基于WebGIS的灌區(qū)地理信息系統(tǒng)建設(shè)

化雪梅

（甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400）

0 前言

“數(shù)字水利”作為數(shù)字中國(guó)的有效組成部分[1]，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)和利用水利信息資源，包括水利信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理，全面提升水利事業(yè)活動(dòng)的效能和效率。

建設(shè)“數(shù)字水利”，最重要的內(nèi)涵是運(yùn)用。要充分實(shí)現(xiàn)水利信息資源共享，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)布信息，為社會(huì)服務(wù)；要使政府的決策建立在及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的信息基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)管理。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）將是地理信息系統(tǒng) GIS 應(yīng)用走向社會(huì)化、公眾化的有效途徑，也將成為簡(jiǎn)化辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的有效手段。用戶可以利用 WebGIS 技術(shù)以 WWW 方式獲得地圖數(shù)據(jù)及相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。而將 WebGIS 應(yīng)用在水利系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是：能夠把灌區(qū)灌溉業(yè)務(wù)和水利防汛抗旱業(yè)務(wù)中的各種信息與反映空間位置的圖形信息有機(jī)地結(jié)合在一起，根據(jù)用戶的需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并提供決策支持。

WebGIS 是當(dāng)前 GIS 技術(shù)熱點(diǎn)，建設(shè)基于WebGIS 的灌區(qū)地理信息系統(tǒng)，是促進(jìn)和推廣 GIS 在水利部門(mén)中應(yīng)用的有效方法[2]。為此甘肅省景泰川電力提灌管理局（以下簡(jiǎn)稱景電管理局）建設(shè)了基于 WebGIS 的景電灌區(qū)地理信息系統(tǒng)。

1 WebGIS 的概念

GIS 是近年發(fā)展起來(lái)的對(duì)地理環(huán)境有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究的一種空間信息管理系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件支持下對(duì)空間信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、分析和輸出，并為用戶提供決策支持的綜合性技術(shù)。它利用計(jì)算機(jī)建立地理數(shù)據(jù)庫(kù)，將地理環(huán)境的各種要素，包括它們的地理空間分布狀況和所具有的屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字存貯，建立有效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)多要素的綜合分析，方便快速地獲取信息，并以圖形、數(shù)字和多媒體等方式表示結(jié)果。

WebGIS 采用分布式組件（DCOM、Java Bean），以 Web 技術(shù)為基礎(chǔ)，使用 3 層體系結(jié)構(gòu)，把各個(gè)子模塊分為事務(wù)處理邏輯組件和前端用戶界面。前端用戶界面可以為 Web 頁(yè)面，也可以為自定義的用戶界面，而所有模塊的事務(wù)處理邏輯組件均發(fā)布在事務(wù)處理服務(wù)器上。采用組件模型搭建系統(tǒng)降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度和工作量，也為系統(tǒng)提供了良好的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，當(dāng)系統(tǒng)功能增加時(shí)只需要增加相應(yīng)的功能組件，修改 1 個(gè)功能組件不需要對(duì)其它組件做大量的改動(dòng)。在組件開(kāi)發(fā)方式上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，以面向?qū)ο蠓治觯∣OA）和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)作為整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基石，從而使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、良好的升級(jí)能力從最根本上得到保證。

2 灌區(qū)地理信息系統(tǒng)建設(shè)情況

甘肅省景泰川電力提灌工程，北倚騰格里沙漠，東臨黃河，南靠長(zhǎng)嶺山。灌區(qū)橫跨甘、蒙 2 省區(qū)，白銀、武威、內(nèi)蒙阿拉善盟 3 市（盟），景泰、古浪、民勤、左旗 4 縣（旗）。景電工程是一項(xiàng)跨省區(qū)、跨流域、高揚(yáng)程、高耗能、多梯級(jí)、大流量的大 Ⅱ 型水利電力提灌工程。

景電灌區(qū)提灌工程采取分期建設(shè)方式，一期工程于 1969 年開(kāi)工建設(shè)，1974 年竣工；二期工程于 1984年開(kāi)工建設(shè)，1999 年竣工；景電二期延伸民勤調(diào)水工程是一項(xiàng)利用景電二期工程的灌溉間隙和空閑容量向民勤調(diào)水，以緩解民勤水資源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)的應(yīng)急工程，1995 年開(kāi)工建設(shè)，2000 年基本建成。

