县级水利工程信息化管理及软件研发

王业明 ，周填嵛 ，石小平 ，陆钦亮

（1.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.兴化市水务局，江苏 兴化 225700）

0 引言

目前，国家、省市级水利工程信息化程度较高，软件的开发及应用也较好[1]；而县级以下的基层水利工程信息化水平相对较低，研究成果也较少。县级及基层水利信息化建设是整个国家水利信息化建设的重要组成部分，应该加快进程及加强建设力度。县级小型水利工程，如小型泵站、闸、桥、圩堤、河道、涵、坝等水工建筑物，大多建造年代较久，运行时间长，功能、效率及状况都已发生较大变化，相关信息采用人工或简单的电子文档方式管理，很难做到心中有数，尤其对圩区内工程目前所具有的排涝与灌溉能力难以做出准确的判断，影响防洪抗旱的决策，也不能为水利工程项目建设的规划、审核与批准提供准确和科学的依据。基于小型水利工程信息管理的现状，研发了江苏省兴化市小型水利工程信息化管理软件系统，并对开发过程中遇到的一些关键技术进行研究。

1 软件开发中的突出问题

县级小型水利工程基础信息的特点如下：

1）信息量多。如江苏省兴化市小型水利工程信息，涉及到所辖的 35 个乡镇的 400 多个联圩、900多座排涝站、200 多座小电站、4000 多座圩口闸、17000 多座农桥、数千条县乡级河道等。

2）信息种类全。既有大量工程技术参数的文字信息，也有大量反映工程现状的图片及位置的图形信息。

小型水利工程信息化管理软件开发中的突出问题及对策如下：

1）水利工程基础信息的成图。由于目前小型水利工程基础信息的建设滞后，使得市县区所用的水利工程基础信息底图大多来自于城建或土地管理部门，且为 DXF（图形数据交换文件）格式的中间文件，如江苏省兴化市水务局仅能提供来自城建管理部门的 120 多个 DXF 文件，要经过整体拼接方可形成 CAD 格式的水利工程基础信息图；城建或土地管理部门地理信息系统的基础信息量庞大，形成的文件较大，运行速度慢，但真正能够用于水利基础信息的有效信息并不多。因此，在满足小型水利工程信息化管理要求的基础上，对城建或土地管理部门的地理信息系统进行归并整合，将水利工程信息管理中的不用信息所在图层进行冻结。

2）小型水利工程位置信息采集的准确性保证。由于多方面原因，县级小型水利工程位置信息的采集，有的准确性较差，也有的采集或记录的经纬度与工程应在图上标出的经纬度明显矛盾。采取的对策是依据工程位置插入结果与图纸上表示的经纬度对照，对位置矛盾之处首先进行判别，判断是记录错误，还是采集错误；然后按照工程应在的位置用相应的经纬度加以纠正。

3）小型水利工程信息管理功能的提炼及配套的实现技术。基于小型水利工程管理实际应用中的要求提炼出相应的软件功能，如基础数据入库、数据编辑、信息查询、数据统计与报表、数据内容统一更新等数据库管理功能，基础数据入图、图形数据管理功能，以及数据库与图形管理系统联接功能等，再根据要实现的功能选择软件开发平台及确定采用的实现技术。

4）数据修改的权限管理。县级小型水利工程的建设涉及到水管和财政主管 2 个部门，他们既需要通力合作，也需要对现有基础信息的修改相互约束，任何一方都不可单独变更基础信息。因此需要对软件中基础信息进行权限管理。

5）CAD 数据向 Map 或 GIS 转换。目前，县级小型水利工程管理数据库开发环境的种类较多，有选择地理信息系统数据库 GIS 工具类软件包，也有选择通用数据库，如 VFP，Access 等；所采用的水系图，有使用地理信息系统数据库格式的电子地图，也有使用通用 AutoCAD 图形。对县级水利工程信息管理而言，由于水利工程信息量相对地级市及省级来说是较小的，采用 VFP，Access 及 AutoCAD能够解决水利工程信息管理问题，也能开发出实用性较强的小型水利工程信息化管理系统，因此目前县市用得较多的开发环境是通用数据库及 CAD 系统平台；对于省级水管部门，由于全省水利工程信息量较大，通常采用 Map，GIS（或 WebGIS）等适合大型数据库的软件开发环境。上下开发环境的不一致性使数据信息的对接性较弱，有的甚至无法对接。因此，要研究水利工程 CAD 数据向 Map（或GIS）的转换问题。

