許航

（湖南省水利廳長沙市410007）

湖南省現(xiàn)有各類水利工程200多萬處。其中水庫13 000多處，大中型灌區(qū)354個，萬畝以上堤垸254處、大中型灌區(qū)348處，大中型機電排灌134處，這些水利工程信息種類繁多，分存于不同的業(yè)務(wù)部門，信息更新時效差，統(tǒng)計口徑不一、統(tǒng)計方式不規(guī)范。特別是在長期的水利建設(shè)和管理工作中形成的各類規(guī)范性報表，報表的形式和內(nèi)容已基本固定，可全面反映湖南省的建設(shè)和管理情況，但是這些報表目前主要用于向上級單位匯報，信息利用率較低，為了把這些信息集中起來，實行統(tǒng)一管理，增強信息共享和科學(xué)決策水平，增強全省各項水利事業(yè)活動的效率和效能，湖南省水利廳信息中心從2008年開始正式啟動湖南省水利綜合數(shù)據(jù)庫項目建設(shè)，并于2009年12月正式通過竣工驗收。

湖南省水利綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個采用SOA體系架構(gòu)，集GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、統(tǒng)計分析、空間數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)為一體的綜合數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括大中型水利工程特征數(shù)據(jù)、動態(tài)水利報表及實時汛情數(shù)據(jù)、文件資料數(shù)據(jù)、水利空間地理數(shù)據(jù)等幾類信息的入庫，并建立相關(guān)空間數(shù)據(jù)庫,針對上述數(shù)據(jù)開發(fā)電子地圖查詢、統(tǒng)計分析、移動查詢和數(shù)據(jù)庫維護系統(tǒng)等功能，從而為協(xié)同辦公和工程管理提供信息化服務(wù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了全省水利綜合數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理,統(tǒng)一了全省水利工程數(shù)據(jù)交換格式，提供了統(tǒng)一查詢界面和接口，更好的開發(fā)和利用了水利信息資源。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

水利本身所研究的系統(tǒng)是一個巨大的、與外界系統(tǒng)有頻繁的信息及物質(zhì)交換的自然系統(tǒng)。實際系統(tǒng)抽象出的軟件組件間關(guān)系趨于復(fù)雜，一般基于過程的軟件模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的水利行業(yè)需求。在對現(xiàn)有水利信息的采集、傳輸、存儲和處理系統(tǒng)的開發(fā)及管理模式進行深入研究后，我們采用SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu)）構(gòu)建的多層結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的主體構(gòu)架。目前，在Internet環(huán)境下SOA的理念已經(jīng)逐步成為業(yè)界的一個共識，已成為主流的軟件開發(fā)架構(gòu)。SOA具有獨立性、主動性和自適應(yīng)性，實體之間能夠進行多種靜態(tài)連接和動態(tài)合作等特點。SOA的架構(gòu)是一個組件模型，它將各個子應(yīng)用程序的不同功能單元——服務(wù)（service），通過服務(wù)間良好定義的接口和契約聯(lián)系起來。接口采用標準、中立的方式定義，獨立于具體實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，使得構(gòu)建在各子系統(tǒng)中的服務(wù)可以使用統(tǒng)一和標準的方式進行通信。

本系統(tǒng)同時采用基于C/S與B/S體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合的GIS技術(shù)。對于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和系統(tǒng)維護采用C/S方式由系統(tǒng)管理員通過ArcGIS專用終端完成；而綜合信息服務(wù)則采用B/S方式，其優(yōu)點在于采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GIS技術(shù),用戶能利用基于網(wǎng)絡(luò)GIS平臺的人機交互界面查詢水利工程的空間或?qū)傩孕畔?，省去了客戶端的安裝和維護更新工作。

