摘 要：隨著“數(shù)字流域”工程的開展，GIS技術(shù)成為小流域壩系監(jiān)測信息化建設(shè)的必然選擇。研究了組件式3D GIS在小流域壩系監(jiān)測中的應(yīng)用，討論了小流域壩系監(jiān)測信息三維查詢系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計。以麻莊小流域為例，利用組件式平臺ArcGIS Engine構(gòu)建了小流域壩系監(jiān)測三維查詢系統(tǒng)，為小流域壩系監(jiān)測管理提供了一種新的管理方式。

關(guān)鍵詞：小流域壩系監(jiān)測；三維地理信息系統(tǒng)；ArcGIS Engine；ArcSDE

中圖分類號：TP302文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2008)1913103

Application Study of 3D GIS Technology in Monitoring Dams in Small Watersheds

YI Guobiao，BAI Zhenxing

(Engineering College，Air Force Engineering University，Xi′an，710038，China)

Abstract：With the development of the \"Digital Valley\" project，GIS technology is the certain selection of information managementof monitoring dams in small watersheds.This paper studies the application of component 3D GIS technology to monitoring dams in small watersheds.It discusses the 3D query information system of monitoring dams in small watersheds，the design of system framework and database of system.It also establishes the system with ArcGIS Engine with a case of Mazhuang small watershed，which provides a new kind of management for monitoring dams in small watersheds.

Keywords：monitoring dams in small watersheds;3D GIS;ArcGIS Engine;ArcSDE

近年來隨著長江、黃河等五大河流“數(shù)字流域”工程的啟動，“3S”技術(shù)已廣泛應(yīng)用于開展水土流失監(jiān)測工作。淤地壩作為黃土高原地區(qū)重要的水土保持工程和農(nóng)田基本建設(shè)措施，對有效控制水土流失、減少入黃泥沙、提高水資源利用率、促進農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，實施退耕還林和封育治理具有重要的作用。為了深入總結(jié)黃土高原淤地壩建設(shè)的經(jīng)驗，適應(yīng)淤地壩建設(shè)的新形式、新要求，根據(jù)黃委會關(guān)于開展黃土高原水土保持淤地壩示范壩系建設(shè)的有關(guān)要求，在黃土高原七省(區(qū))已批復(fù)實施的83條小流域壩系中，選擇了12條溝道治理基礎(chǔ)較好的小流域作為黃土高原第一批小流域壩系示范工程。小流域壩系示范工程建設(shè)的主要目的之一就是建立監(jiān)測體系，通過“3S”等高新技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)監(jiān)測方法，對小流域壩系建設(shè)的工程建設(shè)動態(tài)、攔沙蓄水、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全狀況等進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測資料對壩系建設(shè)做出科學(xué)合理的分析與評價^［1］。

1 GIS在小流域壩系監(jiān)測中的應(yīng)用

小流域壩系監(jiān)測信息三維查詢系統(tǒng)涉及到大量的空間數(shù)據(jù)(如地表、坡面、淤地壩、攔沙蓄水)的采集、處理與利用。地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)是在計算機軟件與硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。因此利用GIS建立小流域壩系監(jiān)測信息三維查詢系統(tǒng)，能夠有效地處理小流域壩系監(jiān)測的基本屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)分析手段，對科學(xué)、高效地促進黃土高原小流域壩系監(jiān)測工作有一定科學(xué)和實踐價值。本文研究了ESRI的3D GIS模塊3D Analyst和組件式GIS開發(fā)技術(shù)，討論了3D GIS在小流域壩系監(jiān)測中的應(yīng)用，分析了小流域壩系監(jiān)測三維查詢信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)庫設(shè)計，利用組件式平臺ArcGIS Engine構(gòu)建了小流域壩系監(jiān)測3D信息查詢系統(tǒng)，為小流域壩系監(jiān)測管理提供了一種新的管理方式。

2 3D GIS和組件式GIS技術(shù)

2.1 3D GIS典型系統(tǒng)

