王 琴 ，董萬鈞

（1. 江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

0 引言

里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩位于江蘇省里下河腹部低洼地區(qū)，是淮河流域里下河地區(qū)主要調(diào)蓄性湖泊群，總面積 695 km2，由射陽湖、大縱湖、蜈蚣湖等 40 多個(gè)零散湖泊群，以及由河網(wǎng)分割成的眾多圩區(qū)組成，具有獨(dú)特的地理氣候特征，外有流域性洪水和海潮臺風(fēng)威脅，內(nèi)部有區(qū)域性雨澇危害。20 世紀(jì)中期，里下河腹部地區(qū) 0.5 km2以上的湖蕩有 51處，湖蕩灘地 1300.0 km2以上；到 20 世紀(jì) 60 年代中期尚有湖蕩灘地 1073.1 km2，興化洪水位達(dá)到3.35 m 時(shí)總庫容為 22.4 億 m3，防洪調(diào)節(jié)庫容為20.0 億 m3；到 2005 年僅有湖蕩灘地 58.1 km2，只占1965 年湖蕩總面積的 5.4 %，防洪庫容不足 1.0 億 m3。多年來，里下河地區(qū)不僅湖蕩面積銳減，調(diào)蓄功能基本喪失；且水系水通道不暢，引排嚴(yán)重受阻；生態(tài)環(huán)境開始退化，影響城鄉(xiāng)供水安全[1]。

為強(qiáng)化里下河湖泊的管理與保護(hù)，2004 年以來江蘇省陸續(xù)頒布實(shí)施了《江蘇省湖泊保護(hù)條例》、《里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩保護(hù)規(guī)劃》，2010年8 月正式建立里下河腹部地區(qū)湖泊湖蕩管理與保護(hù)聯(lián)席會議制度。

為更好地獲取湖泊相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)，近幾年，里下河湖區(qū)管理部門堅(jiān)持以信息化引領(lǐng)湖泊湖蕩管理現(xiàn)代化建設(shè)，與科研院所合作，大力推進(jìn)地理信息技術(shù)等在湖蕩管理中的運(yùn)用，組織研發(fā)里下河湖區(qū)管理與保護(hù)地理信息系統(tǒng)，湖泊管理的信息化、現(xiàn)代化水平不斷提高。

1 地理信息技術(shù)的應(yīng)用

地理信息技術(shù)即獲取、管理、分析和應(yīng)用地理空間信息的現(xiàn)代技術(shù)的總稱，主要包括 3S 技術(shù)（地理信息系統(tǒng) GIS、遙感 RS 和全球定位系統(tǒng) GPS），是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、管理、分析和應(yīng)用的 3 大支撐技術(shù)，能夠?qū)臻g實(shí)體快速地進(jìn)行精確定位，同時(shí)宏觀地獲取信息，對所得到的特定位置空間信息進(jìn)行綜合分析[2]。地理信息技術(shù)的核心是 3S 技術(shù)，但是并不局限于 3S 技術(shù)，還包括虛擬環(huán)境、WebGIS 等其他技術(shù)，它強(qiáng)大的數(shù)據(jù)抽象能力，可將與湖泊相關(guān)的數(shù)據(jù)（河流、泵站、圩區(qū)及水閘等）抽象成點(diǎn)、線和面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式的網(wǎng)絡(luò)管理，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽及統(tǒng)計(jì)分析等，是在保障湖泊資源環(huán)境可持續(xù)利用研究中的高新技術(shù)。

針對里下河腹部地區(qū)湖蕩地形復(fù)雜，難于管理的狀況，利用 3S 技術(shù)順利完成了勘界設(shè)樁任務(wù)；針對里下河湖區(qū)分布廣、控制線長，執(zhí)法巡查人員不足的情況，利用高分辨率的衛(wèi)星資料，開展了里下河湖泊岸線資源的遙感監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)岸線水面被占用則及時(shí)通知管理部門進(jìn)行查處；針對里下河除少量相對完整的湖泊水面外，更多的是滯澇圩的特點(diǎn)，利用高分辨率衛(wèi)片結(jié)合衛(wèi)星定位和地理信息技術(shù)，成功完成湖泊資料整編，建立湖區(qū)資料檔案[3]。

