基於三維GIS的長江流域水利綜合站網展示系統的設計與實現分析論
基於三維GIS的長江流域水利綜合站網展示系統的設計與實現分析論
1. 引言
長江水利委員會不同單位按照相關職能和業務需要，在長江流域設立並管轄著不同型別站網，包括水文、水質、水土保持、水生態監測、科學實驗以及專門為規劃、設計等方面而設立的站點，承擔著水文、水質、水土保持、水生態監測、科學實驗等各方面的水利綜合監測業務。由於長江流域片水利綜合監測站網的佈設範圍廣、站點多、測驗專案多、資訊量大，傳統的管理方式無法滿足展現與管理需要。為滿足決策者對站網的分佈狀況的掌握、對測站基本資訊的瞭解，對站網基本情況的分析和功能的評價，建設長江流域水利綜合站網展示系統以輔助站網綜合規劃和管理是十分必要的。
2. 建設目標及意義
根據長江流域片流域管理水利綜合監測站網規劃要求，長江流域水利綜合站網展示系統建設的主要目標就是充分利用長江流域地理資訊資料、3D 模型資料，並集合長江流域相關業務資料庫，基於計算機技術、資料庫技術和GIS 技術，構建站網管理和展示模型，實現全流域地理資源、水網資源、站網資料的管理以及各類站網資訊的動態視覺化展示和查詢，及時掌握各類站網資訊，為綜合站網的規劃設計、建設執行提供技術支撐。其具體意義主要體現在以下幾個方面：
1) 透過系統對綜合站網資訊進行科學的管理，從而有效避免資訊傳遞效率低、資訊更新週期長等缺點，實現站網資訊管理數字化、查詢視覺化、更新迅速化以及資訊可擴充套件化，併為實現優勢互補、資源共享，最佳化站網功能，避免重複建設提供決策依據。
2) 透過系統建設，構建一數一源、一點更新的站網基礎資訊資料來源，並以此為基礎對現有資料組織儲存體系進行升級與完善，與相關業務資料資源進行整合，構建各個資料資源之間關聯關係和層次關係。促進長江流域各類水利資訊資源的整合與共享以及綜合利用與服務。
3) 透過系統建設，將長江流域站網資訊與長江流域地理資訊相結合，依託三維模擬技術實現視覺化管理與服務，並支援與現有防汛抗旱決策支援系統等資訊化系統高度整合，為長江流域防汛抗旱、水資源管理、水資源保護、河勢穩定等提供決策支援服務，從而推進了長江水利資訊化的整體發展。
3. 需求分析
根據系統建設目標，並結合長江委資訊化建設現狀，長江流域水利綜合站網展示系統要求在對現有全流域地形資料、暈渲圖資料、影像資料，站網資料科學化管理和組織的基礎上，實現長江流域片各類監測站點的視覺化展示和查詢，並透過GIS 空間分析功能，提供多種模式的站網規劃分析、計算和統計功能，為站網的綜合規劃和建設管理提供支撐。其主要需求為：
1) 利用長江流域地形DEM 資料，影像DOM 資料，製作全流域渲染底圖，實現行政區劃資料(省、市界)、地名資料、河流湖泊資料的組織、載入和顯示控制。
2) 構建長江流域站網資訊資料庫，實現站網資訊分層、分類標識。並與相關業務資料庫實現資料關聯。
3) 實現現有的和規劃的各類測站、斷面的組織與管理，以及站網資訊的分層、分類展示。
4) 實現測站站點視覺化“捕捉”和站點基本資訊查詢和業務資料查詢。
5) 提供重疊分析，密度分析等多種模式的站網規劃分析、計算和統計功能。
6) 實現重要站點或水利設施工程的模擬展示，在疊加全江河道地形監測資訊的情況下，支援流域內重要站點或水利設施工程的模擬模擬展示。
7) 支援相關業務的視覺化分析計算及決策輔助等功能，如水位流量關係、設計暴雨、設計洪水、徑流年內年際分配及地區組成等，可以為防汛會商、調水調沙等提供視覺化決策支撐。
8) 具備良好的開放性和擴充套件性，為後期的基於站網分佈的GIS 應用開發提供擴充套件介面。
4. 系統設計
4.1. 總體架構
按照建設目標和總體需求，長江流域水利綜合站網展示系統在整合長江流域空間資訊、站網資訊和業務資訊的基礎上，利用三維模擬軟體Gaea Explore 作為GIS 基礎平臺，透過Gaea Explorer 平臺提供的開發包開發客戶端系統，實現站網管理、展示查詢、分析統計等功能，為長江流域基於站網資訊資源的資訊共享、輔助規劃、決策支援提供視覺化技術支撐，系統的總體框架。長江流域水利綜合站網展示系統由三層架構搭建，分別為資料層、服務層和應用層。
