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(shí)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(xué)實(shí)驗(yàn)以及專門為規(guī)劃、設(shè)計等方面而設(shè)立的站點(diǎn)，承擔(dān)著水文、水質(zhì)、水土保持、水生態(tài)監(jiān)測、科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)多、測驗(yàn)項(xiàng)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(biāo)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(biāo)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(jī)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(shí)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(yùn)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(jìn)行科學(xué)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(diǎn)，實(shí)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(kuò)展化，并為實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、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(diǎn)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(jìn)行升級與完善，與相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源進(jìn)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(jìn)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(shí)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(hù)、河勢穩(wěn)定等提供決策支持服務(wù)，從而推進(jìn)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(biāo)，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(xué)化管理和組織的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)長江流域片各類監(jiān)測站點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)站網(wǎng)信息分層、分類標(biāo)識。并與相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

　　3) 實(shí)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(shí)現(xiàn)測站站點(diǎn)可視化“捕捉”和站點(diǎn)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(shí)現(xiàn)重要站點(diǎn)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(diǎn)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(kuò)展性，為后期的基于站網(wǎng)分布的GIS 應(yīng)用開發(fā)提供擴(kuò)展接口。

4. 系統(tǒng)設(shè)計

　　4.1. 總體架構(gòu)

　　按照建設(shè)目標(biāo)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(shí)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(jìn)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(shí)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(shí)用性、可靠性、安全性和先進(jìn)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(diǎn)，采用C/S 模式建立系統(tǒng)總體構(gòu)。

　　2) 采用模塊化方式進(jìn)行開發(fā)，各模塊只處于低耦合狀態(tài)，方便用戶進(jìn)行功能的擴(kuò)充與更改，使系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)更具靈活性與可塑性。

　　3) 利用空間數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)對站網(wǎng)數(shù)據(jù)和流域地理數(shù)據(jù)進(jìn)行多時相數(shù)據(jù)一體化存儲、管理與調(diào)度，實(shí)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(shí)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(jī)制、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、LOD 分塊調(diào)度等技術(shù)實(shí)現(xiàn)大場景的三維可視化調(diào)度，真實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)景觀。