喀什河水利信息管理平台设计与研究

(新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆 阿克苏 843000)

中国作为水资源相对匮乏的国家，近年来随着国家经济的飞速发展，城市化进程与各产业的推进使得供水需求不断提升，与此同时，污水排放情况却十分严重，资源性缺水和水质性缺水导致社会经济发展与百姓生活经常受到影响。《水利改革发展“十三五”规划》的总投资将达到2.43万亿元，可见中国对于水利改革与水利管理的决心，其中水利信息平台的搭建是“十三五”期间最为重要的工作之一。水利信息涉及到对水资源的监控、旱情预警和水环境监测等，以往的水利信息管理大多依赖于人工处理，不仅处理效率低、实时性差，而且准确性不足，如何通过现代信息技术实现水利信息的综合管理是一个重要的研究课题。

1 GIS在水利信息管理平台中的应用

1.1 GIS介绍

GIS(Geographic Information System,地理信息系统)是以地理空间数据库为基础对空间相关数据进行采集、存储、查询、分析、模拟和显示的系统。将GIS应用到水利信息管理中有先天的优势，能够对水利信息所包含的海量数据进行高效管理，并能根据实时的地理要素变化作出准确反馈，使用户可以通过图形式交互界面对水利信息进行便捷管理，从而提高水利管理的效率，减少开支。

1.2 相关技术及特点

1.2.1 通信方式

GIS在水利信息管理平台中的应用可以采用4种不同的通信方式，分别为基于文件的共享、基于数据库API的直接获取、集中式数据管理以及基于网络实现共享的Web Service方法。其中，基于网络实现共享的Web Service方法是最为先进的通信方式，采用HTTP协议，其核心是描述一组操作，能够在网络上以XML消息的形式进行访问。Web Service通过对平台数据库进行封装，进而使不同平台即便采用不同编程语言也能正常通信，属于松散耦合型的共享模式。

1.2.2 信息共享方式

为了搭建水利信息管理平台，需要通过某种规范调用GIS的功能，而且大多数情况下属于跨平台、跨网络的调用，因此信息共享模式至关重要。目前GIS技术体系中主流的信息共享方式为Service GIS，这是一种有很强聚合能力的服务信息发布模式，只需将Service GIS应用在不同SOA架构体系中，即可使业务开发变得简洁、灵活。

1.2.3 关系数据库平台

为处理海量的水利数据，Oracle平台可以提供统一的管理，同时借助于ArcSDE空间数据库引擎，大大提高数据访问与查询的效率。

1.2.4 基于网络的三维地理信息系统平台

水利信息管理需要处理大量矢量数据和三维模型，并实现空间数据的创建与分析，目前Skyline体系能够为用户提供个性化的三维地理信息体系构建方法。该体系采用OGC标准，兼容ArcSDE、Spatial等多种空间数据库，可为ArcGIS等二维地理信息系统提供标准化的数据服务。

2 水利信息管理系统总体设计

2.1 设计目标

本文设计以治理和田市玉龙喀什河区域水利工程作为项目目标，通过构建水利信息管理平台实现防洪减灾、河流湖泊环境管理、水利工程管理等多项职能。本系统的构建将对区域水利信息进行整合，优化资源配置，从而提高玉龙喀什河地区水利管理效率，通过大数据、智能感知等技术建立起“互联网+水利”的新型水利管理模式。为水利管理人员提供直观的二维与三维相结合的地图操作功能，使水利数据得到可视化的管理。通过水利信息管理系统的构建，实现对水利空间信息的即时查询与统计，为和田市开展水利业务与制定相关政策提供依据。

