水利数字地球基础平台构建及其应用

李建勋，姜仁贵，李维乾，杨明祥

（西安理工大学，陕西 西安 710048）

0 引言

随着信息化工作的逐步开展，水利行业在空间及实测数据上均获得大量积累。统计如下：1）全国已建成约 34000 多个基本测站（水文、工情、旱情），80 % 以上的历史水文整编资料已经入库并能够提供初步的查询服务；2）中高分辨率卫星影像（如 MODIS）覆盖全国数据量已达几十个 TB；建设完成了 1∶250000 水利基础空间数据库、实时水雨情数据库并投产使用；3）历史大洪水、热带气旋、防洪工程、社会经济、历史洪灾、旱情等数据库及图形库建设初具规模；4）由 8 个专题信息库、8 个专题信息产品和 16 个综合信息子库构建的国家水利资源数据分中心正在建设。在这些数据中，GIS/WebGIS 信息为水利应用提供了基本的地理空间信息，而空间数据则为水利业务系统的开展提供了高清晰度的航空地貌影像，使得水利专题属性数据与空间直观位置更加紧密联系。但就当前的研究现状来看，水利信息化在地理空间数据与水利数据之间的融合上还存在不足，缺乏 1 个有效表征水利信息数据的虚拟现实平台，以更加形象地展现水利业务数据及决策成果，并满足便捷的交互式操作的需要。

为此，以 3S 集成技术[1]为基础，面向水利应用服务给出了 1 个水利数字地球基础平台的构建方法，并在其上实现水利业务与地理空间 2 种数据的有效融合，构造了 1 个具有互操作能力的一体化应用服务环境，完成了对水利业务数据的进一步直观展示。限于篇幅，本文重点探讨水利数字地球框架、影像金字塔中瓦片数据的生成及与 GIS 信息融合 3 方面的内容。

1 信息融合的基本思想

1.1 水利数字地球基础平台框架

水利数字地球基础平台在高性能计算环境[2]所提供的计算力支持下，由一系列层次递进的模型框架构成，总体框架如图 1 所示。底层为遥感影像和数字高程数据构造出空间区域内的地形地貌模型，并建立基本的水利实体要素的 3D 仿真和虚拟现实环境；然后通过 WebGIS 与遥感影像的无缝对接，形成 1 个 3S 集成平台, 实现 GIS 与遥感影像的对接，增强 GIS 系统的服务效能；其后融合多种空间信息规范及水利标准，以瓦片金字塔和数据中间件方式对空间信息及水利业务数据 2 种资源进行有效整合，提高数据的访问能力；最后在互操作综合服务环境的支撑下向水利业务应用提供虚拟现实环境接口，进而支持水雨情实时监视、库区仿真、预警预案、应急响应、淹没模拟、地表径流计算等业务应用服务的实施。

图1 水利数字地球基础平台总体架构

水利数字地球基础平台在实现上，首先建立投影变换并行算法，对遥感影像按影像金字塔模型要求进行切片，建设遥感影像瓦片描述及 WMS 服务环境，搭建面向数字地球的 WebGIS 服务环境，建立空间影像瓦片索引及邻域检索机制和层次模型，实现视域内象素点及经纬度之间转换算法，并重点实现多种应用接口：数字地球互操作服务接口（如放大、缩小、平移），空间信息更新维护接口，空间信息动态创建接口（如制作文本、绘制图元），数字地球扩展控制接口（如飞行、定位），整合业务资源的应用服务数据接口，非经纬度投影转换接口，GIS 结合接口，高清晰影像接口。另外，在整个数字地球基础平台框架中，还需要再有效融合数据通信及交换协议，并建立缓存机制，保证信息展示过程的流畅性。

1.2 影像金字塔瓦片服务

影像金字塔[3]是指在同一空间参照下，用户根据需要以不同分辨率进行存储与显示，形成分辨率由粗到细，数据量由小到大的金字塔型结构。影像金字塔层次结构包含多个数据层，底层存储原始的分辨率最高数据，随着金字塔从下到上层数的增加，数据的分辨率依次降低。若对影像金字塔抽象，则可看作是 1 个与滤波和采样相关联的迭代变换过程，该迭代过程能够将原始的影像数据分解为不同分辨率的瓦片影像，从而适合栅格、影像及 DEM 等数据的多分辨率组织，影像金字塔模型如图 2 所示。

图2 影像金字塔模型

在数字地球环境下，瓦片影像是各种空间和影像信息渲染到地球球体模型表面的最小单元，它由固定大小的栅格影像组成，并由 1 个 6 元组 {IDX，D，R，W，H，BBOX} 表示。通过瓦片影像则能够构造 1 种多分辨率层次模型（以 XML 方式描述），它能够在统一的空间参照下，按分辨率级别建立 1 组遥感影像或高程数据，将整幅的影像或 DEM 数据分割成块进行存放，并按照经纬度记录建立子块位置的空间索引，以响应不同分辨率数据的访问和存储需求，从而通过空间代价换取时间代价，提高数字地球系统的访问效率。另外，影像金字塔提供的分层数据管理技术，可以轻松地胜任海量地理数据的组织管理，并容易实现与数据内容、显示区域无关的多分辨率流畅显示。图 3 是采用影像金字塔瓦片服务对石砭峪水库高清影像数据进行瓦片化后形成的地形地貌，XML 描述如图 4 所示，按照经纬度记录建立每个瓦片的空间索引值，实现库区不同分辨率数据的存贮和访问需求，并通过影像金字塔方式提供水库库区地形地貌。

