地理信息技术在湖泊管理与保护中的应用

王 琴 ，董万钧

（1. 江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州 225321；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

里下河腹部地区湖泊湖荡位于江苏省里下河腹部低洼地区，是淮河流域里下河地区主要调蓄性湖泊群，总面积 695 km2，由射阳湖、大纵湖、蜈蚣湖等 40 多个零散湖泊群，以及由河网分割成的众多圩区组成，具有独特的地理气候特征，外有流域性洪水和海潮台风威胁，内部有区域性雨涝危害。20 世纪中期，里下河腹部地区 0.5 km2以上的湖荡有 51处，湖荡滩地 1300.0 km2以上；到 20 世纪 60 年代中期尚有湖荡滩地 1073.1 km2，兴化洪水位达到3.35 m 时总库容为 22.4 亿 m3，防洪调节库容为20.0 亿 m3；到 2005 年仅有湖荡滩地 58.1 km2，只占1965 年湖荡总面积的 5.4 %，防洪库容不足 1.0 亿 m3。多年来，里下河地区不仅湖荡面积锐减，调蓄功能基本丧失；且水系水通道不畅，引排严重受阻；生态环境开始退化，影响城乡供水安全[1]。

为强化里下河湖泊的管理与保护，2004 年以来江苏省陆续颁布实施了《江苏省湖泊保护条例》、《里下河腹部地区湖泊湖荡保护规划》，2010年8 月正式建立里下河腹部地区湖泊湖荡管理与保护联席会议制度。

为更好地获取湖泊相关地理信息数据，近几年，里下河湖区管理部门坚持以信息化引领湖泊湖荡管理现代化建设，与科研院所合作，大力推进地理信息技术等在湖荡管理中的运用，组织研发里下河湖区管理与保护地理信息系统，湖泊管理的信息化、现代化水平不断提高。

1 地理信息技术的应用

地理信息技术即获取、管理、分析和应用地理空间信息的现代技术的总称，主要包括 3S 技术（地理信息系统 GIS、遥感 RS 和全球定位系统 GPS），是目前对地观测系统中空间信息获取、管理、分析和应用的 3 大支撑技术，能够对空间实体快速地进行精确定位，同时宏观地获取信息，对所得到的特定位置空间信息进行综合分析[2]。地理信息技术的核心是 3S 技术，但是并不局限于 3S 技术，还包括虚拟环境、WebGIS 等其他技术，它强大的数据抽象能力，可将与湖泊相关的数据（河流、泵站、圩区及水闸等）抽象成点、线和面，实现数据的统一管理，基于网络的地理信息系统能够实现分布式的网络管理，通过网络实现水利数据的查询、浏览及统计分析等，是在保障湖泊资源环境可持续利用研究中的高新技术。

针对里下河腹部地区湖荡地形复杂，难于管理的状况，利用 3S 技术顺利完成了勘界设桩任务；针对里下河湖区分布广、控制线长，执法巡查人员不足的情况，利用高分辨率的卫星资料，开展了里下河湖泊岸线资源的遥感监测，发现岸线水面被占用则及时通知管理部门进行查处；针对里下河除少量相对完整的湖泊水面外，更多的是滞涝圩的特点，利用高分辨率卫片结合卫星定位和地理信息技术，成功完成湖泊资料整编，建立湖区资料档案[3]。

2 GIS 系统的建设

地理信息服务的技术主要由 GIS 来体现。GIS由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为各级湖泊管理单位提供新的信息，为工程设计和规划、管理决策服务。

2.1 系统建设目标

GIS 系统以实现里下河湖区信息管理业务处理，信息交换的系统化、规范化、自动化，以及管理决策的信息化与科学化为主要目标，主要包括 GPS 巡查、基础地理信息管理、水政执法管理、里下河湖区圩区管理、里下河湖区遥感数据年度分析等子系统，现已完成 GPS 巡查子系统并投入使用，基础地理信息与水政执法 2 个子系统的框架与数据库建设也已基本完成。

2.2 系统层次架构

常见的 WebGIS 的结构体系是由数据库、GIS 服务器、Web 服务器和客户端组成的 3 层结构体系，但随着应用的复杂度增加，RIA（富互联网应用系统）技术的成熟，胖客户端/瘦服务器的应用被大量使用，单一的服务器和复杂的应用程序无法快速处理大量的地理信息服务需求。中间件技术的出现改进了传统模式的 B/S 体系[4]。

基于 Silverlight 的 WebGIS 里下河湖区管理与保护地理信息系统体系结构设计为 5 层，分别是数据层、应用服务、中间件、Web 服务和表现层。系统架构如图 1 所示。

图1 GIS 系统架构图

数据层主要指项目所涉及到的水利地理数据库，主要包括：与水利相关的基础地理信息数据库（DOM，DEM，DLG）、圩区数据库、控制性水利工程等其他水利专业类数据库，是系统的最底层（基础）——数据库服务器端，响应 Web 服务器的请求，并将处理结果传给 Web 服务器。

应用服务层主要指各类应用服务与数据层之间的连接接口，主要包括各类专业应用组件、服务接口、数据交换接口等，是系统中间层——GIS 服务器端，负责对数据的访问进行管理和控制。