2 GIS 系統(tǒng)的建設(shè)

地理信息服務(wù)的技術(shù)主要由 GIS 來體現(xiàn)。GIS由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成，通過對地理數(shù)據(jù)的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為各級湖泊管理單位提供新的信息，為工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃、管理決策服務(wù)。

2.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

GIS 系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)里下河湖區(qū)信息管理業(yè)務(wù)處理，信息交換的系統(tǒng)化、規(guī)范化、自動(dòng)化，以及管理決策的信息化與科學(xué)化為主要目標(biāo)，主要包括 GPS 巡查、基礎(chǔ)地理信息管理、水政執(zhí)法管理、里下河湖區(qū)圩區(qū)管理、里下河湖區(qū)遙感數(shù)據(jù)年度分析等子系統(tǒng)，現(xiàn)已完成 GPS 巡查子系統(tǒng)并投入使用，基礎(chǔ)地理信息與水政執(zhí)法 2 個(gè)子系統(tǒng)的框架與數(shù)據(jù)庫建設(shè)也已基本完成。

2.2 系統(tǒng)層次架構(gòu)

常見的 WebGIS 的結(jié)構(gòu)體系是由數(shù)據(jù)庫、GIS 服務(wù)器、Web 服務(wù)器和客戶端組成的 3 層結(jié)構(gòu)體系，但隨著應(yīng)用的復(fù)雜度增加，RIA（富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)）技術(shù)的成熟，胖客戶端/瘦服務(wù)器的應(yīng)用被大量使用，單一的服務(wù)器和復(fù)雜的應(yīng)用程序無法快速處理大量的地理信息服務(wù)需求。中間件技術(shù)的出現(xiàn)改進(jìn)了傳統(tǒng)模式的 B/S 體系[4]。

基于 Silverlight 的 WebGIS 里下河湖區(qū)管理與保護(hù)地理信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為 5 層，分別是數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)、中間件、Web 服務(wù)和表現(xiàn)層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 GIS 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層主要指項(xiàng)目所涉及到的水利地理數(shù)據(jù)庫，主要包括：與水利相關(guān)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫（DOM，DEM，DLG）、圩區(qū)數(shù)據(jù)庫、控制性水利工程等其他水利專業(yè)類數(shù)據(jù)庫，是系統(tǒng)的最底層（基礎(chǔ)）——數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，響應(yīng) Web 服務(wù)器的請求，并將處理結(jié)果傳給 Web 服務(wù)器。

應(yīng)用服務(wù)層主要指各類應(yīng)用服務(wù)與數(shù)據(jù)層之間的連接接口，主要包括各類專業(yè)應(yīng)用組件、服務(wù)接口、數(shù)據(jù)交換接口等，是系統(tǒng)中間層——GIS 服務(wù)器端，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的訪問進(jìn)行管理和控制。

Web 服務(wù)主要負(fù)責(zé) GIS 服務(wù)器和客戶端之間的通訊，把客戶端的請求處理后轉(zhuǎn)發(fā)給 GIS 服務(wù)器，同時(shí)把 GIS 服務(wù)器返回的結(jié)果轉(zhuǎn)換成 Web 網(wǎng)頁發(fā)送到客戶端的瀏覽器。

表現(xiàn)層主要指各類專業(yè)應(yīng)用結(jié)果的展示界面，包括查詢、專題圖生成、分析、圖形輸出等結(jié)果的表現(xiàn)界面，是系統(tǒng)最上層——客戶端/瀏覽器端。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)方式

目前 GIS 開發(fā)主要采用 C/S 和 B/S 模式。C/S 方式的優(yōu)勢：運(yùn)行效率高、數(shù)據(jù)使用靈活，具有 GIS專業(yè)知識的技術(shù)人員容易開發(fā)出傳統(tǒng)意義上的專業(yè)地理信息系統(tǒng)；不足之處：不適宜集群使用，系統(tǒng)維護(hù)困難。B/S 方式的優(yōu)勢：使用靈活，適宜集群使用，是 GIS 的發(fā)展趨勢；不足之處：數(shù)據(jù)維護(hù)困難，即便具備 GIS 知識的技術(shù)人員也難以開發(fā)出傳統(tǒng)意義上的地理信息系統(tǒng)，或需要花費(fèi)更多的成本，只能提供常用 GIS 服務(wù)功能。