图3 石砭峪库区高清地形地貌

1.3 数字地球与水利 GIS 数据集成应用

图4 石砭峪库区高清影像金字塔瓦片的 XML 描述

数字地球与水利 GIS 数据集成以 WebGIS[4]服务为基础，在将空间数据转化为标准的经纬度投影后采用 OpenGIS Consortium (OGC) 规范接口所提供的 WMS，WFS 等服务实现。WMS 是提供 1 种将矢量数据转化为栅格数据规范化操作方法，分别使用 GetCapabilities，GetMap 及 GetFeatureInfo 3 个互操作协议实现对地理信息资源的访问操作[5]。其中GetCapabilities 返回当前 WebGIS 服务器所能提供的空间数据资源的元数据描述；GetMap 则获取一定区域（BBOX:Bounding Box）范围的空间数据，该空间数据由多个图层叠加构成，也可以配备多种图层样式；GetFeatureInfo 则返回特定实体的属性数据，以便于实现专题图服务。在实现时，首先将水利 GIS 数据以 shp 文件方式存贮到 WebGIS 服务器下，配置地理信息的字符集为 UTF-8 与 GB2312 兼容，指定插值方式为临近或者双线性插值，设置投影方式为 EPSG:4326，数字地球客户端在请求 WMS 时，通过 http://host:port/server/ows?service=WMS&request=GetCapabilities 方式发送 GetCapabilities 操作，从WebGIS 服务器端获得各图层的元信息描述，该元信息采用 XML 方式给出，经过解析即可得到 WebGIS服务器上存储的地理空间信息，然后根据所访问的图层、样式和空间区域发出 GetMap 请求，在给定输出格式、图片大小和背景色等信息的情况下，从WebGIS 服务器上获得 1 副栅格化后的地理空间图片，该图片大小应与影像瓦片的大小相同，以便于直接将其渲染到数字地球的地貌表面上，否则还需要对 GIS 栅格图片进行瓦片化处理。另外，如果用户还需要获取栅格图片上的 GIS 实体信息，只需要附带查询点的经纬度方式发送 GetFeatureInfo，即可获得以 XML 方式或纯文本方式返回的多小节的属性描述信息。通过以上信息融合，可以方便地将水利 GIS 中的水库、湖泊、测站、行政区划、流域、水系、注记、公路、铁路、河道堤防等多种图层以透明叠加方式在数字地球上进行展示。

2 应用实例

采用图 1 所示的总体架构，在影像金字塔和 GIS信息集成可便捷地构建信息融合的一体化应用环境，实现数字地球与 GIS，RS 及多元信息有机融合，根据数字地球模型提供的应用接口，面向水利构建具有一定虚拟现实和模拟仿真能力的应用服务，实现对水利基础信息的高效管理，水利 GIS 信息与数字地球的融合，高清影像数据与数字地球的融合，水利基础信息在数字地球上的二维及三维表现，实时定位功能，飞翔视察功能，预警信息动态显示，雨量等值线及等值面、库区淹没分析，移民安置分析等应用。

为了验证本文方法的有效性，在 WorldWind 系统的基础上，构建了 1 个与水利业务应用结合紧密的水利数字地球基础平台。在该平台中，采用 J2EE 编程构建了 1 个大型调水移民工程的信息管理系统，系统总体分为移民工程信息的管理、基础 GIS 和移民信息与数字地球的整合与展示，实现了移民工程信息的统计、可视化查询与展示功能、被淹没居民信息的展示、居民房屋三维示意造型，并在此基础上提供基础的决策支持服务，如库区淹没与移民点和移民安置等分析。该系统现已应用到陕西省引汉济渭移民管理中，并逐步向其他同类型的业务应用推广，具体界面如图 5 所示。

图5 陕西省引汉济渭移民信息管理系统

3 结语

如何解决地理空间信息与水利业务信息融合，提供进一步的可视化效果和良好的交互式访问模型，一直以来是水利应用服务研究的重点问题。本文依靠 3S 集成技术，给出了水利数字地球的构建思路，及 GIS 信息集成、影像金字塔瓦片服务的构建方法，并构建了 1 个调水移民工程的信息管理系统加以验证，为水利信息化中 3S 集成、数字地球技术的应用及虚拟现实平台建设提供了一定的可借鉴经验。下一步的工作主要是：1）与高性能计算技术深度结合，提高影像数据的访问效率，增强展示效果；2）扩展业务应用，开展水利数字地球平台之上的水污染事件动态仿真。

[1]王仁礼，陈波. 3S 技术在数字水利中的应用[J]. 测绘科学，2008, 33 (3): 220-221.

[2]张季平，曾国荪，吴豪. 高性能网格并行计算[J]. 计算机工程，2004 (1): 1-4.

[3]Chan Yung-Kuan,Chang Chin-Chen.Block image retrieval based on a compressed linear quadtree. In: Image and Vision Computing, v 22, n 5, May 1, 2004: 391-397.

[4]徐寿成，王行风. XML 与 WebGIS 的空间数据管理技术[J]. 计算机应用研究，2001 (12): 140.

[5]李建勋，解建仓，张永进，等. 基于 OGC 的中客户端 WebGIS解决方案[J]. 计算机工程与应用，2006 (23): 0211-0214.