李 敏

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

二、三維?GIS?集成技術(shù)在水利中的應(yīng)用

李 敏

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

針對(duì)二維 GIS 技術(shù)的缺陷，將二維與三維 GIS 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)結(jié)合，可為水利信息化建設(shè)提供更好的服務(wù)與應(yīng)用。闡述二維、三維集成技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用，從數(shù)據(jù)組織、功能集成設(shè)計(jì)、系統(tǒng)界面集成、系統(tǒng)特點(diǎn)4 個(gè)方面對(duì)二維和三維技術(shù)的集成過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)合集成技術(shù)在水利、河道洪水演進(jìn)、三維空間分析及防洪搶險(xiǎn)等方面給出相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，如對(duì)抗洪地區(qū)進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)換及對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等。

二維 GIS；三維 GIS；集成技術(shù)；水利；可視化；河道洪水演進(jìn)

0 引言

隨著信息化的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)水利信息化建設(shè)的步伐也不斷加快，提出并建設(shè)了很多數(shù)字化水利工程。在這些工程中 GIS 是一個(gè)很好的平臺(tái)，具有采集、管理、分析、監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)可視化、空間分析與表達(dá)等功能，已經(jīng)成為水利信息化的重要支撐和基礎(chǔ)之一[1]。

隨著 GIS 技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，GIS 在各個(gè)行業(yè)得到很好的應(yīng)用與發(fā)展，包括二維 GIS，WebGIS，三維可視化 GIS。傳統(tǒng)二維 GIS 技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地深入與擴(kuò)大；三維 GIS 成為新的發(fā)展方向，具有很好的應(yīng)用前景[2]。

在 GIS 技術(shù)中，二維 GIS 技術(shù)應(yīng)用較多，二維GIS 中的空間分析及數(shù)據(jù)的管理功能得到很好的應(yīng)用，目前這些功能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水利信息化建設(shè)中[3]。WebGIS 結(jié)合相關(guān)的水利電子政務(wù)，能夠充分發(fā)揮 GIS 的優(yōu)勢(shì)，能夠在網(wǎng)絡(luò)上以圖表等形式展示水利相關(guān)業(yè)務(wù)信息；在水利防汛抗旱、搶險(xiǎn)指揮過(guò)程中，通過(guò)三維 GIS 提供的功能，用戶能夠直觀看到三維可視化的防汛及抗旱、指揮態(tài)勢(shì)，并且能夠進(jìn)行相關(guān)的指揮調(diào)度工作。因此，二維 GIS、WebGIS 和三維 GIS 有各自的優(yōu)勢(shì)，如果能夠結(jié)合這些優(yōu)勢(shì)，可以為水利信息化建設(shè)提供更好的服務(wù)與應(yīng)用[4]。

在現(xiàn)今水利信息化和數(shù)字化的背景下，將河道三維演示可視化模擬和搶險(xiǎn)調(diào)度作為水利工程建設(shè)過(guò)程中的重要工作之一，可以最大程度地為相關(guān)工作提供更確切的數(shù)據(jù)，對(duì)促進(jìn)水利工程相關(guān)工序的實(shí)施具有重要意義。另外河道三維化的實(shí)現(xiàn)也能夠在一定程度上促進(jìn)防汛過(guò)程中水工建筑物的管理，為相關(guān)管理的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 二、三維 GIS 集成

1.1 數(shù)據(jù)組織

在 GIS 的綜合應(yīng)用中，會(huì)需要將二維 GIS，WebGIS，三維 GIS，多媒體等多種功能進(jìn)行集成。要將這些“異構(gòu)”的功能進(jìn)行集成，需要對(duì) GIS 中的數(shù)據(jù)在組織及集成上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。二維與三維中表達(dá)的實(shí)體數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1 所示。

