三维GIS在水利工程信息管理中的应用研究

摘要：论述如何将地理信息技术和三维可视技术应用于辽宁水利工程三维地理信息管理系统，以包括数字高程模型DEM，数字线划图DLG，数字栅格图DRG，数字正射影像图DOM等的基础地理信息以及水利工程信息、水文水质信息、水雨情信息、社会经济信息等信息为基础信息平台，充分利用三维GIS技术和网络计算技术，在水利工程数据库的基础上，以三维手段仿真模拟水利工程情况，以地理信息技术手段对水利工程数据进行统计分析，以提高水利工程的管理水平和应用水平。

关键词：水利工程 3S技术 三维GIS 信息管理 地理信息系统

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0095-02

1、引言

地理信息系统GIS及三维可视技术作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能，这对于水利工程的科学管理尤为重要。由于水利工程管理的复杂、多样、环境恶劣等特点，所以GIS及三维可视技术在水利工程管理中的应用研究就显得更加重要。

本文将对辽宁水利工程三维地理信息管理系统的设计与开发进行研究。

2、辽宁水利工程三维地理信息管理系统总体分析

2.1　研究背景

水利工程是社会发展的重要基础设施。从新中国建国以来，我国兴建了大批的水利工程，仅辽宁省共建成水库949座，大型水库27座，中型水库74座，小型水库848座，建成水电站114座，共有引水工程0.15万处，提水工程0.13万处，地下水工程机电井14.4万眼，现有塘坝2290座，现有机电井14173万眼，灌溉站1843座，自流引水工程491处，截潜工程795处，现有饮水井14476处、集雨工程1982处。全省已建堤防总长已达21600km。初步形成了防洪、灌溉、供水和发电等工程体系，在促进经济、保护水土资源和改善生态环境等方面起到了极大地作用。但是，现如今在水利工程管理中存在的问题也日益严重。

水利工程建设和管理是一项非常复杂庞大的系统工程，包括区域或流域内水资源的管理和调度，水利枢纽工程的建设管理等，具有项目实施周期长，投入的资金和人力物力多，对生态环境影响大，涉及的专业领域广等特点。正由于这些特点，使决策者或决策部门无法及时准确的掌握水利工程的建设进度，以及工程建设完成后的使用和保养情况等信息，以致无法做出最优的决策。这对国民经济的发展和人民的安全带来了极大的隐患。因此水利行业面临着全面技术升级的大好机遇，水利政务、防汛减灾、水资源监控调度、水环境综合治理、大型工程的设计和施工、大中型灌区的综合管理等都迫切需要采用计算机技术、通讯网络技术、微电子技术、计算机辅助设计技术、3S技术（遥感、地理信息系统、全球定位系统）等一系列高新技术对水利行业进行全面技术升级和改造，尤其是地理信息系统对科学决策和科学管理具有深远的意义。

2.2　系统总体目标

辽宁水利工程三维地理信息管理系统充分利用三维GIS技术和网络计算技术，在水利工程数据库的基础上，以三维手段仿真模拟水利工程情况，以地理信息技术对水利工程数据进行统计分析，实现三维平台下浏览、查询、分析等功能。利用辽宁水利工程三维地理信息管理系统可让用户随时了解在建供水利工程的施工进度和已完成水利工程的使用及养护情况。如遇发生水灾，系统可帮助用户进行水情监测，对洪水水情进行动态模拟并生成救灾方案等辅助用户决策。从而实现水利工程的科学管理。

2.3　系统总体功能

辽宁水利工程三维地理信息管理系统采用三维3S（GIS/GPS/RS）技术，无缝集成水利工程数据、高清晰航空遥感影像数据、DEM（数字高程模型）数据、水利矢量地图数据、水利工程三维模型等多元海量数据，实现三维平台下浏览、查询、分析等功能。具体功能主要包括水利工程三维综合展示、水利工程三维查询、水利工程三维分析、水利工程数据报表输出以及系统管理五大部分。