盡管3D GIS理論與方法研究較多，但迄今為止未出現(xiàn)可真正稱為3D的GIS系統(tǒng)。近年，國內(nèi)外一些GIS軟件均在努力開發(fā)其三維建模功能，以滿足三維地理建模的需求。如今ESRI的ArcGIS、適普的IMAGIS和中地的MapGIS，均在不同程度上以不同方式實現(xiàn)了三維可視化功能。ESRI的ArcGIS 3D Analyst能夠?qū)Ρ砻鏀?shù)據(jù)進行高效率的可視化和分析。使用ArcGIS 3D Analyst，可以從不同的視點觀察表面，查詢表面，確定從表面上某一點觀察時其他地物的可見性，還可以將柵格和矢量數(shù)據(jù)貼在表面以創(chuàng)建一副真實的透視圖。而且，ArcGIS 3D Analyst提供了三維建模的高級GIS工具，比如挖填分析、可見分析以及地表建模等。ArcGIS 3D Analyst模塊在可視化方面還增加了對商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維符號的支持，包括VRML、3D Studio Max和開放飛行模式，真實的三維符號能讓用戶創(chuàng)建加強科學(xué)可視化和模擬的地圖^［2］。

2.2 組件式GIS技術(shù)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，組件式技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今軟件技術(shù)的潮流之一。開發(fā)人員首先開發(fā)出可靠的、小的功能組件或從其他軟件開發(fā)商獲得需要的功能組件，然后利用這些功能部件裝配成更復(fù)雜的系統(tǒng)。GIS技術(shù)總是隨最新的計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，而其中組件式GIS技術(shù)已成為新一代GIS的重要方面。組件式GIS不依賴于某一種開發(fā)語言，而是一種通用的嵌入式開發(fā)環(huán)境。GIS使用這些通用開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)，也可以插入其他的專業(yè)性模型分析控件，最后利用標(biāo)準(zhǔn)的接口把眾多組件集成為一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)^［3］。

ESRI在2004年推出的ArcGIS Engine(以下簡稱Engine)是一組跨平臺的嵌入式組件，是組件式技術(shù)應(yīng)用于GIS領(lǐng)域的最新產(chǎn)品。Engine開發(fā)包包括了支持各類開發(fā)任務(wù)的資源，為多種應(yīng)用程序接El (API)提供了集成的幫助系統(tǒng)，以及對象模型圖和示例。ArcGIS Engine開發(fā)包提供了大量ArcObjects組件，還包括用于創(chuàng)建高質(zhì)量用戶界面的可視化控件。這些可視化組件有多種形式：ActiveX組件，JavaBeans組件和.NET窗體組件，從而簡化了在用戶的應(yīng)用程序中添加地圖制圖功能的編程模型。ArcGIS Engine功能強大并且具有可擴展性，它具有豐富的功能集合，讓開發(fā)者將精力集中到解決他們的應(yīng)用程序中的業(yè)務(wù)邏輯中，而不是從頭開始編程實現(xiàn)GIS功能。ArcGIS Engine支持多種開發(fā)語言，包括Delphi，VB和VC++等。利用ArcGIS Engine能夠?qū)崿F(xiàn)下列功能：

(1) 操作多種常用格式的矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)；

(2) 實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化、地圖漫游和自由縮放；

(3) 通過 ODBC，ADO等方式可鏈接多種類型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；

(4) 用標(biāo)準(zhǔn)的 SQL語句進行數(shù)據(jù)特征的選擇和查詢；

(5) 支持專題地圖制作；

(6) 支持地理標(biāo)注和定位；

(7) 通過編程實現(xiàn)多種空間分析功能等^［4］。

因為ArcObjects是ERSI公司ArcGIS家族中應(yīng)用程序ArcMap，ArcCatalog，ArcScene的開發(fā)平臺，所以理論上用戶可以利用ArcObjects實現(xiàn)這些產(chǎn)品的所有功能。