1) 資料層：主要包括三維場景資料、向量空間資料、站網資訊資料以及業務資料資源。其中三維場景資料為DEM 資料、DOM 資料、三維資料等進行融合匹配後形成的三維金字塔瓦片資料庫，採用檔案方式存放在伺服器端;水網水系、行政區劃資料採用向量空間資料格式存放在伺服器端，透過Gaea Explorer 平臺呼叫和訪問;站網資訊資料是透過對業務資料庫的抽取形成的索引型資訊資源，除了儲存測站基本資訊外，還儲存了與業務資料資源之間的關聯關係，是站網展示，資訊查詢、統計分析的核心資訊資源。
2) 服務層：主要由Gaea Explorer 三維數字地球綜合應用與虛擬模擬平臺提供的各類服務支撐。資料組織管理服務主要用來管理三維場景金字塔結構和向量資料匹配;資料瓦片服務主要嚮應用層提供各類資料服務，以便系統方便快捷的訪問和排程;應用功能服務主要提供平臺內建的大量功能，如瀏覽、漫遊、量算、放大、縮小、定位等;三維模擬服務主要提供各類動態逼真的三維虛擬現實模擬模擬。
3) 應用層：為基於Gaea Explorer 三維數字地球綜合應用與虛擬模擬平臺提供的SDK 開發包所搭建的應用功能，透過繼承平臺已有的功能和新開發的各項功能，對外提供良好的站網展示、查詢、統計、符號化及製圖等功能，並透過二次開發實現資訊共享、輔助規劃、決策支援等應用服務功能。
4.2. 技術路線
系統採用三維模擬軟體Gaea Explore 作為GIS 基礎平臺，基於WebGIS 技術，可在網路環境下實現海量資料無縫組織、管理和視覺化。採用C/S 架構搭建，所有的空間資料、屬性資料、資訊資料等存放於伺服器端，透過Gaea Explorer 平臺提供的開發包開發客戶端系統，實現線上資料訪問和離線(快取方式)資料訪問。系統利用網路計算機技術、空間資訊分析技術、數理統計與模擬預測技術、虛擬現實技術等，藉助數字化和資訊化的手段，最大限度利用資訊資源。系統設計開發以資料庫技術、網路技術和地理資訊系統技術為支撐，以空間資料和屬性資料為基礎，透過對空間資料和站網資料的儲存和管理，建立資料管理、站網規劃輔助分析和三維綜合展示為一體的綜合展示系統。在系統研發過程中採用以下總體技術路線和技術模式，使系統更具較好的實用性、可靠性、安全性和先進性。
1) 高效利用現代網路體系，充分適應系統各功能的工作特點，採用C/S 模式建立系統總體構。
2) 採用模組化方式進行開發，各模組只處於低耦合狀態，方便使用者進行功能的擴充與更改，使系統功能實現更具靈活性與可塑性。
3) 利用空間資料引擎，實現對站網資料和流域地理資料進行多時相資料一體化儲存、管理與排程，實現海量資料的快速查詢、分析與計算。
4) 利用多種視覺化方式實現站網資料的空間、屬性資訊聯合展示、查詢和統計。
5) 採用金字塔資料管理、多維索引機制、虛擬現實(VR)、LOD 分塊排程等技術實現大場景的三維視覺化排程，真實再現現實景觀。
5. 關鍵技術
5.1. 多源異構資料組織
長江流域設立並管轄著不同型別站網，包括水文、水質、水土保持、水生態監測、科學實驗等，承擔著水文、水質、水土保持、水生態監測、科學實驗等各方面的水利綜合監測業務，各自形成了各自的業務資訊資料庫系統。採用多源異構資料組織的方法，建立綜合站網基礎資訊索引資料庫，構建站網基礎資訊索引與業務資料庫基礎資訊之間的關聯，實現站網基礎資訊的統一組織。多源異構資料組織的基本思路是認同各類站網資訊可以具有自己獨立的資訊組織模式，為了將這些分散異構的資訊，組織成統一的、整體的資訊資源，又保持各類水文資訊各自的獨立性，根據“虛擬化”的基本原理，透過構造相應的資訊資源統一組織架構，為使用者提供虛擬化的資訊資源開發利用條件。資訊資源統一組織架構主要由存貯、描述和資源永續性與安全控制3 個體系，以及資料來源註冊、資料抽取與轉換、資料來源動態配置、虛擬化資訊資源組成和資源開發應用支撐5 層處理構成。這3 個體系和5 個處理層次，有效保證了各類站網資訊資源的原有形態，並可充分利用各類站網資訊資源的計算資源，形成邏輯上完整的資訊全集，為充分利用分散的、異構的水文資料集，提供基本參考模型。
5.2. 海量資料併發訪問
採用Gaea Explorer 平臺提供海量影像資料釋出能力，實現整個長江流域DEM、DOM 資料快速、穩定的訪問。資料的儲存效能和訪問效能對整個GIS 應用的.效能有著重要的影響作用，所以空間資料庫引擎的功能和效能對GIS 應用的功能完整性和執行效率具有重大的影響。透過Gaea Explorer 平臺，可以把GIS 的空間幾何物件資料和屬性資料一體化儲存到多種關係型資料庫中，能夠對資料進行索引維護、追加、更新、刪除等維護操作，按屬性條件或空間條件來對資料進行各種查詢返回需要的資料，還具備提供長事務、版本、拓撲關係維護等高階功能。