3、系统的GIS应用软件平台特色

辽宁水利工程三维地理信息管理系统开发选择了国内自主开发，具有中国自主知识产权的先进三维GIS平台EV-Globe。

作为国产GIS平台，系统还可以在底层代码方面针对客户特殊需要，拓展加密业务等能力，提升系统安全性。在系统结构方面，EV-Globe采用了基于服务的多层网络架构实现系统功能，将三维地图、分析运算服务、数据存储、客户端浏览等环节在物理环节上进行了隔离和部署，降低了服务器负载，保障了系统部署应用的安全性。同时，EV-Globe针对三维GIS平台数据库数据量大、数据格式繁多、用户交互频繁的特性，在客户端设立了数据缓冲机制。采用缓冲机制后，系统不仅实现了高效的在线地图访问，同时还能够实现在短时通讯中断的情况下，数据浏览不受影响，从而提高系统应用效率和应用感受。

4、辽宁水利工程三维地理信息管理系统平台应用及模块介绍

通过此平台的应用，第一、可对三维基础地信息地理信息数据进行直观的展示，并可根据需要对不同时期同一地区的三维基础地信息地理信息数据进行对比，并可叠加矢量地图形成一个集地形地貌数据、行政区划与路网信息的全方位立体地图；第二、针对本系统主题，对河流湖泊以及各种水利工程制作专题图，对水利工程进行基本信息查询，对不同类别的水利工程入堤坝、水库等进行分类查询，以及通过水利工程的文字信息与图片视频等进行图属互查等操作，可使我们能全方位、多角度、有针对性的对水利工程进行了解；第三、在各种信息展示的基础上，针对辽宁省的降雨特点，平台还拥有雨水情监控与分析的功能，及时有效的收集降水的信息，并对降水情况进行及时的分析，还可根据未来降雨的可能进行洪水模拟和预警，根据已经发生的和将要发生的灾情点进行记录与展示，并根据情况制定相应的三维救灾预案，为决策者提供有效的决策支持与决策储备。最后平台的后台管理模块可规划各种用户的权限，以及时有效的收集各种信息，同时可解决信息的安全问题。

（1）基本地形地貌展示模块。可以通过飞行浏览，鼠标浏览，二三维联动等不同的方式进行操作；飞行路线的定制可保存在服务器端数据库，重复使用。在浏览时能进行放大，缩小，旋转，三维显示等操作；系统实时显示当前比例尺，对应的精度；系统显示的经纬度坐标应可设置成大地坐标（西安80，或者北京54）；可添加Shp、img、tif、kml、kmz文件，可以根据权限设置，将添加的标注保存在本机或服务器端；可批量导入坐标数组，定制点、线、面、体模型符号；可输出指定范围和解析度的影像；输出等高线可以设置线宽（e.g.　1px）；矢量数据图层可定制。

（2）矢量地图叠加模块。将整合了辽宁水利工程的矢量电子地图和高清影像叠加。电子地图比例尺要求：市区1：10000，郊区1：50000。要求所有矢量要素可检索，工程建筑物的位置和影像吻合。系统内使用的电子地图数据格式及其表现样式应满足相关国家标准的规定。对于地名的检索，应按照行政区划层次分级筛选，如市-县/区-乡/镇-村/屯。在三维环境中浏览时，状态栏位置信息的提示也依照上述行政区划层次描述。

（3）影像对比浏览模块。实现两个窗口的同步浏览和缩放等操作。可是用户方便的对不同时期的同一地区的影响进行对比浏览。

（4）河流/湖泊分布展示模块。以专题图的形式显示河流/湖泊在辽宁省范围内的分布。专题图可打印输出。

（5）水利工程分布展示模块。以专题的形式显示水利工程在辽宁省范围内的分布，重点的水利工程以三维模型的方式进行展示（以大伙房水库/观音阁水库为试点）；实时拍摄带有GPS坐标的图片，利用GPRS发送到服务器端，在地图上拍照位置显示该图片。

（6）路网分布展示。以不同颜色、线型渲染省内各种级别的公路。国道、省道、县、乡、村等。路名齐全，易于检索。

（7）基本查询模块。系统可以通过名称查询、坐标定位等方式快速查询定位到地点，并通过点击图标或三维模型获得水利工程的相关的信息。与GIS集成，矢量叠加显示，将重点库区周边环境，企事业单位、道路交通、医院等等信息标注查询，提供最优路径分析功能；城市防洪可与高分辨率数据结合，排水设施的规划选址管理，对城区积水区域进行标注。

