柴　立， 解建倉(cāng)， 姜仁貴， 劉建龍， 于　翔

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

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區(qū)域水資源監(jiān)控三維可視化仿真平臺(tái)研究

柴立， 解建倉(cāng)， 姜仁貴， 劉建龍， 于翔

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048)

針對(duì)當(dāng)前區(qū)域水資源監(jiān)控中存在的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享性差、表現(xiàn)力不佳以及應(yīng)用單一等問(wèn)題，基于三維地理信息系統(tǒng)Worldwind組件設(shè)計(jì)了三維可視化仿真平臺(tái)，為水資源監(jiān)控提供決策支持服務(wù)。提出了3D-VSP四層體系結(jié)構(gòu)，采用組件式開(kāi)發(fā)、三維可視化場(chǎng)景建模、空間地理信息集成以及三維可視化仿真等技術(shù)對(duì)3D-VSP進(jìn)行開(kāi)發(fā)。以陜西省為研究區(qū)域開(kāi)展實(shí)例應(yīng)用，基于3D-VSP開(kāi)發(fā)了支撐區(qū)域水資源監(jiān)控的信息服務(wù)、水資源監(jiān)視模擬以及嚴(yán)格水資源管理考核等業(yè)務(wù)應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的3D-VSP實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的集成，為區(qū)域水資源監(jiān)控提供三維可視化仿真環(huán)境和輔助決策業(yè)務(wù)應(yīng)用，具有可擴(kuò)展性、較好三維表現(xiàn)力和人機(jī)交互等優(yōu)點(diǎn)。

水資源監(jiān)控；三維可視化仿真平臺(tái)；組件開(kāi)發(fā)；業(yè)務(wù)應(yīng)用；陜西省

區(qū)域經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展進(jìn)一步加劇了區(qū)域水資源供需矛盾，對(duì)水資源的可持續(xù)利用及其發(fā)展提出更高的要求。2011年中央一號(hào)文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》指出：新形勢(shì)下水利發(fā)展應(yīng)建立用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污制度，加強(qiáng)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，嚴(yán)格實(shí)施水資源管理考核，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，以此增強(qiáng)水資源可持續(xù)利用能力。國(guó)務(wù)院《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理體制的意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)[2012]3號(hào))中將健全水資源監(jiān)控體系作為實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理體制的保障措施，要求“全面提高監(jiān)控、預(yù)警和管理能力”[1]。當(dāng)前，水利相關(guān)部門已經(jīng)建成了較為完善的雨水情和水資源數(shù)據(jù)采集設(shè)備，收集了大量的雨情、水情、工情及水資源數(shù)據(jù)，建立了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和管理系統(tǒng)，為實(shí)施合理有效的區(qū)域水資源監(jiān)控以及實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

然而，當(dāng)前主要以前端的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集為主，后端的數(shù)據(jù)分析與業(yè)務(wù)應(yīng)用相對(duì)偏弱，普遍存在著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的多用戶共享性較差，規(guī)范化程度相對(duì)較低，系統(tǒng)建設(shè)分散導(dǎo)致的異構(gòu)與重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重，重傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，而忽略支撐決策的業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，尤其是在水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用的三維可視化仿真與集成上研究較少。在水利業(yè)務(wù)可視化仿真領(lǐng)域，諸多專家學(xué)者開(kāi)展研究，并取得一些有益的成果。王興奎[2]，張尚弘[3]等在三維虛擬仿真場(chǎng)景支撐下，提出數(shù)字流域研究平臺(tái)建設(shè)構(gòu)想，設(shè)計(jì)了都江堰虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；鐘登華等[4]提出基于GIS的水利水電工程三維可視化圖形仿真方法；另外，科學(xué)計(jì)算可視化仿真[5]、人工耦合技術(shù)[6]和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[7-8]等可視化技術(shù)在不同水利業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為例，由于受到技術(shù)和資金等多方面因素制約，未能得到大范圍推廣應(yīng)用，水利行業(yè)涉及到的數(shù)據(jù)量大，應(yīng)用復(fù)雜，數(shù)據(jù)分析和可視化效果相對(duì)不是很好，且存在應(yīng)用單一和三維空間關(guān)聯(lián)較少等不足。

