水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)模型研究

高紅光，魏 強，武將偉

（1．內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院，010020，呼和浩特；2．內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪院，010051，呼和浩特）

水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)模型研究

高紅光1，魏 強2，武將偉1

（1．內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設計院，010020，呼和浩特；2．內(nèi)蒙古自治區(qū)測繪院，010051，呼和浩特）

水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)采用ArcServer作為GIS的設計平臺，以ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)管理引擎，以面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型Geodatabase作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的邏輯設計基礎。系統(tǒng)的設計從整體出發(fā)，為系統(tǒng)建設做好長遠規(guī)劃，在實施上實行“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施”的方案，系統(tǒng)具有可擴展性，以保證該系統(tǒng)的可持續(xù)性利用。

網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)；水利水電；數(shù)據(jù)庫；ArcGIS；ArcServer

一、技術背景及軟件開發(fā)平臺分析

地理信息是水利工作的重要基礎信息之一，85%以上的信息都跟地理信息相關。水利行業(yè)傳統(tǒng)的地理信息處理方式已經(jīng)被科技進步所淘汰，需要運用先進的信息管理手段來提高工作效率，推進信息化建設進程。在近20年間，隨著計算機科技迅速發(fā)展，基于地理信息系統(tǒng)、遙感、全球定位 （GIS、RS、GNSS統(tǒng)稱3S）技術、OA技術、虛擬現(xiàn)實技術、通信技術等的日趨成熟，并廣泛使用在水利行業(yè)，為水利行業(yè)信息管理的標準化、網(wǎng)絡化、空間化提供了有效可靠的工具。隨著水利信息化建設的推廣和深入,GIS在水利水電行業(yè)的應用和研究已經(jīng)相當成熟。到目前為止GIS已經(jīng)在防洪減災、水資源管理、水環(huán)境與水土保持、城市水利和水利水電工程建設與管理等領域起到了重要作用。

隨著Internet技術和地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各行業(yè)對GIS的要求也發(fā)生了很大的變化，以往多用于單一部門內(nèi)部的GIS系統(tǒng)已無法滿足信息化時代信息分布和資源共享的需求，基于網(wǎng)絡的地理信息系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)(WebGIS)是GIS技術與Internet/ Intranet技術結(jié)合而產(chǎn)生和發(fā)展起來的新技術，對于大范圍廣泛分布的多客戶端GIS應用具有操作簡單、管理方便和運維成本低等明顯的優(yōu)越性?；赪ebGIS技術研發(fā)構建的水利水電信息系統(tǒng)，能夠方便的嵌入已有的專業(yè)模型和專家知識，在豐富系統(tǒng)功能和提高系統(tǒng)性能的同時，更加有效地提高系統(tǒng)的標準化、可視化、集成化程度，縮短建設周期、降低開發(fā)成本、提高研發(fā)效率，大幅度提高系統(tǒng)的實用價值和綜合效益。為此提出了一種基于網(wǎng)絡的水利水電地理信息系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)在ArcServer軟件平臺下二次開發(fā)實現(xiàn)水利水電空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的分層管理、為水利水電提供空間顯示、查詢、檢索、專題數(shù)據(jù)管理、分析、決策、模擬等功能，并利用ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎統(tǒng)一調(diào)用管理在Oracle數(shù)據(jù)庫中存儲的地理信息數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為水利水電信息的管理規(guī)劃提供一個科學的、先進的、方便的管理手段。

相對于其他的 GIS商用軟件，ESRI的ArcGIS系列產(chǎn)品有著四十多年的歷史，技術成熟、安全穩(wěn)定。ArcGIS有著強大的空間分析和空間數(shù)據(jù)處理能力，包括網(wǎng)絡分析、拓撲分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析等，空間分析處理速度快、性能可靠，嚴密的數(shù)學模型提供了科學的計算結(jié)果和決策依據(jù)；提供豐富的數(shù)據(jù)編輯工具和專業(yè)的制圖功能，系統(tǒng)界面友好，操作簡便；支持多種數(shù)據(jù)格式，全球幾乎所有的GIS軟件都支持ArcGIS的數(shù)據(jù)格式，而且我國各級測繪部門發(fā)布的測繪地理信息數(shù)據(jù)都采用ArcGIS的格式；是一個可伸縮的、全面的GIS平臺，由于ArcGIS系列軟件采用相同的核心技術，為系統(tǒng)資源的共享、系統(tǒng)的無縫升級、數(shù)據(jù)和應用功能的平滑移植提供了有力的保障，可以根據(jù)不同應用階段的需求，統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施，在構建系統(tǒng)時有著極大的延展性和靈活性；ArcObjects包含了大量的可編程組件，提供了一個全面強大的二次開發(fā)平臺；地理數(shù)據(jù)模型引入了全新的面向?qū)ο蟮腉eoDatabase空間數(shù)據(jù)模型。

