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基于三維GIS的長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統的設計與實(shí)現分析論
1. 引言
長(cháng)江水利委員會(huì )不同單位按照相關(guān)職能和業(yè)務(wù)需要，在長(cháng)江流域設立并管轄著(zhù)不同類(lèi)型站網(wǎng)，包括水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監測、科學(xué)實(shí)驗以及專(zhuān)門(mén)為規劃、設計等方面而設立的站點(diǎn)，承擔著(zhù)水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監測、科學(xué)實(shí)驗等各方面的水利綜合監測業(yè)務(wù)。由于長(cháng)江流域片水利綜合監測站網(wǎng)的布設范圍廣、站點(diǎn)多、測驗項目多、信息量大，傳統的管理方式無(wú)法滿(mǎn)足展現與管理需要。為滿(mǎn)足決策者對站網(wǎng)的分布狀況的掌握、對測站基本信息的了解，對站網(wǎng)基本情況的分析和功能的評價(jià)，建設長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統以輔助站網(wǎng)綜合規劃和管理是十分必要的。
2. 建設目標及意義
根據長(cháng)江流域片流域管理水利綜合監測站網(wǎng)規劃要求，長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統建設的主要目標就是充分利用長(cháng)江流域地理信息數據、3D 模型數據，并集合長(cháng)江流域相關(guān)業(yè)務(wù)數據庫，基于計算機技術(shù)、數據庫技術(shù)和GIS 技術(shù)，構建站網(wǎng)管理和展示模型，實(shí)現全流域地理資源、水網(wǎng)資源、站網(wǎng)數據的管理以及各類(lèi)站網(wǎng)信息的動(dòng)態(tài)可視化展示和查詢(xún)，及時(shí)掌握各類(lèi)站網(wǎng)信息，為綜合站網(wǎng)的規劃設計、建設運行提供技術(shù)支撐。其具體意義主要體現在以下幾個(gè)方面：
1) 通過(guò)系統對綜合站網(wǎng)信息進(jìn)行科學(xué)的管理，從而有效避免信息傳遞效率低、信息更新周期長(cháng)等缺點(diǎn)，實(shí)現站網(wǎng)信息管理數字化、查詢(xún)可視化、更新迅速化以及信息可擴展化，并為實(shí)現優(yōu)勢互補、資源共享，優(yōu)化站網(wǎng)功能，避免重復建設提供決策依據。
2) 通過(guò)系統建設，構建一數一源、一點(diǎn)更新的站網(wǎng)基礎信息數據源，并以此為基礎對現有數據組織存儲體系進(jìn)行升級與完善，與相關(guān)業(yè)務(wù)數據資源進(jìn)行整合，構建各個(gè)數據資源之間關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)系。促進(jìn)長(cháng)江流域各類(lèi)水利信息資源的整合與共享以及綜合利用與服務(wù)。
3) 通過(guò)系統建設，將長(cháng)江流域站網(wǎng)信息與長(cháng)江流域地理信息相結合，依托三維仿真技術(shù)實(shí)現可視化管理與服務(wù)，并支持與現有防汛抗旱決策支持系統等信息化系統高度集成，為長(cháng)江流域防汛抗旱、水資源管理、水資源保護、河勢穩定等提供決策支持服務(wù)，從而推進(jìn)了長(cháng)江水利信息化的整體發(fā)展。
3. 需求分析
根據系統建設目標，并結合長(cháng)江委信息化建設現狀，長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統要求在對現有全流域地形數據、暈渲圖數據、影像數據，站網(wǎng)數據科學(xué)化管理和組織的基礎上，實(shí)現長(cháng)江流域片各類(lèi)監測站點(diǎn)的可視化展示和查詢(xún)，并通過(guò)GIS 空間分析功能，提供多種模式的站網(wǎng)規劃分析、計算和統計功能，為站網(wǎng)的綜合規劃和建設管理提供支撐。其主要需求為：
