基于GIS技术的小流域综合治理管理系统实证研究

章国渊 胡志国

(长江工程监理咨询有限公司，湖北武汉 430010)

1 概述

为适应三峡后续工作综合管理能力建设的需要，在小流域综合治理中，研发一种兼容、存储、管理、分析、显示与应用地理信息系统(GIS)的空间信息管理系统尤显必要。

开县汉丰湖是开县人口转移的主要区域，本文以位于开县移民新县城旁的开县汉丰湖小流域综合治理作为实例，运用GIS技术对该流域综合治理管理系统进行深入分析与研究，旨在改善区域内移民的生存环境和人居环境，这也是三峡后续工作规划的重要内容。为有效推进小流域综合治理工作，合理指导流域内产业布局、资源开发、生态环境保护、地质灾害防治等多项工作，将小流域综合治理工作由经验型向科学型管理转变、由定性型向定量型管理转变、由传统型向现代型管理转变，致力于建设基于GIS技术的三峡后续工作开县汉丰湖流域综合治理管理系统，打造数字小流域综合治理的空间化管理。

为实现汉丰湖流域的空间化管理，在该管理系统中应包括汉丰湖流域的规划项目内容。系统建设涉及到的地理区域为位于小江乌杨桥水位调节坝以上，包括东河、南河两条河流的汉丰湖流域。东起乌杨桥水位调节坝，西南至开县巫山镇;北到东河源头白泉乡。流域涉及31个乡镇街道办，总面积2 534.70 km2、人口数 97.93万人。

此外，该系统的建设任务主要是利用GIS技术为汉丰湖流域的综合治理提供一套全新的技术平台，为在开县三峡库区后续工作实施规划、项目管理阶段辅助管理和决策，实现开县汉丰湖数字流域。

2 系统总体设计

2.1 系统关键技术

系统建设是基于WebGIS技术、Web Services技术来构建B/S(Brower/Server)模式的系统平台，并通过这些技术来访问空间数据库和规划信息数据库，以Internet网络为支撑，为管理机构和工作人员提供管理、查询和分析服务。

(1)WebGIS技术能较好地支撑空间数据模型、结构、传输协议、分布式策略、网络环境下的空间信息组织管理等方面，并遵循GIS理论和GIS标准的研究结果。WebGIS系统还为信息的共享操作和开放性的管理提供了较好的技术支撑［1］。

(2)Web Service技术是基于XML发展起来的分布式应用和集成技术，能实现系统的各部分之间的通讯和整合，将相对分散的子系统组成一个统一的整体，从而实现子系统的功能控制、信息交互与共享;还可实现系统基本数据查询、修改、删除等操作，降低系统的耦合性，使系统具有良好的扩展性。

2.2 系统逻辑结构

该系统的总体结构从下到上主要分为技术层、数据层、应用层和用户层。同时，系统采用B/S结构，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，从而简化系统的开发、维护和使用步骤［2］。

2.3 功能设计［2］

(1)空间数据库管理。该数据库可进行地理空间数据处理和分析，具有较强的专业性和工程性，是GIS的核心部件。除了要提供普通数据库的数据存储、管理、查询、分析功能外，还要专门提供针对海量空间数据的存储、管理功能，以及原生支持点、线、面等空间对象。同时，还应提供空间数据的叠加、转换等处理功能，允许多用户同时访问。

(2)空间分析。主要有空间叠加分析、BUFFER分析、属性分析与统计、属性查询等。

(3)DTM分析。主要有数据建模、高程库管理、地表模型分析、模型应用、地表三维绘制等。

(4)网络分析。主要有最短路径求解、游历方案求解、上下游追踪及最佳路径等。

3 数据库设计

数据库主要存放汉丰湖流域的全部地理数据和属性数据，由以下3类数据库组成。

3.1 基础地理空间数据库

基础地理空间数据库主要包括汉丰湖流域的图廓线、经纬网/公里网、河流水系、水域、交通、境界、地形地貌、小班界限、各种标记、控制点等矢量图形，汉丰湖流域1∶2 000遥感影像图及包含等高线、高程点、地形特征点线、水涯线等矢量数据的地形图。

