湖南省水利综合数据库系统的研究和实现

许航

（湖南省水利厅长沙市410007）

湖南省现有各类水利工程200多万处。其中水库13 000多处，大中型灌区354个，万亩以上堤垸254处、大中型灌区348处，大中型机电排灌134处，这些水利工程信息种类繁多，分存于不同的业务部门，信息更新时效差，统计口径不一、统计方式不规范。特别是在长期的水利建设和管理工作中形成的各类规范性报表，报表的形式和内容已基本固定，可全面反映湖南省的建设和管理情况，但是这些报表目前主要用于向上级单位汇报，信息利用率较低，为了把这些信息集中起来，实行统一管理，增强信息共享和科学决策水平，增强全省各项水利事业活动的效率和效能，湖南省水利厅信息中心从2008年开始正式启动湖南省水利综合数据库项目建设，并于2009年12月正式通过竣工验收。

湖南省水利综合数据库系统是一个采用SOA体系架构，集GIS技术、网络技术、统计分析、空间数据库等多种技术为一体的综合数据库处理系统。系统主要包括大中型水利工程特征数据、动态水利报表及实时汛情数据、文件资料数据、水利空间地理数据等几类信息的入库，并建立相关空间数据库,针对上述数据开发电子地图查询、统计分析、移动查询和数据库维护系统等功能，从而为协同办公和工程管理提供信息化服务。系统实现了全省水利综合数据的规范化管理,统一了全省水利工程数据交换格式，提供了统一查询界面和接口，更好的开发和利用了水利信息资源。

1 设计基础

水利本身所研究的系统是一个巨大的、与外界系统有频繁的信息及物质交换的自然系统。实际系统抽象出的软件组件间关系趋于复杂，一般基于过程的软件模式已经不能满足现有的水利行业需求。在对现有水利信息的采集、传输、存储和处理系统的开发及管理模式进行深入研究后，我们采用SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务架构）构建的多层结构作为系统的主体构架。目前，在Internet环境下SOA的理念已经逐步成为业界的一个共识，已成为主流的软件开发架构。SOA具有独立性、主动性和自适应性，实体之间能够进行多种静态连接和动态合作等特点。SOA的架构是一个组件模型，它将各个子应用程序的不同功能单元——服务（service），通过服务间良好定义的接口和契约联系起来。接口采用标准、中立的方式定义，独立于具体实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，使得构建在各子系统中的服务可以使用统一和标准的方式进行通信。

本系统同时采用基于C/S与B/S体系结构相结合的GIS技术。对于基础数据的管理和系统维护采用C/S方式由系统管理员通过ArcGIS专用终端完成；而综合信息服务则采用B/S方式，其优点在于采用了网络技术与GIS技术,用户能利用基于网络GIS平台的人机交互界面查询水利工程的空间或属性信息，省去了客户端的安装和维护更新工作。

2 综合数据库的具体设计和实现

2.1 整体SOA架构设计

图1 系统SOA架构示意图

系统整体采用基于SOA架构风格、ESB（企业服务总线）架构方式的统一信息发布平台（图1），能有效解决传统架构中的弊端，直接将业务处理逻辑封装在服务提供者区域内，内部业务逻辑的变化不会影响已约定的服务，ESB保障所有Web服务的安全性和事务性处理，并可将现有服务重新组装、拼接，使业务层着力关注企业逻辑处理，基于Web服务方式的信息获取，独立于业务逻辑处理的具体执行环境，任何客户端（浏览器、智能手机）都能使用SOAP（简单对象访问协议）方式请求Web服务完成应用。总而言之，SOA以借助现有的应用来组合产生新服务，提供了更好的灵活性来构建应用程序和业务流程。湖南省水利综合数据库采用SOA架构提高了软件复用和开发效率，实现了多层次水利业务数据的综合利用。