2 软件开发中的关键技术

2.1 水利工程管理数据的分析与开发环境的选择

县级小型水利工程基础信息不仅具有大量的文字信息，也有大量反映工程现状的图片及位置的图形等信息，本软件开发环境选择通用数据库管理及图形支撑系统开发其信息化管理系统。即利用Access 管理系统解决工程信息管理中的数据采集、统一更新，信息的各种查询方式，数据的多种统计、报表的自动生成及输出等；利用 AutoCAD 系统对工程的图形信息进行有效地管理，并充分利用2 个系统各自的优势实现软件功能，且 2 个系统既可单独运行，也可以通过有机连接实现对工程的文字与图形信息同时管理的目标[2]。

2.2 水利工程基础数据的录入及准确性验证

县级小型水利工程基础信息的录入及准确性验证是整个管理信息系统研发的重要环节，尤其是基础信息的准确性关系到管理信息系统的实际应用质量。小型水利工程基础信息的录入根据使用的开发平台分为数据库录入与 CAD 图形插入。前者依据各类工程所要管理的信息，由市县水管部门统一设计成对应的各类数据表格，并统一规定各类工程编码及数据格式填报要求交给基层水利单位进行采集；后者则要求乡镇在纸质地形图上标注出县级小型水利工程在图纸上的位置，并用规定的图标、颜色和统一编号进行标注，对于小型水利工程所属的圩堤标注，还规定达标的圩堤长度用红线标出，未达标的用蓝线标注。显然，数据采集和填报的准确性直接影响到基础信息的可靠性，因此，数据准确性验证就显得非常重要。通常，虽然市县水管部门规定了统一的数据采集要求和格式，但面对大量的采集数据难免会出现一些错误。尤其是县级水利工程所处位置的表达，由于所用仪器的准确性及基层单位使用者的操作水平，不仅会出现大量经纬度填报格式不一致的问题，而且采集到的工程经纬度与图纸上工程所标位置的偏差较大；还有一些由于填报者疏忽出现的明显错误，如工程应该在某联圩或乡镇的范围内，其经纬度明显不符，甚至所填报的经纬度已不在本市县范围内等。

为了保证县级小型水利工程基础信息采集的一致性和数据录入及插入的准确性，编制了一系列程序进行处理和验证。如对各种格式表示的经纬度，经过程序的处理使其格式完全统一；对填报者疏忽出现的经纬度明显错误，首先将工程初步插入到图中加以判别，对明显的错误查找原数据文件，依据同类工程上下位置判别出明显的填报错误，然后修改原文件中的数据再次进行插入；对于工程采集到的经纬度与图纸上所标的位置出现“集体”偏差时，在插入时可统一调整基线加以纠偏；对于少数工程采集到的经纬度与图纸上所在位置相差较大且不属“集体”偏差及明显填报错误的情况，则运行“由工程位置查询其经纬度”程序，从工程应在的坐标位置得其经纬度并按此插入至 CAD 图形中。

2.3 水利工程信息管理功能的实现技术

选择兴化市农村小型泵站、排涝站、圩口闸、圩堤、河道及农桥等较为典型的小型水利工程的数字化为研究对象，所研发的信息化管理系统软件具有以下主要功能：小型水利工程基础采集数据有效入库、入图与动态编辑，信息查询，数据统计与报表，数据的统一更新，数据权限的管理，以及对防洪抗旱决策的支撑，数据库与 CAD 联接等功能。

