三維空間水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)研究

王光磊，劉媛媛

（松遼水利委員會水文局（信息中心），吉林 長春 130021）

水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、移動通訊、WEB技術(shù)、GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用了信息工程、系統(tǒng)工程、軟件工程等多技術(shù)手段。系統(tǒng)由計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫管理等組成，具有數(shù)據(jù)管理、WEB查詢、GIS服務(wù)等功能。系統(tǒng)以基礎(chǔ)屬性庫和空間信息庫為核心，以移動網(wǎng)絡(luò)為媒體，在水利一張圖基礎(chǔ)上建立數(shù)字地圖，依據(jù)水文站網(wǎng)和水文測站編碼等成果建立水文站網(wǎng)信息屬性數(shù)據(jù)庫，結(jié)合WEB-GIS系統(tǒng)進行開發(fā)，為現(xiàn)代化水文做好基礎(chǔ)性工作。

1 框架設(shè)計

從流域水文站網(wǎng)管理工作業(yè)務(wù)流程上看，水文站網(wǎng)管理的業(yè)務(wù)信息化流程可以歸納為信息收集、信息整理分類、信息管理、信息查詢與應(yīng)用等4個步驟。三維空間水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設(shè)由下至上涉及信息采集、基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)資源與應(yīng)用系統(tǒng)等4個層面，在縱向上由信息系統(tǒng)安全和標準兩大體系進行約束。

1）信息收集。通過現(xiàn)代信息采集手段獲取流域各類水文測站信息，包括水量、水質(zhì)、水情、旱情、氣象、商情等相關(guān)信息。信息整理是根據(jù)信息狀況，將測站信息、空間信息、圖文信息、水文年鑒、流域水文站網(wǎng)規(guī)劃與評價等信息整理分類，確定信息之間的相關(guān)關(guān)系，分類管理。

2）基礎(chǔ)環(huán)境。系統(tǒng)環(huán)境主要為虛擬服務(wù)器，根據(jù)應(yīng)用需要向資源池提出服務(wù)器資源需求，并在提供的資源基礎(chǔ)上完成應(yīng)用系統(tǒng)的環(huán)境搭建，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB服務(wù)器兩類。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用以存放水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫、GIS空間數(shù)據(jù)庫等相關(guān)資料，并提供數(shù)據(jù)服務(wù)；Web服務(wù)器用以裝載站網(wǎng)管理、Web服務(wù)運行、互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)等系統(tǒng)，提供Web發(fā)布和地圖服務(wù)請求，滿足客戶端查詢、管理、分析等服務(wù)。

3）數(shù)據(jù)資源層。是系統(tǒng)的重點建設(shè)任務(wù)，包括了屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫兩個方面。屬性數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面：首先，進行數(shù)據(jù)的分析整理，搜集整理水文站網(wǎng)信息及相關(guān)資料成果并進行系統(tǒng)分類，初步確定數(shù)據(jù)模型和成果類型；其次，充分了解國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基本情況和發(fā)展動態(tài)，基于數(shù)據(jù)模型和初步成果分類要求，設(shè)計較為合理的水文站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)，建立符合數(shù)據(jù)庫范式體系結(jié)構(gòu)的水文站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫。在空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面，搜集整理相關(guān)的空間數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)的預(yù)處理和格式轉(zhuǎn)換，將不同坐標參考系下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標系下，整理后的文件格式為ARCGIS FileGDB格式。對數(shù)據(jù)開展坐標轉(zhuǎn)換、比對、查重、屬性及拓撲關(guān)聯(lián)檢查，進行相應(yīng)的編輯修改后，按要素類和圖層建設(shè)空間數(shù)據(jù)庫。

4）應(yīng)用系統(tǒng)層。包含了支撐應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)兩個部分：支撐應(yīng)用主要為功能全面的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的管理，建立高效的數(shù)據(jù)庫信息管理和信息服務(wù)機制，提供多用戶查詢處理能力，滿足系統(tǒng)的需求；在業(yè)務(wù)應(yīng)用上，建立水文站網(wǎng)查詢服務(wù)機制,以圖表、文字、圖形、視頻影像、聲音多媒體、地圖和超文本等方式提供水文站網(wǎng)屬性信息和空間信息查詢服務(wù)。

5）安全和標準保障。執(zhí)行國家和水利部有關(guān)水利業(yè)務(wù)信息化應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)要求和有關(guān)標準。

2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

2.1 水文站網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)庫

1）搜集整理水文站網(wǎng)的相關(guān)信息，包括文字、數(shù)字、圖形，進行整理分類，設(shè)計數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)，形成屬性數(shù)據(jù)庫。屬性數(shù)據(jù)庫按照信息基本屬性分水文站網(wǎng)基本信息表和系統(tǒng)表。主要基礎(chǔ)信息包括站碼、站名、所屬、站別、位置、流域、水系、河流、站類、行政區(qū)劃、水資源分區(qū)碼、集水面積等屬性值。