2.2 网络GIS平台的设计和部署

地理信息系统（简称GIS）是在计算机软硬件支持下,采集、存储、管理、检索、分析和描述地理空间数据，适时提供各种空间的和动态的地理信息，用于管理和决策过程的计算机系统。与传统的GIS相比，基于internet的技术的网络GIS技术，其优点在于使用B/S网络结构,GIS与Web的结合使得空间信息的发布与共享更加简单。GIS通过internet成为公众服务的手段和社会最基本的信息服务之一。通过网络GIS平台，从互联网的任意一个地方，用户都可以浏览站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析。

本系统采用ESRI公司ArcGIS9.3软件，并使用ArcSDE for Oracle作为空间数据存储的解决方案，信息发布和空间数据编辑采用ArcIMS于Arcview。ArcSDE是空间数据引擎，它提供了对空间数据进行存取与维护的通道，而ArcIMS是由ESRI公司开发的GIS产品，允许用户在internet和intranet环境下为浏览器端的客户提供应用和地图数据。空间数据格式为ArcGIS定义的shape文件格式，并通过ArcSDE存储于Oracle10g中。系统主要的GIS功能均通过Web访问ArcIMS的相关服务来实现。

2.3 综合数据库信息分类

该系统主要整编入库了全省大中型水利工程特征数据，涵盖了水文、气象、防汛抗旱等多部门有关基础数据10万余条，因数据涉及面广，类型庞杂、如何对数据进行分类分层也是本系统的重点内容之一。综合数据库的数据主要根据两个方面进行分类，一是按数据本身的格式特征进行分类，即按数据的计算机属性分类；二是按数据的业务需求进行分类。

2.3.1 按数据的格式特征分类

水利工程数据库存储的数据类型包括：

（1）水利工程属性数据（例如：设计洪水标准、泄水建筑物型式等）、工程特征数据、统计资料、实时数据，这类数据属结构化数据，所有结构化数据又分为表1所示类型。

附表综合数据库中的数据类型

（2）工程图和照片（包括流域水系图、灌区、堤垸分布图以及工程图和照片等）可能是扫描图，也可能是用AUTOCAD等软件绘制的电子图。工程图属非结构化数据。

2.3.2 按数据业务需求分类

按数据业务需求可大致分为“水利工程特征数据”、“报表数据和实时数据”、“文件资料数据”、“空间数据”四大类。详细分类如下：

（1）水利工程特征数据。

此类工程数据主要为湖南省的大中型水库（电站）和重点小（I）型水库（11 280座）、湖区机电排灌资料（135处）、万亩以上堤垸（254处）、大中型灌区（348处）四类工程数据为主。此类数据的更新周期长，录入数据库后不需要进行频繁地更新，基本作为历史资料备查。

（2）报表数据和实时数据。

此类数据主要包括湖南省2007年以来的水利综合统计资料、农村水电统计年报、防汛抗旱业务报表、水资源报表、水资源报表、实时雨水情信息和山洪灾害数据共5万余条。此类数据更新周期短，频率高，数据变更后需要及时进行更新。

（3）文档资料数据。

“文档资料数据”是指各项法律法规、规程、规范、条例、政策文件，与水利相关的各种专业图书、资料,以及各种技术标准、培训资料以及工程图纸等，共入库3 906条。这些数据更新周期不定，而且有些为非结构化数据，数据更新需要进行部分人工干预。

（4）空间数据库。

“空间数据库”包括湖南省的1∶5万基础电子地图和水利专业数据图层，如库区大坝布置图、堤垸布置图、灌区总体布置图以及各类工程图纸和工程全景照片等。具体数据类型结构如图2所示。

图2 综合数据库业务数据分类

2.4 空间数据库的设计

空间数据作为各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）和时域特征三部分。本系统的空间数据库以电子地图矢量数据与遥感数据为主，通过地理空间数据与属性数据相关联，把空间地理信息获取、处理、管理、维护等各个环节连成一个有机的整体，为领导决策提供一个良好的信息展示平台。