從圖1 可以分析得出，數(shù)字高程模型（DEM）和正射影像（DOM）都屬于柵格數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)疊加分析可以形成三維場(chǎng)景模塊（3D Scene）；二維GIS 上的圖層或?qū)ｎ}都是使用矢量格式的數(shù)據(jù)，二維和三維數(shù)據(jù)之間可以通過(guò)統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系統(tǒng)存在某種聯(lián)系。此外，相關(guān)的專題圖層可以利用符號(hào)進(jìn)行表達(dá)，圖形上的符號(hào)（點(diǎn)、線、面等）可以通過(guò)該對(duì)象的 OID 與目前流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表格之間進(jìn)行聯(lián)系。在相關(guān)的場(chǎng)景中，場(chǎng)景中的圖形符號(hào)可能是一個(gè)三維模型對(duì)象，模型的管理師通過(guò)相關(guān)的 ID 信息與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的屬性信息進(jìn)行聯(lián)系。這樣，對(duì)于二維和三維數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，它們所具有的專業(yè)屬性信息是相同的，因此，在這種關(guān)聯(lián)下，二維與三維的數(shù)據(jù)就聯(lián)系起來(lái)了，集成的實(shí)體對(duì)象如圖2所示。

圖1 空間實(shí)體數(shù)據(jù)之間的關(guān)系

圖2 集成的實(shí)體對(duì)象

1.2 功能集成設(shè)計(jì)

1.2.1 總體設(shè)計(jì)

為了更好地讓二維、三維 GIS 集成技術(shù)在水利工程建設(shè)中發(fā)揮作用，相關(guān)部門應(yīng)該加強(qiáng)水利工程二維、三維地理信息管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱管理系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)與建立。管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用 B/S設(shè)計(jì)模式，下一層都為上一層提供基礎(chǔ)的服務(wù)，從下到上主要分為數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)接口層、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)層和客戶端，如圖3 所示。

在管理系統(tǒng)的建立過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存儲(chǔ)水利三維應(yīng)用所需要的數(shù)字高程、正射影像等數(shù)據(jù)。二維矢量數(shù)據(jù)主要采用面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)模型技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)；對(duì)于水利中的其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)模型存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，包括水工情、物資、搶險(xiǎn)隊(duì)伍和水位等數(shù)據(jù)。

不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式是多樣的，且采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此數(shù)據(jù)接口層主要是統(tǒng)一這些接口，為上層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)。

水利應(yīng)用及服務(wù)的客戶端均采用 IE 界面，通過(guò)不同的多媒體、二維 GIS、三維 GIS 等進(jìn)行展示，將采用相關(guān)技術(shù)，將控件集成起來(lái)，形成一個(gè)集成二維矢量圖形數(shù)據(jù)、三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)、多媒體信息的界面，更好地為用戶服務(wù)。

1.2.2 專題數(shù)據(jù)的三維展示

對(duì)于三維模型的展示，能夠利用符號(hào)對(duì)象的 ID與數(shù)據(jù)庫(kù)中的水利專題屬性信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而查詢水利工程中三維模型相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。對(duì)于不能進(jìn)行展示的模型或者專題來(lái)說(shuō)，可以利用查詢技術(shù)進(jìn)行展示。

1.2.3 二維、三維無(wú)縫查詢

三維流域不僅能查詢到三維模型中的相關(guān)屬性信息，還能查詢到二維 GIS 數(shù)據(jù)中的屬性信息。

1.3 界面集成

在界面集成中主要利用相關(guān)技術(shù)將二維和三維疊加起來(lái)進(jìn)行分析。通過(guò)不同的應(yīng)用，決定哪個(gè)控件可視。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，可不用分步運(yùn)行二維 GIS 和三維可視化 GIS 了。

1.4 管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

總體來(lái)說(shuō)，將二維和三維 GIS 技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，然后將集成技術(shù)應(yīng)用到水利中，是 GIS 技術(shù)在水利信息化建設(shè)中的一個(gè)非常重要的方面。管理系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)二維、三維 GIS 的無(wú)縫集成；

2）能充分利用場(chǎng)景漫游技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示；3）提供面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)管理方式。

2 二、三維 GIS 集成應(yīng)用示例

2.1 水工建筑物管理中的應(yīng)用

水利建筑物的管理是 GIS 集成技術(shù)在應(yīng)用中的一個(gè)重要方面，能夠很好地展示二維和三維 GIS 的表現(xiàn)能力。在對(duì)水工建筑物管理的過(guò)程中，可以利用三維 GIS 可視化的特點(diǎn)促進(jìn)相關(guān)水工建模過(guò)程的實(shí)施，同時(shí)，二維、三維 GIS 還能對(duì)管理過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，從而最大程度地促進(jìn)水工建筑物管理的順利進(jìn)行。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2 防洪搶險(xiǎn)指揮中的應(yīng)用

