基于GIS和三维仿真技术的水务普查数据处理系统

姜 冲 郑 钧 李 杰 曲兆松

系统总体构想

1.系统目标

通过将GIS、三维可视化、计算机、自动化、通信和网络化等技术与地理学、生态学、水利学、土壤学等基础学科的综合集成应用，并充分利用现有的水务普查资源，结合已有的水情、雨情、工情、风情、潮情等监测数据，将监控技术与地理信息系统、资源档案管理结合起来，实现数据共享和资源整合，实现资源信息的快速采集和处理，实现水利工程资源档案管理、灾害分析和监控，为决策者提供强有力的基础信息资料和决策支持，为水利建设及水资源管理带来最有效与最高性能的管理方式。

2.系统数据

水务普查数据资源是整个处理系统的基础来源，包括空间数据和属性数据（水务普查数据）。

（1）空间数据：空间数据是用来描述来自现实的目标，将数据统一化，借以表明空间实体的形状大小以及位置和分布特征。空间数据是重要的水利普查数据，是保障成果质量的关键性基础工作，也是体现成果水平的重要保障，空间数据处理的成效直接影响到成果质量。

（2）属性数据：属性数据除了已有的三防数据外，还包含以下普查数据：①河流湖泊。流域面积50km2及以上的河流和常年水面面积1km2及以上的湖泊。②水利工程。包括水库、水电站、水闸、泵站、引调水、堤防、农村供水、塘坝、窖池及灌区和地下水取水井等11类工程。③经济社会取用水户。城乡居民生活、工业、建筑业及第三产业等用水单位，灌区、规模化畜禽养殖场及公共供水企业等取用水户。④河湖开发治理保护。包括河湖取水口、地表水水源地、入河湖排污口、有治理保护任务的河流与湖泊。⑤水土保持。包括水蚀、风蚀、冻融侵蚀区域，侵蚀沟道，淤地坝等主要水土保持措施。⑥水利单位。包括水利行政机关、事业、企业、社团、乡镇水利管理单位等5类单位。

系统总体设计

1.系统总体架构

系统集成了数据库技术、GIS技术和三维可视化技术，采用C/S和B/S混合体系结构设计。系统分为3个功能模块，分别为实时监测信息采集模块、综合信息服务模块、灾情预测与经济损失评估模块。

2.功能设计

（1）实时监测信息采集模块：实时监测信息采集系统是整个系统的基础，是防灾减灾决策和指挥抢险救灾的依据。实时监测信息采集子系统监测的信息，有水情信息、灾情信息等。水情信息包括了降雨量、江河水位、水库水位、闸坝上下水位、江河流量、水库进出流量、闸坝闸门开启度和下泄量、水库蓄水量及风向、风力、气压等信息；灾情信息包括了水库、堤防、水闸等防洪工程的运行状态、调度命令的执行情况、物资的储备等。实时监控信息的采集主要通过自动监测点（水利监控摄像头、水位计、流量计）、人工监测和群众上报等方式，人工监测主要通过PDA与GPS定位接收机组合的无限采集设备来完成。

（2）综合服务模块：通过GIS地理编码技术，根据信息的种类、位置、所属区域等条件编码，在系统中可以快速准确地查询到相应信息，便于在救灾指挥中开展灾害的预测、决策的指定、物资的调配等工作。通过该平台可以对所属区域的三防信息进行全天候监控，包括对终点区域做到不间断巡查，对发生重大险情的具体情况、具体位置、灾害的覆盖面做到了如指掌。利用实时数据和普查数据，结合全文检索、数据管理子模块可以对历史险情信息进行分析并进行预测模拟和演练。

（3）灾情预测与经济损失评估模块：水利信息化发展的一大瓶颈是数据、问题和模型的非结构化，进行灾情预测与经济评估模型的标准化进展十分缓慢。针对这一现状，加强信息标准化和模型集成化成了亟待解决的问题。该模块旨在将不同要素、不同过程模型结合云计算技术、数据库技术、GIS技术、三维可视化技术进行集成，将所涉及的技术难点、数据接口、水文模型集成的框架、多过程模型系统的耦合集成、各类模型的信息交互和传输方式等进行组件式和模块化封装。同时实现水数学模型的参数化管理，包括自传感器获取的实时水信息的参数化方法，多源、多时相、多尺度遥感数据融合，水文模型参数群的时空规律（例如，淹没分析、淹没演练等）。利用实时数据、存档数据、普查数据资源结合模型，进行三维可视化的重构、预测和评估，对于辅助决策有着重要的指导意义。

系统创新点

该系统的主要创新点体现在：

（1）结合水利数学模型，将GIS技术、三维仿真技术、信息化技术多源结合，最大程度地利用水务普查资源，结合已有的成果数据，建设一套多源集中式的数据处理系统，向实现水联网和智能水利的方向发展。

（2）利用云计算、水利数学模型结合三维仿真技术，实现灾情评估和经济损失评估。

应用案例

目前，基于GIS和三维仿真技术的水务普查数据处理系统平台的各子系统已经在多个水利部门得到成功应用。

其中，防洪抗旱预警和决策支持系统为水利部门的防洪抗旱指挥决策提供了强大的技术支撑。系统已应用于国家某重点防洪城市水务局，为该市防洪抗旱提供了有效的决策分析依据，综合高效地利用各级各类水利工程设施缓减旱情、汛情，对该市的国民经济和社会可持续发展发挥了重要作用。

远程水位监测系统可以同时测量监控各个地点的水位和温度，测量精度较高，数据存储容量非常大，可用于水利、环境、地质、交通、农业等各部门进行长期监测。远程水位监测系统采用我国市电，即我们常用的220V电压，在市电停电或者发生电力故障的时候，太阳能、蓄电池供电系统将为该系统供电，这样仍可正常运行，使得数据的连续性和安全性得到了保障。

新疆某市远程输水控制系统在取水口、阀门、出水口位置布设压力计、水位计、流量计、测沙仪、阀门开度等传感器，用于获取管道压力、水位、流量、含沙量和阀门开度等物理量，为远程水位控制提供了成功的解决方案。

浙江省某市的防汛值班系统将三防实时数据、历史数据、政策文件等发布到网络，提供公共服务，起到了良好的效果。下一步考虑将最新水利普查信息进行上报，结合数学模型进行预警、预报、预测等高级业务的拓展，相信会在水利普查信息化的推广方面提供良好的示范作用。

结论

该系统设计过程中充分考虑了系统的可扩展性，使得整个系统的升级更为方便；建立时除考虑其本身的未来发展之外，还考虑与各部门管理信息系统之间的接口和数据共享，为水利普查的成果应用打下了良好的基础。