本文針對(duì)區(qū)域水資源監(jiān)控存在的問(wèn)題和當(dāng)前水利信息技術(shù)上存在的不足，采用組件式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)、框架技術(shù)以及計(jì)算機(jī)三維建模與可視化仿真等技術(shù)，基于三維地理信息系統(tǒng)Worldwind設(shè)計(jì)了面向區(qū)域水資源監(jiān)控的三維可視化仿真平臺(tái)(three-dimension visualization simulation platform，3D-VSP)，將支撐區(qū)域水資源監(jiān)控的不同業(yè)務(wù)應(yīng)用以組件的形式在3D-VSP上進(jìn)行有效的協(xié)同與集成應(yīng)用，彌補(bǔ)當(dāng)前水資源監(jiān)控建設(shè)中存在的不足。融合多源數(shù)據(jù)資源，進(jìn)行三維可視化場(chǎng)景建模，采用框架技術(shù)將不同的水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為不同的子系統(tǒng)，并最終在三維可視化場(chǎng)景中進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)面向區(qū)域水資源監(jiān)控的多源信息集成與監(jiān)測(cè)、水資源監(jiān)視模擬和最嚴(yán)格水資源管理考核等業(yè)務(wù)應(yīng)用。以陜西省為研究區(qū)域，將設(shè)計(jì)的3D-VSP應(yīng)用到陜西省水資源監(jiān)控中，基于3D-VSP開(kāi)發(fā)支撐陜西省水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用，為區(qū)域水資源管理和水資源可持續(xù)利用提供支持。

1　三維可視化仿真平臺(tái)(3D-VSP)設(shè)計(jì)

1.13D-VSP內(nèi)涵

3D-VSP指采用組件技術(shù)、可視化仿真和計(jì)算機(jī)應(yīng)用框架等現(xiàn)代信息技術(shù)，結(jié)合區(qū)域水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)，在區(qū)域水資源監(jiān)控多源數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，將分散在不同服務(wù)器或異構(gòu)的水資源業(yè)務(wù)系統(tǒng)中相關(guān)的數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)應(yīng)用以組件的方式進(jìn)行有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的交互和上層應(yīng)用的集成，在三維可視化仿真環(huán)境中，為不同用戶提供統(tǒng)一的界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)、操作與管理，為決策提供支持。3D-VSP不是水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用的簡(jiǎn)單拆分與拼接，而是將不同的水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用以組件的形式在3D-VSP進(jìn)行集成。數(shù)據(jù)層面上，對(duì)Worldwind的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行高效組織與管理，提出多源數(shù)據(jù)集成方案，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用多源數(shù)據(jù)的集成；功能層面上，水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用組件通過(guò)開(kāi)放應(yīng)用接口進(jìn)行集成，并采用框架對(duì)應(yīng)用組件進(jìn)行封裝，使得不同的水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯上相對(duì)獨(dú)立，滿足不同用戶的需求，避免彼此相互影響與制約；應(yīng)用層面上，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用單一和表現(xiàn)力不足的缺陷，采用具有較好三維可視化效果的組件作為基礎(chǔ)平臺(tái)，為用戶提供較好的表現(xiàn)效果。

1.23D-VSP總體設(shè)計(jì)

總體上，3D-VSP設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)多源的區(qū)域水資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)管理，業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)與集成，以及數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的可視化展現(xiàn)，進(jìn)而為用戶提供決策支持服務(wù)。具體包括：(1)基于Worldwind數(shù)字地球模型搭建三維可視化仿真環(huán)境，遵循國(guó)際通用規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理與存儲(chǔ)，通過(guò)3D-VSP的開(kāi)放數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同來(lái)源水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)的分類處理與管理，以及多源數(shù)據(jù)在3D-VSP上的集成、分析和可視化展示。(2)根據(jù)區(qū)域特征和水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)不同的水資源監(jiān)控功能模塊，每個(gè)功能模塊包括若干個(gè)具體的應(yīng)用，不同模塊和應(yīng)用以組件的形式進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)，便于分布式開(kāi)發(fā)和后期的運(yùn)行管理及維護(hù)，與此同時(shí)，采用分級(jí)用戶方式，不同的用戶執(zhí)行權(quán)限范圍內(nèi)的操作，保證數(shù)據(jù)和應(yīng)用的安全性。

