南四湖生态堤岸工程信息系统建设框架研究

吴兆良

（山东省济宁市水利事业发展中心，272000，济宁）

根据“水利工程补短板、水利行业强监管”要求，针对山东南四湖管理的实际业务需求，进行山东南四湖生态堤岸工程信息系统建设框架研究，为实施湖长制、建设南四湖生态文明提供强大的基础技术支撑。

一、需求分析

南四湖生态堤岸线较长，治理标准也不完全一致，至今仍有部分低洼堤段未实施治理，整个防洪体系还没有完全建成，在湖东大堤上存在多处涵闸、排灌站、分洪闸及一些缺口等防汛薄弱环节；多处涵闸上装有监控设备，堤防及建筑物涉及管护人员众多；存在多处排污口和违法、违章建筑等。 线长、点多、面广，相关信息量非常大， 由于缺乏先进的系统软件，致使信息获取及更新较慢，直接影响了环境及水质管理，制约了南四湖整个生态系统的建设。 因此有必要建立一个信息系统进行管理，这个系统涉及面很广，需要实时、动态监测，需要计算机软硬件、计算机网络、无线通信支持， 需要采用空间数据库技术、地理信息系统（GIS）技术、三维可视化技术、地图制图技术、多媒体技术等进行开发，是一项耗资、耗时的全方位系统工程。 本文拟进行系统的先期研究，为全方位的系统开发提供理论框架与体系规范。

二、策略研究

从当前研究水平和应用情况看，集成GIS 系统也大多是各地方水利、测绘部门自行组织开发，缺乏统一的数据规范和服务接口。 要适应水利国情监测任务的新挑战，必须要完善与水利国情监测相适应的地理信息系统框架，使监测获得的数据具有统一的接口，对水利设施的管理手段进行规范，对数据的分析和挖掘方法进行深入研究。

本系统针对辖区实际业务需求，利用GIS 空间数据库技术对南四湖湖东大堤及周边地区地理数据进行组织、建库，并将水利工程建设、水资源信息、 水文信息、 重要建筑物、闸口、入湖河道、取水口、排水口等重要空间信息以及相关联的文档、法规表格等与地理信息进行有机集成，建立辖区三维地形模型及其他基础地理信息、 水利设施的三维仿真模型，实现多源、多维、多类型数据统一管理与调度，以此作为系统水利建设与资源数据库，为业务功能模块提供数据库基础。

在数据库基础平台的支持下，系统利用电子地图技术、三维可视化技术对以湖东大堤为核心的南四湖区域进行地理信息多维度、动态展示，对堤防、 建筑物及湖周重要景观进行三维仿真模拟、信息查询；利用多媒体技术和热点连接机制， 通过声音、图片、视频、文字及实时监测视频的回放等手段对二维、 三维电子地图进行重要信息（如违法事件、违章建设）的突出显示；利用GIS 的几何查询、空间分析功能，为水利工程管理、防汛指挥调度、水资源管理、水政执法等提供可视化的管理和决策支持， 同时通过与水资源信息自动采集系统、 水质监控系统等相结合，进行监测数据的实时更新，并对突发水利事件作出快速反应， 实时发布预警预报信息等。

拟建设的系统主要包括三个子系统：水利工程管理子系统、防汛指挥调度子系统、水资源管理子系统。

三、南四湖生态堤岸工程信息系统建设

1.基础功能设计

根据济宁市南四湖生态堤岸管理系统的初步设计， 系统采用C/S 模式（即客户端/服务器端模式）进行开发，主要分为工程管理系统、防汛指挥调度系统、 水资源管理系统三个模块。根据本项目的特点，系统拟采用胖客户端模式， 大部分功能在客户端完成， 服务器端主要负责进行监测数据实时入库、分析及预警等相关工作。