3.2 专题数据库

(1)移民安稳致富和促进库区经济社会发展规划数据库。依据实施规划要求，对其规划数据进行入库管理。具体包括产业结构战略调整及发展扶持规划数据、移民教育培训与促进劳动力就业结构调整规划数据、移民安置社会保障规划数据、基础设施建设与完善规划数据、社区建设与公共服务设施完善规划数据、自然与历史文化遗产保护和完善规划数据等。

(2)库区生态环境建设与保护规划数据库。包括污染防治与水质保护规划数据、岸线保护与利用控制规划数据、消落区生态环境保护规划数据、生态屏障区建设规划数据、重要支流水土保持规划数据等［3］。

(3)库区地质灾害防治规划数据库。包括滑坡、崩塌、危岩体工程治理与避险搬迁规划数据，移民安置区高切坡防护规划数据，塌岸防护规划数据，试验性蓄水库区影响处理规划数据，监测预警与应急抢险规划数据等［3］。

3.3 应用模型数据库

以基础地理空间数据库为基础，制成数字高程模型和栅格数据，最终形成三维模型，实现汉丰湖全流域的建模和部分重点项目和区域的三维精细建模。

(1)空间数据。以汉丰湖流域1∶2 000数字地形图测量成果为基础，抽取其中的注记要素，生成地名数据，包括县、乡、村、组注记，水系注记，道路注记，地貌注记等;抽取水系要素制作水系图，作为基础要素图层入库［1］。

(2)数字高程模型(DEM)。该流域生态屏障区DEM以三峡后续工作规划开县汉丰湖流域1∶2 000数字地形图测量成果为基础，用Arcgis转换制作DEM。DEM数据入库前，必须对DEM数据的空间参考系、数据格式、完整性、精度、分辨率、分割与接边、数据质量等进行检查，确保DEM数据的正确性，并确保数据无漏洞，且能覆盖全部区域［1］。

(3)数字正射影像(DOM)。该流域生态屏障区DOM范围覆盖生态屏障区和水域(含消落区)，以三峡后续工作规划开县汉丰湖流域1∶2 000数字地形图测量的成果为基础。在Arcgis中利用合格的DEM数据对航摄影像进行几何微分纠正，生成数字正射影像图，并进行图片检查等［1］。

(4)三维场景合成。基于DEM和DOM构建的三维地形模型场景，供展示规划成果数据可提供可视化支撑。

(5)三维建筑物建模。对该流域主要桥梁、标志性建筑物和环汉丰湖景观带进行精细建模。主要以设计图纸为基础进行建模，纹理采用航空影像结合建筑物实景拍摄像片，并利用3dmax建模和渲染，并贴纹理。

4 管理系统设计

汉丰湖流域综合治理涉及到不同的项目类别和管理主体，对管理系统的需求是不同的。在设计中考虑了上述特点，分别针对移民安稳致富和促进库区经济社会发展规划、库区生态环境建设与保护规划、库区地质灾害防治规划等内容建设管理模块，为管理人员提供了汉丰湖全流域的场景、部分重点项目和区域的三维精细场景以及各项目情况的交互式、立体式的展示和分析功能;也为规划人员提供了二维和三维的对比分析、空间分析、统计查询等功能辅助实施规划的编制工作。

开发系统管理模块，为数据库管理提供便捷方式，为系统操作人员制定使用规则，并赋予相应管理权限，从而实现数据和用户的统一管理。模块主要包括数据集成与建库、元数据管理、专题图制作、数据提取及输出、数据更新、数据库维护管理。从管理对象角度考虑，可分为以下3个管理模块。

4.1 移民安稳致富和促进库区经济社会发展规划管理模块

(1)生态屏障区农村相关转移人口。重点展示生态屏障区农村区域人口和资源的分布状况，以及符合汉丰湖流域农村相关转移人口分布情况和相关的安置方案、安置意愿等属性数据。

