二、三维 GIS 集成技术在水利中的应用

李 敏

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

二、三维 GIS 集成技术在水利中的应用

李 敏

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

针对二维 GIS 技术的缺陷，将二维与三维 GIS 技术进行优势结合，可为水利信息化建设提供更好的服务与应用。阐述二维、三维集成技术在水利行业中的应用，从数据组织、功能集成设计、系统界面集成、系统特点4 个方面对二维和三维技术的集成过程进行说明，结合集成技术在水利、河道洪水演进、三维空间分析及防洪抢险等方面给出相应的应用实例，如对抗洪地区进行可视化转换及对所获得的数据进行分析等。

二维 GIS；三维 GIS；集成技术；水利；可视化；河道洪水演进

0 引言

随着信息化的不断发展，国家对水利信息化建设的步伐也不断加快，提出并建设了很多数字化水利工程。在这些工程中 GIS 是一个很好的平台，具有采集、管理、分析、监测、数据可视化、空间分析与表达等功能，已经成为水利信息化的重要支撑和基础之一[1]。

随着 GIS 技术的不断深入应用，GIS 在各个行业得到很好的应用与发展，包括二维 GIS，WebGIS，三维可视化 GIS。传统二维 GIS 技术已经比较成熟，且应用领域在不断地深入与扩大；三维 GIS 成为新的发展方向，具有很好的应用前景[2]。

在 GIS 技术中，二维 GIS 技术应用较多，二维GIS 中的空间分析及数据的管理功能得到很好的应用，目前这些功能已经被广泛应用到水利信息化建设中[3]。WebGIS 结合相关的水利电子政务，能够充分发挥 GIS 的优势，能够在网络上以图表等形式展示水利相关业务信息；在水利防汛抗旱、抢险指挥过程中，通过三维 GIS 提供的功能，用户能够直观看到三维可视化的防汛及抗旱、指挥态势，并且能够进行相关的指挥调度工作。因此，二维 GIS、WebGIS 和三维 GIS 有各自的优势，如果能够结合这些优势，可以为水利信息化建设提供更好的服务与应用[4]。

在现今水利信息化和数字化的背景下，将河道三维演示可视化模拟和抢险调度作为水利工程建设过程中的重要工作之一，可以最大程度地为相关工作提供更确切的数据，对促进水利工程相关工序的实施具有重要意义。另外河道三维化的实现也能够在一定程度上促进防汛过程中水工建筑物的管理，为相关管理的实现奠定基础。

1 二、三维 GIS 集成

1.1 数据组织

在 GIS 的综合应用中，会需要将二维 GIS，WebGIS，三维 GIS，多媒体等多种功能进行集成。要将这些“异构”的功能进行集成，需要对 GIS 中的数据在组织及集成上进行实现。二维与三维中表达的实体数据之间的关系如图1 所示。

从图1 可以分析得出，数字高程模型（DEM）和正射影像（DOM）都属于栅格数据，这些数据经过叠加分析可以形成三维场景模块（3D Scene）；二维GIS 上的图层或专题都是使用矢量格式的数据，二维和三维数据之间可以通过统一的大地坐标系统存在某种联系。此外，相关的专题图层可以利用符号进行表达，图形上的符号（点、线、面等）可以通过该对象的 OID 与目前流行的关系数据库中的数据表格之间进行联系。在相关的场景中，场景中的图形符号可能是一个三维模型对象，模型的管理师通过相关的 ID 信息与数据库之间的属性信息进行联系。这样，对于二维和三维数据来说，它们所具有的专业属性信息是相同的，因此，在这种关联下，二维与三维的数据就联系起来了，集成的实体对象如图2所示。

图1 空间实体数据之间的关系

图2 集成的实体对象

1.2 功能集成设计

1.2.1 总体设计

为了更好地让二维、三维 GIS 集成技术在水利工程建设中发挥作用，相关部门应该加强水利工程二维、三维地理信息管理系统（以下简称管理系统）的设计与建立。管理系统的总体设计采用 B/S设计模式，下一层都为上一层提供基础的服务，从下到上主要分为数据服务层、数据库接口层、水利业务应用服务层和客户端，如图3 所示。

在管理系统的建立过程中，数据库主要用来存储水利三维应用所需要的数字高程、正射影像等数据。二维矢量数据主要采用面向对象空间数据模型技术进行存储；对于水利中的其它业务数据，采用传统的关系数据模型存放到数据库中，包括水工情、物资、抢险队伍和水位等数据。

不同的数据存储形式是多样的，且采用不同的数据结构，因此数据接口层主要是统一这些接口，为上层提供统一的数据服务。

水利应用及服务的客户端均采用 IE 界面，通过不同的多媒体、二维 GIS、三维 GIS 等进行展示，将采用相关技术，将控件集成起来，形成一个集成二维矢量图形数据、三维场景数据、网页数据、多媒体信息的界面，更好地为用户服务。