2.2 整体设计思路

本系统将基于SOA架构进行设计，采用B/S和C/S相结合的应用体系，实现统一化存储与服务的数据服务模式，构建完善的平台安全技术体系。

a. SOA系统结构是一种面向服务的体系结构，可以把数据应用以链接的形式集成起来，当有服务请求时通过网络即可直接获取服务，这就可以使玉龙喀什河地区水利信息管理满足不同业务需求，使数据管理与应用服务解耦，提高代码复用率，加快新业务的开发效率。

b.采用B/S和C/S相结合的应用体系主要是为了在确保系统运行效率的同时，为更多的用户提供不同的水利数据服务。C/S结构主要实现GIS图形等对数据交互要求较高的服务，B/S结构则提供常规数据查询与发布等操作相对简单的服务。

c.统一化存储与服务的数据服务模式指的是将基础水利数据、三维数据等数据基于相同规范存储在数据库中，这对于水利信息决策至关重要。同时，通过应用服务器为内外网请求提供数据查询服务。

d.水利信息管理应当有较高的安全防护水平，本系统将从数据安全、应用安全、账号安全、系统安全以及网络安全5个层面构建安全技术体系，框架示意见图1。

图1 水利信息管理系统安全技术体系

2.3 总体架构

本系统包括数据层、服务层以及应用层，系统总体构架见图2。

图2 系统总体架构

数据层是一切业务的基础，包括水利信息的基础数据、属性数据和空间数据，通过Oracle与ArcSDE技术实现对空间数据和水文数据的统一管理。

服务层包括展示、结构、工具以及维护等4个子模块，分别对应不同的子系统。其中起到维护作用的运维管理子系统对系统运行情况进行实时监控，确保系统的安全性与稳定性；起到工具作用的水利专题数据库管理系统将二维与三维地理数据结合起来并展示，通过B/S设计模式为用户提供性能良好的水利地图数据服务；起到接口作用的服务发布与接口管理子系统根据用户需求将地图浏览、区划定位等常用功能进行共享；起到展示作用的水利专题数据展示子系统以目录管理与元数据管理的模式，实现数据一体化管理和维护。

应用层实现具体水利工作相关功能，例如水情预警、防洪调度、水环境监测等。

3 水利信息管理系统数据库设计

3.1 数据库建设任务

本系统的数据库建设任务主要有以下三个方面：ⓐ构建基础地理空间数据库，收集并处理玉龙喀什河地区的1∶10000、1∶50000、1∶250000水利地理数据库；ⓑ对重点水利工程区域建立精细模型，实现对重点区域的重点管理；ⓒ建立3D场景数据MPT文件。

3.2 数据库整体结构

现代化水利信息管理中由基础地理信息、重点水利工程相关地质数据、水文信息、水土行政等元数据构成的空间数据最为关键。空间数据格式主要为矢量、属性和栅格等，对于重点水利工程还应有3D模型与纹理数据。从优化数据管理效率角度考虑，本系统基于ArcSDE与Oracle对空间数据和属性数据进行统一管理，并通过Skyline中的TerraBuilder实现三维模型与纹理数据管理，实现地形数据和影像数据的整合，进而更迅速地建立起三维数据集。

3.3 数据收集与处理

为了对玉龙喀什河地区整体水域进行科学管理，首先应当解决数据收集问题。收集的数据应当与和田市玉龙喀什河相关行政单位进行数据的交换与共享，本系统构建所需的数据可以划分为直接监测数据和间接监测数据两类。直接监测数据为河流湖泊日常巡查过程中采集得到的信息，此类信息通过传感器得到，例如闸站监测数据、视频监控数据等，直接监测数据可以通过数据收集平台从现场移动终端直接采集；间接监测数据为玉龙喀什河所在区域已有数据，例如和田市水文局、气象局等收集整理的数据，此类数据通过一定文件格式接口入库。

考虑到本系统数据量庞大，因此数据在入库前还必须经过处理，数据处理的依据为水利空间数据库相关规范以及管理的实际需求，主要从图属一致性、几何要素等方面进行筛选，并通过拓扑关系、逻辑关系进行检测，进而确保数据库的有效性。

3.4 逻辑结构设计

数据库的逻辑结构对于管理效果有重要影响，本系统的数据库构建使用大表机制，即把某一比例尺寸的地图看作若干固定尺寸的图片，进而将这些图片作为地图单元，对其命名后存入图库里。采用这种逻辑结构将玉龙喀什河区域电子地图自上而下分解成地图瓦片集合，进而提升查询效率。

