访问权限和系统的功能操作权限进行管理。根据功能和权限的不同对每一个模 块可以进行可见、可维护、可管理等不同的操作控制 系统设置两个默认权限：a d m i n ，代表最高权限；g u e s t ，代表一般用户权限。 联机帮助 建立联机帮助，对系统操作进行说明。格式为标准c h m 格式。 2 4 空间数据库与属性数据库的接口设计 基于d b 2 数据库管理系统建立的空问数据库是一个对象关系数据库系统，同传统的关系型数 据库不同，空间数据库具有以下的特点： 几何特性 对象在空间上的分布 时间的变化 庞大的数据量 d b 2 提供了由元素、几何体和层组成的空间数据模型，如图6 所示。 图6 空间数据库数据模型层次结构 i 屡 i l a 悔体 i l l 积聚体 i l | 死素 l | 坐标数缓 所有的遂路，或者河漉 绒和灌隧 网一父滋巾的一个蠛多令 区 骥个父级几何体巾的一个 或多个特性线、分布节点 或城露 单个公用搴娩点细承文 站，线、多边形懿阿建筑 魄块，嗣如不珂建筑魏块 经纬度坐称 1 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章主要应用技术 实体( 如河流、水库等) 之间的空间关系是以他们关联的几何体的位置为基础的。最普通的 空间关系是以拓扑和距离准则为基础的。属性数据库与空间数据库的结合首先就体现在不同实体 的空间关系操作。大家知道，欧几里得到空间两个实体对象之间的二元拓扑关系是一个9 交叉模 型( 也就是说有2 的9 次方即5 1 2 种关系) ，但实际上，在多边形的二维对象中，两个实体的关 系只有包含、被覆盖、覆盖、分离，相等、被内含、重叠和接触8 种基础关系，而其他关系则能 够被这8 种关系推导出来而访问这些实体间的关系，d b 2s p a t i a le x t e n d e r 提供了相应的函数 为此，采取以下策略： 2 4 1 在数据库级，对属性数据库和空间数据库采用同一个实例管理，确保了两个数据库数据的 统一管理。 2 4 2 在实例级，通过建立实例级用户对两个数据库的数据进行统一管理，确保访问上的透明化。 2 4 3 建立空间索引( d b 2s p a t i a le x t e n d e r 已经将空间索引加入到数据库引擎中) 进一步加强 对象属性数据与空间数据的结合。这些索引包括： 基于线性的四又树索引：采用线型关系索引实体( 属性数据) 和空间数据( 主要指二维空间 数据) 参考树索引：参考书索引主要采用包围实体( 实体代码) 的最小矩形( 空间数据) 来逼近几 何体。 2 4 4 在中间层，建立多维数据库。 2 4 5 在应用方面，通过不同的接口( 空间数据库可以通过s d e ，工程数据库可以通过j d a c ) 先 访问数据库中的数据，然后在应用层次通过数据模型进行结合 2 53 s 集成 3 s 集成是指将g i s 、r s 、6 p s 这三种对地观测新技术有机地集成在一起。虽然g i s ，r s ，g p s 技术各有各的发展和需求，但是地理信息是一种信息流，遥感、地理信息系统、全球定位系统的 任意一个系统都是侧重了信息流的一个方面，而不能满足准确地、全面地描述地理信息流的要求， 现代科学技术的发展必然促使它们紧密结合，成为一个整体。r s 强大的信息采集、获取能力，与 g p s 快速精确全天候提供定位信息等能力以及g i s 强大的存储、分析、处理和输出地理空间数据 的能力，在3 s 技术一体化的今天，将越来越多地应用于大型灌区的信息化建设。 1 6 中国农业大学硕十学位论文第二章主要应用技术 2 6 网络与传输体系 灌区水资源管理信息化建设的最终目标是建立一个以信息采集系统为基础、以高速安全可靠 的计算机网络为手段，以3 s 技术和决策支持系统为核心的现代化灌区管理系统，实现灌区管理 的现代化。网络与传输体系是空间数据查询、交换和更新的基本途径，能提供专业空间信息服务。 1 7 中国农业大学硕士学位论文第三章g i s 技术在河套灌区的实施应用 3 1 数据组成 第三章g ls 技术在河套灌区的实施应用 河套灌区3 s 系统所需数据由基础地理数据、水利专题数据、三维模型数据以及水利业务表 单数据、多媒体数据与水资源监测数据六部分内容组成。其中，基础地理数据包括数字线划数据 ( d l g ) 、土地覆盖数据( l c ) 、地名数据( p n ) 与数字正射影像数据( d 删) ；水利专题数据包括 水系、渠系、枢纽、水工建筑物、观测站( 井) 、井泵、水库、湖泊等空间信息。它们通过从基 础地理数据中提取或实地调绘生成；三维模型数据包括数字高程模型数据( d e m ) 与各类水工建 筑三维模型。 3 2 基础空间数据整合 3 2 1 数据类型、范围与比例尺 数据类型、范围与比例尺如下表所示( 表二) 表二基础空间数据类型、范围与比例尺 3 2 2 数据来源分析 1 ：1 万d l g 数据从内蒙古测绘事业局购买。其余1 ：5 万，1 ：2 5 万d l g 、d o l 4 与p n ，l c 数 据从国家基础地理信息中心获取。