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基于三維GIS的長江流域水利綜合站網展示系統的設計與實現分析論
1. 引言
長江水利委員會不同單位按照相關職能和業(yè)務需要，在長江流域設立并管轄著不同類型站網，包括水文、水質、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學實驗以及專門為規(guī)劃、設計等方面而設立的站點，承擔著水文、水質、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學實驗等各方面的水利綜合監(jiān)測業(yè)務。由于長江流域片水利綜合監(jiān)測站網的布設范圍廣、站點多、測驗項目多、信息量大，傳統的管理方式無法滿足展現與管理需要。為滿足決策者對站網的分布狀況的掌握、對測站基本信息的了解，對站網基本情況的分析和功能的評價，建設長江流域水利綜合站網展示系統以輔助站網綜合規(guī)劃和管理是十分必要的。
2. 建設目標及意義
根據長江流域片流域管理水利綜合監(jiān)測站網規(guī)劃要求，長江流域水利綜合站網展示系統建設的主要目標就是充分利用長江流域地理信息數據、3D 模型數據，并集合長江流域相關業(yè)務數據庫，基于計算機技術、數據庫技術和GIS 技術，構建站網管理和展示模型，實現全流域地理資源、水網資源、站網數據的管理以及各類站網信息的動態(tài)可視化展示和查詢，及時掌握各類站網信息，為綜合站網的規(guī)劃設計、建設運行提供技術支撐。其具體意義主要體現在以下幾個方面：
1) 通過系統對綜合站網信息進行科學的管理，從而有效避免信息傳遞效率低、信息更新周期長等缺點，實現站網信息管理數字化、查詢可視化、更新迅速化以及信息可擴展化，并為實現優(yōu)勢互補、資源共享，優(yōu)化站網功能，避免重復建設提供決策依據。
2) 通過系統建設，構建一數一源、一點更新的站網基礎信息數據源，并以此為基礎對現有數據組織存儲體系進行升級與完善，與相關業(yè)務數據資源進行整合，構建各個數據資源之間關聯關系和層次關系。促進長江流域各類水利信息資源的整合與共享以及綜合利用與服務。
3) 通過系統建設，將長江流域站網信息與長江流域地理信息相結合，依托三維仿真技術實現可視化管理與服務，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，為長江流域防汛抗旱、水資源管理、水資源保護、河勢穩(wěn)定等提供決策支持服務，從而推進了長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，并結合長江委信息化建設現狀，長江流域水利綜合站網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，站網數據科學化管理和組織的基礎上，實現長江流域片各類監(jiān)測站點的可視化展示和查詢，并通過GIS 空間分析功能，提供多種模式的站網規(guī)劃分析、計算和統計功能，為站網的綜合規(guī)劃和建設管理提供支撐。其主要需求為：
1) 利用長江流域地形DEM 數據，影像DOM 數據，制作全流域渲染底圖，實現行政區(qū)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) 構建長江流域站網信息數據庫，實現站網信息分層、分類標識。并與相關業(yè)務數據庫實現數據關聯。
3) 實現現有的和規(guī)劃的各類測站、斷面的組織與管理，以及站網信息的分層、分類展示。
4) 實現測站站點可視化“捕捉”和站點基本信息查詢和業(yè)務數據查詢。
5) 提供重疊分析，密度分析等多種模式的站網規(guī)劃分析、計算和統計功能。
6) 實現重要站點或水利設施工程的模擬展示，在疊加全江河道地形監(jiān)測信息的情況下，支持流域內重要站點或水利設施工程的仿真模擬展示。
7) 支持相關業(yè)務的可視化分析計算及決策輔助等功能，如水位流量關系、設計暴雨、設計洪水、徑流年內年際分配及地區(qū)組成等，可以為防汛會商、調水調沙等提供可視化決策支撐。
8) 具備良好的開放性和擴展性，為后期的基于站網分布的GIS 應用開發(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，長江流域水利綜合站網展示系統在整合長江流域空間信息、站網信息和業(yè)務信息的基礎上，利用三維仿真軟件Gaea Explore 作為GIS 基礎平臺，通過Gaea Explorer 平臺提供的開發(fā)包開發(fā)客戶端系統，實現站網管理、展示查詢、分析統計等功能，為長江流域基于站網信息資源的信息共享、輔助規(guī)劃、決策支持提供可視化技術支撐，系統的總體框架。長江流域水利綜合站網展示系統由三層架構搭建，分別為數據層、服務層和應用層。