景電灌區(qū)目前已建成總干及干渠泵站 18 級(jí)（座），支渠泵站 12 座，共安裝機(jī)組 203 臺(tái)（套），建成總干渠及干渠 3 條，總干渠及干渠建筑物 375座，支渠 43 條，支渠渠道建筑物 2112 座，量水堰 782 座。有泵站 43 座，總裝機(jī) 25.97 萬(wàn) kW，控制灌溉面積 6.67 萬(wàn) hm2。

經(jīng)過(guò) 30 多年的運(yùn)行管理，景電工程產(chǎn)生了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。解決了灌區(qū) 40 萬(wàn)人和 100 多萬(wàn)頭牲畜的飲水，提高了灌區(qū)糧食和經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量，增加了灌區(qū)林木覆蓋率，阻止了騰格里沙漠的南侵，灌區(qū)小氣候得到了改善。

隨著現(xiàn)代科學(xué)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，景電灌區(qū)水管理技術(shù)也在不斷更新，逐步朝著自動(dòng)化、信息化的方向發(fā)展。1995 年灌區(qū)建立了對(duì)等局域網(wǎng)，1996 年投入景電二期計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，1998 年從美國(guó)引進(jìn) 2 套太陽(yáng)能控制閘門(mén)系統(tǒng)，又先后在 2001 年開(kāi)始的中日技術(shù)合作項(xiàng)目安裝了 19 套太陽(yáng)能閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)和 GIS 系統(tǒng)，初步構(gòu)建了灌區(qū)水管理信息化的平臺(tái)。

2002 年，甘肅省景電灌區(qū)被列為全國(guó)大型灌區(qū)信息化建設(shè)試點(diǎn)灌區(qū)之一。在此環(huán)境下，景電灌區(qū)于2003 年建立景電一期泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，2004 年在原有的局域網(wǎng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)內(nèi)用戶共享式 2 M 寬帶訪問(wèn)國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，2004 年圖像監(jiān)控系統(tǒng)投入運(yùn)行。2005 年更新了一個(gè)以千兆為主干、百兆到桌面的高速局域網(wǎng)，在 C/S 和 B/S 模式下，實(shí)現(xiàn)集信息采集、傳輸和處理、生產(chǎn)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)辦公（包括行政事務(wù)、日常辦公、文檔管理、綜合信息管理、個(gè)人事務(wù)、系統(tǒng)管理、人事管理、財(cái)務(wù)管理、水費(fèi)管理、移動(dòng)辦公、視頻會(huì)議等）為一體的景電灌區(qū)水管理信息系統(tǒng)，并使之覆蓋包括基層 43 座泵站、8 個(gè)水管所在內(nèi)的所有辦公區(qū)域，逐步向少紙和無(wú)紙辦公邁進(jìn)。

“十五”期間，遙感（RS）、GIS、全球定位系統(tǒng)（GPS）、管理信息系統(tǒng)（MIS）等現(xiàn)代信息技術(shù)在灌區(qū)生產(chǎn)研發(fā)項(xiàng)目中的應(yīng)用明顯加快，灌區(qū)構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 WebGIS 信息發(fā)布和研發(fā)平臺(tái)，以及高性能支持并行計(jì)算的大型水利水電科學(xué)計(jì)算試驗(yàn)平臺(tái)?；?WebGIS 的信息傳輸、存貯、研究開(kāi)發(fā)，已經(jīng)成為景電管理局科研、生產(chǎn)、技術(shù)開(kāi)發(fā)和管理的基礎(chǔ)性支撐手段及工具。利用 GIS 在空間分析和空間數(shù)據(jù)管理中的優(yōu)勢(shì)，景電灌區(qū)建立了 WebGIS 的灌區(qū)地理信息系統(tǒng)。

景電灌區(qū)地理信息系統(tǒng)是以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以高速安全可靠的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為手段，以 3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)和決策支持系統(tǒng)為核心的現(xiàn)代化灌區(qū)管理系統(tǒng)。涉及土地、水利、設(shè)備等各個(gè)方面的大量動(dòng)態(tài)信息，應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的傳輸。

3 灌區(qū)地理信息系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容與原則

3.1 建設(shè)內(nèi)容

景電灌區(qū)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)是軟硬件系統(tǒng)的綜合集成，是數(shù)據(jù)與開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一體現(xiàn)，是開(kāi)發(fā)和管理的統(tǒng)一過(guò)程。具體建設(shè)內(nèi)容如下：

（1）建立以 1：500 和 1：10000 地形圖為核心的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)；

（2）建立泵站機(jī)電設(shè)備、渠系（包括總干渠、干渠、支渠、斗渠）及其水工建筑物、工程道路、景電水利通信設(shè)備、電力線路、變電站等基礎(chǔ)設(shè)施的專有圖層空間數(shù)據(jù)庫(kù)；