1) 利用長(cháng)江流域地形DEM 數據，影像DOM 數據，制作全流域渲染底圖，實(shí)現行政區劃數據(省、市界)、地名數據、河流湖泊數據的組織、加載和顯示控制。
2) 構建長(cháng)江流域站網(wǎng)信息數據庫，實(shí)現站網(wǎng)信息分層、分類(lèi)標識。并與相關(guān)業(yè)務(wù)數據庫實(shí)現數據關(guān)聯(lián)。
3) 實(shí)現現有的和規劃的各類(lèi)測站、斷面的組織與管理，以及站網(wǎng)信息的分層、分類(lèi)展示。
4) 實(shí)現測站站點(diǎn)可視化“捕捉”和站點(diǎn)基本信息查詢(xún)和業(yè)務(wù)數據查詢(xún)。
5) 提供重疊分析，密度分析等多種模式的站網(wǎng)規劃分析、計算和統計功能。
6) 實(shí)現重要站點(diǎn)或水利設施工程的模擬展示，在疊加全江河道地形監測信息的情況下，支持流域內重要站點(diǎn)或水利設施工程的仿真模擬展示。
7) 支持相關(guān)業(yè)務(wù)的可視化分析計算及決策輔助等功能，如水位流量關(guān)系、設計暴雨、設計洪水、徑流年內年際分配及地區組成等，可以為防汛會(huì )商、調水調沙等提供可視化決策支撐。
8) 具備良好的開(kāi)放性和擴展性，為后期的基于站網(wǎng)分布的GIS 應用開(kāi)發(fā)提供擴展接口。
4. 系統設計
4.1. 總體架構
按照建設目標和總體需求，長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統在整合長(cháng)江流域空間信息、站網(wǎng)信息和業(yè)務(wù)信息的基礎上，利用三維仿真軟件Gaea Explore 作為GIS 基礎平臺，通過(guò)Gaea Explorer 平臺提供的開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)客戶(hù)端系統，實(shí)現站網(wǎng)管理、展示查詢(xún)、分析統計等功能，為長(cháng)江流域基于站網(wǎng)信息資源的信息共享、輔助規劃、決策支持提供可視化技術(shù)支撐，系統的總體框架。長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統由三層架構搭建，分別為數據層、服務(wù)層和應用層。
1) 數據層：主要包括三維場(chǎng)景數據、矢量空間數據、站網(wǎng)信息數據以及業(yè)務(wù)數據資源。其中三維場(chǎng)景數據為DEM 數據、DOM 數據、三維數據等進(jìn)行融合匹配后形成的三維金字塔瓦片數據庫，采用文件方式存放在服務(wù)器端;水網(wǎng)水系、行政區劃數據采用矢量空間數據格式存放在服務(wù)器端，通過(guò)Gaea Explorer 平臺調用和訪(fǎng)問(wèn);站網(wǎng)信息數據是通過(guò)對業(yè)務(wù)數據庫的抽取形成的索引型信息資源，除了存儲測站基本信息外，還存儲了與業(yè)務(wù)數據資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是站網(wǎng)展示，信息查詢(xún)、統計分析的核心信息資源。
2) 服務(wù)層：主要由Gaea Explorer 三維數字地球綜合應用與虛擬仿真平臺提供的各類(lèi)服務(wù)支撐。數據組織管理服務(wù)主要用來(lái)管理三維場(chǎng)景金字塔結構和矢量數據匹配;數據瓦片服務(wù)主要向應用層提供各類(lèi)數據服務(wù)，以便系統方便快捷的訪(fǎng)問(wèn)和調度;應用功能服務(wù)主要提供平臺內置的大量功能，如瀏覽、漫游、量算、放大、縮小、定位等;三維仿真服務(wù)主要提供各類(lèi)動(dòng)態(tài)逼真的三維虛擬現實(shí)仿真模擬。