里下河管理與保護(hù)地理信息系統(tǒng)的子系統(tǒng)主要針對各類水利專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和 GIS 服務(wù)等支撐，使用面寬，對數(shù)據(jù)的使用一般以查詢、表現(xiàn)、分析為主，涉及數(shù)據(jù)的修改較少，操作人員對 GIS技術(shù)掌握要求不高，對軟件研發(fā)能力要求較高，因此基于數(shù)據(jù)使用方式和對象、功能需求、開發(fā)成本，以及未來技術(shù)發(fā)展方向和今后業(yè)務(wù)應(yīng)用的擴(kuò)展等多方面的因素，整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)采用 B/S 模式。

3 GIS 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

里下河湖區(qū)管理與保護(hù)信息系統(tǒng)的建設(shè)，涉及到很多高新技術(shù)，在加速科技成果轉(zhuǎn)化方面做了很多探索。

3.1 空間數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)

GIS 系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫 Oracle，借助于空間數(shù)據(jù)引擎 ArcSDE 的空間數(shù)據(jù)模型 Geodatebase 管理空間數(shù)據(jù)。首先通過 ArcSDE 向數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換成面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 Geodatebase，并將數(shù)據(jù)存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫 Oracle 中；然后，當(dāng)系統(tǒng)需要訪問數(shù)據(jù)時(shí)，通過連接參數(shù)（服務(wù)器名、用戶、密碼等），由 ArcSDE 驗(yàn)證正確后對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。Geodatebase 數(shù)據(jù)模型由矢量要素、柵格、TIN等數(shù)據(jù)集，以及空間域、規(guī)則集等部件構(gòu)成，矢量要素類是具有相同的幾何特征類型（點(diǎn)、線、面）的空間要素的集合，柵格數(shù)據(jù)集包括各類影像數(shù)據(jù)（如多波段、遙感、航空等影像，以及掃描地圖、照片、經(jīng)轉(zhuǎn)換的 DRG 數(shù)據(jù)等），DEM 高程數(shù)據(jù)按照柵格數(shù)據(jù)集組織和存儲。

3.2 基于 Silverlight RIA 技術(shù)的 WebGIS

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)程序的開發(fā)是基于頁面的服務(wù)器端數(shù)據(jù)傳遞的模式，把網(wǎng)絡(luò)程序的表示層建立于 HTML（超文本標(biāo)記語言）頁面之上，而 HTML 是適合于文本的，傳統(tǒng)的基于頁面的系統(tǒng)已漸漸不能滿足網(wǎng)絡(luò)瀏覽者的更高的、全方位的體驗(yàn)要求了，RIA可以解決這個(gè)問題。RIA 技術(shù)允許在因特網(wǎng)上以一種簡單的方式部署富客戶端程序。這是 1 個(gè)用戶接口，比用 HTML 實(shí)現(xiàn)的接口更加健壯，反應(yīng)更加靈敏，更具有令人感興趣的可視化特性。

3.3 面向服務(wù)的空間信息共享技術(shù)

面向服務(wù)的共享也稱作服務(wù)式 GIS，是將已經(jīng)建立的基礎(chǔ)地理信息庫通過 Web 服務(wù)向各部門發(fā)布，從而使各部門可以直接通過訪問 Web 服務(wù)使用基礎(chǔ)地理信息，實(shí)現(xiàn)與本單位專題數(shù)據(jù)的疊加集成，并用于開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)中所有的基礎(chǔ)地理信息、水利公共類及專業(yè)類數(shù)據(jù)都可以通過建立 ArcGIS Server 地圖服務(wù)的方式提供給系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)不能直接訪問空間數(shù)據(jù)，只能通過地圖服務(wù)所定義的接口調(diào)用，保證了數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)更新時(shí)，只需要發(fā)布地圖服務(wù)的部門更新數(shù)據(jù)即可，對比以往需要將數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)水利管理部門更新，可以降低數(shù)據(jù)更新的成本。

3.4 地圖服務(wù)技術(shù)