(2)产业结构战略调整与发展扶持规划。展示该流域产业结构的总体布局，以及总体规划和实施规划确定的产业结构发展扶持项目。展示汉丰湖流域生态屏障区生态农业园、生态工业园物流园区、特色旅游景区、商贸服务和农村服务业的规划、选址和规模情况，并对每类项目的属性数据进行交互查询。

(3)教育培训和促进劳动力就业结构调整规划。展示汉丰湖流域对相关转移人口开展职业教育和二、三产业技能培训、对生态农业发展扶持区域内从事生态农业的劳动力开展农业技能培训的规划对象和分布区域，并根据年龄结构、文化程度进行分类统计。

(4)移民安置社会保障规划。主要反映汉丰湖流域规划信息中的社会保障对象、适用政策、缴费办法、缴费基数、缴费标准、补助标准、投资估算等内容。

(5)基础设施建设与完善规划。展示总体规划及一期实施规划需要进行优化和调整的实施规划项目分布及规模，对项目的基本建设情况、服务对象与功能、投资估算及资金来源进行统计分析。

(6)社区建设与公共服务设施完善规划。重点展示总体规划及一期实施规划的就业帮扶中心、文化活动室、卫生服务站、室外活动场地等社区建设项目的地点分布和规模;养老院、社会福利院、救助站等项目的地点分布及规模等，并对项目的相关信息进行统计分析。

(7)自然与历史文化遗产保护规划。展示自然与历史文化遗产保护总体规划及一期实施规划的项目分布及规模，对项目相关的属性信息能进行汇总和查询，涉及的文件、图片和影像等能进行查看。

4.2 库区生态环境建设与保护规划管理模块

(1)污染防治与水质保护规划。重点展示总体规划及一期实施规划中各项目的地点及范围、规模，并能对相关项目属性进行统计分析。

(2)水库岸线保护与利用控制规划。展示汉丰湖流域保护区、保留区、控制利用区和开发利用区4类区域的长度及范围，并能根据区域类型进行统一。

(3)消落区生态环境保护规划。对消落区保留保护、生态修复、水库清漂、岸线环境综合整治等方面的项目的分布和规模，系统以三维形式展示保留保护规划、生态修复规划等专题的规划信息。

(4)生态屏障区建设规划。重点展示汉丰湖流域关于植被恢复、生态廊道建设、农村居民点环境改善等规划项目的分布及规模。主要规划成果为土地生态功能建设规划，人口转移分布、居民点分布等，对项目相关属性信息和人口信息进行统计分析。

4.3 库区地质灾害防治规划管理模块

地质灾害防治包括滑坡、崩塌、危岩体工程治理、地质灾害避险搬迁、塌岸防护、高切坡防护、地质灾害监测预警及应急抢险等方面的内容。以三维场景重点展示三峡后续工作开县汉丰湖小流域确定的地质灾害避险搬迁项目、高切坡防护项目分布及明细情况。此外，可对项目的属性数据、投资估算及资金来源等信息进行统计和查询。

5 结语

以开县汉丰湖小流域综合治理为基础，且基于GIS技术的三峡后续工作小流域综合治理管理系统已在开县三峡后续工作实施规划工作中投入运行。通过该系统，规划和管理人员可对各项目的分布及与周边环境的关系进行可视化查看，并能在系统中方便、迅捷、直观地查看项目属性数据和在三维平台中进行空间量测和分析，为规划工作提供了高效的管理平台和可靠的技术保障。该系统的成功应用，为在三峡库区的后续工作中推广应用GIS技术提供了较好的参考意义。

［1］胡祥培，刘伟国，王旭茵.地理信息系统原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［2］李纪人，黄诗峰.“3S”技术水利应用指南［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［3］李旭祥，沈振兴，刘萍萍，张凡.地理信息系统在环境科学中的应用［M］.北京:清华大学出版社，2008.