3) 應用層：為基于Gaea Explorer 三維數字地球綜合應用與虛擬仿真平臺提供的SDK 開(kāi)發(fā)包所搭建的應用功能，通過(guò)繼承平臺已有的功能和新開(kāi)發(fā)的各項功能，對外提供良好的站網(wǎng)展示、查詢(xún)、統計、符號化及制圖等功能，并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現信息共享、輔助規劃、決策支持等應用服務(wù)功能。
4.2. 技術(shù)路線(xiàn)
系統采用三維仿真軟件Gaea Explore 作為GIS 基礎平臺，基于WebGIS 技術(shù)，可在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下實(shí)現海量數據無(wú)縫組織、管理和可視化。采用C/S 架構搭建，所有的空間數據、屬性數據、信息資料等存放于服務(wù)器端，通過(guò)Gaea Explorer 平臺提供的開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)客戶(hù)端系統，實(shí)現在線(xiàn)數據訪(fǎng)問(wèn)和離線(xiàn)(緩存方式)數據訪(fǎng)問(wèn)。系統利用網(wǎng)絡(luò )計算機技術(shù)、空間信息分析技術(shù)、數理統計與模擬預測技術(shù)、虛擬現實(shí)技術(shù)等，借助數字化和信息化的手段，最大限度利用信息資源。系統設計開(kāi)發(fā)以數據庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和地理信息系統技術(shù)為支撐，以空間數據和屬性數據為基礎，通過(guò)對空間數據和站網(wǎng)數據的存儲和管理，建立數據管理、站網(wǎng)規劃輔助分析和三維綜合展示為一體的綜合展示系統。在系統研發(fā)過(guò)程中采用以下總體技術(shù)路線(xiàn)和技術(shù)模式，使系統更具較好的實(shí)用性、可靠性、安全性和先進(jìn)性。
1) 高效利用現代網(wǎng)絡(luò )體系，充分適應系統各功能的工作特點(diǎn)，采用C/S 模式建立系統總體構。
2) 采用模塊化方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，各模塊只處于低耦合狀態(tài)，方便用戶(hù)進(jìn)行功能的擴充與更改，使系統功能實(shí)現更具靈活性與可塑性。
3) 利用空間數據引擎，實(shí)現對站網(wǎng)數據和流域地理數據進(jìn)行多時(shí)相數據一體化存儲、管理與調度，實(shí)現海量數據的快速查詢(xún)、分析與計算。
4) 利用多種可視化方式實(shí)現站網(wǎng)數據的空間、屬性信息聯(lián)合展示、查詢(xún)和統計。
5) 采用金字塔數據管理、多維索引機制、虛擬現實(shí)(VR)、LOD 分塊調度等技術(shù)實(shí)現大場(chǎng)景的三維可視化調度，真實(shí)再現現實(shí)景觀(guān)。
5. 關(guān)鍵技術(shù)
5.1. 多源異構數據組織
長(cháng)江流域設立并管轄著(zhù)不同類(lèi)型站網(wǎng)，包括水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監測、科學(xué)實(shí)驗等，承擔著(zhù)水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監測、科學(xué)實(shí)驗等各方面的水利綜合監測業(yè)務(wù)，各自形成了各自的業(yè)務(wù)信息數據庫系統。采用多源異構數據組織的方法，建立綜合站網(wǎng)基礎信息索引數據庫，構建站網(wǎng)基礎信息索引與業(yè)務(wù)數據庫基礎信息之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現站網(wǎng)基礎信息的統一組織。