系統(tǒng)中矢量數(shù)據(jù)（包括 DLG 和 DOM 數(shù)據(jù)）屬于定期更新數(shù)據(jù)，更新周期較長，數(shù)據(jù)量大，并且作為系統(tǒng)應(yīng)用的背景圖層，需要較好的地圖圖面效果，因此系統(tǒng)將矢量數(shù)據(jù)配置成地圖文檔后，發(fā)布為預(yù)生成地圖服務(wù)。水利公共類和專業(yè)類數(shù)據(jù)由于變更頻繁、需要分析處理等原因，采用動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)，將數(shù)據(jù)配置成地圖后不預(yù)生成，直接通過 Web服務(wù)向客戶端發(fā)布，這種發(fā)布模式能夠隨時(shí)在地圖上反映出數(shù)據(jù)的變化情況，便于及時(shí)掌握數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)情況。

3.5 面向服務(wù)的空間信息分析技術(shù)

系統(tǒng)空間信息分析功能的開發(fā)是基于 ArcServer平臺和 Silverlight 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行的。目前已經(jīng)推出ArcServer Silverlight API 2.0 版本，它支持的 Map服務(wù)可以是動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的，地圖可以是任意坐標(biāo)系統(tǒng)；它的對象主要是圖形（Graphics），主要是對點(diǎn)、線、面的渲染，有豐富的符號表現(xiàn)形式，加上Silverlight 本身的一些特效（如 alpha，visible），地圖的 Graphics 能夠展現(xiàn)比較理想的畫面，另外元素的事件驅(qū)動(dòng)模型，能夠產(chǎn)生一定的互動(dòng)效果。但目前的這個(gè)版本基本不具備可擴(kuò)展性，要想實(shí)現(xiàn) B/S 模式的空間信息分析服務(wù)只能依靠模塊處理（Geoprocessing Task）功能。Geoprocessing 是對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后獲取其他信息的轉(zhuǎn)換工具，能夠通過分析處理已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)，在新的數(shù)據(jù)集中產(chǎn)生分析結(jié)果；通過腳本 Python 或者 ModelBuilder進(jìn)行設(shè)計(jì)，在 ArcToolbox 中進(jìn)行管理，能夠處理ArcGIS 支持的所有數(shù)據(jù)類型，通過 Geoprocessing 可以實(shí)現(xiàn)大部分 ArcGIS 的功能。

3.6 面向服務(wù)的分布式數(shù)據(jù)訪問技術(shù)

系統(tǒng)在將來的應(yīng)用過程中，要集成很多涉及到的水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都彼此孤立，基于數(shù)據(jù)模型及存儲方式的差異，具有異構(gòu)性、分布性和自治性，難以實(shí)現(xiàn)資源的共享。本系統(tǒng)采用基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的中間層模式實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成?；?SOA 的數(shù)據(jù)集成支持對異構(gòu)數(shù)據(jù)類型的訪問，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，提供高度靈活的抽象層，把數(shù)據(jù)邏輯與業(yè)務(wù)邏輯分離，把數(shù)據(jù)訪問和處理以服務(wù)的形式提供給外部使用者，從而增加了系統(tǒng)的靈活性和重用性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和服務(wù)的松散耦合。

4 GPS 巡查子系統(tǒng)的應(yīng)用

里下河湖區(qū)地理情況復(fù)雜，湖區(qū)水域面積較大，圈圩點(diǎn)多且分散，人工巡查監(jiān)管頻率和覆蓋范圍有限，給巡查執(zhí)法工作帶來一定困難。為加大巡查監(jiān)管力度，及早發(fā)現(xiàn)和正確掌握湖泊保護(hù)范圍內(nèi)的非法開發(fā)及圈圩違章等現(xiàn)象，研發(fā)了 GPS 巡查子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)湖區(qū)巡查、定位、報(bào)警、上報(bào)、查詢、統(tǒng)計(jì)、管理等功能，由 3 個(gè)模塊組成，即：巡查信息采集（GPS 端）、巡查信息數(shù)據(jù)接收處理（服務(wù)器端）、客戶端管理信息（瀏覽器端）等子模塊。總體框架如圖 2 所示。

圖2 GPS 巡查子系統(tǒng)框架圖

4.1 GPS 端

主要功能是采集巡查人員的實(shí)時(shí)地理位置信息，以及巡查出的違法案件信息（包括地理位置坐標(biāo)、計(jì)算長度、面積，現(xiàn)場拍攝照片，相關(guān)文字說明等）。通過在手持機(jī)內(nèi)輸入矢量圖層，包括湖泊保護(hù)范圍圖、界樁圖、主要閘站分布圖、圈圩圖、行政區(qū)劃圖等，構(gòu)成信息采集的背景圖層。平臺開發(fā)采用微軟的 WinCE.Net，所有信息通過手機(jī) GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)，采用異步 Web Service 方式發(fā)送到指定的服務(wù)器。

