淮河流域管理数字化系统框架与方法研究

彭顺风 李凤生 黄 云

（淮河水利委员会水文局 蚌埠 233001）

1 引言

随着社会经济的发展，淮河流域洪涝、水资源短缺、水体污染、水土流失等涉水问题愈加突出，而这些问题又是相互联系、相互影响的。如果仅对某一地区某一问题采取措施，可能影响其他问题的解决。例如在淮北地区平原河道建闸蓄水，解决了局部的水资源短缺问题，却降低了水体的自净能力；对于行洪河道裁弯取直和堤防退建，加快了洪水的下泄速度，却增加了下游的防洪压力。因此，需要从全面、系统、流域整体的角度出发，综合考虑各种问题之间的有机联系，实现对流域的综合管理，才能更好地解决问题。而基于流域基础空间数据、时间序列数据和水利专业数学模型的数字化系统，是实现流域综合管理的有效手段。因此，近几年来关于流域管理数字化的研究进展迅速，成果丰富，应用效果显著。然而，由于没有形成公认的概念、技术标准、技术框架、边界范围等约束条件，导致研究成果不能共享。为了保证淮河流域数字化建设成果能在各种流域管理业务之间高度共享，本文研究了流域管理数字化及其系统的概念、系统框架和关键方法，为系统建设提供技术支持。

2 概念与系统框架

流域管理数字化是指基于计算机网络、数据库、水利专业方法和模型等技术，量化流域防洪抗旱、水资源保护与开发利用、水土保持等涉水业务管理的对象和管理行为，实现流域综合管理目标的管理活动和方法。而利用淮河流域数据资源（包括基础地理、遥感、专题电子地图等空间数据资源，以及防洪工程、历史水文、实时水情等水利数据资源）和计算机软、硬件资源，建设具有决策支持功能的计算机系统，即为淮河流域管理数字化系统。为了便于系统建设过程中多专业分工合作、系统集成应用与成果共享，本文提出了四层结构的系统框架，自下向上分别为多源数据融合体系、数据管理服务平台、水利专业模型系统和流域管理决策支持系统。淮河流域管理数字化系统框架如图1所示。

框架最底层的多源数据融合体系是系统的数据基础。所谓多源数据融合，就是在国家和行业标准规范的约束下，对流域空间数据标准化加工整理，实现空间数据与关系型水利数据的集成，使之能协同使用。数据管理服务平台是数据、用户、各种应用联系的纽带，是一个综合的数据管理和可视化系统。该系统实现多源、异质、异构、异地数据的组织管理和查询分析应用，为用户提供全面的服务接口，同时实现数据的可视化。水利专业模型体系是整个系统的核心，用于定时、定点、定量地描述流域的水循环过程，模拟各种管理方法的效果，从而为决策者提供定量的参考依据。最顶层的流域管理决策支持系统用于完成水利专业模型计算结果的评价和调整。决策者在专家经验和专家系统的支持下，对模型的结果进行会商、判断，最后做出决策，从而发挥整个系统的决策支持作用。四层框架在标准化体系和安全体系的保障和约束下分别研究和建设，以保证整个体系协同工作，互为支撑，从而实现数据资源共享、软件组件重用、设施设备共用。

3 关键方法

3.1 多源数据融合方法

淮河流域管理数字化系统面对的数据是十分复杂的，如存储于多种存储介质的地形图、遥感影像图、水文气象观测资料、水利工程特征数据和运行管理过程记录数据等。这些数据的生产和管理单位、空间参考系、存储介质、数据格式、存储位置千差万别，这就需要通过多源数据融合方法，实现对这些数据的标准化整理。多源数据融合方法主要包括以下4个方面内容：

3.1.1 标准体系制定与选用方法

目前有大量的关于基础数据的国家和行业标准及规范。为了保证整理后数据的一致性、准确性和协同性，必须制定一个标准体系，明确各种标准的执行顺序。根据科学性、实用性和可扩充性原则，分别以现行标准层级、专业门类、实施时间为标准进行分类。根据标准的层级划分为国家标准、行业标准、单位规定、惯例；根据标准的专业门类划分为水利、GIS、测绘、遥感4个专业门类；按照标准实施的时间划分为新标准和老标准，新标准优先执行。在多个标准同时可用的情况下，首先选择高层级的标准执行；对于处于同一层级的多个标准，为了保证空间数据与目前已有的关系型水利数据的融合，优先执行水利行业标准。为了发挥数据的空间分析能力，GIS行业标准执行顺序优先于测绘和遥感方面的标准。这就保证了不同人员、不同时期整理数据的一致性、协同性，也使得数据加工整理工作容易分工合作和集成。

3.1.2 数据指标体系制定方法

数据整理是一个长期的、多方合作的过程，为了保证数据内容一致，便于集成，需要研究和规定数据的指标体系，即规定每一类数据所包含指标的详细列表，规定每个指标的空间要素类型、属性项数据类型、与其他空间要素的拓扑关系、数据长度、填写规则等。这样就可以保证不同人员、不同时期整理的多源数据能够集成在一起，相互补充，协同使用。