2）數(shù)據(jù)處理。對數(shù)據(jù)源進行糾錯、轉(zhuǎn)換、備注和更新，通過測站編碼與流域水文測站匯總數(shù)據(jù)、水文年鑒和現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，更新現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫，包括新舊站碼轉(zhuǎn)換、水文站更新改造、水文站新加測驗任務(wù)、每年下達的測驗任務(wù)等基礎(chǔ)信息。

2.2 水文站網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫

1）確定水文站空間數(shù)據(jù)庫所需的數(shù)據(jù)和基本內(nèi)容，進行空間數(shù)據(jù)標準化。水文站網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)主要分為國家基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和水文站網(wǎng)專題數(shù)據(jù)。其中，國家基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括行政區(qū)界、交通路線、遙感底圖等，采用“一張圖”作為資源接入，并在“一張圖”基礎(chǔ)上，疊加更為詳細的鐵路、高速、國道、縣鄉(xiāng)級公路數(shù)據(jù)，以及縣（旗）鄉(xiāng)鎮(zhèn)等行政區(qū)數(shù)據(jù)和人口分布等社會經(jīng)濟專題數(shù)據(jù)；水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括水資源分區(qū)界線、水文分區(qū)界線、各級河流水系（包括一級到五級河流等）、湖泊（面積大于1 km2）及水利工程等空間要素；水文站網(wǎng)專題數(shù)據(jù)包括國家基本水文站、國家重要水文站、中小河流監(jiān)測站、水位站、流量站、雨量站、水面蒸發(fā)站、水質(zhì)站、地下水監(jiān)測站、土壤商情站、山洪災(zāi)害監(jiān)測站、河流泥沙專用站、水土保持專用站等。

2）數(shù)據(jù)處理和建庫采用ARCMAP10.2對數(shù)據(jù)進行加工處理和符號化。在數(shù)據(jù)建庫前，開展數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，將原有數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換，同時將不同坐標參考系下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標系下，將整理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS FileGDB格式。開展數(shù)據(jù)比對，利用ARCGIS中查找特定距離內(nèi)要素的功能完成重合點的查找和處理。通過空間位置關(guān)系命令查找出數(shù)據(jù)空間落區(qū)存在未落入所在流域面或水資源分區(qū)等空間錯誤，并對不同類型空間數(shù)據(jù)的相交、包含等拓撲關(guān)系進行核對確認。采用SDE空間庫對空間數(shù)據(jù)進行存儲和管理，建立空間數(shù)據(jù)庫。

3）數(shù)據(jù)建庫和服務(wù)發(fā)布。應(yīng)用地圖展示方案的設(shè)計在滿足基本GIS功能要求的基礎(chǔ)上，增加其地圖顯示速度和顯示層次。ARCgisserer地圖服務(wù)切片功能加載，增加其地圖相應(yīng)性能化，采用一類底圖+網(wǎng)站動態(tài)底圖的模式，把核心業(yè)務(wù)圖層-站網(wǎng)要素發(fā)布為動態(tài)地圖，用戶可自由控制圖層的可見性，其它圖層發(fā)布為切片地圖作為地圖，同時提供別一種切片底圖，制作符號庫和注記，并完成地圖配圖工作，包含站網(wǎng)各類要素，在瀏覽的同時直接點擊要素查看相關(guān)信息，根據(jù)CHZ 9011-2011《地理信息公共服務(wù)平臺電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范》，電子地圖全部采用瓦片組織，分級分層逐步顯示。按照“一張圖”建設(shè)標準開展空間數(shù)據(jù)的清洗、建庫、服務(wù)制作和發(fā)布注冊，并依據(jù)已有空間成果對本期數(shù)據(jù)空間信息進行校對。

3 應(yīng)用實現(xiàn)

在完成數(shù)據(jù)整編、數(shù)據(jù)庫設(shè)計和數(shù)據(jù)加載的基礎(chǔ)上，開展應(yīng)用開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)包含地圖服務(wù)、信息查詢、信息統(tǒng)計、信息管理、系統(tǒng)與權(quán)限管理、幫助服務(wù)等，劃分為業(yè)務(wù)應(yīng)用、GIS管理兩個子系統(tǒng)。

3.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)包含了信息查詢、信息統(tǒng)計、信息管理和系統(tǒng)權(quán)限管理模塊。其中，信息查詢模塊進行水文站網(wǎng)信息查詢功能，包括水文站屬性庫所有信息的查詢；信息統(tǒng)計模塊針對所需水文要素進行統(tǒng)計，以表格或柱狀圖等多種形式進行展示，也可以針對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，以文本、表格等多種形式輸出和存儲；信息管理模塊對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行管理，包括信息的導(dǎo)入、導(dǎo)出、添加、修改與刪除等，將多個基礎(chǔ)信息表集中在此模塊進行統(tǒng)一信息管理；系統(tǒng)與權(quán)限管理包括用戶管理、用戶操作權(quán)限管理、菜單配置，實現(xiàn)基于RBAC權(quán)限模型的用戶管理，基于角色實現(xiàn)系統(tǒng)的多用戶多角色的靈活管理，同時也實現(xiàn)基于角色的菜單配置管理。