2 綜合數(shù)據(jù)庫的具體設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 整體SOA架構(gòu)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)SOA架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)整體采用基于SOA架構(gòu)風(fēng)格、ESB（企業(yè)服務(wù)總線）架構(gòu)方式的統(tǒng)一信息發(fā)布平臺（圖1），能有效解決傳統(tǒng)架構(gòu)中的弊端，直接將業(yè)務(wù)處理邏輯封裝在服務(wù)提供者區(qū)域內(nèi)，內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯的變化不會影響已約定的服務(wù)，ESB保障所有Web服務(wù)的安全性和事務(wù)性處理，并可將現(xiàn)有服務(wù)重新組裝、拼接，使業(yè)務(wù)層著力關(guān)注企業(yè)邏輯處理，基于Web服務(wù)方式的信息獲取，獨立于業(yè)務(wù)邏輯處理的具體執(zhí)行環(huán)境，任何客戶端（瀏覽器、智能手機）都能使用SOAP（簡單對象訪問協(xié)議）方式請求Web服務(wù)完成應(yīng)用?？偠灾?，SOA以借助現(xiàn)有的應(yīng)用來組合產(chǎn)生新服務(wù)，提供了更好的靈活性來構(gòu)建應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)流程。湖南省水利綜合數(shù)據(jù)庫采用SOA架構(gòu)提高了軟件復(fù)用和開發(fā)效率，實現(xiàn)了多層次水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合利用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)GIS平臺的設(shè)計和部署

地理信息系統(tǒng)（簡稱GIS）是在計算機軟硬件支持下,采集、存儲、管理、檢索、分析和描述地理空間數(shù)據(jù)，適時提供各種空間的和動態(tài)的地理信息，用于管理和決策過程的計算機系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的GIS相比，基于internet的技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)，其優(yōu)點在于使用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),GIS與Web的結(jié)合使得空間信息的發(fā)布與共享更加簡單。GIS通過internet成為公眾服務(wù)的手段和社會最基本的信息服務(wù)之一。通過網(wǎng)絡(luò)GIS平臺，從互聯(lián)網(wǎng)的任意一個地方，用戶都可以瀏覽站點中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析。

本系統(tǒng)采用ESRI公司ArcGIS9.3軟件，并使用ArcSDE for Oracle作為空間數(shù)據(jù)存儲的解決方案，信息發(fā)布和空間數(shù)據(jù)編輯采用ArcIMS于Arcview。ArcSDE是空間數(shù)據(jù)引擎，它提供了對空間數(shù)據(jù)進行存取與維護的通道，而ArcIMS是由ESRI公司開發(fā)的GIS產(chǎn)品，允許用戶在internet和intranet環(huán)境下為瀏覽器端的客戶提供應(yīng)用和地圖數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)格式為ArcGIS定義的shape文件格式，并通過ArcSDE存儲于Oracle10g中。系統(tǒng)主要的GIS功能均通過Web訪問ArcIMS的相關(guān)服務(wù)來實現(xiàn)。

2.3 綜合數(shù)據(jù)庫信息分類

該系統(tǒng)主要整編入庫了全省大中型水利工程特征數(shù)據(jù)，涵蓋了水文、氣象、防汛抗旱等多部門有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)10萬余條，因數(shù)據(jù)涉及面廣，類型龐雜、如何對數(shù)據(jù)進行分類分層也是本系統(tǒng)的重點內(nèi)容之一。綜合數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)主要根據(jù)兩個方面進行分類，一是按數(shù)據(jù)本身的格式特征進行分類，即按數(shù)據(jù)的計算機屬性分類；二是按數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)需求進行分類。

2.3.1 按數(shù)據(jù)的格式特征分類

水利工程數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)類型包括：

（1）水利工程屬性數(shù)據(jù)（例如：設(shè)計洪水標準、泄水建筑物型式等）、工程特征數(shù)據(jù)、統(tǒng)計資料、實時數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)屬結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，所有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)又分為表1所示類型。

附表綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型

（2）工程圖和照片（包括流域水系圖、灌區(qū)、堤垸分布圖以及工程圖和照片等）可能是掃描圖，也可能是用AUTOCAD等軟件繪制的電子圖。工程圖屬非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

2.3.2 按數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求分類

按數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求可大致分為“水利工程特征數(shù)據(jù)”、“報表數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)”、“文件資料數(shù)據(jù)”、“空間數(shù)據(jù)”四大類。詳細分類如下：

（1）水利工程特征數(shù)據(jù)。

此類工程數(shù)據(jù)主要為湖南省的大中型水庫（電站）和重點?。↖）型水庫（11 280座）、湖區(qū)機電排灌資料（135處）、萬畝以上堤垸（254處）、大中型灌區(qū)（348處）四類工程數(shù)據(jù)為主。此類數(shù)據(jù)的更新周期長，錄入數(shù)據(jù)庫后不需要進行頻繁地更新，基本作為歷史資料備查。