4.2 服務(wù)器端

數(shù)據(jù)接收處理存儲系統(tǒng)，用于將巡查人員發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后存儲到數(shù)據(jù)庫中，便于客戶端管理信息系統(tǒng)調(diào)用，主要功能包括：開啟相應(yīng)的服務(wù)，監(jiān)聽是否有數(shù)據(jù)進(jìn)入；將 GPS 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷有效性，分類并存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中；維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，并按照相關(guān)規(guī)則進(jìn)行備份。數(shù)據(jù)庫采用 Oracle 10g2，開發(fā)平臺采用VS2008 及 Web Service 技術(shù)。

4.3 瀏覽器端

實(shí)現(xiàn)對巡查路徑實(shí)時(shí)查看，并對歷史巡查記錄進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)，以及對查出問題進(jìn)行跟蹤處理。主要功能包括：底圖操作功能，放大、縮小及平移等；地圖對象查詢?yōu)g覽功能；巡查人員軌跡實(shí)時(shí)顯示功能；巡查案件報(bào)警及實(shí)時(shí)顯示功能；歷史軌跡及案件查詢；案件的跟蹤處理記錄、結(jié)果審核；巡查次數(shù)、路線長度等的統(tǒng)計(jì)功能。平臺采用 VS2010及 ArcGIS Server Silverlight 技術(shù)[5]。

5 結(jié)語

里下河湖泊湖蕩的管理，綜合應(yīng)用了 GPS，WebGIS，RS 等技術(shù)，GIS 系統(tǒng)涵蓋了基礎(chǔ)地理信息、湖泊巡查管理、水政執(zhí)法管理、湖泊控制性水利工程、圩區(qū)管理及遙感年度變化分析等內(nèi)容，系統(tǒng)全部建設(shè)完成之后，里下河湖泊湖蕩地區(qū)的與水利相關(guān)的重要地理信息，均能夠在“一張圖”上直觀地顯示，規(guī)范了湖泊巡查，加強(qiáng)了水政執(zhí)法，全面掌握了湖泊控制性水利工程的各項(xiàng)信息，強(qiáng)化了圩區(qū)的排澇、滯洪管理，進(jìn)一步加強(qiáng)了湖泊使用變化情況的監(jiān)測，豐富的圖形和數(shù)據(jù)將為湖泊的科學(xué)管理和保護(hù)提供信息化的技術(shù)支撐，進(jìn)一步提升管理水平、效率和監(jiān)管能力。目前國內(nèi)湖泊管理方面尚無如此綜合的湖泊管理信息系統(tǒng)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)將為其它大型湖泊的管理提供參考經(jīng)驗(yàn)，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

[1]呂振霖. 為再現(xiàn)里下河美麗的湖蕩風(fēng)光而奮斗 [DB/OL].(2010-08-16) [2012-04-02]. http://www.jswater.gov.cn/zwgk/tbtj/20100816/095629204.html.

[2]王冬梅，趙鋼，吳杰. 3S 技術(shù)在里下河湖泊湖蕩保護(hù)范圍勘界設(shè)樁中的應(yīng)用[C]//全國國土資源與環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)研討會論文集. 深圳：中國國土經(jīng)濟(jì)學(xué)會，2009: 102.

[3]江蘇省水利科學(xué)研究院. 圍繞江蘇水利現(xiàn)代化建設(shè) 開展公益研究和技術(shù)服務(wù)[DB/OL]. (2011-01-13)[2012-04-02].http://www.cws.net.cn/zt/2011watermeeting/CWSNews_View.asp?CWSNewsID = 33546.

[4]唐東軍. 基于 Silverlight 技術(shù)的水庫管理 WebJIS 研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010: 11-13.

[5]李頻，趙翠萍，夏衛(wèi)中. GPS 巡查管理系統(tǒng)在里下河湖區(qū)管理中的應(yīng)用[J]. 硅谷，2012 (2): 155.