李風(fēng)雷，王 磊，曹小潔

（1.淮委沂沭泗局沂沭河水利管理局，山東 臨沂 276004;2.淮委沂沭泗局水文局，江蘇 徐州 221000；3.南京揚(yáng)子水利自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)總公司，江蘇 南京 210012）

1 GIS 在水利行業(yè)的應(yīng)用

GIS 作為處理空間地理信息的平臺(tái)技術(shù)在水利行業(yè)具有極高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用范圍，可視化的展示和空間分析能力為水利信息化建設(shè)提供了技術(shù)平臺(tái)，已經(jīng)成為推動(dòng)水利信息化和現(xiàn)代化建設(shè)的重要技術(shù)手段。

在水利行業(yè)的信息化系統(tǒng)建設(shè)中，GIS 的應(yīng)用具體表現(xiàn)為工具、方法和平臺(tái)，通過 GIS 把水利行業(yè)相關(guān)地理信息數(shù)字化和信息化，并與行業(yè)領(lǐng)域信息如工程實(shí)體、水資源、水文、防洪減災(zāi)等信息建立數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)這些信息的數(shù)字化管理和分析，形成高度集成，空間信息可視的信息管理平臺(tái)，從而為水利行業(yè)的業(yè)務(wù)管理和決策支持提供現(xiàn)代化的技術(shù)和手段支持。

GIS 已經(jīng)在水利行業(yè)的諸多領(lǐng)域中得到了深層的實(shí)踐應(yīng)用，例如：防洪減災(zāi)中的可視化決策支持、模型計(jì)算、災(zāi)情評估、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析；水資源及水環(huán)境管理中的資源可視化和時(shí)態(tài)化表達(dá)、資源空間分析與計(jì)算；水利工程建設(shè)及規(guī)劃中的可視化方案評估、大尺度空間分析與計(jì)算；水利工程管理中的工程基礎(chǔ)信息管理、監(jiān)視監(jiān)測等。近年來，GIS 的應(yīng)用呈現(xiàn)出不斷深入，迅速發(fā)展的勢頭，一批重點(diǎn)項(xiàng)目在建設(shè)初期就把 GIS 作為系統(tǒng)架構(gòu)的重要內(nèi)容列入設(shè)計(jì)或規(guī)劃內(nèi)容，如國家水資源管理系統(tǒng)、水利普查系統(tǒng)、水利空間數(shù)據(jù)服務(wù)共享平臺(tái)等。

2 沂沭河 GIS 系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)

2.1 基本情況及建設(shè)目標(biāo)

沂、沭兩河位于魯南蘇北，屬淮河流域，是縱貫沂蒙山區(qū)的2條大型山洪河道，源短流急，水勢兇猛，工程標(biāo)準(zhǔn)低，險(xiǎn)工隱患多，防汛任務(wù)重。沂沭河水利管理局隸屬淮河水利委員會(huì)沂沭泗水利管理局，作為流域管理機(jī)構(gòu)，主要擔(dān)負(fù)沂沭河在山東境內(nèi) 513.4km 的河流，705.6km 的堤防及5座控制性閘涵的防汛及管理工作。直管的防洪工程主要包括：山東境內(nèi)的沂河、沭河、邳蒼分洪道、分沂入沭等河道工程，以及劉道口樞紐，大官莊樞紐，江風(fēng)口分洪閘，黃莊穿涵等控制水閘工程。

為提高工程管理信息化水平，加強(qiáng)能力建設(shè)，促進(jìn)水利管理現(xiàn)代化建設(shè)，2011年，沂沭河水利管理局組織有關(guān)技術(shù)力量，結(jié)合流域管理工作特點(diǎn)，開發(fā)建設(shè)了1個(gè)基礎(chǔ)性的流域地理信息系統(tǒng)，利用GIS 技術(shù)提高信息化建設(shè)水平，為業(yè)務(wù)管理和決策支持提供可視化的空間工具，評估 GIS 信息化建設(shè)的可行性和效益，探索 GIS 建設(shè)、部署、管理的最佳途徑及實(shí)踐方式。

系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)1個(gè)基于 WebGIS 的工程基礎(chǔ)信息管理平臺(tái)，為工程基礎(chǔ)信息提供可視化的查詢、管理服務(wù)，為工程、水行政管理信息系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供空間位置表達(dá)服務(wù)，同時(shí)具備紙質(zhì)圖紙的輸出能力。初期確立的量化指標(biāo)有：

1）建設(shè)覆蓋管理范圍的大比例尺數(shù)字地圖，初期目標(biāo)為 1:50000，數(shù)字地圖能夠動(dòng)態(tài)縮放，并對典型比例尺（1:100000，1:200000等）的制圖表達(dá)效果進(jìn)行優(yōu)化；