二維、三維技術(shù)可以應(yīng)用到搶險(xiǎn)指揮應(yīng)用中，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)，反映水情、工情及險(xiǎn)情等方面的數(shù)據(jù)都能夠通過(guò)二維和三維 GIS 技術(shù)獲得，可以集成三維“電子沙盤”技術(shù)?！半娮由潮P”能夠非常直觀地在三維可視化的 GIS 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)洪水及防洪搶險(xiǎn)的調(diào)度，能夠?yàn)閾岆U(xiǎn)工作的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。防洪搶險(xiǎn)示例如圖4 所示，通過(guò)圖4 可以看出相關(guān)區(qū)域的地理特征及被可視化了的險(xiǎn)情狀況，這對(duì)相關(guān)人員對(duì)于險(xiǎn)情的掌握有著積極意義。

2.3 河道洪水演進(jìn)應(yīng)用

二、三維集成技術(shù)可以應(yīng)用到河道洪水演進(jìn)的過(guò)程中，能夠與水利模型的計(jì)算和分析功能集成起來(lái)，河道演示過(guò)程如圖5 所示。通過(guò)集合二維和三維的技術(shù)，能夠很好地對(duì)相關(guān)河道中的形態(tài)及狀況進(jìn)行展示與分析。在二維 GIS 的環(huán)境中，對(duì)于一維的河道計(jì)算結(jié)果，一般采用漸進(jìn)色或等值線的方式展示；在三維可視化的應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)于河道的水體不僅能夠用三維曲面展示，還可以動(dòng)態(tài)模擬某段時(shí)間的河道水體變化情況，能夠很直觀地再現(xiàn)模擬計(jì)算的結(jié)果，非常直觀地模擬一維河道洪水的變化過(guò)程。

圖4 防洪搶險(xiǎn)示例圖

圖5 河道演進(jìn)示例圖

3 結(jié)語(yǔ)

二維和三維 GIS 技術(shù)有各自的優(yōu)點(diǎn)，三維可視化展示比較直觀，但是僅僅使用二維或三維 GIS 技術(shù)是不能解決所有問(wèn)題的。只利用二維 GIS 僅能解決相關(guān)區(qū)域的平面問(wèn)題，并不能使得相關(guān)位置得到可視化的顯現(xiàn)；只應(yīng)用三維 GIS 雖然能夠?qū)崿F(xiàn)立體展現(xiàn)，但由于缺乏二維 GIS 的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并不能發(fā)揮出本該有的作用。通過(guò)二維、三維 GIS 集成技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用展示，說(shuō)明將二維和三維技術(shù)進(jìn)行結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，而如何將這 2 種技術(shù)更好地進(jìn)行結(jié)合與融合是下一步研究的方向。

[1] 胡志貴.真實(shí)三維環(huán)境重建及其在可視化規(guī)劃設(shè)計(jì)與信息管理中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2004 (1): 32-36.

[2] 黃健熙，郭利華，龍毅，等.二維地圖與三維虛擬場(chǎng)景的互響應(yīng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪信息與工程，2003 (1): 33-35.

[3] 黃康，虞開(kāi)森，俞志強(qiáng)，等.面向服務(wù)的防汛 GIS 支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2011 (4): 456-460.

[4] 董文，張新，池天河.基于 3D-GIS 的海平面上升預(yù)測(cè)模擬及影響分析系統(tǒng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010 (2): 85-90.

Application of 2D and 3D GIS Integration Technology in Water Conservancy

LI Min

(Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Survey Design Institute,Urumchi 830000,China)

Aiming at defects of 2D GIS technology,it can provide better services for water conservancy informatization construction and application by combining the advantage of 2D and 3D GIS technology.The article expounds the application of 2D and 3D integrated technology in water conservancy industry.It introduces the integration process of 2D and 3D technology from four aspects of the data organization,function integration design,system integration and the characteristics of system.Combining with corresponding application examples of integration technology in water resources,river flood routing,3D analysis and the application examples such as for disaster relief during flood control are given to convert the visualization and analyze data for the flood control areas.

2D GIS;3D GIS;integration technology;water conservancy;visualization;river channel flood routing

P208.2；TV21

A

1674-9405(2015)01-0024-05

2014-11-14

李 敏（1982－），女，河北張家口人，工程師，主要從事水利信息化建設(shè)與管理工作。