宁波市水利信息化综合管理平台的设计与实现

2014-03-27李丹农

地理空间信息 2014年3期

徐宁，聂倩，李丹农

（1.宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315042）

随着水利信息化建设的加快，如何有效地进行水利信息精细管理、推动水利信息的可持续发展应用已经成为各水利管理部门亟待解决的重要问题[1-4]。宁波市水利信息化综合管理平台是以宁波市基础地理信息系统（GIS）平台为依托，建立完整统一的基础地理空间和水利专题数据库，并基于多元水利信息一体化管理、高速地图访问图片引擎和二、三维一体化等关键技术，构建集水利信息采集、信息传输交换共享、信息管理和应用、辅助决策支持与公众信息服务于一体的水利信息化综合管理平台，实现水利信息的科学、严格、精细、长效管理，从而全面推进水资源合理配置和高效利用。

1 平台总体架构

宁波市水利信息化综合管理平台的总体架构可划分为1个基础平台（IT基础设施平台），3个体系（标准规范体系、安全保障体系和系统管理维护体系）和5个层次（数据采集层、资源管理层、应用支撑层、业务应用层和表现层），如图1所示。

1）IT基础设施平台。包括系统运行所需的软硬件和基础网络，是宁波市水利信息化综合管理平台运行、提供服务、共享信息的基石。

2）数据采集层。采集水利信息化综合管理平台的各类基础数据、专题数据，通过外业测量、影像识别、地形图调绘、污染源普查等过程，向资源管理层提供数据。

3）资源管理层。管理存储各类基础数据、专题数据，通过数据转换、加工、提取和过滤等过程，向应用支撑层提供应用服务数据。

4）应用支撑层。作为宁波市水利信息化综合管理平台的基础组件，包括应用系统开发、组件化开发部署、运行和管理环境及其相应规范。

5）业务应用层。包括各业务系统，集中运行业务逻辑。

6）表现层又称用户访问层，负责与用户交互，接受用户对系统的服务请求，并把业务应用层的处理结果展现给用户。

图1 平台的总体架构设计

2 平台关键技术

2.1 数据采集与数据库建设

宁波市水利信息化综合管理平台组织和管理的数据主要分为基础地理数据库、三维模型数据库和专题数据库。其中，基础地理数据库包括历年遥感影像和政务电子地图数据；三维模型数据库是以现有的宁波市1：5 000 DEM和DOM数据为基础，建立三维地形地貌模型，并将水文站点以兴趣点形式标注出来；专题数据库包括河流湖泊特征信息、水源保护区界线和污染源、水文站网信息、水雨情数据等。

由于宁波市水利信息化综合管理平台包含了各类空间、非空间以及三维模型等相关数据，其数据形式包括了矢量、栅格、文本、多媒体数据等，故采用Geodatabase模式组织和管理空间数据，并通过ArcSDE空间数据库引擎，实现数据的检索与查询。三维模型数据库采用文件库的方式进行存储和组织，其他数据采用Oracle数据库进行组织和管理。

2.2 图片引擎技术

采用图片引擎技术实现地图数据的快速浏览可视化，其主要原理是：采用地图拼接机制把大块地图分割成一定大小的图片，在应用程序客户端浏览和可视化时进行分块下载和拼接，从而实现地图的快速显示和动态调度。同时采用了浏览器缓存机制，访问过的地图可直接从浏览器引擎中读取，大大加快了地图的显示速度和用户体验效果。

图片引擎由于预先生成了地图图片，不需要在后台读取空间数据库数据和实时渲染地图，所以大大节省了系统运行时间，地图响应速度很快。用户并发的限制将取决于硬盘的读取和网络传输，可以通过扩展低成本的硬件来提升系统性能。同时实现了平滑的移动和漫游，地图移动不再露白，放大缩小和漫游几乎不需要等待时间，地图图片内容可以非常复杂和美观，不再受平台限制。

2.3 海量真三维数据更新与发布技术

按照传统的三维数据编译方式，影像、三维模型数据等编译发布需要较长的时间。同时，由于水利建设、更新和保护，使得水利相关的三维模型数据不断更新，如果每次更新都需要重新编译发布，将给系统数据维护带来极大不便。为提高系统的可维护性，本平台综合利用了多种技术，包括：

1）不同分辨率地形影像数据的实时融合技术。在传统瓦片金字塔技术构建基础上，与覆盖级别、网格掩码等技术共同作用，以解决不同精度数据的融合问题。

2）多任务并发处理技术。采用矩形任务分解和XML实现影像多任务并发处理，以大幅缩短高分辨率影像编译时间。

3）断点续编技术。三维数据编译时间较长，编译过程中很容易出现断电、系统崩溃或其他各种问题，系统采用日志记录、文件更替等多种技术实现了断点续编。

4）任意范围更新技术。在不关停数据服务器的情况下，进行任意范围的地形、影像和三维模型数据在线更新。

2.4 二三维一体化技术

二维GIS具有强大的二维空间查询分析统计功能、灵活多样的应用形式和成熟的业务处理流程。而三维GIS具有更为直观的空间信息展示功能，其多维度空间分析功能也更为强大，因此三维GIS更容易为用户所接受[5-7]。本文利用动态坐标匹配技术，根据预先设定的误差阈值进行二维和三维坐标间的同名兴趣点间匹配搜索，实现二维和三维GIS系统间的无缝转换，并能够在三维系统中动态加载和编辑ArcSDE数据，真正实现了二三维数据一体化管理、一体化查询显示和一体化分析。

3 平台实现的功能

3.1 基于手机的水文信息查询系统

基于手机的水文信息查询系统是通过3G/GPRS等网络在线实时查看水文相关信息，具体包括各水文站点的水情、雨情、潮位、风向风速、台风、天气等实时和历史数据，实现移动办公，以便于管理层快速地了解当前的水文信息并作出相应决策。基于手机的水文信息查询系统的主界面如图2所示。

图2 基于手机的水文信息查询系统主界面

3.2 水文站网信息管理系统

水文站网信息管理系统基于ArcGIS API for Silverlight实现了水利站网多专题数据的一体化集成。其图层控制采用了两种模式，一类是地理底图，即影像图和电子政务图，利用图片引擎技术进行地图高速访问；另一类是动态图层，主要分为基础图层和水文站网图层，其中基础图层对应电子政务数据库数据，而水文站网图层对应水文站网专题数据库数据。为用户提供按地名、经纬度或模糊等3种空间定位功能，如图3所示。同时，提供了空间查询、属性查询和组合查询等多种方式快速查询和检索关联信息资源，用户可根据需要选择统计的属性（如测站类别、测验项目、测验方式等）进行统计，统计结果以表格、柱状图、饼图等形式表示，如图4。此外，用户可修改水文测站等专题数据的空间及属性信息，维护数据的正确性。

图3 3种空间定位方式

图4 水文信息查询和统计分析

3.3 三维可视化分析系统

三维可视化分析系统以宁波基础地理信息数据（DLG、DOM、DEM）为数据源，通过对城市三维数据的标准制作和LOD的数据策略，动态精细模型加载和实时三维场景渲染的技术匹配，并结合水文站网管理需要，实现了包括山形、海岸、地貌等自然三维场景和精细模型的快速浏览，同时将水文站、水位站、雨量站、遥测站、污染源等水利专题信息无缝集成到三维立体空间，实现立体化的水利管理。同时，三维可视化分析系统提供了三维量算分析、淹没分析、剖面分析和挖填方分析等功能。图5为水淹分析模拟。