圖1 水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)總體結(jié)構

二、水利水電信息系統(tǒng)結(jié)構設計

水利水電信息系統(tǒng)結(jié)構的設計應該從系統(tǒng)整體出發(fā)，設計中應遵循實用性原則、標準化規(guī)范化原則、可行性原則、可擴充性原則、成本效益優(yōu)化原則、先進性原則。水利水電網(wǎng)絡系統(tǒng)的最終目的是實現(xiàn)水利信息管理的信息化和網(wǎng)絡化，這種融合多種信息、多種技術于一體的龐大的信息系統(tǒng)將歷時很長時間，在實施上必須實行“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施”的方案，在軟件平臺的選擇上務必要求具有很好的可擴展性，以保證該系統(tǒng)的可持續(xù)性利用。

為滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享以及系統(tǒng)的集成性，我們采用B/S（Browse瀏覽器/Server服務器方式）＋C/S（Client客戶端/Server服務器方式）的方式，B/ S方式主要滿足系統(tǒng)用戶的瀏覽和查詢，客戶端方式主要滿足對本系統(tǒng)的維護。當用戶不需要進行數(shù)據(jù)的維護時可以通過 Internet來登錄系統(tǒng)，如果需要維護則可以登錄C/S系統(tǒng)，這樣既擴大了系統(tǒng)的使用面又節(jié)省了成本，具有較高的性價比。

該系統(tǒng)的結(jié)構如圖1所示，該體系架構分為三層：數(shù)據(jù)服務層、應用服務層和用戶層。用戶層的主要人員由兩部分組成：一是系統(tǒng)管理員，主要負責水利水電數(shù)據(jù)的維護、管理，如修改、更新等；二是客戶端用戶，即一般用戶（水利部門的領導、員工以及其他用戶），主要是在網(wǎng)絡環(huán)境下，以網(wǎng)絡瀏覽器、移動設備、ArcGIS Desktop為工具，瀏覽、查詢、分析水利水電數(shù)據(jù)。應用層主要是為用戶操作和瀏覽水利水電信息提供一個媒介，為用戶和數(shù)據(jù)之間搭建一個橋梁。數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的靈魂和基礎，數(shù)據(jù)層主要負責對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的管理和存放，可分為圖形屬性數(shù)據(jù)庫和多媒體、實時數(shù)據(jù)庫兩部分。數(shù)據(jù)庫管理主要是用戶權限管理、參數(shù)設置、地圖索引以及日志管理等。

三、該系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)庫建設與設計

水利水電 GIS數(shù)據(jù)主要分成兩大部分：圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)主要是用作水利水電地理信息系統(tǒng)的背景，用來標示水系、河流、水庫等水利設施的位置，主要以矢量地形圖 （DLG）數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）或衛(wèi)星影像、航測影像（DOM）為背景底圖。屬性數(shù)據(jù)主要是指實時雨水情數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水情汛情統(tǒng)計數(shù)據(jù)、防洪工程數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟信息數(shù)據(jù)等。利用 ArcGIS的 Geodatabase數(shù)據(jù)模型，可以在屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)之間建立物理上的連接，建立各對象間的拓撲關系規(guī)則。通過定義對象之間的拓撲、空間和普通關聯(lián)，以及獲取它們之間的相互關系，能更加自如地表現(xiàn)地理信息。

圖形數(shù)據(jù)庫的建設按照數(shù)據(jù)的比例尺、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)類型，利用UML和 ArcGIS的 Case工具創(chuàng)建基于Geodatabase的數(shù)據(jù)庫模型，利用Arc-Catalog將建好的據(jù)模型導入 Geodatabase數(shù)據(jù)庫，并對這些要素類和數(shù)據(jù)集設置空間參考坐標系和幾何類型。由于在Geodatabase中定義了要素子類型、值域及拓撲關系規(guī)則，在數(shù)據(jù)錄入時，系統(tǒng)自動進行基于規(guī)則的驗證，遇到不符合規(guī)則的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會自動提示，保證了數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。經(jīng)檢驗合格后，分層錄入圖形數(shù)據(jù)庫；對不符合建庫要求的數(shù)據(jù)，進行修改，確保入庫數(shù)據(jù)均符合相應技術要求，并依據(jù)圖形數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的內(nèi)容要求，建設好元數(shù)據(jù)庫，以方便數(shù)據(jù)共享與使用。