3.1.3 图形要素整理方法

需要根据淮河流域管理数字化系统面对的海量大比例尺原始地形图的实际情况，制定详细的数据整理规则和流程，以保证多源数据整理成果的一致性。主要规则包括：数据的空间参考系采用1980西安坐标系，高程基准采用1985国家高程基准；地图投影采用高斯—克里格3°分带投影；数据分幅编号依据《国家基本比例尺地形图分幅和编号》（GB/T 13989-92）；图形要素分类与编码依据《基础地理信息要素分类与代码》（GB/T13923-2006）；成果数据中不保留注记数据,该数据转存到图形要素属性中；成果数据中，不再保留可符号化表达的数据（如示坡线等），该数据在GIS中通过专门符号来表达；删除图廓整饰内容，其信息保存到元数据库中，例如原始数据图幅编号、生产日期、生产单位、坐标系统、投影系统等内容；点、线、面等图形要素整理成果符合GIS、测绘方面的标准要求；数据根据淮委制定的《淮河流域数字地形图图层分层暂行规定》进行分类分层。

3.1.4 关系型水利数据与空间数据的关联方法

通过水利工程代码与图形要素代码相统一的方法，实现二者关联。对于没有图形要素相对应的水利数据，参考电子地图、高精度遥感影像等相关资料，创建相应图形要素，并赋给相应水利工程的代码，建立关联关系。

3.2 数据管理服务平台建设方法

淮河流域管理数字化系统数据种类多、异构系统多、应用需求多、元数据不全，数据物理位置分散，为了保证数据的安全存储，便于数据的管理、展示、网络传输以及多用户并发访问，需要建设数据服务管理服务平台以满足应用需求。这里提出了基于通用软件的平台建设方法，数据管理服务平台技术框架如图2所示。即选用当前主流的通用数据库管理软件、GIS软件、中间件为开发平台，以当前主流开发技术进行软件开发。整个平台自下而上分为数据层、中间层和应用层三部分，数据层主要考虑流域综合管理业务公共数据的存储、管理、更新和服务。因为淮河流域管理数字化系统需要访问多种数据库系统，例如Oracle、SQL-Server、Sybase等，这些数据库的数据结构、组织模型多种多样，而且处在发展变化过程中。为了集成这些数据，该平台设置了中间层，提供了以ADO.NET作为数据库管理应用程序的开发软件，实现应用层对数据层的透明访问，保证了平台的通用性、可伸缩性和稳定性。应用层主要基于ArcGIS Engine平台，开发系统配置、数据更新、数据抽取、元数据管理等数据操纵功能，实现数据综合管理；基于ArcGIS Server和Skyline TerraGate Suite开发平台分别实现数据在网络上进行二维、三维发布和服务。

3.3 水利专业模型建设方法

为流域综合管理决策提供支持是流域管理数字化系统的主要目标。决策支持系统的核心是水利专业模型的建设，例如在防洪减灾方面，需要建设的洪涝灾情评估模型、流域洪水预报模型、河道与行蓄洪区洪水演进模型等。目前，淮河流域管理业务还是以概念性模型和方法为主要手段，如流域洪水预报使用的降雨径流相关图、单元河道马斯京根法、新安江模型等。这些模型方法计算机化后，在实际工作中发挥了不可替代的作用。然而，这些模型方法的局限性是很明显的。首先，这些模型方法都是基于历史洪水观测过程分析出来的结果，其中间过程不清楚，一旦下垫面条件改变了，原来的成果就失去了再使用的基础。其次，经验性的模型方法应用效果依赖于人的经验，而经验很难传承。第三，集总式的计算结果不能满足局部水利工程调度运用需求。因此，需要基于流域水循环的机理，根据下垫面条件和水文气象条件，建设数字化的流域模型体系。建设流域水文模型，首先要从数据管理服务平台提取研究流域的地形、土壤类型、植被类型、土地利用等空间数据，据此数据先把研究流域划分为一系列子流域；再根据产流规律基本相同原则，把各子流域划分为许多水文响应单元，对于每个单元应用水动力学方程，依据上下游关系把这些单元依次连接集成为更大的区域直至整个计算区域，再在正确的位置嵌入水利工程，这样就构建了数字化分布式水文模型。上述建模过程可以通过通用流域水文数值模型软件与规范化的时空数据库相结合的方法快速完成。同样，对于河道和行蓄洪区洪水演进模型、污染物运移模型、土壤侵蚀模型、灾情评估模型等，都可采用类似的方法构建。利用该方法，在淮河流域管理数字化系统中，已经构建了史灌河子流域水文模型、中游地区河道与行蓄洪区洪水演进模型、洪涝灾情评估模型，在实际的流域天然水资源过程模拟、洪水调度预案效果模拟、实时洪涝灾情评估工作中发挥了技术支撑作用。

4 结论

通过对淮河流域管理数字化概念、系统框架和其中关键方法的研究，明确了系统的服务目标、主要功能、技术框架、边界范围和技术路线，清晰地划分了系统的建设模块，使得系统建设可以分步建设、循序渐进、边建设边应用。淮河流域数字化系统据此实现了来源众多、不同标准体系的基础地理数据、数字遥感数据、关系型水利数据的融合，使得数据之间能互相补充、协调使用；初步建成了数据管理服务平台，实现了对异地、异构、异系统数据库系统的综合查询分析和统一服务，具备了空间数据管理维护更新能力；典型地区流域水文模型、水动力学模型、实时灾情评估模型等专业数值模型的构建和应用，为流域综合管理决策提供了支撑作用。然而，流域综合管理的需求是复杂的，且随着流域经济社会发展而发展，流域管理需要的基础数据也是海量的，且处在加速增长的过程中，因此，流域管理数字化系统的研究和建设将是一个长期的过程，需要流域管理各业务单位和部门协同工作，才能保证数字化系统可持续发展并发挥作用