三维空间水文站网数据库系统建设研究

王光磊，刘媛媛

（松辽水利委员会水文局（信息中心），吉林 长春 130021）

水文站网数据库系统以现代计算机、网络通讯、移动通讯、WEB技术、GIS技术为基础，充分利用了信息工程、系统工程、软件工程等多技术手段。系统由计算机网络和数据库管理等组成，具有数据管理、WEB查询、GIS服务等功能。系统以基础属性库和空间信息库为核心，以移动网络为媒体，在水利一张图基础上建立数字地图，依据水文站网和水文测站编码等成果建立水文站网信息属性数据库，结合WEB-GIS系统进行开发，为现代化水文做好基础性工作。

1 框架设计

从流域水文站网管理工作业务流程上看，水文站网管理的业务信息化流程可以归纳为信息收集、信息整理分类、信息管理、信息查询与应用等4个步骤。三维空间水文站网数据库系统的建设由下至上涉及信息采集、基础环境、数据资源与应用系统等4个层面，在纵向上由信息系统安全和标准两大体系进行约束。

1）信息收集。通过现代信息采集手段获取流域各类水文测站信息，包括水量、水质、水情、旱情、气象、商情等相关信息。信息整理是根据信息状况，将测站信息、空间信息、图文信息、水文年鉴、流域水文站网规划与评价等信息整理分类，确定信息之间的相关关系，分类管理。

2）基础环境。系统环境主要为虚拟服务器，根据应用需要向资源池提出服务器资源需求，并在提供的资源基础上完成应用系统的环境搭建，包括数据库服务器和WEB服务器两类。数据库服务器用以存放水文站网数据库、GIS空间数据库等相关资料，并提供数据服务；Web服务器用以装载站网管理、Web服务运行、互联网地图服务等系统，提供Web发布和地图服务请求，满足客户端查询、管理、分析等服务。

3）数据资源层。是系统的重点建设任务，包括了属性数据库和空间数据库两个方面。属性数据库建设方面：首先，进行数据的分析整理，搜集整理水文站网信息及相关资料成果并进行系统分类，初步确定数据模型和成果类型；其次，充分了解国内外数据库建设的基本情况和发展动态，基于数据模型和初步成果分类要求，设计较为合理的水文站网信息数据库的表结构，建立符合数据库范式体系结构的水文站网信息数据库。在空间数据库建设方面，搜集整理相关的空间数据，开展数据的预处理和格式转换，将不同坐标参考系下的数据统一转换到CGCS2000坐标系下，整理后的文件格式为ARCGIS FileGDB格式。对数据开展坐标转换、比对、查重、属性及拓扑关联检查，进行相应的编辑修改后，按要素类和图层建设空间数据库。

4）应用系统层。包含了支撑应用系统和业务应用系统两个部分：支撑应用主要为功能全面的数据库管理系统，用于空间数据库和属性数据库的管理，建立高效的数据库信息管理和信息服务机制，提供多用户查询处理能力，满足系统的需求；在业务应用上，建立水文站网查询服务机制,以图表、文字、图形、视频影像、声音多媒体、地图和超文本等方式提供水文站网属性信息和空间信息查询服务。

5）安全和标准保障。执行国家和水利部有关水利业务信息化应用系统的建设要求和有关标准。

2 数据库建设

2.1 水文站网属性数据库

1）搜集整理水文站网的相关信息，包括文字、数字、图形，进行整理分类，设计数据库表的结构，形成属性数据库。属性数据库按照信息基本属性分水文站网基本信息表和系统表。主要基础信息包括站码、站名、所属、站别、位置、流域、水系、河流、站类、行政区划、水资源分区码、集水面积等属性值。

2）数据处理。对数据源进行纠错、转换、备注和更新，通过测站编码与流域水文测站汇总数据、水文年鉴和现状调查数据进行关联，更新现有数据库，包括新旧站码转换、水文站更新改造、水文站新加测验任务、每年下达的测验任务等基础信息。

2.2 水文站网空间数据库

1）确定水文站空间数据库所需的数据和基本内容，进行空间数据标准化。水文站网空间数据库的空间数据主要分为国家基础空间数据、水利基础空间数据和水文站网专题数据。其中，国家基础空间数据包括行政区界、交通路线、遥感底图等，采用“一张图”作为资源接入，并在“一张图”基础上，叠加更为详细的铁路、高速、国道、县乡级公路数据，以及县（旗）乡镇等行政区数据和人口分布等社会经济专题数据；水利基础空间数据包括水资源分区界线、水文分区界线、各级河流水系（包括一级到五级河流等）、湖泊（面积大于1 km2）及水利工程等空间要素；水文站网专题数据包括国家基本水文站、国家重要水文站、中小河流监测站、水位站、流量站、雨量站、水面蒸发站、水质站、地下水监测站、土壤商情站、山洪灾害监测站、河流泥沙专用站、水土保持专用站等。

2）数据处理和建库采用ARCMAP10.2对数据进行加工处理和符号化。在数据建库前，开展数据预处理工作，将原有数据格式进行转换，同时将不同坐标参考系下的数据统一转换到CGCS2000坐标系下，将整理后的数据转换为ArcGIS FileGDB格式。开展数据比对，利用ARCGIS中查找特定距离内要素的功能完成重合点的查找和处理。通过空间位置关系命令查找出数据空间落区存在未落入所在流域面或水资源分区等空间错误，并对不同类型空间数据的相交、包含等拓扑关系进行核对确认。采用SDE空间库对空间数据进行存储和管理，建立空间数据库。