多源異構數據組織的基本思路是認同各類(lèi)站網(wǎng)信息可以具有自己獨立的信息組織模式，為了將這些分散異構的信息，組織成統一的、整體的信息資源，又保持各類(lèi)水文信息各自的獨立性，根據“虛擬化”的基本原理，通過(guò)構造相應的信息資源統一組織架構，為用戶(hù)提供虛擬化的信息資源開(kāi)發(fā)利用條件。信息資源統一組織架構主要由存貯、描述和資源持久性與安全控制3 個(gè)體系，以及數據源注冊、數據抽取與轉換、數據源動(dòng)態(tài)配置、虛擬化信息資源組成和資源開(kāi)發(fā)應用支撐5 層處理構成。這3 個(gè)體系和5 個(gè)處理層次，有效保證了各類(lèi)站網(wǎng)信息資源的原有形態(tài)，并可充分利用各類(lèi)站網(wǎng)信息資源的計算資源，形成邏輯上完整的信息全集，為充分利用分散的、異構的水文數據集，提供基本參考模型。
5.2. 海量數據并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)
采用Gaea Explorer 平臺提供海量影像數據發(fā)布能力，實(shí)現整個(gè)長(cháng)江流域DEM、DOM 數據快速、穩定的訪(fǎng)問(wèn)。數據的存儲性能和訪(fǎng)問(wèn)性能對整個(gè)GIS 應用的性能有著(zhù)重要的影響作用，所以空間數據庫引擎的功能和性能對GIS 應用的功能完整性和運行效率具有重大的影響。通過(guò)Gaea Explorer 平臺，可以把GIS 的空間幾何對象數據和屬性數據一體化存儲到多種關(guān)系型數據庫中，能夠對數據進(jìn)行索引維護、追加、更新、刪除等維護操作，按屬性條件或空間條件來(lái)對數據進(jìn)行各種查詢(xún)返回需要的數據，還具備提供長(cháng)事務(wù)、版本、拓撲關(guān)系維護等高級功能。
5.3. 穩定可靠的緩存技術(shù)
平臺的優(yōu)劣不僅僅體現在架構、界面和操作深度上，提高系統響應速度來(lái)提升用戶(hù)體驗也是獲得用戶(hù)青睞的重要方法。Gaea 平臺通過(guò)采用緩存技術(shù)，來(lái)減少請求數據服務(wù)的次數，直接從內存中獲取已經(jīng)緩存的數據信息，來(lái)大大提高系統響應效率。Web 應用大都將數據保存到RDBMS 中，應用服務(wù)器從中讀取數據并在瀏覽器中顯示。但隨著(zhù)數據量的增大、訪(fǎng)問(wèn)的集中，就會(huì )出現RDBMS 的負擔加重、數據庫響應惡化、網(wǎng)站顯示延遲等重大影響。應用緩存技術(shù)，就是為了解決上述問(wèn)題，使系統能夠基于高速運行的分布式緩存服務(wù)器，實(shí)現最佳的用戶(hù)體驗。第一次訪(fǎng)問(wèn)從數據庫中取得數據存放到緩存中，第二次訪(fǎng)問(wèn)從緩存中取得數據進(jìn)行頁(yè)面顯示
5.4. 金字塔圖片引擎和GIS 服務(wù)引擎一體化技術(shù)
金字塔圖片引擎是將地圖按照比例尺和圖層進(jìn)行地圖圖片切片，形成無(wú)數小文件圖片后由圖片引擎負責在客戶(hù)端根據地圖大小將多張圖片拼接形成切片前的效果。ServiceGIS 服務(wù)器軟件平臺將地圖圖片引擎統一集成在網(wǎng)絡(luò )GIS 服務(wù)器中，圖片服務(wù)引擎是ServiceGIS 平臺提供服務(wù)器的關(guān)鍵組成部分，同時(shí)，將GIS 圖形引擎也集成在統一的平臺中，在功能上實(shí)現對接。地圖服務(wù)啟動(dòng)時(shí)，圖片引擎按照預訂的比例尺，自動(dòng)切圖為靜態(tài)圖片，并建立圖片金字塔，統一對外。地圖引擎的地圖內容更新后，ServiceGIS 軟件平臺將協(xié)同GIS 圖形引擎和圖片引擎，按照實(shí)際更新范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，實(shí)現動(dòng)態(tài)圖片按需切片，從而保障切片效率。平臺除了提供地圖圖片引擎服務(wù)以外，還提供GIS 服務(wù)引擎進(jìn)行深度GIS 應用分析與空間表達和服務(wù)聚合。通過(guò)這種模式，不但可以滿(mǎn)足平臺本身需求，還可以將傳統只能在C/S 應用模式應用的空間分析功能在B/S 應用模式中進(jìn)行服務(wù)共享應用。