软件系统功能结构如图1 所示。

图1 软件系统功能结构图

2.3.1 基础数据的入库与入图

采集到的小型水利工程基础数据有表格形式的文字信息，也有数码相机拍摄的照片及 GPS 采集到的工程位置信息等。采集的数据转入 Access 数据库相对较为简单，只要将 Access 表字段设置与Excel 数据类型及格式一致即可批量入库，工程照片可与对应工程编码设置超链接。采集的数据进入AutoCAD 图形，要有插入过程。首先按照乡镇编号和建筑物类型组合编码在 CAD 中设置对应的图层，如兴化市共有 35 个乡镇（编号 01～35，全市的编号为 88），建筑物类型设置如下：圩口闸为 1，小型泵站为 2，排涝站为 3，农桥为 4，县乡河道为 5等，创建的图层分别为 011，012…351，352…881，882 等。然后，将采集数据中的工程编码及 GPS 经纬度 3 个字段内容形成独立的文本文件供建筑物插入至 CAD 图中使用。在 AutoCAD 环境下，采用 VLISP 程序将小型泵站及各类建筑物插入图中之前，要先制作它们的图示符号，且创建为带有属性的块。由于每类建筑物的块插入要保证与该类建筑物所约定的颜色相同，因此块的创建要在 CAD 中的“0 层”进行，使用 CAD“0 层”特性能保证其插入的图块与所在图层颜色的一致性。

2.3.2 水工建筑物的信息查询功能

研发采用的开发环境是 Access 数据库和AutoCAD 图形处理 2 个支撑系统，并在两者之间设计了链接。充分发挥 2 个支撑系统的优势，实现对县级小型水利工程的文字及图形信息的有效管理是重点研究内容，尤其是软件中的一些常用功能，如建筑物的信息查询在 2 个系统中都要具备。在Access 数据库管理系统中实现一系列建筑物查询功能相对较为简单，因为 Access 数据库中提供了选择、更新、参数、追加、删除、生成表、交叉表及SQL 等各种查询，可以较为方便地设计出满足水工建筑物各种查询的功能，如图2 所示。

图2 Access数据库环境下的建筑物查询

在 AutoCAD 图形支撑系统中实现建筑物的数据库查询，需通过 AutoCAD 数据库管理器（DB Connect）连接外部数据库（如 Access 数据库等），即首先经过数据源配置将要连接的外部数据库文件通过 OLE DB（对象链接和嵌入数据库）提供的驱动程序与 AutoCAD 进行链接，创建 1 个扩展名为.udl 文件，它包含数据源的链接信息；然后利用 DB Connect 查询编辑器提供的 4 种查询方法，即快速、基于取值范围的、基于多列和表达式的，以及 SQL语句等查询方式，可在 AutoCAD 环境下建立县级小型水利工程建筑物信息管理所需要的各种查询，如图3 左侧所示。

建筑物在基础信息图中的位置及分布的查询分为单个建筑物查询，按联圩、乡镇或全市等查询，以及按某一经纬度区域查询建筑物等（见图1）。由于按乡镇或全市查询建筑物及分布状况是常用功能，为此，在 AutoCAD ObjectARX 二次开发环境下，利用 MFC 库[3]开发出便于用户使用的查询界面，如图3 右侧所示，在该界面中通过选择乡镇（或全市）及建筑物类型，点击“观看图层”按钮可即时查看到所选乡镇（或全市）及建筑物的分布、数量等情况；点击“关闭图层”按钮可实现反向功能；按某一经纬度区域查询建筑物也是常用功能之一，这一功能利用 VLISP 二次开发程序加以实现。

图3 AutoCAD环境下建筑物的查询

小型水工建筑物数据统计与报表功能，以及数据内容统一更新功能的实现可参见文献 [4]，它们都是基于基础信息表（基表），利用 Access 内置功能实现的。如报表输出数据是基于多个查询表合成的，而多个查询表又是基于基表时，在基表数据发生变化时，要首先更新多个查询表，才能保证输出报表中数据的准确性，遇到这种多步骤的更新过程可采用Access 中的宏过程加以实现。数据权限功能需要对不同用户访问基表的权限加以设置，这一功能的实现既可采用 Access 自带的权限设置功能，也可用 VBA编程加以控制；信息化数据对防洪抗旱决策的支撑及数据库与 CAD 联接等功能参见文献 [4]。

3 CAD 数据向 Map（或 GIS）的转换

目前，省级建设的水利工程管理系统和信息化 GIS 公共基础平台虽然充分考虑到市、县业务对GIS 平台的需求，以及县级已建相关信息、应用系统的衔接与整合，但在县级层面上还未全面应用，即使今后县级各项与 GIS 相关的水行政和业务工作的应用系统都可在省级公共平台上开发，之前县级大量的信息化资源还是存在重复开发和有效利用的问题。因此，研究水利工程 CAD 数据与 Map（或GIS）之间的转换意义明显。由于 CAD 与 Map（或GIS）系统在数据结构上存在较大差异[5]，加之目前还没有“国家空间数据格式标准规范”及技术标准，使得研究得到的“转换方法”都带有一定的局限性，通用性较弱。为此尝试将县级的 CAD 水系图转入至 Map 系统中，在数据转换过程中得到以下初步结果：

