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基于三維GIS的長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)分析論
1. 引言
長江水利委員會不同單位按照相關(guān)職能和業(yè)務(wù)需要，在長江流域設(shè)立并管轄著不同類型站網(wǎng)，包括水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學實驗以及專門為規(guī)劃、設(shè)計等方面而設(shè)立的站點，承擔著水文、水質(zhì)、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(wù)。由于長江流域片水利綜合監(jiān)測站網(wǎng)的布設(shè)范圍廣、站點多、測驗項目多、信息量大，傳統(tǒng)的管理方式無法滿足展現(xiàn)與管理需要。為滿足決策者對站網(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，建設(shè)長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)以輔助站網(wǎng)綜合規(guī)劃和管理是十分必要的。
2. 建設(shè)目標及意義
根據(jù)長江流域片流域管理水利綜合監(jiān)測站網(wǎng)規(guī)劃要求，長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)建設(shè)的主要目標就是充分利用長江流域地理信息數(shù)據(jù)、3D 模型數(shù)據(jù)，并集合長江流域相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，基于計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和GIS 技術(shù)，構(gòu)建站網(wǎng)管理和展示模型，實現(xiàn)全流域地理資源、水網(wǎng)資源、站網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理以及各類站網(wǎng)信息的動態(tài)可視化展示和查詢，及時掌握各類站網(wǎng)信息，為綜合站網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)運行提供技術(shù)支撐。其具體意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1) 通過系統(tǒng)對綜合站網(wǎng)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(xiàn)站網(wǎng)信息管理數(shù)字化、查詢可視化、更新迅速化以及信息可擴展化，并為實現(xiàn)優(yōu)勢互補、資源共享，優(yōu)化站網(wǎng)功能，避免重復(fù)建設(shè)提供決策依據(jù)。
2) 通過系統(tǒng)建設(shè)，構(gòu)建一數(shù)一源、一點更新的站網(wǎng)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)源，并以此為基礎(chǔ)對現(xiàn)有數(shù)據(jù)組織存儲體系進行升級與完善，與相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源進行整合，構(gòu)建各個數(shù)據(jù)資源之間關(guān)聯(lián)關(guān)系和層次關(guān)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(wù)。
3) 通過系統(tǒng)建設(shè)，將長江流域站網(wǎng)信息與長江流域地理信息相結(jié)合，依托三維仿真技術(shù)實現(xiàn)可視化管理與服務(wù)，并支持與現(xiàn)有防汛抗旱決策支持系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)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(wù)，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(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標，并結(jié)合長江委信息化建設(shè)現(xiàn)狀，長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)要求在對現(xiàn)有全流域地形數(shù)據(jù)、暈渲圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，站網(wǎng)數(shù)據(jù)科學化管理和組織的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)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(wǎng)規(guī)劃分析、計算和統(tǒng)計功能，為站網(wǎng)的綜合規(guī)劃和建設(shè)管理提供支撐。其主要需求為：
1) 利用長江流域地形DEM 數(shù)據(jù)，影像DOM 數(shù)據(jù)，制作全流域渲染底圖，實現(xiàn)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)(省、市界)、地名數(shù)據(jù)、河流湖泊數(shù)據(jù)的組織、加載和顯示控制。
2) 構(gòu)建長江流域站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)站網(wǎng)信息分層、分類標識。并與相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。
3) 實現(xiàn)現(xiàn)有的和規(guī)劃的各類測站、斷面的組織與管理，以及站網(wǎng)信息的分層、分類展示。
4) 實現(xiàn)測站站點可視化“捕捉”和站點基本信息查詢和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢。
5) 提供重疊分析，密度分析等多種模式的站網(wǎng)規(guī)劃分析、計算和統(tǒng)計功能。
6) 實現(xiàn)重要站點或水利設(shè)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(nèi)重要站點或水利設(shè)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(shè)計暴雨、設(shè)計洪水、徑流年內(nèi)年際分配及地區(qū)組成等，可以為防汛會商、調(diào)水調(diào)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(wǎng)分布的GIS 應(yīng)用開發(fā)提供擴展接口。
4. 系統(tǒng)設(shè)計
4.1. 總體架構(gòu)
按照建設(shè)目標和總體需求，長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)在整合長江流域空間信息、站網(wǎng)信息和業(yè)務(wù)信息的基礎(chǔ)上，利用三維仿真軟件Gaea Explore 作為GIS 基礎(chǔ)平臺，通過Gaea Explorer 平臺提供的開發(fā)包開發(fā)客戶端系統(tǒng)，實現(xiàn)站網(wǎng)管理、展示查詢、分析統(tǒng)計等功能，為長江流域基于站網(wǎng)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(shù)支撐，系統(tǒng)的總體框架。長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)由三層架構(gòu)搭建，分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。