表1为一级水功能分区表，其中包括了对象编码、水系名称、功能分区名、功能划分、水质、水域起始断面以及水系类型等字段。表2为一级水资源分区表，其中包括了对象编码、水系名称、一级水资源区名称和一级水系类型等字段。

表1 一级水功能分区

表2 一级水资源分区

4 系统功能设计与实现

4.1 系统功能设计

玉龙喀什河地区水利信息管理系统包括以下4个子系统，分别实现不同功能，各子系统间不同模块均保留一定接口，从而实现数据传输。水利数据库管理子系统包括空间数据管理、地图瓦片数据管理以及数据备份与恢复等3大模块，该子系统是原始数据输入的接口层，可以采集并处理矢量数据、栅格数据、属性数据以及三维模型数据；服务发布与接口管理子系统包括各服务模块，接收水利数据库管理子系统的数据并对服务进行发布；水利数据展示子系统则基于用户的浏览或者请求提供主要功能模块的展示；运维管理子系统负责对其他子系统的监控。4个子系统间各模块的关系见图3。

图3 子系统各模块关系

4.2 系统开发

4.2.1 系统界面实现

本系统的4个子系统均有各自界面，从而为相应功能与水利业务提供精准服务。水利专题数据展示系统包括二维主界面与三维主界面两部分，见图4。

图4 水利专题数据展示系统主界面

水利数据库管理子系统为用户提供编辑与检索工具，其主界面见图5。

图5 水利数据库管理子系统主界面

4.2.2 地图服务

地图服务是水利信息管理系统的核心，通过地图缓存技术提高服务器响应速度，基于ArcGIS Server构建瓦片地图库，采用WGS1984坐标系统，进行图片切割，为各图片设置唯一的层号、行号，最后保存。各地图切片均对应一个XML的描述文件。

4.2.3 空间查询功能实现

本系统分别支持二维与三维的空间查询，并支持点查询、多边形查询等个性化的查询方式，通过ArcGIS的IGeometry接口实现空间查询。当用户选择某种查询方式后，请求将在QueryService类中完成逻辑运算，并实例化为具体的类，最后把坐标值传回QueryService类。在Query类查询过程中将图层、关键字等信息通过XML文件保存，文件代码格式如下：

layerIndex=“0”KeyField=“FID” XPosition=“X” YPosition=“Y” IfDosearch=“Ture”/>

4.2.4 三维视频监测

视频监测是现代化水利管理的重要工具，本系统将现场采集并发回的视频解码后利用Skyline投影，为水利管理人员提供实时的视频服务。该功能模块的稳定性主要取决于传输协议，本系统采用MMS协议进行视频显示。考虑到Skyline理论仅支持不超过六个影像的投放，实际使用中当达到四个影像情况下系统访问速度将无法保证，所以在各监控点仅加载一个实时影像，具体实现方法如下：

a.将监测点位置信息进行位置转换，保证与三维场景坐标一致。

b.根据采集到的视频坐标点得到视频点图层，把Imagelable设成摄像头突破，且图片与URL地址一一对应。

c.将摄像机变换、标定参数、URL等存储至数据库。

d.用户只需要通过点击三维地图，对应的URL将直接投射实时监控视频。服务器把方向角和原始视角进行对比，通过图像匹配算法对方向角进行微调，并更新摄像头视角信息。

本系统三维视频监控的实现效果见图6。

图6 水利信息管理平台视频监控模块实现效果

5 结 语

本文以和田市玉龙喀什河地区的水利信息管理系统建设为背景，基于GIS理论与思想进行系统设计，通过结合ArcGIS与Skyline，实现了水利信息的多样化展示，为用户提供便捷的水利信息查询服务，从而为水利信息监控与决策提供支持，本文的设计思想与设计方法可为同类水域水利信息管理平台构建提供借鉴。