6. 系統功能
按照長(cháng)江流域站網(wǎng)綜合規劃總體要求，結合需求分析，基于3DGIS 的長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統在功能上主要實(shí)現了流域影像三維展示、站網(wǎng)信息分類(lèi)分級展示、站點(diǎn)信息可視化查詢(xún)、站網(wǎng)規劃分析以及基于3DGIS 的長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)平臺的擴展支持功能。系統功能結構如圖3 所示。其中站網(wǎng)分類(lèi)分級展示、站點(diǎn)信息可視化查詢(xún)、站網(wǎng)規劃分析是系統建設中的主要業(yè)務(wù)功能。
1) 站網(wǎng)信息分類(lèi)分級展示
站網(wǎng)展示主要實(shí)現站網(wǎng)信息在地圖上的特征標注，以及站網(wǎng)分級、分類(lèi)展示。站網(wǎng)分級展示支持不同比例尺下的高密度站點(diǎn)的分級展示。站網(wǎng)分類(lèi)展示主要是按照站點(diǎn)的類(lèi)別在地圖上實(shí)現分層控制展示。站網(wǎng)展示展示內容包括水文站網(wǎng)、河道站網(wǎng)、水質(zhì)監測站網(wǎng)、水土保持監測站網(wǎng)、水生態(tài)保護監測站網(wǎng)、科學(xué)實(shí)驗研究觀(guān)測站網(wǎng)等站網(wǎng)信息的展示，可以通過(guò)疊加站網(wǎng)類(lèi)別控制站網(wǎng)的展示效果。
2) 站點(diǎn)信息可視化查詢(xún)
信息查詢(xún)包括測站基本信息查詢(xún)和站點(diǎn)業(yè)務(wù)數據查詢(xún)。測站基本信息查詢(xún)實(shí)現站點(diǎn)的可視化“捕捉”，可以查詢(xún)并可顯示站點(diǎn)的基本屬性信息，包括站名、站碼、位置、站類(lèi)、站別、測驗項目、測驗方式、管理單位、坐標信息等字段信息。站點(diǎn)業(yè)務(wù)數據查詢(xún)實(shí)現站點(diǎn)相關(guān)業(yè)務(wù)數據的可視化查詢(xún)，可以查詢(xún)其在某一時(shí)間段的業(yè)務(wù)觀(guān)測數據，通過(guò)表格及統計圖表的方式進(jìn)行展示，如實(shí)時(shí)水雨情信息，歷史水文數據、水環(huán)境監測數據等。站點(diǎn)的可視化“捕捉”。
3) 站網(wǎng)規劃分析
站網(wǎng)規劃分析能夠主要是為站網(wǎng)規劃提供決策支撐信息，包括站網(wǎng)密度分析和站點(diǎn)重疊分析兩個(gè)主要模塊。密度分析主要是實(shí)現某一區域內測站的密度分析，區域可以是水系、行政區域或自定義區域。重疊分析是根據設定的距離參數，計算在該參數內存在重疊的測站，予以提示。
7. 結語(yǔ)
長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統是長(cháng)江流域片流域管理水利綜合監測站網(wǎng)規劃項目的重要信息化支撐手段，也是規劃成果的主要展示平臺，系統建設內容涉及長(cháng)江流域設立并管轄的不同類(lèi)型站網(wǎng)，基于多源異構數據組織技術(shù)建立的統一站網(wǎng)信息展示體系和為站網(wǎng)規劃提供決策支撐的不同類(lèi)型站網(wǎng)之間的重疊分析功能是本系統的主要創(chuàng )新點(diǎn)。系統還在水流防真、洪峰演進(jìn)等方面進(jìn)行了研究性開(kāi)發(fā)，充分展示了長(cháng)江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統的可擴展性和能夠為長(cháng)江流域防汛抗旱、水資源管理、水資源保護、河勢穩定等提供信息化決策支持服務(wù)的能力。
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