3 3D GIS在小流域壩系監(jiān)測中的應(yīng)用

3D GIS同2D GIS一樣，都需提供空間數(shù)據(jù)處理功能，如數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表現(xiàn)等。ESRI的ArcGIS 3D Analyst支持對全球多分辨率數(shù)據(jù)進行三維無縫可視化，具有基本的空間查詢和表面分析能力。小流域壩系監(jiān)測3D查詢信息系統(tǒng)是利用ArcGIS Engine開發(fā)系統(tǒng)客戶端應(yīng)用程序，其中用1 m分辨率的IKONOS衛(wèi)星影像及1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)建立典型小流域的三維場景，并建立每一座壩的壩體模型；標(biāo)出每一處監(jiān)測設(shè)施(把口站、雨量站等)的位置及相應(yīng)屬性。建立已建壩和規(guī)劃壩的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)在三維模式下查詢壩系相關(guān)的工程建設(shè)動態(tài)數(shù)據(jù)、攔沙蓄水?dāng)?shù)據(jù)、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全內(nèi)容等。同時利用這個三維查詢系統(tǒng)可以直觀地了解小流域的地形地貌，坡面治理措施和溝道工程建設(shè)情況，包括每一個地方的土壤侵蝕數(shù)據(jù)，植被數(shù)據(jù)，坡度數(shù)據(jù)及各個淤地壩的壩名、筑壩時間、總庫容等20多項參數(shù)，這樣也為小流域壩系監(jiān)測管理提供一種新的管理方式。

4 小流域壩系監(jiān)測信息三維查詢系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)利用GIS組件和面向?qū)ο箝_發(fā)語言相結(jié)合的方式進行設(shè)計。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)總體需求，系統(tǒng)的主要功能如下：

(1) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入:系統(tǒng)提供人機界面，把原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Oracle 9i數(shù)據(jù)庫。

(2) 基本GIS功能:實現(xiàn)三維場景的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)，圖層的添加、刪除、有選擇地疊加顯示。

(3) 三維模型信息查詢:提供點擊查詢、條件查詢方法對淤地壩、把口站、雨量站的圖層數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行查詢并顯示查詢結(jié)果。

(4) 壩系場景瀏覽:可通過鼠標(biāo)漫游或路徑漫游了解小流域的地形地貌，坡面治理措施和溝道工程建設(shè)情況。

(5) 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢:實現(xiàn)在三維模式下超鏈接查詢壩系相關(guān)的工程建設(shè)動態(tài)數(shù)據(jù)、攔沙蓄水?dāng)?shù)據(jù)、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全內(nèi)容、小流域土壤侵蝕數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)及各個淤地壩的壩名、筑壩時間、總庫容等20多項參數(shù)^［5］。

4.2 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

4.2.1 空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容

系統(tǒng)構(gòu)建的空間數(shù)據(jù)庫中包含的空間數(shù)據(jù)主要有：

(1) 基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)：黃河流域地區(qū)、縣行政界線行政區(qū)劃圖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地、居民地、公路等地形圖等。

(2) 專題空間數(shù)據(jù)：黃河支流水系、流域界限、黃河粗泥沙集中來源區(qū)、黃河流域高程點、等高線、湖泊、面狀水域、淤地壩、雨量站、把口站。

(3) 影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)：1 m分辨率的IKONOS衛(wèi)星影像及1∶10 000的DEM數(shù)據(jù)。

(4) 屬性數(shù)據(jù)：工程建設(shè)動態(tài)數(shù)據(jù)、攔沙蓄水?dāng)?shù)據(jù)、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全內(nèi)容、小流域土壤侵蝕數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)及各個淤地壩的壩名、筑壩時間、總庫容等20多項參數(shù)。

4.2.2 空間數(shù)據(jù)的存儲

系統(tǒng)采用ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)庫引擎，并通過ArcCatalog將矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Oracle 9i數(shù)據(jù)庫。

(1) 矢量數(shù)據(jù)存儲：ArcSDE為所有的圖層建立了層表(layer table)，以便用于索引，加快查詢速度。每一個圖層由業(yè)務(wù)表(business table)、特征表(feature table)、空間索引表(spatial index table)和坐標(biāo)表(point table)組成，在RDBMS中存儲和管理矢量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)入庫需要注意的問題有：格式轉(zhuǎn)換、字段名稱糾正等。

(2) 柵格數(shù)據(jù)存儲：ArcSDE存儲柵格數(shù)據(jù)集的方式類似于它存儲壓縮二進制要素類的方式。存儲的表格涉及到業(yè)務(wù)表(business table)、柵格表(raster)、柵格波段表(raster band table)、柵格輔助表(raster auxiliary table)、柵格塊表(raster block table)和元數(shù)據(jù)表^［6］。為了提高數(shù)據(jù)的存取效率，需要注意的問題有：選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)壓縮格式、影像金字塔設(shè)置等。