1 ：1 万d e i t 数据与航空正射影像数据尚没有生产制作，需要利 1 8 中国农业大学硕士学位论文第三章g i s 技术在河套灌区的实施应用 用1 ：1 万d l g 等高线数据和航空正射相片生成。大比例尺乡镇建成区d l g 数据从内蒙古测绘事 业局购买。内蒙古测绘局航测院正在进行河套灌区基础测绘工作，其中l 临河建成区比例尺为1 ： 5 0 0 0 。其他乡镇如噔口等，均从美国遥感卫星q u i c k b u i r d 获取 3 3 水利专题数据生产 3 3 1 数据内容与类型 表三水利专题数据数据内容 3 3 2 数据生产 水利专题数据的空间信息我们通过两种方法获取，一种是从1 ：i 万d l g 数据和航空正射影 像数据中提取，另一种是使用g p s 等野外数据采集手段进行实地调绘获取。其中，水系、渠系、 水库与湖泊数据从l ：1 万d i g 数据中提取，水利枢纽、水工建筑，观测站( 井) 、井泵数据能从 航空正射影像判读就从航空正射影像中矢量化提取，无法判读的通过实地调绘获取( 如图7 ) 。 图7 水利专题数据生产流程 1 9 3 4 三维模型数据生成 数据内容、比例尺与范围 表四三维模型数据内容、比例尺与范围 3 5 水资源自动监测数据 通过本次项目中水资源采集系统和通讯系统获得水文数据。 3 6 数据库建设实施 3 6 1 数据库比例尺、地图投影和坐标系统，详见内蒙古河套灌区3 s 系统总体设 计 3 6 2 数据库数据的组织 传统的数据库模型主要有三种：网状、层状和关系型模型。近年来随着面向对象技术的发展， 面向对象的数据模型也应运而生。内蒙古河套灌区3 s 系统总体设计中我们已经确定数据库模 型采用对象关系模型，因此数据库数据组织以对象关系模型为基础进行分析与规划。以下从数据 分层、数据在各层的拓扑类型与各数据属性信息的内容三个方面阐述本系统数据库数据组织的实 施方法。 中国农业大学硕士学位论文第三章g i s 技术在河套灌区的实施戍用 数据层划分及各层拓扑类型 表五空间数据层及其拓扑类型 水利专题 自然水系线 人工渠系 水库、湖泊面 水利枢纽 水工建筑点 观测站 井泵 2 1 中国农业大学硕士学位论文 第三章g i $ 技术在河套灌区的实施应用 空间数据库组织结构与数据内容 空间数据库逻辑上由五个字库构成( 如图8 ) 图8 空间数据库的组织与内容 中国农业大学硕十学位论文第三章g j s 技术在河套灌区的实施麻用 空间数据属性信息及其数据类型确定 根据水利业务管理需求及基础空间数据已具备的属性信息确定各层数据的属性项及其数据 类型，并且定义主关键项和外部关键项( 如表六) 。 界线是一层，包括国界、省界、区界、县界，现状要素 行政区划一层，可以按照最小行政区划单元组织 表六空间数据属性项及其数据类型 属性关系的设计 “黄河内蒙古河套灌区信息化建设一期工程”包括数据库系统的建立，因此3 s 系统数据库 建设实施需要建立空间数据与数据库系统中其它属性信息的关联关系，在此基础上充分发挥g i s 空间分析与三维可视化功能在河套灌区水利业务管理中的作用 中国农业大学硕士学位论文第三章g i s 技术在河套灌区的实施戍用 3 7g l s 应用平台实施 3 7 1 总体框架( 见图9 ) 水翻业 务盘甩 客户端 g i s 直甬 服务甚 数据库 访翰接 口层 数据幸 鼹务屠 数据生 产层 图9 g i s 应用平台总体框架 水调方案制定水土保持水质污染防汛减灾 t 二维g i s 组件三维可视化组件 空间数据引擎 a d o o l e d b 三维模型数据 | | 水利专题数据 卜1 水利业务表单数据l il l 多媒体数据 i e 一库刁l 水资源监测数据l 基础地理数据、水利专题数据与三维模型数据生产 中国农业大学硕士学位论文第三章g i s 技术在河奁灌区的实施戍用 由上图( 图9 ) 可以看出，灌区g i s 应用平台分为五层，分别是数据生产层、数据库服务层， 数据库访问接口层、g i s 应用服务层和水利业务应用客户端。 数据生产层 数据生产层负责提供灌区的空间数据生产服务，包括灌区基础数据生产，水利专题数据生产 和三维模型数据生产 数据库服务层 数据库服务层为整个项目的空间数据提供了永久化存储和管理的支持。这里存储的空间数据 包括二维基础地理数据和三维模型数据。 数据库访问接口层 数据库访问接口层提供了获取地理信息和三维可视化所需数据的服务接口，在数据库服务器 和水利业务应用客户端之间起到了中间件的作用。 g i s 应用服务层 g i s 应用服务层为系统提供二维g i s 的基本功能和三维可视化的基本功能，两者均以c o m 组 件的方式存在，通过二次开发，向用户提供基本g i s 功能。 水利业务应用客户端 水利业务应用客户端实现各种专业的二维地理信息和三维可视化功能，包括水调方案制定、 水土保持、水质污染和防汛减灾 3 7 2 软件选型与技术方法 从经费，功能、开发便捷性等几方面综合考虑，g i s 基础软件平台选用武汉吉奥的g e o s t a r 系列 产品。 二维部分： 几何对象组件g e o m e t r y 地图表现组件g e o r e n d e r 地图整饰组件g e o l a y o u t 编辑组件g e o e d i t o r 数据转换组件g e o