水利枢纽库区管理三维地理信息系统设计与实现——小浪底库区为例

李燕敏，贺凯盈，程 娜，任英桥，田正华

(1. 陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714099； 2. 中国科学院 上海天文台，上海 200000)

0 前 言

小浪底水利枢纽工程是位于黄河干流上一座集防洪减淤、泄洪排沙、供水发电等任务的综合性水利工程。由于该水利工程关系到对黄河的有效治理和黄河下游无数人民群众生命财产安全，因此建立一个能够科学、高效管理库区各项事务的系统显得尤为重要了。本文通过从系统的构架、数据库的建设和系统功能的设计与开发方面对如何建立库区管理系统做了深入的研究和探讨。应用实践表明，该系统在小浪底水利枢纽库区的应用极大了提高了管理水平和大坝的实时安全监测效能，为小浪底水利枢纽工程完成集库区综合治理，水资源统一调度，地质灾害调查，大坝安全监测和风险分析，枢纽区环境规划等方面任务发挥了十分显著的作用。

1 工程概况

黄河小浪底水利枢纽位于黄河中游豫、晋两省交界处，位于河南省洛阳市孟津县小浪底，在洛阳市以北黄河中游最后一段峡谷的出口处，南距洛阳市40 km，上距三门峡坝址130 km，下距郑州花园口128 km。

小浪底水利枢纽是一座大型综合利用的水利枢纽。小浪底水库北依王屋、太行二山，南抵崤山余脉，西起平陆县杜家庄，东至济源市(原济源县)大峪河。南北最宽处约72 km，东西长93.6 km。正常蓄水位时淹没影响面积277.8 km2，施工区占地23.33 km2。工程主要建筑物由主坝、泄洪排沙系统和引水发电系统组成，主坝为壤土斜心墙堆石坝，最大坝高160 m，坝顶长1 667 m；泄洪排沙系统包括进水塔，3条直径为14.5 m的孔板消能泄洪洞，3条断面尺寸为(10.0 m～10.5 m)×(11.5 m～13.0 m)的明流泄洪洞，3条直径为6.5 m的排沙洞，一条溢洪道和一座两级消能消力塘；引水发电系统包括6条直径为7.8 m的引水发电洞，一座长251.5 m、跨度26.2 m、最大开挖高度61.4 m、装机容量为6×300 MW的地下厂房，一座主变室，一座尾水闸门室和3条断面为12.0 m×19.0 m的尾水洞，一座6孔防淤闸，一座228.5 m×153.0 m的220 kV地面式开关站。

本项目的建设是在已有库坝区航空摄影测量影像成果等基础地理信息基础上，补充获取枢纽管理区重点部位的三维空间信息和背景区域的卫星遥感影像和数字高程模型，建设以库区土地管理、库区水体管理、库区滑坡体管理、库区泥沙淤积分析、水库周边地震信息管理和大坝安全监测信息三维展示为核心业务的系统数据库；基于“3S”集成的理论和技术，充分利用三维可视化技术，结合虚拟现实、网络通讯和数据库等现代高新技术，构建三维地理信息基础平台，实现对海量数据的集成和管理。在二、三维交互式数字地图环境中直观地展现全区地形、地貌、水系、道路等基础信息，满足小浪底水利枢纽运行管理及库区管理需求。增设管网信息系统，为枢纽运行管理、维护维修、后续施工等提供指导，并集成大坝安全监测系统，实现信息管理方式由二维向三维提升，为打造国内一流的三维地理信息综合平台、初步实现数字小浪底奠定基础。

2 系统设计思路

基于实用性、先进性原则，稳定性、可靠性原则，标准化、规范化原则，易用性原则，开放性和可扩展性原则，安全性原则，根据系统建设的选用的平台、库区管理的业务内容、大坝安全监测成果的三维可视化展示[1]，需要保证较好的图形交互，和一定的响应速度，以及系统平台安全性、稳定性综合考虑，因此采用成熟的三层C/S结构开发本系统，即数据库层/平台及服务层/应用层的三层结构。

平台软件是系统的基础[2-3]。本方案设计二维GIS平台采用了国内外公认的最先进的ESRI ArcGIS。ArcGIS的先进性、开放性和标准性，保证了基于其所构建的应用系统的技术先进、标准开放和可持续发展。其优势在于海量数据的管理，多用户支持；提供开放的数据访问；支持复杂空间数据提取和分析，支持面向对象的数据模型(GeodataBase)。支持缓冲区分析、叠加分析、路径事件分析等；对多种数据类型的互操作支持。

库区管理的三维可视化平台选用的Skyline平台是一套完整的三维空间数据交互式可视化解决方案平台，凭借其国际领先的大场景三维数据组织算法和三维显示技术，成为了在国内引进的三维可视化GIS平台领域表现最突出的代表[4]。

大坝安全监测的三维可视化平台，采用拥有自主知识产权的VR-DAM进行开发，该平台拥有高速3D引擎，能对海量空间数据进行管理，进行精密的三维空间查询、分析和运算，已成为水利行业目前最为优秀的三维GIS软件平台之一。

其中数据库层负责完成系统数据库的组织和集成建库；平台及服务层的基础是GIS平台、三维可视化平台[5]，平台服务层需要提供基本的数据服务和共用服务(组件)，如地图数据服务、三维浏览与表现服务和基本空间分析服务；应用层包括库区管理应用和大坝安全监测系统集成以及用户交互及操作界面，系统基于这些平台及服务组件完成其专业展示和分析计算，提供信息化处理应用的操作界面，并实现各专业模块的功能需求[6]，如图1所示。