2）對河道、堤防、閘涵、橋梁、主要交通路線、行政區(qū)劃、水文站點(diǎn)、地形等8類基礎(chǔ)要素信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和分類管理，分層表達(dá)；

3）提供標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用接口，為其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供方便調(diào)用的位置表達(dá)服務(wù)；

4）使用 Web 方式為系統(tǒng)訪問終端服務(wù)，能夠快速、方便地部署到各類客戶端，避免使用插件、JAVA 等依賴客戶端環(huán)境的前端技術(shù)；

5）能夠開放式地調(diào)用和疊加公共數(shù)據(jù)信息；

6）具有一定擴(kuò)展性，并能夠?yàn)閷磉M(jìn)一步的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)及建設(shè)過程

整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)過程劃分為系統(tǒng)架構(gòu)及軟件開發(fā)、GIS 數(shù)據(jù)收集和整理、客戶端開發(fā)和部署3個(gè)階段。

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及軟件開發(fā)

當(dāng)前 GIS 的開發(fā)建設(shè)模式主要有以下3類：1）從零開始的獨(dú)立開發(fā)；2）依賴成熟商業(yè)架構(gòu)的宿主型二次開發(fā)；3）基于開放 GIS 組件的二次開發(fā)。其中第1類開發(fā)成本高，周期長，對于業(yè)務(wù)應(yīng)用類的GIS 系統(tǒng)建設(shè)不具備可行性；第2類具有技術(shù)成熟，開發(fā)速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是版權(quán)費(fèi)用高，初期成本高，高度依賴宿主系統(tǒng)；第3類利用開放授權(quán)的各類 GIS 組件結(jié)合 GIS 工具搭建系統(tǒng)架構(gòu)，每個(gè)組件專注于1項(xiàng)或幾項(xiàng) GIS 系統(tǒng)層次模塊，比如數(shù)據(jù)持久層的 PostGIS，服務(wù)邏輯層的 GeoServer，MapServer，客戶端表現(xiàn)層的 OpenLayers，用于數(shù)據(jù)處理的 QGIS，uDig 等，這些組件一般由社會(huì)化的技術(shù)團(tuán)隊(duì)維護(hù)，使用 GPL，BSD 等開放授權(quán)協(xié)議，符合開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于組件的開發(fā)方式面臨的主要困難是技術(shù)支持不足、開發(fā)難度相對稍大，但是優(yōu)點(diǎn)突出，技術(shù)授權(quán)費(fèi)用低（接近于零），技術(shù)架構(gòu)及細(xì)節(jié)公開，接口及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公開規(guī)范，架構(gòu)靈活易于擴(kuò)展等。已經(jīng)有越來越多的業(yè)務(wù)應(yīng)用 GIS 系統(tǒng)采用第3類模式進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)。

通過綜合分析系統(tǒng)需求和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，該項(xiàng)目最終采用基于開放 GIS 組件的二次開發(fā)模式，采取組件化分層建設(shè)的策略，各組件優(yōu)先選擇符合現(xiàn)階段先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的產(chǎn)品。系統(tǒng)基本架構(gòu)分為數(shù)據(jù)持久層、領(lǐng)域模型層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層4個(gè)層次；使用 PostGIS 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)持久層，處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；使用 GeoServer 作為 GIS 邏輯服務(wù)層，提供制圖表達(dá)等地理邏輯服務(wù)，以 PHP 作為程序語言開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯模塊；在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖、工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫2大功能模塊，同時(shí)集成改造原有的工程和水行政管理業(yè)務(wù)模塊；選擇 OpenLayers 用于前端交互處理；同時(shí)利用 QGIS 和 uDig 等開源客戶端作為地理數(shù)據(jù)編輯和管理的桌面工具，具體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)保持清晰靈活的層次化，功能模塊上采取結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和開發(fā)，確保系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)健性、靈活性及技術(shù)上的先進(jìn)性。

2.2.2 地理信息數(shù)據(jù)采集及整理

地理信息數(shù)據(jù)的采集和整理是一項(xiàng)繁雜的工作，同時(shí)也是 GIS 系統(tǒng)建設(shè)過程中的關(guān)鍵工作，為節(jié)約投資，縮短建設(shè)周期，該項(xiàng)目建設(shè)過程中主要依靠歷史和共享數(shù)據(jù)進(jìn)行地理信息整合，通過各種渠道，獲取和整合了大量數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)源和方式有：

1）國家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的 1:1000000基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃、主要公路和鐵路、5級以上河流；