結(jié)合當(dāng)前水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，3D-VSP在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和用戶使用的需求，根據(jù)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，3D-VSP在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要遵循實(shí)用性、數(shù)據(jù)一致性、應(yīng)用可擴(kuò)展性、集成性、安全性、人機(jī)交互及較好三維表現(xiàn)力等原則。其中，實(shí)用性要求3D-VSP能夠滿足不同水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)際需求，通過(guò)組件式開(kāi)發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用功能模塊的單獨(dú)開(kāi)發(fā)，為多用戶協(xié)同開(kāi)發(fā)提供便利。數(shù)據(jù)一致性要求3D-VSP應(yīng)盡量采用國(guó)際上通用規(guī)范，國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文中采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)包括：OpenGIS協(xié)會(huì)(Open Geospatial Consortium，OGC)和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)等，避免由于采納規(guī)范的不一致造成業(yè)務(wù)應(yīng)用的不兼容等問(wèn)題。集成包括水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用的集成和技術(shù)上的集成兩個(gè)方面，前者是對(duì)水資源監(jiān)控涉及的大量數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)應(yīng)用在3D-VSP上的集成，后者是指3D-VSP采用的組件，開(kāi)發(fā)采用的技術(shù)以及運(yùn)行所需要的環(huán)境應(yīng)該是現(xiàn)代信息技術(shù)的集成。安全性包括：數(shù)據(jù)安全、業(yè)務(wù)應(yīng)用安全以及版權(quán)安全等內(nèi)容。此外，傳統(tǒng)的水資源業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)大多是對(duì)數(shù)據(jù)與應(yīng)用的網(wǎng)頁(yè)表現(xiàn)，3D-VSP基于Worldwind三維組件開(kāi)發(fā)模塊化應(yīng)用，具有較好的表現(xiàn)力，以數(shù)字地球的方式為用戶提供水資源監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)，界面友好，易于操作，人機(jī)交互，提供三維可視與空間分析服務(wù)。

1.33D-VSP體系結(jié)構(gòu)

按照1.2中3D-VSP的總體設(shè)計(jì)，本文提出了面向區(qū)域水資源監(jiān)控3D-VSP的數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和客戶層四層體系結(jié)構(gòu)：(1)數(shù)據(jù)層通過(guò)多源數(shù)據(jù)集成方案對(duì)Worldwind基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和區(qū)域水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合，其中，Worldwind數(shù)據(jù)主要包括航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)數(shù)字高程數(shù)據(jù)、區(qū)域紋理影像以及中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)數(shù)據(jù)等，采用瓦片金字塔技術(shù)和四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、組織和管理。區(qū)域水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩種，采用數(shù)據(jù)集成中間件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，經(jīng)處理后存入到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。區(qū)域空間地理信息采用網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)(Web Map Server，WMS)的方式在三維可視化仿真環(huán)境中集成，并和區(qū)域數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)和水資源監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)資源按照不同圖層的方式進(jìn)行加載與提供服務(wù)。(2)服務(wù)層是3D-VSP開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵部分以及重點(diǎn)開(kāi)發(fā)內(nèi)容，其中，3D-VSP組件應(yīng)用接口主要包括worldwindow接口、Globe接口和Layer接口，用于三維可視化仿真環(huán)境的搭建；Web應(yīng)用服務(wù)器包括支持區(qū)域空間地理信息的GeoServer服務(wù)區(qū)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)布的Tomcat服務(wù)器；所采用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化互操作標(biāo)準(zhǔn)主要包括XML、WMS和KML等，以及預(yù)警監(jiān)視、管理考核和應(yīng)急管理等區(qū)域水資源監(jiān)控應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型等。(3)應(yīng)用層主要由3D-VSP基本應(yīng)用、3D-VSP地圖服務(wù)、水資源信息服務(wù)、水資源監(jiān)視模擬和水資源管理考核等五大功能模塊組成，每個(gè)功能模塊又包括若干個(gè)具體的水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如，水資源信息服務(wù)包括：用水信息服務(wù)、工情信息服務(wù)和供用水信息服務(wù)等，水資源監(jiān)視模擬服務(wù)包括水功能區(qū)監(jiān)視、水源地監(jiān)視、地下水監(jiān)視、水污染模擬和警報(bào)服務(wù)等，水資源管理考核則主要包括用水總量考核、工業(yè)用水考核、農(nóng)業(yè)用水考核和水功能區(qū)納污考核等內(nèi)容。(4)客戶層相當(dāng)于開(kāi)發(fā)流程中的用戶界面集成，處于3D-VSP的最上層，本文主要基于Worldwind三維客戶瀏覽器為不同的區(qū)域水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用提供人機(jī)交互和三維可視化仿真環(huán)境。

2　三維可視化仿真平臺(tái)(3D-VSP)開(kāi)發(fā)

2.1基礎(chǔ)平臺(tái)組件式開(kāi)發(fā)

