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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(wǎng)，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(wǎng)的布設范圍廣、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業(yè)務數(shù)據(jù)庫，基于計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術和GIS 技術，構建站網(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)劃設計、建設運行提供技術支撐。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，避免重復建設提供決策依據(jù)。
2) 通過系統(tǒng)建設，構建一數(shù)一源、一點更新的站網(wǎng)基礎信息數(shù)據(jù)源，并以此為基礎對現(xiàn)有數(shù)據(jù)組織存儲體系進行升級與完善，與相關業(yè)務數(shù)據(jù)資源進行整合，構建各個數(shù)據(jù)資源之間關聯(lián)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(tǒng)建設，將長江流域站網(wǎng)信息與長江流域地理信息相結合，依托三維仿真技術實現(xiàn)可視化管理與服務，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，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)建設目標，并結合長江委信息化建設現(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。并與相關業(yè)務數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)關聯(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(wǎng)分布的GIS 應用開發(fā)提供擴展接口。
4. 系統(tǒng)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(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(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)由三層架構搭建，分別為數(shù)據(jù)層、服務層和應用層。
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)格式存放在服務器端，通過Gaea Explorer 平臺調用和訪問;站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)是通過對業(yè)務數(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)務數(shù)據(jù)資源之間的關聯(lián)關系，是站網(wǎng)展示，信息查詢、統(tǒng)計分析的核心信息資源。
2) 服務層：主要由Gaea Explorer 三維數(shù)字地球綜合應用與虛擬仿真平臺提供的各類服務支撐。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)匹配;數(shù)據(jù)瓦片服務主要向應用層提供各類數(shù)據(jù)服務，以便系統(tǒng)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(xiàn)實仿真模擬。
3) 應用層：為基于Gaea Explorer 三維數(shù)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(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、決策支持等應用服務功能。
4.2. 技術路線
系統(tǒng)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(wǎng)絡環(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)絡計算機技術、空間信息分析技術、數(shù)理統(tǒng)計與模擬預測技術、虛擬現(xiàn)實技術等，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)設計開發(fā)以數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術和地理信息系統(tǒng)技術為支撐，以空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為基礎，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路線和技術模式，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)絡體系，充分適應系統(tǒng)各功能的工作特點，采用C/S 模式建立系統(tǒng)總體構。
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 分塊調度等技術實現(xiàn)大場景的三維可視化調度，真實再現(xiàn)現(xiàn)實景觀。
5. 關鍵技術
5.1. 多源異構數(shù)據(jù)組織
長江流域設立并管轄著不同類型站網(wǎng)，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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。采用多源異構數(shù)據(jù)組織的方法，建立綜合站網(wǎng)基礎信息索引數(shù)據(jù)庫，構建站網(wǎng)基礎信息索引與業(yè)務數(shù)據(jù)庫基礎信息之間的關聯(lián)，實現(xiàn)站網(wǎng)基礎信息的統(tǒng)一組織。多源異構數(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，通過構造相應的信息資源統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)源注冊、數(shù)據(jù)抽取與轉換、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(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系型數(shù)據(jù)庫中，能夠對數(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、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(xiàn)在架構、界面和操作深度上，提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)服務的次數(shù)，直接從內存中獲取已經(jīng)緩存的數(shù)據(jù)信息，來大大提高系統(tǒng)響應效率。Web 應用大都將數(shù)據(jù)保存到RDBMS 中，應用服務器從中讀取數(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)庫響應惡化、網(wǎng)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(tǒng)能夠基于高速運行的分布式緩存服務器，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(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 服務器軟件平臺將地圖圖片引擎統(tǒng)一集成在網(wǎng)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(tǒng)一的平臺中，在功能上實現(xiàn)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(tǒng)一對外。地圖引擎的地圖內容更新后，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(tǒng)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(tǒng)功能
按照長江流域站網(wǎng)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(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)功能結構如圖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)建設中的主要業(yè)務功能。
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)展示展示內容包括水文站網(wǎng)、河道站網(wǎng)、水質監(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)務數(shù)據(jù)查詢實現(xiàn)站點相關業(yè)務數(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)設定的距離參數(shù)，計算在該參數(shù)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(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)建設內容涉及長江流域設立并管轄的不同類型站網(wǎng)，基于多源異構數(shù)據(jù)組織技術建立的統(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的能力。
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