1) 數(shù)據(jù)層：主要包括三維場景數(shù)據(jù)、矢量空間數(shù)據(jù)、站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源。其中三維場景數(shù)據(jù)為DEM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等進行融合匹配后形成的三維金字塔瓦片數(shù)據(jù)庫，采用文件方式存放在服務(wù)器端;水網(wǎng)水系、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)采用矢量空間數(shù)據(jù)格式存放在服務(wù)器端，通過Gaea Explorer 平臺調(diào)用和訪問;站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)是通過對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是站網(wǎng)展示，信息查詢、統(tǒng)計分析的核心信息資源。
2) 服務(wù)層：主要由Gaea Explorer 三維數(shù)字地球綜合應(yīng)用與虛擬仿真平臺提供的各類服務(wù)支撐。數(shù)據(jù)組織管理服務(wù)主要用來管理三維場景金字塔結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)匹配;數(shù)據(jù)瓦片服務(wù)主要向應(yīng)用層提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)，以便系統(tǒng)方便快捷的訪問和調(diào)度;應(yīng)用功能服務(wù)主要提供平臺內(nèi)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)主要提供各類動態(tài)逼真的三維虛擬現(xiàn)實仿真模擬。
3) 應(yīng)用層：為基于Gaea Explorer 三維數(shù)字地球綜合應(yīng)用與虛擬仿真平臺提供的SDK 開發(fā)包所搭建的應(yīng)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(wǎng)展示、查詢、統(tǒng)計、符號化及制圖等功能，并通過二次開發(fā)實現(xiàn)信息共享、輔助規(guī)劃、決策支持等應(yīng)用服務(wù)功能。
4.2. 技術(shù)路線
系統(tǒng)采用三維仿真軟件Gaea Explore 作為GIS 基礎(chǔ)平臺，基于WebGIS 技術(shù)，可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)無縫組織、管理和可視化。采用C/S 架構(gòu)搭建，所有的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、信息資料等存放于服務(wù)器端，通過Gaea Explorer 平臺提供的開發(fā)包開發(fā)客戶端系統(tǒng)，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)訪問和離線(緩存方式)數(shù)據(jù)訪問。系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù)、空間信息分析技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計與模擬預(yù)測技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，借助數(shù)字化和信息化的手段，最大限度利用信息資源。系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)以數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)為支撐，以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對空間數(shù)據(jù)和站網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲和管理，建立數(shù)據(jù)管理、站網(wǎng)規(guī)劃輔助分析和三維綜合展示為一體的綜合展示系統(tǒng)。在系統(tǒng)研發(fā)過程中采用以下總體技術(shù)路線和技術(shù)模式，使系統(tǒng)更具較好的實用性、可靠性、安全性和先進性。
1) 高效利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)體系，充分適應(yīng)系統(tǒng)各功能的工作特點，采用C/S 模式建立系統(tǒng)總體構(gòu)。
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(tǒng)功能實現(xiàn)更具靈活性與可塑性。
3) 利用空間數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)對站網(wǎng)數(shù)據(jù)和流域地理數(shù)據(jù)進行多時相數(shù)據(jù)一體化存儲、管理與調(diào)度，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速查詢、分析與計算。
4) 利用多種可視化方式實現(xiàn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間、屬性信息聯(lián)合展示、查詢和統(tǒng)計。
5) 采用金字塔數(shù)據(jù)管理、多維索引機制、虛擬現(xiàn)實(VR)、LOD 分塊調(diào)度等技術(shù)實現(xiàn)大場景的三維可視化調(diào)度，真實再現(xiàn)現(xiàn)實景觀。
5. 關(guān)鍵技術(shù)
5.1. 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)組織
長江流域設(shè)立并管轄著不同類型站網(wǎng)，包括水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學實驗等，承擔著水文、水質(zhì)、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(wù)，各自形成了各自的業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)組織的方法，建立綜合站網(wǎng)基礎(chǔ)信息索引數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建站網(wǎng)基礎(chǔ)信息索引與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)信息之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)站網(wǎng)基礎(chǔ)信息的統(tǒng)一組織。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)組織的基本思路是認同各類站網(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(gòu)的信息，組織成統(tǒng)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(jù)“虛擬化”的基本原理，通過構(gòu)造相應(yīng)的信息資源統(tǒng)一組織架構(gòu)，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(tǒng)一組織架構(gòu)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(shù)據(jù)源注冊、數(shù)據(jù)抽取與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)源動態(tài)配置、虛擬化信息資源組成和資源開發(fā)應(yīng)用支撐5 層處理構(gòu)成。這3 個體系和5 個處理層次，有效保證了各類站網(wǎng)信息資源的原有形態(tài)，并可充分利用各類站網(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(gòu)的水文數(shù)據(jù)集，提供基本參考模型。