图1 系统软件体系结构

3 系统功能的开发与实现

3.1 系统软件平台

系统运行必需的平台软件，包括操作系统，数据库、GIS平台、三维可视化平台[7]。

1)操作系统。服务器端推荐选用Windows 2008 Server作为操作系统。客户端使用Windows7以上主流操作系统；

2)数据库管理系统平台。数据库平台选型需要综合考虑海量空间数据存储管理要求[8]，以及对安全性、稳定性、兼容性等要求，拟选用SQL Server 2008数据库；

3)GIS平台。综合考虑对空间信息技术应用需求，拟选用ESRI公司的 ArcGIS系列软件作为GIS平台；

本法所称集体商标，是指以团体、协会或者其他组织名义注册，供该组织成员在商事活动中使用，以表明使用者在该组织中的成员资格的标志。

4)三维可视化平台。考虑到平台既要满足库区管理中规划成果的可视化、数据展示和数据分析方面的需求，同时充分考虑所选平台适应性、可扩展性，二次开发和集成能力，数据接口开放等要求，主要三维可视化平台选用Skyline。

3.2 库区管理应用和大坝安全监测系统集成

3.2.1 库区管理应用模块功能设计与实现

1)库区管理应用模块功能设计

库区管理应用包含的模块主要有：库区土地管理、库区水体管理、库周地震信息管理、库区水情沙情信息管理(含库区泥沙淤积形态展示)、文档资料管理及用户管理等。库区土地管理模块实现的主要功能有岸线功能分区及属性信息录入、指定水位淹没范围显示、以县为单位淹没面积统计、违章建筑信息录入和查询、辅助库区土地利用规划。库区水体管理模块实现的主要功能有养殖区信息的录入、辅助养殖规划、排污口基本信息入库。库区地震信息监测管理模块实现的主要功能有微震台网在三维地图中的展示、强震台网在三维地图中的展示、地震监测信息批量导入、地震目录数据的查询、设置条件对地震进行筛选显示。库区周围泥沙观测信息管理实现的主要功能有泥沙观测断面展示、泥沙观测信息批量导入、指定断面、某次观测时泥沙含量等观测信息曲线图绘制、泥沙断面监测成果图及报表输出。辅助分析决策模块实现的功能主要有库容计算、量算分析、地形剖面绘制、坡度分析、缓冲区分析、图属互查。

2)库区管理应用部分功能展示

系统弹出界面，用户输入淹没水位，并指定某个行政区域(县)，系统在三维场景中以表面填充的形式显示该行政区域内的淹没范围，计算相应该行政区域内的淹没土地面积，最终以统计表格形式输出。

通过进行断面基本设置，选定测次名称和进行断面定位，即可在统计图窗口显示河流的断面图。

3.2.2 大坝安全监测系统集成模块设计与实现

1)大坝安全监测系统集成模块功能设计

大坝安全监测系统集成基于三维GIS、数据库等高新技术，结合水利工程及大坝安全监测专业知识设计完成。它将库区实景，枢纽结构及安全监测信息相结合，创新性地实现了大坝安全监测信息的实时、动态和直观展示。该系统集成包含的模块为二维信息的输出、三维成果展示和文档管理。二维信息输出模块实现的主要功能包括信息查询、图表输出、检验分析；三维成果展示模块主要功能展示重要水工建筑物(如大坝、主厂房、廊道、泄洪洞等)和重要测点的三维模型，对测点信息进行查询和分析；文档管理模块实现的功能主要是各类文档资料的入库、查询、修改、复制、预览等。

2)大坝安全监测系统集成部分功能展示

条件查询。用户成功登陆并且连接数据库，输入查询条件(工程部位、监测类型、仪器类型、测点编号、开始时间、结束时间等)，显示并以特定格式导出查询结果。

图2～3为空间查询部分的相关效果图。

图2 空间点击查询

图3 查询过程线图

室内外一体化漫游与信息查询。基于建筑物室内结构，对室内漫游建筑物进行空间剖分，建立起室内多细节实体层次关系，同时在室内数据有效管理基础上，采用动态的建筑物室内外交互可视化技术，实现地上地下、室内外三维表达与漫游的有机整合。

在三维环境下，完成各项量算操作，为三维数字展示、辅助分析与管理提供基础。提供的量算功能有：高度量算、距离量算、角度量算、面积量算、坐标查询、地表距离、地表面积，为基于小浪底的三维数字展示、辅助分析和管理提供基础的技术支撑。

监测展示分析。该功能可以更主观地展示大坝断面内部渗压计等水位线的三维分布，以及主坝防渗体系上游、心墙内部、下游三个纵断面渗压计测值水头的三维分布图。

4 结 语

小浪底工程库区及枢纽区管理三维地理信息系统开发项目充分利用三维可视化技术，结合虚拟现实、网络通讯和高性能计算机技术等现代高新技术，在构建三维地理信息基础平台的基础上，开发了小浪底库区管理系统及小浪底大坝安全监测系统。该系统在小浪底水利枢纽工程库区进行了测试应用，其稳定性、可靠性以及可扩展性方面都达到了设计的要求，为小浪底工程的科学管理和分析决策提供了一个良好的技术平台，使得库区的管理以及决策走向自动化和网络化。