采用組件式軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)3D-VSP進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)中“高內(nèi)聚、低耦合”的要求，根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)，文中采用數(shù)字地球Worldwind組件作為3D-VSP的基礎(chǔ)平臺(tái)，目前該組件已經(jīng)在多個(gè)文獻(xiàn)中得到應(yīng)用[9-11]。該組件由美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)組織發(fā)布的開(kāi)發(fā)源代碼項(xiàng)目，目前提供.Net和Java兩種版本，考慮到計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的平臺(tái)無(wú)關(guān)性，文中采用Java技術(shù)開(kāi)發(fā)的WorldWind Java SDK 2.0版本作為底層組件。該基礎(chǔ)組件主要由三維可視化球體模型、圖層管理器、視圖加載器、配置文件機(jī)制、事件觸發(fā)和監(jiān)聽(tīng)等模型構(gòu)成，在基礎(chǔ)組件之上開(kāi)發(fā)面向區(qū)域水資源監(jiān)控的業(yè)務(wù)應(yīng)用，通過(guò)組件內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)海量地形和地理數(shù)據(jù)的集成，通過(guò)金字塔結(jié)構(gòu)的球體模型搭建基礎(chǔ)數(shù)字地球，采用圖層管理器和視圖加載器實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用組件在數(shù)字地球上的加載，通過(guò)事件觸發(fā)和監(jiān)聽(tīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)圖層和視圖的管理與人機(jī)交互，為用戶提供可視化效果好，易于操作的環(huán)境。

2.2三維可視化場(chǎng)景建模

3D-VSP三維可視化場(chǎng)景需要海量的DEM、地形紋理和高清影像數(shù)據(jù)的支撐，文中采用瓦片金字塔模型對(duì)上述數(shù)據(jù)資源進(jìn)行劃分，采用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)將經(jīng)處理的海量瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，通過(guò)對(duì)海量瓦片數(shù)據(jù)的合理調(diào)度和組織便可構(gòu)建出數(shù)字地球三維可視化場(chǎng)景[9]。3D-VSP提供了兩種瓦片數(shù)據(jù)的加載機(jī)制，一種是平臺(tái)客戶端直接從服務(wù)器端的Tomcat中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)目錄中讀取瓦片數(shù)據(jù)，在數(shù)字地球上進(jìn)行加載和無(wú)縫拼接，另外一種是以本地化緩存的方式對(duì)瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，其中，前者存在數(shù)據(jù)速度受到網(wǎng)絡(luò)的限制，后者數(shù)據(jù)讀取很快，但是需要將瓦片數(shù)據(jù)事先根據(jù)指定的目錄結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)到本地化服務(wù)器中。在對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行瓦片化處理之后，按照四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)將瓦片存儲(chǔ)到服務(wù)器Tomcat指定的文件目錄，用戶通過(guò)界面進(jìn)行操作，3D-VSP在獲取用戶操作事件監(jiān)聽(tīng)之后發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，通過(guò)事先寫好的xml配置文件獲取用戶訪問(wèn)所在區(qū)域的范圍，根據(jù)范圍確定經(jīng)緯度值，根據(jù)經(jīng)緯度值和瓦片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)則實(shí)現(xiàn)所在區(qū)域和瓦片數(shù)據(jù)的匹配和精確定位，并將用戶請(qǐng)求的區(qū)域所在瓦片數(shù)據(jù)投影到數(shù)字地球球體模型相應(yīng)的經(jīng)緯格網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)不同分辨率和不同數(shù)據(jù)資源在數(shù)字地球球體模型中的無(wú)縫拼接，為用戶提供三維可視化研究區(qū)域場(chǎng)景。

2.3空間地理信息集成

遵循OGC規(guī)范，通過(guò)基于GeoServer的WebGIS將空間地理信息以WMS的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，并在3D-VSP上進(jìn)行集成。WebGIS客戶端根據(jù)WMS提供的GetCapabilities，GetMap及GetFeatureInfo三個(gè)操作協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)WMS[10]，在發(fā)送WMS請(qǐng)求之前，事先發(fā)送GetCapabilities操作獲取GeoServer中所能提供的地圖信息的地圖元數(shù)據(jù)描述XML屬性文檔，經(jīng)解析后發(fā)出GetMap請(qǐng)求，確認(rèn)地圖的經(jīng)緯度范圍，使用的空間參照系統(tǒng)，圖層的樣式，輸出的格式、大小和顏色等信息。WMS的GetMap操作能集成異構(gòu)服務(wù)器的地圖服務(wù)并創(chuàng)建個(gè)性化地圖，GeoServer服務(wù)器在獲取GetMap請(qǐng)求后，根據(jù)HTTP語(yǔ)句中的相關(guān)參數(shù)，生成相應(yīng)的地圖，采用OpenLayers進(jìn)行封裝后返回給客戶端[11]，并通過(guò)3D-VSP的WMS接口進(jìn)行集成。針對(duì)矢量地理信息，紙質(zhì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行數(shù)字化處理，CAD等矢量數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS轉(zhuǎn)換成GIS數(shù)據(jù)后進(jìn)行集成，對(duì)于不同來(lái)源或者不同比例尺的GIS數(shù)據(jù)，需要先進(jìn)行投影變換，使GIS數(shù)據(jù)與3D-VSP投影坐標(biāo)系一致后再進(jìn)行集成。