5.2. 海量數(shù)據(jù)并發(fā)訪問
采用Gaea Explorer 平臺提供海量影像數(shù)據(jù)發(fā)布能力，實現(xiàn)整個長江流域DEM、DOM 數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定的訪問。數(shù)據(jù)的存儲性能和訪問性能對整個GIS 應(yīng)用的性能有著重要的影響作用，所以空間數(shù)據(jù)庫引擎的功能和性能對GIS 應(yīng)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(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲到多種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)?shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行各種查詢返回需要的數(shù)據(jù)，還具備提供長事務(wù)、版本、拓撲關(guān)系維護等高級功能。
5.3. 穩(wěn)定可靠的緩存技術(shù)
平臺的優(yōu)劣不僅僅體現(xiàn)在架構(gòu)、界面和操作深度上，提高系統(tǒng)響應(yīng)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(shù)，來減少請求數(shù)據(jù)服務(wù)的次數(shù)，直接從內(nèi)存中獲取已經(jīng)緩存的數(shù)據(jù)信息，來大大提高系統(tǒng)響應(yīng)效率。Web 應(yīng)用大都將數(shù)據(jù)保存到RDBMS 中，應(yīng)用服務(wù)器從中讀取數(shù)據(jù)并在瀏覽器中顯示。但隨著數(shù)據(jù)量的增大、訪問的集中，就會出現(xiàn)RDBMS 的負擔加重、數(shù)據(jù)庫響應(yīng)惡化、網(wǎng)站顯示延遲等重大影響。應(yīng)用緩存技術(shù)，就是為了解決上述問題，使系統(tǒng)能夠基于高速運行的分布式緩存服務(wù)器，實現(xiàn)最佳的用戶體驗。第一次訪問從數(shù)據(jù)庫中取得數(shù)據(jù)存放到緩存中，第二次訪問從緩存中取得數(shù)據(jù)進行頁面顯示
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行地圖圖片切片，形成無數(shù)小文件圖片后由圖片引擎負責在客戶端根據(jù)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(tǒng)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，將GIS 圖形引擎也集成在統(tǒng)一的平臺中，在功能上實現(xiàn)對接。地圖服務(wù)啟動時，圖片引擎按照預(yù)訂的比例尺，自動切圖為靜態(tài)圖片，并建立圖片金字塔，統(tǒng)一對外。地圖引擎的地圖內(nèi)容更新后，ServiceGIS 軟件平臺將協(xié)同GIS 圖形引擎和圖片引擎，按照實際更新范圍進行動態(tài)更新，實現(xiàn)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(wù)以外，還提供GIS 服務(wù)引擎進行深度GIS 應(yīng)用分析與空間表達和服務(wù)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(tǒng)只能在C/S 應(yīng)用模式應(yīng)用的空間分析功能在B/S 應(yīng)用模式中進行服務(wù)共享應(yīng)用。
6. 系統(tǒng)功能
按照長江流域站網(wǎng)綜合規(guī)劃總體要求，結(jié)合需求分析，基于3DGIS 的長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)在功能上主要實現(xiàn)了流域影像三維展示、站網(wǎng)信息分類分級展示、站點信息可視化查詢、站網(wǎng)規(guī)劃分析以及基于3DGIS 的長江流域水利綜合站網(wǎng)平臺的擴展支持功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中站網(wǎng)分類分級展示、站點信息可視化查詢、站網(wǎng)規(guī)劃分析是系統(tǒng)建設(shè)中的主要業(yè)務(wù)功能。
1) 站網(wǎng)信息分類分級展示
站網(wǎng)展示主要實現(xiàn)站網(wǎng)信息在地圖上的特征標注，以及站網(wǎng)分級、分類展示。站網(wǎng)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(wǎng)分類展示主要是按照站點的類別在地圖上實現(xiàn)分層控制展示。站網(wǎng)展示展示內(nèi)容包括水文站網(wǎng)、河道站網(wǎng)、水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)、水土保持監(jiān)測站網(wǎng)、水生態(tài)保護監(jiān)測站網(wǎng)、科學實驗研究觀測站網(wǎng)等站網(wǎng)信息的展示，可以通過疊加站網(wǎng)類別控制站網(wǎng)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(wù)數(shù)據(jù)查詢。測站基本信息查詢實現(xiàn)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(wù)數(shù)據(jù)查詢實現(xiàn)站點相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化查詢，可以查詢其在某一時間段的業(yè)務(wù)觀測數(shù)據(jù)，通過表格及統(tǒng)計圖表的方式進行展示，如實時水雨情信息，歷史水文數(shù)據(jù)、水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等。站點的可視化“捕捉”。
3) 站網(wǎng)規(guī)劃分析
站網(wǎng)規(guī)劃分析能夠主要是為站網(wǎng)規(guī)劃提供決策支撐信息，包括站網(wǎng)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(xiàn)某一區(qū)域內(nèi)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(jù)設(shè)定的距離參數(shù)，計算在該參數(shù)內(nèi)存在重疊的測站，予以提示。
7. 結(jié)語
長江流域水利綜合站網(wǎng)展示系統(tǒng)是長江流域片流域管理水利綜合監(jiān)測站網(wǎng)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(tǒng)建設(shè)內(nèi)容涉及長江流域設(shè)立并管轄的不同類型站網(wǎng)，基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)組織技術(shù)建立的統(tǒng)一站網(wǎng)信息展示體系和為站網(wǎng)規(guī)劃提供決策支撐的不同類型站網(wǎng)之間的重疊分析功能是本系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點。系統(tǒng)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(wǎng)展示系統(tǒng)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(wù)的能力。
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