3.2 GIS管理子系統(tǒng)

地圖服務(wù)是三維空間水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)和重要技術(shù)支撐模塊。GIS管理子系統(tǒng)建設(shè)分為SDE空間庫及地圖設(shè)計、地理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與加工、GIS基礎(chǔ)功能的開發(fā)、GIS業(yè)務(wù)擴展功能的開發(fā)和三維地球功能開發(fā)。

1）SDE空間庫?？臻g數(shù)據(jù)要素包括基本要素、站網(wǎng)要素和其他要素等?；疽匕ê恿魉怠⒑?、交通等多項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；站網(wǎng)要素包括水文、水質(zhì)、雨量、自動測報站等36項站網(wǎng)要素；其他要素包括行政分區(qū)、水文分區(qū)、水資源分區(qū)、地下水分區(qū)、水功能區(qū)劃等多項要素。

2）地圖設(shè)計地理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與加工。把GIS數(shù)據(jù)放在RDBMS中，提供水文站相關(guān)GIS的數(shù)據(jù)類型，包括河流的點、線、多邊形，以及這些Feature之間的拓撲關(guān)系和投影坐標等相關(guān)信息，判斷選擇水文站上下游關(guān)系，一條河流水文站相鄰、相交、距離、最短測驗路徑等信息。站網(wǎng)動態(tài)地圖通過Sde服務(wù)訪問空間數(shù)據(jù)庫、多項功能集成的服務(wù)功能，地圖APP通過REST協(xié)議訪問地圖服務(wù)，而發(fā)布的地圖服務(wù)由ArcGIS Server配置進行管理和啟動運行。

3）地理數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與加工。例如圖層中測站編碼與水文年鑒的編碼對應(yīng)，新舊站碼轉(zhuǎn)換，地圖圖層的展示調(diào)整，轉(zhuǎn)換地圖中的文檔配置，轉(zhuǎn)換后基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的檢查與添加，發(fā)布地圖服務(wù)能力，生成區(qū)域地圖的切片等功能；流域水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SDE空間數(shù)據(jù)庫中，可以發(fā)布動態(tài)地圖服務(wù)等多項功能。

4）GIS基礎(chǔ)功能的開發(fā)。指對GIS已有功能進行整合和調(diào)整，包括放大、縮小、漫游、量算、點選擇、矩形選擇、區(qū)域選擇、導(dǎo)航路線圖、圖例輸出、空間搜索等多種基礎(chǔ)功能的開發(fā)應(yīng)用。

5）三維空間地球功能。采用三維地球作為支撐，在三維地圖通過GPS模擬定位，場景里能夠查看測站位置及附屬特性值，二維地圖里查看當前選中的測站位置時，在三維地球里自動運行到當前測站坐標位置；支持一般的三維操作，如能夠控制視點、視角，能夠旋轉(zhuǎn)、平移。實現(xiàn)一個三維地球立體圖形，并通過與MapManagr和其它相關(guān)Widget的交互(基于Flex Viewer的事件機制)實現(xiàn)二維與三維場景的聯(lián)動,同時通過命名瀏覽器窗口名字的方法與瀏覽器內(nèi)的三維地球?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動。

該項目使用ARCGIS10.2作為GlS開發(fā)基礎(chǔ)平臺，采用ArcGIS SERVER10.2作為地圖服務(wù)器，采用ARcGIS VieWer forFlex應(yīng)用框架進行設(shè)計和開發(fā)。在客戶端開發(fā)接口方面，ArcGlS10.2可提供客戶端開發(fā)接口：FLEX，APl，JavascriptAPI，SILverlightAPI，其中FIEX具有較好的用戶體驗。在系統(tǒng)開發(fā)中注重操作復(fù)雜性的降低和可復(fù)用性的提高，采用Vue漸進式JavaScript框架，降低了開發(fā)投入成本，操作相對更加靈活，并有非常好的增量迭代開發(fā)能力。

4 結(jié)語

三維水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是水利現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，因此，上文基于水文站網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫、水文站網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)庫、水文站網(wǎng)管理應(yīng)用系統(tǒng)、構(gòu)建系統(tǒng)管理運行平臺等方面進行了研究和嘗試，建立了三維水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。建立的三維水文站網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、WEB查詢、GIS服務(wù)等專題功能，為應(yīng)急處理、規(guī)劃、水旱災(zāi)害防御、水資源開發(fā)利用、水質(zhì)災(zāi)害防御、水文情報預(yù)報和站網(wǎng)管理信息服務(wù)輔助決策等提供技術(shù)支持，為現(xiàn)代化水文服務(wù)提供時效性、便捷性、多元屬性查詢服務(wù)的統(tǒng)一性、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐的科學性。

在今后還應(yīng)該繼續(xù)研究建設(shè)水文站網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)水文服務(wù)、水資源配置和水文應(yīng)急監(jiān)測信息的全面共享，加強水文監(jiān)測、水文最小單元、水文信息服務(wù)的信息多元組合；強化研究水文站網(wǎng)公益性服務(wù)區(qū)域、服務(wù)對象，提升水文公益服務(wù)質(zhì)量能力，為建設(shè)幸福河流和美麗中國做應(yīng)有的貢獻。