（1）服务器端

用户管理与认证： 对用户账号、权限等进行管理；对登录用户进行身份认证并对用户状态进行实时浏览。

空间数据维护：系统管理员对基础空间数据进行维护与更新操作，同时进行数据库的备份与还原等操作。

监测数据入库：对由通信设备传输来的湖东大堤水利工程各监测点所采集的数据进行实时入库、自动分类存储。

电子地图监视与水情分析：显示辖区电子地图，对各监测点的状态进行显示，结合空间数据与实时水情数据进行数据分析，并将结果显示在地图上，进行远程监控。

预警信息发布：建立预警机制，通过语音、铃声等提示警情，并向各客户端发送预警信息。

（2）基础GIS 功能

①空间数据及业务数据的处理与维护

进行南四湖区域空间数据的预处理、数据入库、影像叠加、数字地形模型处理、 水利工程各类信息的处理、坐标转换与投影处理、各类文档入库、监测数据实时入库等，提供系统数据的更新与维护机制。系统管理员在需要时对数据库进行备份与还原。

现有资料中的地图主要是CAD图， 还有一些不同格式的地图图像，这类数据可用于分类的专题显示，不能用于GIS 查询。 作为系统底图，需要进行数据格式转换、 投影变换、地图图形编辑、要素编码及属性编辑等处理， 以作为查询与分析的工作底图，同时为三维仿真提供基础数据。

②辖区电子地图

本系统内的工程管理区域包括济宁市北湖新区、任城区石桥镇及微山县鲁桥、两城、留庄镇、付村镇、夏镇、昭阳镇、郗山镇，各镇下辖若干村。 此外还有富龙商贸有限责任公司、山东浚源港务有限公司、班村码头及重要的工矿企业如枣庄矿业集团高庄煤矿等。

电子地图的基础功能包括地图的浏览、放大、缩小、漫游、全图、选择、查看、查找、定位、量算等操作，水文相关信息的检索、查询和分析，实现基础地理数据、地形图、水系图和防洪专题的分层显示， 图层控制树可浏览各图层，显示并设置图层属性信息。

基于电子地图进行重要建筑物、闸口、排水口、取水口、违法建筑的叠加显示，建筑物信息查询、水质、水位等监控信息的实时显示，并支持防汛调度方案的可视化输出等。

此外，包括图片、声音、视频与文字等在内的各种类型数据都将与特定目标关联后集成进系统中，为系统查询提供重要的信息源。

③三维仿真平台

实现南四湖区域三维虚拟场景的合成与动态浏览。 通过建立地形及基础地理要素三维仿真模型以及水利工程等各类重要设施三维数字模型，叠加在三维场景中逼真展示湖东大堤水利工程布局和结构以及周围地形地貌，给人以身临其境感觉。 同时进行多角度动态浏览与操作，支持三维场景信息查询与分析，支持监测信息的显示、 应急方案的显示等，以逼真的形式对辖区业务进行三维直观的数字化管理。

④空间信息二三维显示及互动功能

本系统建立一个数据更新及时，场景浏览快速、美观、真实的南四湖区域三维地理信息数据库，并根据水利管理局业务开发满足工程需求的功能，发挥三维可视化技术在业务领域的管理与决策作用。

三维模型及场景功能：即对于三维数据以及相关场景的管理及编辑功能， 包括对3DMAX 模型支持功能、多数据格式导入导出、二三维数据集成、数据库连接、场景及地形编辑、支持不同天气的场景与云彩的叠加及随时间的场景变化等虚拟现实功能。重点研究雨雪天气条件下的三维场景。

三维交互式浏览功能： 实现鼠标、键盘或游戏杆控制，用户可以在三维场景中前进、后退、左移、右移、左转、右转，改变行走方向，升高、降低视点，俯仰角大小任意确定，且方向转换画面流畅；提供行走、驾驶、飞行等浏览模式，并能进行相关参数设置； 用户可以通过自定义视点位置、视线方向、视点高度、俯仰角大小以及漫游速度任意进行三维场景漫游并能录制动画；还能对选中的建筑进行360°的环绕浏览，要求运动速度以米/秒为单位；最终游览路径可以被记录保存，以便今后再次浏览。