1.2.2 专题数据的三维展示

对于三维模型的展示，能够利用符号对象的 ID与数据库中的水利专题属性信息关联起来，从而查询水利工程中三维模型相关的属性数据。对于不能进行展示的模型或者专题来说，可以利用查询技术进行展示。

1.2.3 二维、三维无缝查询

三维流域不仅能查询到三维模型中的相关属性信息，还能查询到二维 GIS 数据中的属性信息。

1.3 界面集成

在界面集成中主要利用相关技术将二维和三维叠加起来进行分析。通过不同的应用，决定哪个控件可视。对用户来说，可不用分步运行二维 GIS 和三维可视化 GIS 了。

1.4 管理系统的主要特点

总体来说，将二维和三维 GIS 技术进行结合，然后将集成技术应用到水利中，是 GIS 技术在水利信息化建设中的一个非常重要的方面。管理系统主要有以下特点：

1）能够实现二维、三维 GIS 的无缝集成；

2）能充分利用场景漫游技术进行数据的展示；3）提供面向对象的数据管理方式。

2 二、三维 GIS 集成应用示例

2.1 水工建筑物管理中的应用

水利建筑物的管理是 GIS 集成技术在应用中的一个重要方面，能够很好地展示二维和三维 GIS 的表现能力。在对水工建筑物管理的过程中，可以利用三维 GIS 可视化的特点促进相关水工建模过程的实施，同时，二维、三维 GIS 还能对管理过程中的数据进行收集和分析，从而最大程度地促进水工建筑物管理的顺利进行。

图3 系统总体设计

2.2 防洪抢险指挥中的应用

二维、三维技术可以应用到抢险指挥应用中，根据提供的数据，反映水情、工情及险情等方面的数据都能够通过二维和三维 GIS 技术获得，可以集成三维“电子沙盘”技术。“电子沙盘”能够非常直观地在三维可视化的 GIS 环境中实现洪水及防洪抢险的调度，能够为抢险工作的顺利进行奠定基础。防洪抢险示例如图4 所示，通过图4 可以看出相关区域的地理特征及被可视化了的险情状况，这对相关人员对于险情的掌握有着积极意义。

2.3 河道洪水演进应用

二、三维集成技术可以应用到河道洪水演进的过程中，能够与水利模型的计算和分析功能集成起来，河道演示过程如图5 所示。通过集合二维和三维的技术，能够很好地对相关河道中的形态及状况进行展示与分析。在二维 GIS 的环境中，对于一维的河道计算结果，一般采用渐进色或等值线的方式展示；在三维可视化的应用环境中，对于河道的水体不仅能够用三维曲面展示，还可以动态模拟某段时间的河道水体变化情况，能够很直观地再现模拟计算的结果，非常直观地模拟一维河道洪水的变化过程。

图4 防洪抢险示例图

图5 河道演进示例图

3 结语

二维和三维 GIS 技术有各自的优点，三维可视化展示比较直观，但是仅仅使用二维或三维 GIS 技术是不能解决所有问题的。只利用二维 GIS 仅能解决相关区域的平面问题，并不能使得相关位置得到可视化的显现；只应用三维 GIS 虽然能够实现立体展现，但由于缺乏二维 GIS 的数据基础，并不能发挥出本该有的作用。通过二维、三维 GIS 集成技术在水利行业中的应用展示，说明将二维和三维技术进行结合是未来发展的趋势，而如何将这 2 种技术更好地进行结合与融合是下一步研究的方向。

[1] 胡志贵.真实三维环境重建及其在可视化规划设计与信息管理中的应用[J].铁道勘察，2004 (1): 32-36.

[2] 黄健熙，郭利华，龙毅，等.二维地图与三维虚拟场景的互响应设计与实现[J].测绘信息与工程，2003 (1): 33-35.

[3] 黄康，虞开森，俞志强，等.面向服务的防汛 GIS 支撑平台设计与实现[J].浙江大学学报（理学版），2011 (4): 456-460.

[4] 董文，张新，池天河.基于 3D-GIS 的海平面上升预测模拟及影响分析系统[J].自然灾害学报，2010 (2): 85-90.

Application of 2D and 3D GIS Integration Technology in Water Conservancy

LI Min

(Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute,Urumchi 830000,China)

Aiming at defects of 2D GIS technology,it can provide better services for water conservancy informatization construction and application by combining the advantage of 2D and 3D GIS technology.The article expounds the application of 2D and 3D integrated technology in water conservancy industry.It introduces the integration process of 2D and 3D technology from four aspects of the data organization,function integration design,system integration and the characteristics of system.Combining with corresponding application examples of integration technology in water resources,river flood routing,3D analysis and the application examples such as for disaster relief during flood control are given to convert the visualization and analyze data for the flood control areas.

2D GIS;3D GIS;integration technology;water conservancy;visualization;river channel flood routing

P208.2；TV21

A

1674-9405(2015)01-0024-05

2014-11-14

李 敏（1982－），女，河北张家口人，工程师，主要从事水利信息化建设与管理工作。