（3）建立基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建設(shè)、維修等檔案資料的數(shù)據(jù)庫(kù)，存貯圖、文、表格等形式的資料；

（4）建立渠系和渠系建筑物分布圖、灌區(qū)道路圖、泵站分布圖、灌區(qū)面積分布圖、灌區(qū)變電站分布圖、景電水利通信光纜布設(shè)圖、灌區(qū)電網(wǎng)圖等專題圖；建立村莊、人口和林木分布及灌區(qū)三維圖。

3.2 建設(shè)原則

景電灌區(qū)基礎(chǔ)地理系統(tǒng)的建立，是為景電灌區(qū)現(xiàn)代信息化管理提供一整套標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)支撐平臺(tái)和環(huán)境，為最終實(shí)現(xiàn)電子化無(wú)紙辦公提供可靠的空間數(shù)據(jù)保證，因此，在建設(shè)中應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：

（1）規(guī)范化。系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，力求最大限度地與現(xiàn)有的有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)保持一致，參考引用有關(guān)研究成果，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)遵循建設(shè)部、國(guó)家測(cè)繪局、建設(shè)廳等制定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并做出必要補(bǔ)充。

（2）系統(tǒng)性。在信息分類、編碼、分層、格式，數(shù)據(jù)監(jiān)理、轉(zhuǎn)換、入庫(kù)、更新，數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用等方面制定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)方案，為數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理與應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程服務(wù)。

（3）開(kāi)放性。景電灌區(qū)基礎(chǔ)地理系統(tǒng)是面向今后的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，在信息分類、編碼體系、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、功能框架等方面應(yīng)充分考慮兼容性和可擴(kuò)充性，形成開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。

（4）適用性。系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)建設(shè)單位，景電灌區(qū)規(guī)劃建設(shè)局的實(shí)際流程、技術(shù)基礎(chǔ)，確保所制定的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方案的可行與適用。

4 灌區(qū)地理信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想上以圖（圖形、圖像）為基礎(chǔ)，在灌區(qū)平面圖上管理灌區(qū)內(nèi)的各種信息，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)管理相結(jié)合，并借助其獨(dú)有的空間分析功能和可視化的表達(dá)方式，提供各種輔助決策功能。

4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)在 Windows XP 環(huán)境下開(kāi)發(fā)，采用SuperMap 管理空間數(shù)據(jù)，選用 SQL Server 2000 Enterprise 作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，統(tǒng)一管理空間與非空間數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用 B/S 和 C/S 相結(jié)合的模式，B/S：瀏覽器/服務(wù)器軟件體系結(jié)構(gòu)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)信息共享發(fā)布；C/S：客戶/服務(wù)器軟件體系結(jié)構(gòu)，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的管理和維護(hù)，2 者有機(jī)地結(jié)合組成一個(gè)整體。根據(jù)需求，系統(tǒng)劃分為查詢、圖形瀏覽、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、統(tǒng)計(jì)分析、輸出、系統(tǒng)維護(hù)等模塊。

4.3 技術(shù)路線

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，涉及的數(shù)據(jù)包括圖形數(shù)據(jù)和相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，為了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的靈活性，在建庫(kù)時(shí)采用 2 者分開(kāi)設(shè)計(jì)的原則。

4.3.1 面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆椒?，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用統(tǒng)一軟件過(guò)程 RUP 的方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)分析、軟件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和文檔生成，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)符合軟件工程的規(guī)范，開(kāi)發(fā)出規(guī)范化的，具有較高可移植性、可靠性的軟件，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率。

4.3.2 采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)

系統(tǒng)將采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理空間和屬性數(shù)據(jù)，確?？臻g和非空間數(shù)據(jù)的一體化集成。SuperMap GIS 5 軟件提供了對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的編程接口。

4.3.3 C/S 結(jié)構(gòu)與 Internet/Intranet 技術(shù)

對(duì)于需要處理大量圖形數(shù)據(jù)的應(yīng)用，為了提高運(yùn)行效率，將充分應(yīng)用 C/S 結(jié)構(gòu)，基于 3 層模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)；對(duì)于數(shù)據(jù)查詢和瀏覽應(yīng)用，將盡最大可能地應(yīng)用Internet/Intranet 技術(shù)，通過(guò) Internet 發(fā)布空間和非空間信息，為將來(lái)全面過(guò)渡到 Internet/Intranet 模式奠定基礎(chǔ)。