Web 服务主要负责 GIS 服务器和客户端之间的通讯，把客户端的请求处理后转发给 GIS 服务器，同时把 GIS 服务器返回的结果转换成 Web 网页发送到客户端的浏览器。

表现层主要指各类专业应用结果的展示界面，包括查询、专题图生成、分析、图形输出等结果的表现界面，是系统最上层——客户端/浏览器端。

2.3 系统开发方式

目前 GIS 开发主要采用 C/S 和 B/S 模式。C/S 方式的优势：运行效率高、数据使用灵活，具有 GIS专业知识的技术人员容易开发出传统意义上的专业地理信息系统；不足之处：不适宜集群使用，系统维护困难。B/S 方式的优势：使用灵活，适宜集群使用，是 GIS 的发展趋势；不足之处：数据维护困难，即便具备 GIS 知识的技术人员也难以开发出传统意义上的地理信息系统，或需要花费更多的成本，只能提供常用 GIS 服务功能。

里下河管理与保护地理信息系统的子系统主要针对各类水利专业应用系统的数据和 GIS 服务等支撑，使用面宽，对数据的使用一般以查询、表现、分析为主，涉及数据的修改较少，操作人员对 GIS技术掌握要求不高，对软件研发能力要求较高，因此基于数据使用方式和对象、功能需求、开发成本，以及未来技术发展方向和今后业务应用的扩展等多方面的因素，整个系统开发采用 B/S 模式。

3 GIS 系统的关键技术

里下河湖区管理与保护信息系统的建设，涉及到很多高新技术，在加速科技成果转化方面做了很多探索。

3.1 空间数据库管理技术

GIS 系统采用关系数据库 Oracle，借助于空间数据引擎 ArcSDE 的空间数据模型 Geodatebase 管理空间数据。首先通过 ArcSDE 向数据库中存储数据，即将数据源转换成面向对象数据模型 Geodatebase，并将数据存储到关系数据库 Oracle 中；然后，当系统需要访问数据时，通过连接参数（服务器名、用户、密码等），由 ArcSDE 验证正确后对数据进行访问。Geodatebase 数据模型由矢量要素、栅格、TIN等数据集，以及空间域、规则集等部件构成，矢量要素类是具有相同的几何特征类型（点、线、面）的空间要素的集合，栅格数据集包括各类影像数据（如多波段、遥感、航空等影像，以及扫描地图、照片、经转换的 DRG 数据等），DEM 高程数据按照栅格数据集组织和存储。

3.2 基于 Silverlight RIA 技术的 WebGIS

传统网络程序的开发是基于页面的服务器端数据传递的模式，把网络程序的表示层建立于 HTML（超文本标记语言）页面之上，而 HTML 是适合于文本的，传统的基于页面的系统已渐渐不能满足网络浏览者的更高的、全方位的体验要求了，RIA可以解决这个问题。RIA 技术允许在因特网上以一种简单的方式部署富客户端程序。这是 1 个用户接口，比用 HTML 实现的接口更加健壮，反应更加灵敏，更具有令人感兴趣的可视化特性。

3.3 面向服务的空间信息共享技术

面向服务的共享也称作服务式 GIS，是将已经建立的基础地理信息库通过 Web 服务向各部门发布，从而使各部门可以直接通过访问 Web 服务使用基础地理信息，实现与本单位专题数据的叠加集成，并用于开发应用系统。系统中所有的基础地理信息、水利公共类及专业类数据都可以通过建立 ArcGIS Server 地图服务的方式提供给系统调用，系统不能直接访问空间数据，只能通过地图服务所定义的接口调用，保证了数据的安全性。数据更新时，只需要发布地图服务的部门更新数据即可，对比以往需要将数据分发给各个水利管理部门更新，可以降低数据更新的成本。

3.4 地图服务技术

系统中矢量数据（包括 DLG 和 DOM 数据）属于定期更新数据，更新周期较长，数据量大，并且作为系统应用的背景图层，需要较好的地图图面效果，因此系统将矢量数据配置成地图文档后，发布为预生成地图服务。水利公共类和专业类数据由于变更频繁、需要分析处理等原因，采用动态地图服务，将数据配置成地图后不预生成，直接通过 Web服务向客户端发布，这种发布模式能够随时在地图上反映出数据的变化情况，便于及时掌握数据的实时情况。

3.5 面向服务的空间信息分析技术

系统空间信息分析功能的开发是基于 ArcServer平台和 Silverlight 开发环境进行的。目前已经推出ArcServer Silverlight API 2.0 版本，它支持的 Map服务可以是动态或静态的，地图可以是任意坐标系统；它的对象主要是图形（Graphics），主要是对点、线、面的渲染，有丰富的符号表现形式，加上Silverlight 本身的一些特效（如 alpha，visible），地图的 Graphics 能够展现比较理想的画面，另外元素的事件驱动模型，能够产生一定的互动效果。但目前的这个版本基本不具备可扩展性，要想实现 B/S 模式的空间信息分析服务只能依靠模块处理（Geoprocessing Task）功能。Geoprocessing 是对已有数据进行分析后获取其他信息的转换工具，能够通过分析处理已经存在的数据，在新的数据集中产生分析结果；通过脚本 Python 或者 ModelBuilder进行设计，在 ArcToolbox 中进行管理，能够处理ArcGIS 支持的所有数据类型，通过 Geoprocessing 可以实现大部分 ArcGIS 的功能。