5.3. 穩定可靠的快取技術
平臺的優劣不僅僅體現在架構、介面和操作深度上，提高系統響應速度來提升使用者體驗也是獲得使用者青睞的重要方法。Gaea 平臺透過採用快取技術，來減少請求資料服務的次數，直接從記憶體中獲取已經快取的資料資訊，來大大提高系統響應效率。Web 應用大都將資料儲存到RDBMS 中，應用伺服器從中讀取資料並在瀏覽器中顯示。但隨著資料量的增大、訪問的集中，就會出現RDBMS 的負擔加重、資料庫響應惡化、網站顯示延遲等重大影響。應用快取技術，就是為了解決上述問題，使系統能夠基於高速執行的分散式快取伺服器，實現最佳的使用者體驗。第一次訪問從資料庫中取得資料存放到快取中，第二次訪問從快取中取得資料進行頁面顯示
5.4. 金字塔圖片引擎和GIS 服務引擎一體化技術
金字塔圖片引擎是將地圖按照比例尺和圖層進行地圖圖片切片，形成無數小檔案圖片後由圖片引擎負責在客戶端根據地圖大小將多張圖片拼接形成切片前的效果。ServiceGIS 伺服器軟體平臺將地圖圖片引擎統一整合在網路GIS 伺服器中，圖片服務引擎是ServiceGIS 平臺提供伺服器的關鍵組成部分，同時，將GIS 圖形引擎也整合在統一的平臺中，在功能上實現對接。地圖服務啟動時，圖片引擎按照預訂的比例尺，自動切圖為靜態圖片，並建立圖片金字塔，統一對外。地圖引擎的地圖內容更新後，ServiceGIS 軟體平臺將協同GIS 圖形引擎和圖片引擎，按照實際更新範圍進行動態更新，實現動態圖片按需切片，從而保障切片效率。平臺除了提供地圖圖片引擎服務以外，還提供GIS 服務引擎進行深度GIS 應用分析與空間表達和服務聚合。透過這種模式，不但可以滿足平臺本身需求，還可以將傳統只能在C/S 應用模式應用的空間分析功能在B/S 應用模式中進行服務共享應用。
6. 系統功能
按照長江流域站網綜合規劃總體要求，結合需求分析，基於3DGIS 的長江流域水利綜合站網展示系統在功能上主要實現了流域影像三維展示、站網資訊分類分級展示、站點資訊視覺化查詢、站網規劃分析以及基於3DGIS 的長江流域水利綜合站網平臺的擴充套件支援功能。系統功能結構如圖3 所示。其中站網分類分級展示、站點資訊視覺化查詢、站網規劃分析是系統建設中的主要業務功能。
1) 站網資訊分類分級展示
站網展示主要實現站網資訊在地圖上的特徵標註，以及站網分級、分類展示。站網分級展示支援不同比例尺下的高密度站點的分級展示。站網分類展示主要是按照站點的類別在地圖上實現分層控制展示。站網展示展示內容包括水文站網、河道站網、水質監測站網、水土保持監測站網、水生態保護監測站網、科學實驗研究觀測站網等站網資訊的展示，可以透過疊加站網類別控制站網的展示效果。
2) 站點資訊視覺化查詢
資訊查詢包括測站基本資訊查詢和站點業務資料查詢。測站基本資訊查詢實現站點的視覺化“捕捉”，可以查詢並可顯示站點的基本屬性資訊，包括站名、站碼、位置、站類、站別、測驗專案、測驗方式、管理單位、座標資訊等欄位資訊。站點業務資料查詢實現站點相關業務資料的視覺化查詢，可以查詢其在某一時間段的業務觀測資料，透過表格及統計圖表的方式進行展示，如實時水雨情資訊，歷史水文資料、水環境監測資料等。站點的視覺化“捕捉”。
3) 站網規劃分析
站網規劃分析能夠主要是為站網規劃提供決策支撐資訊，包括站網密度分析和站點重疊分析兩個主要模組。密度分析主要是實現某一區域內測站的密度分析，區域可以是水系、行政區域或自定義區域。重疊分析是根據設定的距離引數，計算在該引數記憶體在重疊的測站，予以提示。
7. 結語
長江流域水利綜合站網展示系統是長江流域片流域管理水利綜合監測站網規劃專案的重要資訊化支撐手段，也是規劃成果的主要展示平臺，系統建設內容涉及長江流域設立並管轄的不同型別站網，基於多源異構資料組織技術建立的統一站網資訊展示體系和為站網規劃提供決策支撐的不同型別站網之間的重疊分析功能是本系統的主要創新點。系統還在水流防真、洪峰演進等方面進行了研究性開發，充分展示了長江流域水利綜合站網展示系統的可擴充套件性和能夠為長江流域防汛抗旱、水資源管理、水資源保護、河勢穩定等提供資訊化決策支援服務的能力。