屬性數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫的建設通過數(shù)據(jù)資料收集準備、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)完整性、正確性校核后錄入系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫。

所有的圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用Oracle 9i數(shù)據(jù)庫，并利用ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)的管理引擎，進行統(tǒng)一管理和應用，提高水利水電系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計的合理科學性及信息檢索速度。

圖2 基礎數(shù)據(jù)庫總體框架

四、該系統(tǒng)的功能設計

水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)采用C/S加B/S模式結(jié)構，主要在B/S模式下進行基礎數(shù)據(jù)瀏覽顯示、數(shù)據(jù)輸入編輯、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)查詢檢索和統(tǒng)計、數(shù)據(jù)輸出等基礎功能，數(shù)據(jù)空間分析和研究、輔助決策等空間分析功能；在C/S模式下進行數(shù)據(jù)更新維護和數(shù)據(jù)存儲管理。

①數(shù)據(jù)瀏覽顯示。用戶可以在客戶端實現(xiàn)對地圖放大、縮小、漫游、上下視圖、全圖顯示、放大鏡、指南針、鷹眼等功能。上下視圖功能讓用戶方便返回上一操作界面，并返回當前界面。鷹眼功能在鷹眼窗中顯示出當前顯示區(qū)域在整個區(qū)域的位置。放大鏡可以局部放大感興趣的區(qū)域，而不用地圖整體放大，節(jié)省了進行地圖放大操作時，數(shù)據(jù)從服務端返回時需的不必要流量。

②數(shù)據(jù)輸入、編輯。數(shù)據(jù)輸入包括圖形圖形數(shù)據(jù)輸入和屬性數(shù)據(jù)的輸入。可以先在客戶端對點、線、面要素進行編輯后，然后回傳到服務端再做詳細的屬性和地理位置編輯。也可以直接通過管理員賬號在服務器端進行數(shù)據(jù)的輸入編輯。

③數(shù)據(jù)查詢檢索和統(tǒng)計。用戶可以通過不同的查詢條件對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)查詢與檢索來實現(xiàn)目標定位和獲取詳細屬性信息，并能依據(jù)查詢結(jié)果對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

④數(shù)據(jù)空間分析和研究、輔助決策等空間分析功能。用戶可以在客戶端進行簡單的疊置分析、緩沖區(qū)分析、拓撲分析、統(tǒng)計分析和最佳路徑分析等。

⑤數(shù)據(jù)更新維護和存儲管理。系統(tǒng)的圖形和屬性數(shù)據(jù)按文件格式回傳到服務器端后，有系統(tǒng)管理員在服務器端的數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)修改和維護，且只有系統(tǒng)管理員有修改權限。

圖3 數(shù)據(jù)庫建設基本流程圖

五、結(jié)論

水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)促進水利信息化建設，以地圖數(shù)據(jù)和水利水電數(shù)據(jù)為基礎，利用 ArcGIS Server平臺發(fā)布，能大大提高系統(tǒng)運行的速度，提高工作效率，解決多用戶并發(fā)訪問系統(tǒng)的弊病。通過水利水電網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)的開發(fā)，為領導決策提供一種方便快捷的方法和信息支持，有助于決策者、管理者及工程設計人員對水利水電分布及其周邊環(huán)境的了解，并進行專業(yè)分析，準確地掌握各種狀況，為科學管理水利水電信息提供信息支撐與保障。

[1]呂長春.基于ArcIMS的災情信息網(wǎng)上發(fā)布系統(tǒng) [D].中國科學院研究生院（遙感應用研究所）,2003.

[2]那瓊瀾，等.配電網(wǎng)WebGIS中三層結(jié)構模型的設計與實現(xiàn)[D].計算機科學與實踐,2007

[3]馮曉良,等.基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型和 Case工具設計實現(xiàn)配電GIS數(shù)據(jù)庫[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2007,35(10).

責任編輯 李建章

Studies on model of geographic information system for water and hydropower network

Gao Hongguang,Wei Qiang,Wu Jiangwei

Geographic information system for water and hydropower network applies Arc Server as design platform of GIS,ArcSDE as drive for spatial data management,and uses object-oriented Geodatabase as logic design base.The design of the system takes all relevant factors into consideration and makes preparation for long-term planning of the system.The strategy of“overall planning and implementation step by step”is adopted and the system has extendibility that can ensure sustainable utilization of the system.

geographic information system;water resources and hydropower;database;ArcGIS;ArcServer

TP393

B

1000-1123（2016）02-0057-03

2015-12-03

高紅光，高級工程師，主要從事水利測繪管理與檢查工作。