（8）分类查询模块。通过选择不同的类别，如水库，堤防等对水利工程进行查询。查询结果可以用列表的方式表达出来，点击列表可以在三维地图上定位并显示详细信息。

（9）图属互查模块。通过鼠标点击图上的水利工程图标或三维模型进行查询，得到其各种具体的信息。也可以通过输入属性查询在地图上定位。

（10）雨水情监测模块。通过集成实时水雨情数据库，可对全省雨水情信息进行实时查询，方便决策者和调度人员第一时间了解情况，进行防汛抗旱指挥部署。

（11）雨水情分析模块。降雨量限值显示，列如：大于100、200的显示在地图上；等值线、等值面绘制。河道、水库水位超限预警显示。

（12）热点区域模块。特殊的值得关注的地方，可以事先存储起来，在菜单栏显示热点区域的名称，快速定位。且热点区域功能可维护。

（13）灾情监视模块。受灾地点标示及显示。可动态维护。抢险救灾物资储放点、抢险队伍分布、避险中心分布等抢险救灾信息。资源调拨及最佳路径分析：根据出险地点及灾情，结合最佳路径分析（距离最短或时间最短），提供最优及次优资源调拨方案，提供最优及次优抢险队伍调度方案，结合避险中心分布，提供最优及次优疏散路径。利用GIS技术与决策支持模型的结合，还可制作抢险实施方案图（包括人力物资调度、人员疏散、交通管制等）、抢险预案图、洪水淹没图等。

（14）洪水动态演变分析模块。根据洪水的流量，时间等条件分析洪水的演变过程。流域河流水库实时流态仿真模拟。

（15）高度量测模块。通过鼠标在地球窗口上选择起始点及终点计算出所选起始点的经纬度及海拔高度值以及从起始点至终点的高度差。

（16）距离量测模块。通过鼠标在地球窗口上选择起始点及终点，系统可以计算出某两点或多点间的贴地距离和投影距离；

（17）剖面分析模块。实现某两点或任意多个点之间的剖面分析，用户可以在地球窗口中点击获取任意线段或折线之间的断面图，以此获取选定路径的断面分析数据及剖面图信息。在系统中生成的剖面图，其数据可以数据文件（AUTOCAD格式）的格式导出，包括沿线坐标点串、高程。

（18）挖填方分析模块。在用户指定的区域内，通过设置挖填深度，得到挖方体积、填方体积以及挖填方体积差，并显示出表面特征的详细信息。土方可有边坡，可设置边坡角度。

（19）水利工程数据报表数据输出模块。通过连接数据库，根据不同的条件查询统计生成报表或者根据标准的报表条件生成报表。综合各种计算功能，产生各种计算数据综合报表。将报表输出成WORD，EXCEL等形式，方便用户排版打印。

（20）系统后台管理模块。数据使用配置、应用接口配置；根据系统各部分的功能以及各部门对系统的使用需求，为不同部门、人员分配用户、角色，设置浏览和维护等权限，配置系统环境变量。详细记录用户登陆后的各种操作日志；角色管理可成批设置用户权限。

5、结语

通过GIS及三维可视技术的应用，建立一个准确、高效、规范、全面的智能型的辽宁水利工程三维地理信息管理系统，使非空间信息管理与空间信息管理融为一体，多层次、多方位直观地显示相关数据、图形、多媒体等信息，提供各种管理工作元素在空间的分布状况和实时运行状况，分析其内在联系，做到资源的合理配置和调度，提高各业务部门的快速响应能力和协同处理的能力。但要在水利行业更好地应用和发展三维GIS技术，必须在进一步加强标准化、规范化的基础上，大力开展基础数据库的建设，尤其是富有水利行业特色的数据库。还要加快提高三维GIS的应用水平，充分发挥三维GIS现有的和潜在的功能，并且与遥感、全球定位系统、网络计算机等高新技术以及水利行业本身的技术紧密地结合在一起。

参考文献

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