3）数据建库和服务发布。应用地图展示方案的设计在满足基本GIS功能要求的基础上，增加其地图显示速度和显示层次。ARCgisserer地图服务切片功能加载，增加其地图相应性能化，采用一类底图+网站动态底图的模式，把核心业务图层-站网要素发布为动态地图，用户可自由控制图层的可见性，其它图层发布为切片地图作为地图，同时提供别一种切片底图，制作符号库和注记，并完成地图配图工作，包含站网各类要素，在浏览的同时直接点击要素查看相关信息，根据CHZ 9011-2011《地理信息公共服务平台电子地图数据规范》，电子地图全部采用瓦片组织，分级分层逐步显示。按照“一张图”建设标准开展空间数据的清洗、建库、服务制作和发布注册，并依据已有空间成果对本期数据空间信息进行校对。

3 应用实现

在完成数据整编、数据库设计和数据加载的基础上，开展应用开发实现。系统包含地图服务、信息查询、信息统计、信息管理、系统与权限管理、帮助服务等，划分为业务应用、GIS管理两个子系统。

3.1 业务应用子系统

业务应用子系统包含了信息查询、信息统计、信息管理和系统权限管理模块。其中，信息查询模块进行水文站网信息查询功能，包括水文站属性库所有信息的查询；信息统计模块针对所需水文要素进行统计，以表格或柱状图等多种形式进行展示，也可以针对统计数据进行分析，以文本、表格等多种形式输出和存储；信息管理模块对系统的数据进行管理，包括信息的导入、导出、添加、修改与删除等，将多个基础信息表集中在此模块进行统一信息管理；系统与权限管理包括用户管理、用户操作权限管理、菜单配置，实现基于RBAC权限模型的用户管理，基于角色实现系统的多用户多角色的灵活管理，同时也实现基于角色的菜单配置管理。

3.2 GIS管理子系统

地图服务是三维空间水文站网数据库的基础和重要技术支撑模块。GIS管理子系统建设分为SDE空间库及地图设计、地理数据的转换与加工、GIS基础功能的开发、GIS业务扩展功能的开发和三维地球功能开发。

1）SDE空间库。空间数据要素包括基本要素、站网要素和其他要素等。基本要素包括河流水系、湖泊、交通等多项基础数据；站网要素包括水文、水质、雨量、自动测报站等36项站网要素；其他要素包括行政分区、水文分区、水资源分区、地下水分区、水功能区划等多项要素。

2）地图设计地理数据的转换与加工。把GIS数据放在RDBMS中，提供水文站相关GIS的数据类型，包括河流的点、线、多边形，以及这些Feature之间的拓扑关系和投影坐标等相关信息，判断选择水文站上下游关系，一条河流水文站相邻、相交、距离、最短测验路径等信息。站网动态地图通过Sde服务访问空间数据库、多项功能集成的服务功能，地图APP通过REST协议访问地图服务，而发布的地图服务由ArcGIS Server配置进行管理和启动运行。

3）地理数据的转换与加工。例如图层中测站编码与水文年鉴的编码对应，新旧站码转换，地图图层的展示调整，转换地图中的文档配置，转换后基础数据的检查与添加，发布地图服务能力，生成区域地图的切片等功能；流域水文站网数据导入SDE空间数据库中，可以发布动态地图服务等多项功能。

4）GIS基础功能的开发。指对GIS已有功能进行整合和调整，包括放大、缩小、漫游、量算、点选择、矩形选择、区域选择、导航路线图、图例输出、空间搜索等多种基础功能的开发应用。

5）三维空间地球功能。采用三维地球作为支撑，在三维地图通过GPS模拟定位，场景里能够查看测站位置及附属特性值，二维地图里查看当前选中的测站位置时，在三维地球里自动运行到当前测站坐标位置；支持一般的三维操作，如能够控制视点、视角，能够旋转、平移。实现一个三维地球立体图形，并通过与MapManagr和其它相关Widget的交互(基于Flex Viewer的事件机制)实现二维与三维场景的联动,同时通过命名浏览器窗口名字的方法与浏览器内的三维地球实现联动。

该项目使用ARCGIS10.2作为GlS开发基础平台，采用ArcGIS SERVER10.2作为地图服务器，采用ARcGIS VieWer forFlex应用框架进行设计和开发。在客户端开发接口方面，ArcGlS10.2可提供客户端开发接口：FLEX，APl，JavascriptAPI，SILverlightAPI，其中FIEX具有较好的用户体验。在系统开发中注重操作复杂性的降低和可复用性的提高，采用Vue渐进式JavaScript框架，降低了开发投入成本，操作相对更加灵活，并有非常好的增量迭代开发能力。

4 结语

三维水文站网数据库系统是水利现代化的重要内容，因此，上文基于水文站网空间数据库、水文站网属性数据库、水文站网管理应用系统、构建系统管理运行平台等方面进行了研究和尝试，建立了三维水文站网数据库系统。建立的三维水文站网数据库系统，实现了数据管理、WEB查询、GIS服务等专题功能，为应急处理、规划、水旱灾害防御、水资源开发利用、水质灾害防御、水文情报预报和站网管理信息服务辅助决策等提供技术支持，为现代化水文服务提供时效性、便捷性、多元属性查询服务的统一性、基础数据支撑的科学性。

在今后还应该继续研究建设水文站网云平台，实现水文服务、水资源配置和水文应急监测信息的全面共享，加强水文监测、水文最小单元、水文信息服务的信息多元组合；强化研究水文站网公益性服务区域、服务对象，提升水文公益服务质量能力，为建设幸福河流和美丽中国做应有的贡献。