3.6 面向服务的分布式数据访问技术

系统在将来的应用过程中，要集成很多涉及到的水利业务应用系统，这些系统的数据都彼此孤立，基于数据模型及存储方式的差异，具有异构性、分布性和自治性，难以实现资源的共享。本系统采用基于面向服务架构（SOA）的中间层模式实现水利业务数据的集成。基于 SOA 的数据集成支持对异构数据类型的访问，通过标准化接口，提供高度灵活的抽象层，把数据逻辑与业务逻辑分离，把数据访问和处理以服务的形式提供给外部使用者，从而增加了系统的灵活性和重用性，实现应用和服务的松散耦合。

4 GPS 巡查子系统的应用

里下河湖区地理情况复杂，湖区水域面积较大，圈圩点多且分散，人工巡查监管频率和覆盖范围有限，给巡查执法工作带来一定困难。为加大巡查监管力度，及早发现和正确掌握湖泊保护范围内的非法开发及圈圩违章等现象，研发了 GPS 巡查子系统，实现湖区巡查、定位、报警、上报、查询、统计、管理等功能，由 3 个模块组成，即：巡查信息采集（GPS 端）、巡查信息数据接收处理（服务器端）、客户端管理信息（浏览器端）等子模块。总体框架如图 2 所示。

图2 GPS 巡查子系统框架图

4.1 GPS 端

主要功能是采集巡查人员的实时地理位置信息，以及巡查出的违法案件信息（包括地理位置坐标、计算长度、面积，现场拍摄照片，相关文字说明等）。通过在手持机内输入矢量图层，包括湖泊保护范围图、界桩图、主要闸站分布图、圈圩图、行政区划图等，构成信息采集的背景图层。平台开发采用微软的 WinCE.Net，所有信息通过手机 GPRS 无线网络，采用异步 Web Service 方式发送到指定的服务器。

4.2 服务器端

数据接收处理存储系统，用于将巡查人员发送的数据进行处理分析后存储到数据库中，便于客户端管理信息系统调用，主要功能包括：开启相应的服务，监听是否有数据进入；将 GPS 发送过来的数据进行解析，判断有效性，分类并存储到相应的数据表中；维护数据的完整性，并按照相关规则进行备份。数据库采用 Oracle 10g2，开发平台采用VS2008 及 Web Service 技术。

4.3 浏览器端

实现对巡查路径实时查看，并对历史巡查记录进行查询统计，以及对查出问题进行跟踪处理。主要功能包括：底图操作功能，放大、缩小及平移等；地图对象查询浏览功能；巡查人员轨迹实时显示功能；巡查案件报警及实时显示功能；历史轨迹及案件查询；案件的跟踪处理记录、结果审核；巡查次数、路线长度等的统计功能。平台采用 VS2010及 ArcGIS Server Silverlight 技术[5]。

5 结语

里下河湖泊湖荡的管理，综合应用了 GPS，WebGIS，RS 等技术，GIS 系统涵盖了基础地理信息、湖泊巡查管理、水政执法管理、湖泊控制性水利工程、圩区管理及遥感年度变化分析等内容，系统全部建设完成之后，里下河湖泊湖荡地区的与水利相关的重要地理信息，均能够在“一张图”上直观地显示，规范了湖泊巡查，加强了水政执法，全面掌握了湖泊控制性水利工程的各项信息，强化了圩区的排涝、滞洪管理，进一步加强了湖泊使用变化情况的监测，丰富的图形和数据将为湖泊的科学管理和保护提供信息化的技术支撑，进一步提升管理水平、效率和监管能力。目前国内湖泊管理方面尚无如此综合的湖泊管理信息系统，本系统的设计和建设将为其它大型湖泊的管理提供参考经验，具有较大的推广应用前景。

[1]吕振霖. 为再现里下河美丽的湖荡风光而奋斗 [DB/OL].(2010-08-16) [2012-04-02]. http://www.jswater.gov.cn/zwgk/tbtj/20100816/095629204.html.

[2]王冬梅，赵钢，吴杰. 3S 技术在里下河湖泊湖荡保护范围勘界设桩中的应用[C]//全国国土资源与环境遥感应用技术研讨会论文集. 深圳：中国国土经济学会，2009: 102.

[3]江苏省水利科学研究院. 围绕江苏水利现代化建设 开展公益研究和技术服务[DB/OL]. (2011-01-13)[2012-04-02].http://www.cws.net.cn/zt/2011watermeeting/CWSNews_View.asp?CWSNewsID = 33546.

[4]唐东军. 基于 Silverlight 技术的水库管理 WebJIS 研究[D].太原：太原理工大学，2010: 11-13.

[5]李频，赵翠萍，夏卫中. GPS 巡查管理系统在里下河湖区管理中的应用[J]. 硅谷，2012 (2): 155.