（2）報表數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。

此類數(shù)據(jù)主要包括湖南省2007年以來的水利綜合統(tǒng)計資料、農(nóng)村水電統(tǒng)計年報、防汛抗旱業(yè)務(wù)報表、水資源報表、水資源報表、實時雨水情信息和山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)共5萬余條。此類數(shù)據(jù)更新周期短，頻率高，數(shù)據(jù)變更后需要及時進行更新。

（3）文檔資料數(shù)據(jù)。

“文檔資料數(shù)據(jù)”是指各項法律法規(guī)、規(guī)程、規(guī)范、條例、政策文件，與水利相關(guān)的各種專業(yè)圖書、資料,以及各種技術(shù)標準、培訓(xùn)資料以及工程圖紙等，共入庫3 906條。這些數(shù)據(jù)更新周期不定，而且有些為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更新需要進行部分人工干預(yù)。

（4）空間數(shù)據(jù)庫。

“空間數(shù)據(jù)庫”包括湖南省的1∶5萬基礎(chǔ)電子地圖和水利專業(yè)數(shù)據(jù)圖層，如庫區(qū)大壩布置圖、堤垸布置圖、灌區(qū)總體布置圖以及各類工程圖紙和工程全景照片等。具體數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分類

2.4 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

空間數(shù)據(jù)作為各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征（簡稱屬性）和時域特征三部分。本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫以電子地圖矢量數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)為主，通過地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，把空間地理信息獲取、處理、管理、維護等各個環(huán)節(jié)連成一個有機的整體，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供一個良好的信息展示平臺。

湖南省水利空間信息主要包括基礎(chǔ)地理空間信息、社會經(jīng)濟信息和水利專題空間信息。其中基礎(chǔ)地理空間信息采用國土資源部門1∶5萬的電子地圖，并對水利專業(yè)圖層進行重新繪制和疊加，以國家相關(guān)的地理要素分類編碼標準和元數(shù)據(jù)標準為基礎(chǔ)，建立基于1∶5萬電子地圖的水利空間數(shù)據(jù)庫。社會經(jīng)濟信息主要根據(jù)各類水利綜合報表，將綜合報表數(shù)據(jù)在電子地圖上進行直觀的統(tǒng)計分析和查詢展示。水利專題空間信息主要是對大中型水利工程進行現(xiàn)場GPS定位，并繪制專業(yè)圖層錄入數(shù)據(jù)庫GIS圖層中。此次水利專業(yè)圖層的制作主要對大中型水庫、灌區(qū)和電排進行GPS空間定位，收集經(jīng)緯度和全景照片，同時對每座大中型水庫電站制作樞紐布置圖、大壩橫剖面圖、大壩縱剖面圖、溢洪道剖面圖、電站廠房剖面圖等矢量電子工程圖，對大中型灌區(qū)、湖區(qū)重點堤垸和蓄洪垸制作矢量電子地圖。

空間數(shù)據(jù)庫的具體內(nèi)容主要包括：

（1）河流類。包括全省水系的干流、一、二、三級支流、次要支流等。

（2）測站類。包括雨量站、水位／水文站、水庫站等800多個。

（3）水庫類。包括全省大、中、小型水庫，其中大型水庫21座、中型水庫275座、小型水庫10 984座。

（4）堤垸類。包括全省萬畝以上的堤垸254處。

（5）灌區(qū)類。包括全省大中型灌區(qū)348處。

（6）電排類。包括全省大中型機電排灌站135處。

（7）行政類。包括省、市、縣、鎮(zhèn)、居民地點信息等。

2.4.1 空間數(shù)據(jù)和水利數(shù)據(jù)的結(jié)合

在本系統(tǒng)中主要采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫表對空間數(shù)據(jù)進行存儲和管理。充分利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫已有的數(shù)據(jù)管理功能實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)存貯與管理、事務(wù)處理、和并發(fā)控制等功能，利用擴展的SQL語言對空間與非空間數(shù)據(jù)進行操作。尤其使空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)得以集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，從而促使GIS應(yīng)用與一般應(yīng)用的無縫集成。本系統(tǒng)中水利數(shù)據(jù)信息按照設(shè)計可以分為水利工程屬性數(shù)據(jù)和工程圖和照片，該二類數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)結(jié)合方式如下：