4.3.4 全組件式與 Internet GIS 技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于客戶端軟件的開(kāi)發(fā)，采用 SuperMap GIS 5進(jìn)行開(kāi)發(fā)。GIS 的功能從數(shù)據(jù)輸入、編輯、處理（建立拓?fù)潢P(guān)系）、查詢顯示、分析（拓?fù)涞?、網(wǎng)絡(luò)分析、柵格分析、TIN）和制圖輸出全部封裝成組件，可以根據(jù)用戶需要，自由定制，其目標(biāo)是使 SuperMap 成為 GIS 的 CPU，基于 GIS CPU 開(kāi)發(fā)出各種 GIS 應(yīng)用軟件。在 SuperMap GIS 5 的基礎(chǔ)上，利用 SuperMap IS .NET 實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的 Internet發(fā)布。SuperMap 支持的 GIS 數(shù)據(jù)可以根據(jù)應(yīng)用的需要，稍作調(diào)整，便可由 Internet 網(wǎng)站中 SuperMap IS.NET 服務(wù)器發(fā)布。SuperMap IS .NET 能與 Microsoft的 IIS（Internet Information Server）或其它 Web 服務(wù)器集成，可以實(shí)現(xiàn) GIS Web 服務(wù)器的群集，提高信息發(fā)布的效率。除了發(fā)布二維 GIS 數(shù)據(jù)，還可以通過(guò) SuperMap 3D 組件發(fā)布三維 GIS 數(shù)據(jù)。SuperMap IS.NET 能夠滿足系統(tǒng) GIS 數(shù)據(jù)的 Internet 發(fā)布要求。

4.3.5 XML技術(shù)的應(yīng)用[3]

GIS 信息是空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的結(jié)合，信息量大，位置分散，信息的存貯格式也多種多樣，這就需要采用統(tǒng)一的表達(dá)方式來(lái)組織這些數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽器和服務(wù)器之間的信息交互，本系統(tǒng)采用 Microsoft 提供的 XML 相關(guān)組件，將有利于數(shù)據(jù)的共享與交換。

4.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)

灌區(qū)管理中用水管理是核心，一個(gè)灌區(qū)合理灌溉、科學(xué)用水、提高灌溉用水利用率的一切措施，均取決于準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)的灌溉用水管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息的采集、處理、加工、存貯、傳輸、反饋等。景電工程主要有總干渠、支渠、斗渠道、泵站、水管所及其配套渠系建筑物，使它們及它們的相關(guān)信息清晰、準(zhǔn)確地直觀顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，供決策者通過(guò)圖形宏觀地了解和把握灌區(qū)用水的總體情況，又能查詢各種情況，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入開(kāi)發(fā)和廣泛利用灌區(qū)管理的信息資源，包括信息的采集、傳輸、存貯和處理等，大大提高信息采集和加工的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r(shí)效性，做出及時(shí)、準(zhǔn)確的反饋和預(yù)測(cè)，為灌區(qū)管理部門(mén)提供科學(xué)的決策依據(jù)和提高管理效率、降低管理成本，促進(jìn)灌區(qū)實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理和高效管理。

5 結(jié)語(yǔ)

將 GIS 技術(shù)引入灌區(qū)管理，實(shí)現(xiàn)地理信息與管理信息相結(jié)合，使灌區(qū)供/需水、工程分布等數(shù)據(jù)顯示直觀化，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)和水管所及測(cè)控站信息的及時(shí)上報(bào)和共享，以及景電管理局各部門(mén)信息的輸入、存貯、處理、綜合分析、結(jié)果輸出，極大地提高了管理效率。通過(guò) WebGIS 技術(shù)，管理單位能夠通過(guò)圖形宏觀地了解、把握灌區(qū)的總體情況；通過(guò)查詢手段了解各種情況，管理部門(mén)的信息得到及時(shí)反饋，促進(jìn)了灌區(qū)管理水平的現(xiàn)代化；使決策建立在及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的信息基礎(chǔ)之上，真正實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水利信息資源共享，提升灌溉管理水平。

[1]劉德利，張亞雙. 基于 MapX 的水資源信息查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 吉林水利，2006，(3)：5～7.

[2]沈翼軍，鄭銘，徐進(jìn)，等. 基于 GIS 的水資源管理決策系統(tǒng)[J]. 排灌機(jī)械，2004，22 (2)：34～38.

[3]鄧凱，藺啟忠，王菁. 基于 XML 的實(shí)時(shí) WebGIS 優(yōu)化模型的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2003，(6)：4～7.