4.2.3 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中同時存放小流域空間數(shù)據(jù)和壩系監(jiān)測數(shù)據(jù)。壩系監(jiān)測數(shù)據(jù)包括壩系相關(guān)的工程建設(shè)動態(tài)數(shù)據(jù)、攔沙蓄水?dāng)?shù)據(jù)、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全內(nèi)容等。在對空間數(shù)據(jù)查詢需求的基礎(chǔ)上創(chuàng)建相關(guān)的屬性表，且這些屬性表和ArcSDE業(yè)務(wù)表都有一列相同域的屬性字段，通過這些屬性字段可以將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。這樣就實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的集成。連接Oracle后加載空間數(shù)據(jù)如圖2所示。

5 應(yīng)用實例

本文選擇位于陜西省寶塔區(qū)的麻莊小流域作為研究對象。麻莊流域?qū)嵤┢谀瑢⑿纬梢灾鳒系老掠位睒渫輭螏烊簽橹行牡臄r、淤、種體系，以主溝道中游麻莊壩庫群為中心的淤種和支溝分攔分治體系，以主溝道上游吳咀骨干工程為中心的上攔下保防護體系。新建骨干壩4座，中型淤地壩(含塘壩)12座，小型淤地壩(含塘壩)14座，工程總座數(shù)達38座，壩控面積占流域總面積的73%，新增壩地47.22 km2，使流域內(nèi)人均壩地達0.05 km2，壩地保收率由治理前的70%提高至92.5%。利用組件式GIS技術(shù)，選取ArcGIS Engine作為開發(fā)平臺，設(shè)計并建立了麻莊小流域壩系監(jiān)測三維查詢信息系統(tǒng)，構(gòu)建了基于ArcSDE的小流域壩系監(jiān)測空間數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參照黃河水利委員會2004年頒布的《黃河流域水土保持數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)字典》。系統(tǒng)運行界面如圖3所示。

6 結(jié) 語

本文討論了3D GIS技術(shù)在小流域壩系監(jiān)測中的應(yīng)用，采用GIS組件與面向?qū)ο罂梢暬_發(fā)語言相結(jié)合的集成二次開發(fā)方法， 利用面向?qū)ο箝_發(fā)工具VB.NET和組件式GIS開發(fā)平臺ArcGIS Engine設(shè)計并建立了小流域壩系監(jiān)測三維查詢信息系統(tǒng)，利用空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE和Oracle 9i構(gòu)建了小流域壩系監(jiān)測三維查詢信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫，為小流域壩系監(jiān)測管理提供一種新的管理方式?；诮M件式GIS開發(fā)技術(shù)的小流域壩系監(jiān)測信息系統(tǒng)的集成二次開發(fā)較傳統(tǒng)的二次開發(fā)相比，具有靈活、高效、減少開發(fā)時間和降低開發(fā)難度等優(yōu)點。研究表明應(yīng)用比較成熟的GIS組件的可視化和空間分析功能，在小流域壩系監(jiān)測工作中有很高的應(yīng)用價值。但ArcGIS Engine在空間查詢和表面分析能力有限，在今后的工作中，還需要在ArcGIS Engine基礎(chǔ)上進一步擴展此方面功能，為淤地壩研究提供更多決策支持，在淤地壩監(jiān)測中發(fā)揮更大的經(jīng)濟效益。

參考文獻

［1］黃河中上游管理局.淤地壩監(jiān)測［M］.北京：中國計劃出版社，2005.

［2］史文中，吳立新，李清泉，等.三維空間信息系統(tǒng)模型與算法［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［3］宋關(guān)福，鐘耳順.組件式地理信息系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.中國圖像圖形學(xué)報，1998(5):313-317.

［4］文斌，邵明安.組件式GIS技術(shù)構(gòu)建的小流域水土保持信息系統(tǒng)［J］.計算機工程，2006，32(13):243-245.

［5］ERSI.http://www.esrichina-bj.cn/produce/ESRI/engine/DeveloperKit.htm.

［6］ArcInfo中國技術(shù)咨詢與培訓(xùn)中心.ArcSDE Oracle管理員教程［Z］.2001.

［7］楊家武，仝志輝，董現(xiàn)華.利用MapObject開發(fā)GIS的主要技術(shù)淺析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(6)：47-49.

作者簡介 易國彪 男，1982年出生，四川自貢人，碩士研究生。主要從事GIS、智能信息

處理研究。

白振興 男，1953年出生，山西太原人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要從事人工智能、模式識別、軟件理論研究。