2）沂沭河大斷面測量原始資料，基礎(chǔ)比例尺1:10000；

3）沂沭河 1:240000流域圖；

4）沂沭河 1:50000帶狀圖；

5）中科院信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)發(fā)布的30m 分辨率 DEM 數(shù)據(jù)；

6）NASA（美國國家航空航天局）發(fā)布的90m分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)；

7）高精度 GPS 測量設(shè)備實(shí)地采集；

8）開放地名數(shù)據(jù)庫發(fā)布的鄉(xiāng)村級以上地名地理數(shù)據(jù)。

在綜合了各類數(shù)據(jù)來源后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一配準(zhǔn)和整理，對柵格數(shù)據(jù)使用 QGIS 的georeferencer工具進(jìn)行多項(xiàng)式配準(zhǔn)，參考柵格數(shù)據(jù)對一些關(guān)鍵地物要素進(jìn)行提?。焕?DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行地形渲染，結(jié)合自動(dòng)等高線提取技術(shù)提取了等高距為10m 的等高線；對一些配準(zhǔn)存在困難的數(shù)據(jù)，綜合其他來源信息，結(jié)合 GPS 測量結(jié)果進(jìn)行配準(zhǔn)。經(jīng)過綜合配準(zhǔn)和系統(tǒng)整理后的數(shù)據(jù)基本滿足了設(shè)計(jì)內(nèi)容和應(yīng)用精度要求。

2.2.3 系統(tǒng)部署

系統(tǒng)使用分布式部署方式，服務(wù)端由3臺(tái)服務(wù)器組成，分別負(fù)責(zé) PostGIS，GeoServer 和業(yè)務(wù)邏輯3大構(gòu)件運(yùn)行服務(wù)；客戶端直接使用瀏覽器，通過Web 方式訪問系統(tǒng)，無需安裝任何軟件，同時(shí)提供移動(dòng)版的 WebGIS 服務(wù)，以便手機(jī)、PDA 等移動(dòng)設(shè)備通過公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)；系統(tǒng)管理人員在專用工作站上使用 QGIS 和 uDig 等桌面工具實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的添加、查詢、編輯等維護(hù)工作。

2.3 系統(tǒng)建設(shè)成果

流域地理信息系統(tǒng)經(jīng)過6個(gè)月的建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)行試運(yùn)行。通過試運(yùn)行，系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果，極大地提高了管理工作的直觀可視性，對管理決策起到了輔助作用，改善了紙質(zhì)地圖查詢不便、更新不及時(shí)、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的狀況，對提高沂沭河局水利工程管理水平和能力具有一定的推動(dòng)作用。系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)的主要成果有：

1）1:10000～1:2000000動(dòng)態(tài)縮放的基礎(chǔ)電子地圖，行政區(qū)劃精確到自然村，交通道路精度到市級干道，水工信息包括5級以上或干道河流的堤防、橋梁、攔河建筑物、中型以上水閘和重要管理設(shè)施等；

2）為工程管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和水行政管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供了可視化的位置表達(dá)；

3）具備紙質(zhì)地圖的排版輸出能力，能夠方便地輸出各種比例尺的、任意指定區(qū)域的紙質(zhì)地圖；

4）能夠方便地疊加 Google 衛(wèi)星等公共地圖服務(wù)平臺(tái)的圖層，通過專用管理終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、編輯、修改等操作。

3 結(jié)語

沂沭河流域地理信息系統(tǒng)的建設(shè)、管理和使用，取得了一定的成果，也存在一些不足，主要表現(xiàn)在：地理信息要素?cái)?shù)據(jù)量不豐富，數(shù)據(jù)檢索功能不完善，需要加快數(shù)據(jù)更新、規(guī)范管理方式和加快系統(tǒng)響應(yīng)速度等，這些問題要通過以后的建設(shè)和開發(fā)逐步完善。同時(shí)，通過系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用實(shí)踐，對于 GIS 在水利業(yè)務(wù)工作中的應(yīng)用有以下體會(huì)：

1）相比傳統(tǒng)的地理信息處理方式，GIS 表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢，是提高工作效率，提升管理水平和建設(shè)能力的有效工具。

2）公共地理數(shù)據(jù)的利用是降低 GIS 系統(tǒng)建設(shè)門檻的重要措施，通過充分利用獲取到的公共數(shù)據(jù)，完成基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的采集和整理，能夠極大降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

3）水利行業(yè)急需建立基礎(chǔ)地理信息的共享平臺(tái)，GIS 數(shù)據(jù)源是建設(shè) GIS 系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，建設(shè)成本高，周期長，如果能建立共享平臺(tái)和機(jī)制，將能極大地促進(jìn) GIS 在水利行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。

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