1) 數據層：主要包括三維場景數據、矢量空間數據、站網信息數據以及業(yè)務數據資源。其中三維場景數據為DEM 數據、DOM 數據、三維數據等進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器端;水網水系、行政區(qū)劃數據采用矢量空間數據格式存放在服務器端，通過Gaea Explorer 平臺調用和訪問;站網信息數據是通過對業(yè)務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)務數據資源之間的關聯關系，是站網展示，信息查詢、統計分析的核心信息資源。
2) 服務層：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服務支撐。數據組織管理服務主要用來管理三維場景金字塔結構和矢量數據匹配;數據瓦片服務主要向應用層提供各類數據服務，以便系統方便快捷的訪問和調度;應用功能服務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;三維仿真服務主要提供各類動態(tài)逼真的三維虛擬現實仿真模擬。
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 開發(fā)包所搭建的應用功能，通過繼承平臺已有的功能和新開發(fā)的各項功能，對外提供良好的站網展示、查詢、統計、符號化及制圖等功能，并通過二次開發(fā)實現信息共享、輔助規(guī)劃、決策支持等應用服務功能。
4.2. 技術路線
系統采用三維仿真軟件Gaea Explore 作為GIS 基礎平臺，基于WebGIS 技術，可在網絡環(huán)境下實現海量數據無縫組織、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器端，通過Gaea Explorer 平臺提供的開發(fā)包開發(fā)客戶端系統，實現在線數據訪問和離線(緩存方式)數據訪問。系統利用網絡計算機技術、空間信息分析技術、數理統計與模擬預測技術、虛擬現實技術等，借助數字化和信息化的手段，最大限度利用信息資源。系統設計開發(fā)以數據庫技術、網絡技術和地理信息系統技術為支撐，以空間數據和屬性數據為基礎，通過對空間數據和站網數據的存儲和管理，建立數據管理、站網規(guī)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)過程中采用以下總體技術路線和技術模式，使系統更具較好的實用性、可靠性、安全性和先進性。
1) 高效利用現代網絡體系，充分適應系統各功能的工作特點，采用C/S 模式建立系統總體構。
2) 采用模塊化方式進行開發(fā)，各模塊只處于低耦合狀態(tài)，方便用戶進行功能的擴充與更改，使系統功能實現更具靈活性與可塑性。
3) 利用空間數據引擎，實現對站網數據和流域地理數據進行多時相數據一體化存儲、管理與調度，實現海量數據的快速查詢、分析與計算。
4) 利用多種可視化方式實現站網數據的空間、屬性信息聯合展示、查詢和統計。
5) 采用金字塔數據管理、多維索引機制、虛擬現實(VR)、LOD 分塊調度等技術實現大場景的三維可視化調度，真實再現現實景觀。
5. 關鍵技術
5.1. 多源異構數據組織
長江流域設立并管轄著不同類型站網，包括水文、水質、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學實驗等，承擔著水文、水質、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學實驗等各方面的水利綜合監(jiān)測業(yè)務，各自形成了各自的業(yè)務信息數據庫系統。采用多源異構數據組織的方法，建立綜合站網基礎信息索引數據庫，構建站網基礎信息索引與業(yè)務數據庫基礎信息之間的關聯，實現站網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站網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，又保持各類水文信息各自的獨立性，根據“虛擬化”的基本原理，通過構造相應的信息資源統一組織架構，為用戶提供虛擬化的信息資源開發(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 個體系，以及數據源注冊、數據抽取與轉換、數據源動態(tài)配置、虛擬化信息資源組成和資源開發(fā)應用支撐5 層處理構成。這3 個體系和5 個處理層次，有效保證了各類站網信息資源的原有形態(tài)，并可充分利用各類站網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)訪問