大场景无缝浏览及快速定制视点：实现大数据量地形模型实时调度与无缝拼接及三维仿真场景漫游功能，实现动态、立体显示现状堤防建筑物以及周围环境的情况，表现流域水利设施（包括水库、水文防汛站等）和河流的干流、主要支流、防汛设施等三维概况。 同时允许用户存储当前视点，双击该视点名称便能快速切换到该视点画面。

图层控制：用户通过图层控制设置， 自定义显示或者隐藏的图层信息、自定义添加、删除图层名称，并能添加多级图层和灵活导入、导出图层内的模型属性信息。

多种选择方式及空间查询、计算功能：为用户提供点选、框选、任意多边形选择、 反向选取等多种选择方式。 进行空间定位、点选查询，在此基础上进行属性信息查询，包括建设信息、堤段及负责人信息、违章建设信息、排污口与取水口信息等的综合查询。 可进行距离量测、面积量算，基于DEM 进行体积量算及剖面等各类地形分析。

二三维互动功能：一是电子地图跟踪指引，即用户在三维场景中漫游时，二维电子地图可以实时指示用户的位置和行走方向（即视点和视角）；二是快速空间定位功能，即在二维电子地图中点击任意点，三维场景可迅速切换到此处，或在三维场景中双击任意点，视点马上切换到此点，并在右键中具有反向功能实现视点的180°反向；三是二三维叠加分析，即通过查询出的地块指标与输入系统中的控规指标进行对比，从而为规划审批提供参考。

2.功能子系统

（1）工程管理子系统

该子系统主要的分为六个模块： 堤防管理模块、 建筑物管理模块、设备管理模块、自动监控模块、规范化管理与考核模块、 基层机构建设模块。 主要为了实现工程基础信息的查询与显示， 对单个单元工程、局部分布工程、整体分布工程的信息进行管理， 同时对规范化管理细则及验收标准进行图形化表达与管理， 据此对所辖65 km 南四湖堤防及15 个涵闸实施规范化管理与考核。

（2）防汛指挥调度子系统

防汛指挥与调度是水利地理信息系统的重要组成部分，省、市、县不同级别的防汛部门对系统建设的功能需求有所不同。 本系统用于南四湖湖东大堤的防汛指挥与调度，应突出防汛的薄弱环节、水位自动测报与预警、防汛指挥及人员与物料调配等实用功能。

当在流域电子地图上点击时，显示相应河系图，河系图包括河系的干流和各支流、堤防线和滞洪区，分别以不同着色和符号表示， 便于识别，可以缩放图、漫游图、全景显示，并在电子地图上反映相关防洪工程信息、综合信息、 防汛救灾物资分布信息。同时显示相应的所属乡镇区域图，并同时显示该乡镇所负责的缺口、险涵、采煤塌陷段、排污水口以及违章建设项目及相应的抢险方案、防汛备料等信息。

本子系统拟建设防汛预案、防汛预警、薄弱环节、物料储备、人员调度、自动测报等六个模块。 各模块以GIS 功能为依托，借助数据库、电子地图与三维场景进行防汛的指挥与调度，以期提高应急反应能力与风险管理水平，充分发挥防洪工程体系的综合减灾效益，从而最大限度地减轻洪涝灾害可能造成的损失，保障人民生命财产安全。

（3）水资源管理子系统

水资源实时信息监控系统由信息采集系统、信息传输系统、信息分析处理系统、 决策支持系统及其相应硬件设备组成， 以此建成水资源数据库管理系统， 实现数据全面共享。 通过水资源管理信息发布平台向水行政主管部门、 社会公众及科研规划设计部门提供信息发布、数据处理和辅助决策支持功能， 从而实现水资源实时调度、 水资源变化状态监控、污水总量控制等研究，制定管理方案。

拟建设的第一期工程主要进行水质、水量、排污口污染情况等的监测、管理，及税费征收情况等功能开发。 后续工程将根据资金安排及一期工程的运行效果，适时进行完善及开发其他功能。