湖南省水利空间信息主要包括基础地理空间信息、社会经济信息和水利专题空间信息。其中基础地理空间信息采用国土资源部门1∶5万的电子地图，并对水利专业图层进行重新绘制和叠加，以国家相关的地理要素分类编码标准和元数据标准为基础，建立基于1∶5万电子地图的水利空间数据库。社会经济信息主要根据各类水利综合报表，将综合报表数据在电子地图上进行直观的统计分析和查询展示。水利专题空间信息主要是对大中型水利工程进行现场GPS定位，并绘制专业图层录入数据库GIS图层中。此次水利专业图层的制作主要对大中型水库、灌区和电排进行GPS空间定位，收集经纬度和全景照片，同时对每座大中型水库电站制作枢纽布置图、大坝横剖面图、大坝纵剖面图、溢洪道剖面图、电站厂房剖面图等矢量电子工程图，对大中型灌区、湖区重点堤垸和蓄洪垸制作矢量电子地图。

空间数据库的具体内容主要包括：

（1）河流类。包括全省水系的干流、一、二、三级支流、次要支流等。

（2）测站类。包括雨量站、水位／水文站、水库站等800多个。

（3）水库类。包括全省大、中、小型水库，其中大型水库21座、中型水库275座、小型水库10 984座。

（4）堤垸类。包括全省万亩以上的堤垸254处。

（5）灌区类。包括全省大中型灌区348处。

（6）电排类。包括全省大中型机电排灌站135处。

（7）行政类。包括省、市、县、镇、居民地点信息等。

2.4.1 空间数据和水利数据的结合

在本系统中主要采用关系数据库表对空间数据进行存储和管理。充分利用关系数据库已有的数据管理功能实现海量空间数据存贮与管理、事务处理、和并发控制等功能，利用扩展的SQL语言对空间与非空间数据进行操作。尤其使空间数据与非空间数据得以集成在统一的数据平台，从而促使GIS应用与一般应用的无缝集成。本系统中水利数据信息按照设计可以分为水利工程属性数据和工程图和照片，该二类数据与空间数据结合方式如下：

（1）水利工程特征数据、动态水利业务报表及实时数据等属于属性数据。属性数据保存在关系数据库中，通过数据编码与空间数据进行关联，将空间数据库各类数据集和特征集进行统一编码。工程特征数据库中的各类工程、工程中主要建筑物、流域等在空间数据库中均有相关图层或元素表示，水利工程特征数据以唯一工程编码作为主键，在空间数据库中建立每个工程与其空间元素的一一对应表，实现水利特征数据与空间数据的对应。而动态水利报表数据大部分是以行政区划和流域进行统计的，因此，统一空间数据和水利数据库中的行政及流域代码即可实现动态水利报表与空间数据的对应。实时雨水情等数据与水利特征数据相同，也是以水利工程编码作为数据的主键之一。

（2）工程图纸照片，影像文件等属于工程图和照片。工程图和照片数据中的工程图纸，如各类工程图和整体布置图，大坝纵剖面图，大坝横剖面图，泄洪建筑物剖面图，电站厂房剖面图、渠道布置图、堤垸图等都为需要矢量数字化的资料，先按照空间数据模型和空间数据编码标准进行扫描和矢量数字化，保存为ArcGIS支持的格式，然后提交数字化成果、进行格式转换、成果检查、入库及通过矢量图数据表与基础数据库关联。工程照片、卫星影象数据等需要保存在空间数据库中的栅格数据则通过栅格图件数据表与基础数据库关联。

2.4.2 图层的分层设计

图形数据的管理是基于图层进行的，并通过关键字段将空间数据和属性数据连接起来。为了能对数据合理地分层，首先必须进行合理地分类，设立主题、亚层主题等。其次，应对每一层的空间符号（点、线、面）进行定义，制定出合理分层体系。