采用Gaea Explorer 平臺提供海量影像數據發(fā)布能力，實現整個長江流域DEM、DOM 數據快速、穩(wěn)定的訪問。數據的存儲性能和訪問性能對整個GIS 應用的性能有著重要的影響作用，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系型數據庫中，能夠對數據進行索引維護、追加、更新、刪除等維護操作，按屬性條件或空間條件來對數據進行各種查詢返回需要的數據，還具備提供長事務、版本、拓撲關系維護等高級功能。
5.3. 穩(wěn)定可靠的緩存技術
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提升用戶體驗也是獲得用戶青睞的重要方法。Gaea 平臺通過采用緩存技術，來減少請求數據服務的次數，直接從內存中獲取已經緩存的數據信息，來大大提高系統響應效率。Web 應用大都將數據保存到RDBMS 中，應用服務器從中讀取數據并在瀏覽器中顯示。但隨著數據量的增大、訪問的集中，就會出現RDBMS 的負擔加重、數據庫響應惡化、網站顯示延遲等重大影響。應用緩存技術，就是為了解決上述問題，使系統能夠基于高速運行的分布式緩存服務器，實現最佳的用戶體驗。第一次訪問從數據庫中取得數據存放到緩存中，第二次訪問從緩存中取得數據進行頁面顯示
5.4. 金字塔圖片引擎和GIS 服務引擎一體化技術
金字塔圖片引擎是將地圖按照比例尺和圖層進行地圖圖片切片，形成無數小文件圖片后由圖片引擎負責在客戶端根據地圖大小將多張圖片拼接形成切片前的效果。ServiceGIS 服務器軟件平臺將地圖圖片引擎統一集成在網絡GIS 服務器中，圖片服務引擎是ServiceGIS 平臺提供服務器的關鍵組成部分，同時，將GIS 圖形引擎也集成在統一的平臺中，在功能上實現對接。地圖服務啟動時，圖片引擎按照預訂的比例尺，自動切圖為靜態(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 軟件平臺將協同GIS 圖形引擎和圖片引擎，按照實際更新范圍進行動態(tài)更新，實現動態(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以外，還提供GIS 服務引擎進行深度GIS 應用分析與空間表達和服務聚合。通過這種模式，不但可以滿足平臺本身需求，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 應用模式中進行服務共享應用。
6. 系統功能
按照長江流域站網綜合規(guī)劃總體要求，結合需求分析，基于3DGIS 的長江流域水利綜合站網展示系統在功能上主要實現了流域影像三維展示、站網信息分類分級展示、站點信息可視化查詢、站網規(guī)劃分析以及基于3DGIS 的長江流域水利綜合站網平臺的擴展支持功能。系統功能結構如圖3 所示。其中站網分類分級展示、站點信息可視化查詢、站網規(guī)劃分析是系統建設中的主要業(yè)務功能。
1) 站網信息分類分級展示
站網展示主要實現站網信息在地圖上的特征標注，以及站網分級、分類展示。站網分級展示支持不同比例尺下的高密度站點的分級展示。站網分類展示主要是按照站點的類別在地圖上實現分層控制展示。站網展示展示內容包括水文站網、河道站網、水質監(jiān)測站網、水土保持監(jiān)測站網、水生態(tài)保護監(jiān)測站網、科學實驗研究觀測站網等站網信息的展示，可以通過疊加站網類別控制站網的展示效果。
2) 站點信息可視化查詢
信息查詢包括測站基本信息查詢和站點業(yè)務數據查詢。測站基本信息查詢實現站點的可視化“捕捉”，可以查詢并可顯示站點的基本屬性信息，包括站名、站碼、位置、站類、站別、測驗項目、測驗方式、管理單位、坐標信息等字段信息。站點業(yè)務數據查詢實現站點相關業(yè)務數據的可視化查詢，可以查詢其在某一時間段的業(yè)務觀測數據，通過表格及統計圖表的方式進行展示，如實時水雨情信息，歷史水文數據、水環(huán)境監(jiān)測數據等。站點的可視化“捕捉”。
3) 站網規(guī)劃分析
站網規(guī)劃分析能夠主要是為站網規(guī)劃提供決策支撐信息，包括站網密度分析和站點重疊分析兩個主要模塊。密度分析主要是實現某一區(qū)域內測站的密度分析，區(qū)域可以是水系、行政區(qū)域或自定義區(qū)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
長江流域水利綜合站網展示系統是長江流域片流域管理水利綜合監(jiān)測站網規(guī)劃項目的重要信息化支撐手段，也是規(guī)劃成果的主要展示平臺，系統建設內容涉及長江流域設立并管轄的不同類型站網，基于多源異構數據組織技術建立的統一站網信息展示體系和為站網規(guī)劃提供決策支撐的不同類型站網之間的重疊分析功能是本系統的主要創(chuàng)新點。系統還在水流防真、洪峰演進等方面進行了研究性開發(fā)，充分展示了長江流域水利綜合站網展示系統的可擴展性和能夠為長江流域防汛抗旱、水資源管理、水資源保護、河勢穩(wěn)定等提供信息化決策支持服務的能力。
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