1）DXF 文件是不同系统都能认可的中间文件，可用其作为两者间的转换文件。在高版本 CAD 中所作图形转换成 DXF 文件输出时，用较低版本 CAD（如 R12/R13）的 DXF 文件数据输出，在 Map 中接收效果较好。

2）在水利工程 CAD 图中要进行预处理，尽量细分实体所在的图层，将不同的水工建筑物，如小型泵站、圩口闸、河道、农桥等尽可能放至不同的图层上，便于整理及赋予相同特性，也便于分层转入至 Map 中。

3）在水利工程 CAD 图中，水工建筑物的颜色特性尽量采用 1～7 标准色。因为 CAD 中实体的颜色，无论是随层的，还是指定的某种颜色，在实体转换时，对于采用索引号 1～7 标准颜色产生的实体，转换前后实体的颜色能保持不变；在 CAD 中实体的颜色如果采用类似 160 号（蓝色）等非标准颜色，实体转换至 Map 中会改变原来的颜色。

4）CAD 至 Map 不能实现的转换，只能进行再处理。如线型宽度信息，无论是 CAD 至 Map，还是Map 至 CAD，数据转换后线宽信息都会丢失，只能采用 Map 中“线样式”重新赋值；又如 CAD 中实体图案填充结果默认为整体的块，如在预处理时不爆破，则无法转换，只能通过 Map 中“区域样式”还原处理。

4 结语

县级小型水利工程基础信息面广量大，随着建设与改造力度的加大，信息量也在动态变化。基础信息的采集与数字化是信息化过程中的重要基础工作，因此信息采集与数字化的准确性保证显得尤为重要。保证准确性的方法除了尽量减少数据采集源头的错误外，数据在入库入图时的准确性判别也是必不可少的。

通用数据库和图形支撑系统及其二次开发平台，虽然足以满足市县农村小型水利工程的采集数据的数字化和信息管理软件的各项功能要求，也能较好地实现用户界面友好、操作方便等实用性较强的功能，但总体来说，通用数据库和图形支撑系统与 GIS 平台相比，后者更适合用于大型区域及信息量庞大的软件开发要求，因此，较大区域的水利信息化 GIS（或 WebGIS）平台应加快建设和推广应用。对已开发的县级及基层信息化软件资源，如何向省级水利信息化 GIS 公共平台有效过渡也要进行研究。

CAD 数据向 Map（或 GIS）转换的研究是基于某个工程实例带有“尝试性”的研究，并已得到文中的初步结果，由于省级信息化 GIS 平台目前还未推广至县级，故针对性较强的实践有待进一步研究。

目前充分实现江苏水利信息资源共享，实现“1 张图、1 个库、1 个平台” 的建设目标，实现省、市、县 3 级水利信息的互联互通和资源共享，建设好数字水利、现代水利的基础服务平台是近期重要任务。由于江苏省水利信息化 GIS 建设平台还未推广应用至县级市，同时 GIS 平台自身种类较多，差异较大，故县市现有水利工程数据库及 CAD数据如何向省级 GIS 平台对接，目前既不明晰，也未提出明确要求。只有待省级 GIS 平台要求与县级水利信息实现互联互通和资源共享时，县级现有数据库及 CAD 资源向省级 GIS 平台转换才能更具有针对性，工程的实践也会更有意义。

[1]陆建平，徐淑芳，陈军冰，等. 基于 GIS 组件开发的水利工程管理系统研究[J]. 水利水文自动化，2009 (1): 1-4.

[2]Franziska S, Luis M.Linking databases of different sources and scales for groundwater research in the Urema River Basin/Central Mozambique[J].Water Resources Management,2007, 21 (1): 174-181.

[3]李长勋. AutoCAD ObjectARX 程序开发技术[M]. 北京：国防工业出版社，2005: 264-304.

[4]王业明，邹嘉德. 农村小型泵站信息化管理[J]. 排灌机械，2009, 27 (1): 55-59.

[5]Peter van Oosterom. Bridging the Worlds of CAD and GIS[OL]. (2004-06-17)[ 2012-01-16].http://www.directionsmag.com/articles/20040617/123693.htm.