根据国家和相关行业已公布的数据标准，并结合湖南省的实际情况及本系统的需求特点，系统对数据的分层是按照以下的原则进行：

（1）按行政区划、道路、水利工程、水利参考系、居民地分为五类，每类进一步划分成若干图层，以适应不同的需要；

（2）相同逻辑内容的空间信息尽量放在一个图层；（3）图层划分要适合GIS软件功能特点；

（4）图层划分要满足湖南水利信息系统的需求。根据上述原则，系统基础地图主要分层如下：行政区划类、道路类、水利工程、水利参考系、居民地。系统所使用的基础地理数据库主要在1∶5万和1∶25万全省基础地形数据库基础上加工处理实现。主要用于标识相关工程位置信息，各类基础地图可按不同的层次关系组合在一张或几张地图上。

2.4.3 空间数据的更新

数据有效性是系统正常运行和可持续发展的重要保障。空间数据在一定的周期内也必须更新，以保证信息的有效性。本系统空间数据的更新通过ArGIS相关软件直接维护实现。数据更新分为大规模更新和局部更新两种模式：

（1）大规模更新。在经济发达地区，人工活动对地貌、地物的改变比较大，当地物的变化率超过30%时，就必须大规模更新地图，这种更新工作量较大，宜直接向地图提供单位购买或索取电子版地图，利用系统的导入功能，更新空间数据库。

（2）局部更新。当某一个地区地物发生较大变化时，可由当地水利部门负责上报信息中心更新，更新后的地图存储在审核库汇总，经过质量检查后，再导入到省空间数据库。根据经验，局部更新的期限为1～2年。

2.5 系统的界面与功能

系统界面的设计本着“所见即所得”的宗旨，便于用户的操作和与系统之间的交互。主要实现的功能如下：

（1）基本水利工程信息的地图查询。系统可通过多种途径如键盘、鼠标，地图、关键字等定位于相关业务主题，并能在设定的范围内对与其相关的其他业务主题进行空间定位（图3）。可以对地图进行放大、缩小、漫游、图层的显示与关闭、距离测量、当前图层地理信息的查询等功能。

图3 系统界面

（2）水利专题信息的查询。可以对灌区、电排等水利专题信息进行电子地图和报表的查询。该功能实现的具体流程分二个部分一是地图到属性的查询，二是属性到工程详细信息的查询。其中第二部分是指将空间信息关联到工程详细信息，即根据某项工程的工程名称或代码，从数据库中提取其对应的水利专题信息，并在单独的页面文件中显示，如图4、图5。

图5 “澧松垸”属性信息

（3）多类型地理信息及多种数据类型融合查询。系统同步显示与地理信息业务主题相关的鸟瞰图及缩略图，并提供与之相关的实景图片、工程图纸等（图6）。

图6 “水府庙“水库地图属性查询

（4）数据分析与统计。实现水利综合报表数据的统计报表功能，提供按行政区、按流域、按工程分类、按工程规模等不同方式的统计报表和专题图（图7）。

图7 水库数据统计分析图

（5）移动信息查询。使用手机短信对综合数据库中的重要数据进行短信移动查询，能满足各级水利部门领导及工作人员出差时移动查询数据，拓展了数据库的使用范围，提高了查询效率。查询方式为类别码+名称码（如查询五强溪水库代码为“DZSKWQX”或“大中水库五强溪”（图8）。

图8 手机短信查询界面

3 结语

湖南省水利综合数据库系统经过1年半的攻关，完成了系统开发工作，通过一段时间的投入运行，系统基本达到了预期目标。作为一个基于GIS平台的综合信息系统引入SOA构架后，提高了软件的独立性、自主性和自适应性，并具有直观的信息表达能力，为湖南省的水利防汛决策科学化管理起到了很好的支撑作用。在研发过程中、因计算机技术和GIS技术本身发展很快，使得设计方案不得不进行多次调整，以使系统能采用最新技术成果，保证系统完成后能在若干方面在国内处于领先水平。由于现有技术限制和时间等原因.系统在用户需求分析和功能模块方面，仍有许多需要改进完善的地方，如水利数据分析模型和如何保证数据更新等问题方面，今后还需做大量艰苦的研究工作，以充分完善湖南省的水利信息化工作。

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