（1）水利工程特征數(shù)據(jù)、動態(tài)水利業(yè)務(wù)報表及實時數(shù)據(jù)等屬于屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)保存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，通過數(shù)據(jù)編碼與空間數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，將空間數(shù)據(jù)庫各類數(shù)據(jù)集和特征集進行統(tǒng)一編碼。工程特征數(shù)據(jù)庫中的各類工程、工程中主要建筑物、流域等在空間數(shù)據(jù)庫中均有相關(guān)圖層或元素表示，水利工程特征數(shù)據(jù)以唯一工程編碼作為主鍵，在空間數(shù)據(jù)庫中建立每個工程與其空間元素的一一對應(yīng)表，實現(xiàn)水利特征數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的對應(yīng)。而動態(tài)水利報表數(shù)據(jù)大部分是以行政區(qū)劃和流域進行統(tǒng)計的，因此，統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)和水利數(shù)據(jù)庫中的行政及流域代碼即可實現(xiàn)動態(tài)水利報表與空間數(shù)據(jù)的對應(yīng)。實時雨水情等數(shù)據(jù)與水利特征數(shù)據(jù)相同，也是以水利工程編碼作為數(shù)據(jù)的主鍵之一。

（2）工程圖紙照片，影像文件等屬于工程圖和照片。工程圖和照片數(shù)據(jù)中的工程圖紙，如各類工程圖和整體布置圖，大壩縱剖面圖，大壩橫剖面圖，泄洪建筑物剖面圖，電站廠房剖面圖、渠道布置圖、堤垸圖等都為需要矢量數(shù)字化的資料，先按照空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)編碼標準進行掃描和矢量數(shù)字化，保存為ArcGIS支持的格式，然后提交數(shù)字化成果、進行格式轉(zhuǎn)換、成果檢查、入庫及通過矢量圖數(shù)據(jù)表與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。工程照片、衛(wèi)星影象數(shù)據(jù)等需要保存在空間數(shù)據(jù)庫中的柵格數(shù)據(jù)則通過柵格圖件數(shù)據(jù)表與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。

2.4.2 圖層的分層設(shè)計

圖形數(shù)據(jù)的管理是基于圖層進行的，并通過關(guān)鍵字段將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)連接起來。為了能對數(shù)據(jù)合理地分層，首先必須進行合理地分類，設(shè)立主題、亞層主題等。其次，應(yīng)對每一層的空間符號（點、線、面）進行定義，制定出合理分層體系。

根據(jù)國家和相關(guān)行業(yè)已公布的數(shù)據(jù)標準，并結(jié)合湖南省的實際情況及本系統(tǒng)的需求特點，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分層是按照以下的原則進行：

（1）按行政區(qū)劃、道路、水利工程、水利參考系、居民地分為五類，每類進一步劃分成若干圖層，以適應(yīng)不同的需要；

（2）相同邏輯內(nèi)容的空間信息盡量放在一個圖層；（3）圖層劃分要適合GIS軟件功能特點；

（4）圖層劃分要滿足湖南水利信息系統(tǒng)的需求。根據(jù)上述原則，系統(tǒng)基礎(chǔ)地圖主要分層如下：行政區(qū)劃類、道路類、水利工程、水利參考系、居民地。系統(tǒng)所使用的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫主要在1∶5萬和1∶25萬全省基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上加工處理實現(xiàn)。主要用于標識相關(guān)工程位置信息，各類基礎(chǔ)地圖可按不同的層次關(guān)系組合在一張或幾張地圖上。

2.4.3 空間數(shù)據(jù)的更新

數(shù)據(jù)有效性是系統(tǒng)正常運行和可持續(xù)發(fā)展的重要保障。空間數(shù)據(jù)在一定的周期內(nèi)也必須更新，以保證信息的有效性。本系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)的更新通過ArGIS相關(guān)軟件直接維護實現(xiàn)。數(shù)據(jù)更新分為大規(guī)模更新和局部更新兩種模式：

（1）大規(guī)模更新。在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，人工活動對地貌、地物的改變比較大，當?shù)匚锏淖兓食^30%時，就必須大規(guī)模更新地圖，這種更新工作量較大，宜直接向地圖提供單位購買或索取電子版地圖，利用系統(tǒng)的導(dǎo)入功能，更新空間數(shù)據(jù)庫。

（2）局部更新。當某一個地區(qū)地物發(fā)生較大變化時，可由當?shù)厮块T負責(zé)上報信息中心更新，更新后的地圖存儲在審核庫匯總，經(jīng)過質(zhì)量檢查后，再導(dǎo)入到省空間數(shù)據(jù)庫。根據(jù)經(jīng)驗，局部更新的期限為1～2年。

2.5 系統(tǒng)的界面與功能

系統(tǒng)界面的設(shè)計本著“所見即所得”的宗旨，便于用戶的操作和與系統(tǒng)之間的交互。主要實現(xiàn)的功能如下：

（1）基本水利工程信息的地圖查詢。系統(tǒng)可通過多種途徑如鍵盤、鼠標，地圖、關(guān)鍵字等定位于相關(guān)業(yè)務(wù)主題，并能在設(shè)定的范圍內(nèi)對與其相關(guān)的其他業(yè)務(wù)主題進行空間定位（圖3）?？梢詫Φ貓D進行放大、縮小、漫游、圖層的顯示與關(guān)閉、距離測量、當前圖層地理信息的查詢等功能。

圖3 系統(tǒng)界面

（2）水利專題信息的查詢?？梢詫鄥^(qū)、電排等水利專題信息進行電子地圖和報表的查詢。該功能實現(xiàn)的具體流程分二個部分一是地圖到屬性的查詢，二是屬性到工程詳細信息的查詢。其中第二部分是指將空間信息關(guān)聯(lián)到工程詳細信息，即根據(jù)某項工程的工程名稱或代碼，從數(shù)據(jù)庫中提取其對應(yīng)的水利專題信息，并在單獨的頁面文件中顯示，如圖4、圖5。

圖5 “澧松垸”屬性信息

（3）多類型地理信息及多種數(shù)據(jù)類型融合查詢。系統(tǒng)同步顯示與地理信息業(yè)務(wù)主題相關(guān)的鳥瞰圖及縮略圖，并提供與之相關(guān)的實景圖片、工程圖紙等（圖6）。

圖6 “水府廟“水庫地圖屬性查詢

（4）數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計。實現(xiàn)水利綜合報表數(shù)據(jù)的統(tǒng)計報表功能，提供按行政區(qū)、按流域、按工程分類、按工程規(guī)模等不同方式的統(tǒng)計報表和專題圖（圖7）。

圖7 水庫數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析圖

（5）移動信息查詢。使用手機短信對綜合數(shù)據(jù)庫中的重要數(shù)據(jù)進行短信移動查詢，能滿足各級水利部門領(lǐng)導(dǎo)及工作人員出差時移動查詢數(shù)據(jù)，拓展了數(shù)據(jù)庫的使用范圍，提高了查詢效率。查詢方式為類別碼+名稱碼（如查詢五強溪水庫代碼為“DZSKWQX”或“大中水庫五強溪”（圖8）。

圖8 手機短信查詢界面

3 結(jié)語

湖南省水利綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)經(jīng)過1年半的攻關(guān)，完成了系統(tǒng)開發(fā)工作，通過一段時間的投入運行，系統(tǒng)基本達到了預(yù)期目標。作為一個基于GIS平臺的綜合信息系統(tǒng)引入SOA構(gòu)架后，提高了軟件的獨立性、自主性和自適應(yīng)性，并具有直觀的信息表達能力，為湖南省的水利防汛決策科學(xué)化管理起到了很好的支撐作用。在研發(fā)過程中、因計算機技術(shù)和GIS技術(shù)本身發(fā)展很快，使得設(shè)計方案不得不進行多次調(diào)整，以使系統(tǒng)能采用最新技術(shù)成果，保證系統(tǒng)完成后能在若干方面在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。由于現(xiàn)有技術(shù)限制和時間等原因.系統(tǒng)在用戶需求分析和功能模塊方面，仍有許多需要改進完善的地方，如水利數(shù)據(jù)分析模型和如何保證數(shù)據(jù)更新等問題方面，今后還需做大量艱苦的研究工作，以充分完善湖南省的水利信息化工作。

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