2.4JOGL技術(shù)

OpenGL是一種通用的三維圖形接口語(yǔ)言，包含一套核心函數(shù)庫(kù)和應(yīng)用函數(shù)庫(kù)，Java支持OpenGL(Java Bindings for OpenGL，JOGL)是與OpenGL API綁定并建立在OpenGL公共圖形接口基礎(chǔ)上的三維仿真技術(shù)，為采用Java開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序提供3D圖形硬件支持和擴(kuò)展的完整訪問(wèn)，并對(duì)Swing界面組件進(jìn)行集成。JOGL核心類方法包括GLDrawable，GLCanvas，GLJPanel，GLCapabilities及GLDrawableFactory共5個(gè)[12]。在3D-VSP業(yè)務(wù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，采用JOGL技術(shù)進(jìn)行可視化仿真，在三維可視化場(chǎng)景構(gòu)建，數(shù)據(jù)圖層的加載，水資源信息服務(wù)展示、預(yù)警圖標(biāo)的繪制，水資源管理考核分析，空間路徑繪制，水污染事件動(dòng)態(tài)運(yùn)移等功能中得到應(yīng)用。以圖標(biāo)的繪制為例，先得到圖標(biāo)的DoubleBuffer緩存，采用JOGL在3D-VSP上繪制不同形狀、顏色與大小的圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：

public static void drawBuffer(DrawContext dc, int glMode, DoubleBuffer verts) {

GL gl = dc.getGL();

gl.glPushClientAttrib(GL.GL_CLIENT_VERTEX_ARRAY_BIT);

gl.glEnableClientState(GL.GL_VERTEX_ARRAY);

gl.glVertexPointer(2, GL.GL_DOUBLE, 0, verts.rewind());

gl.glDrawArrays(glMode, 0, verts.limit() / 2);

gl.glPopClientAttrib();

}

方法中DrawContext是指三維可視化內(nèi)容接口，glMode 指GL模式，值0為GL_POINTS模式，1為GL_LINES模式，9為GL_POINTS模式，DoubleBuffer指數(shù)據(jù)的雙精度緩存，該方法執(zhí)行的前提是DrawContext和DoubleBuffer非空。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1研究區(qū)概況

陜西地處中國(guó)西部?jī)?nèi)陸腹地，地跨黃河、長(zhǎng)江兩大流域，全省水資源總量423.3億m3，南多北少，時(shí)空分布不均，旱澇災(zāi)害頻繁，局部災(zāi)害多發(fā)。全球氣候變化影響和城鎮(zhèn)化水平的加快，使得水資源短缺、水污染和水生態(tài)等問(wèn)題日益突出，直接制約全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。以實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度為契機(jī)，陜西省近年來(lái)通過(guò)嚴(yán)控用水總量，提高用水效率和嚴(yán)控入河湖排污等方式，優(yōu)化水資源監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，加強(qiáng)用水監(jiān)控，提高水資源預(yù)警和管理能力。

按照水利部關(guān)于《國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施方案(2012-2014)》的統(tǒng)一部署，陜西省結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況制定了陜西省技術(shù)方案，開(kāi)展水資源監(jiān)控管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)。當(dāng)前陜西省水資源監(jiān)控工作重點(diǎn)集中在取用水戶的監(jiān)測(cè)、水功能區(qū)的監(jiān)測(cè)、飲用水源地監(jiān)測(cè)等內(nèi)容上，前期以硬件的投入為主，先期已經(jīng)建成了覆蓋全省范圍的取用水戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)和雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)等應(yīng)用系統(tǒng)，建成各類防汛雨量監(jiān)測(cè)速報(bào)站400多個(gè)、水位和雨量遙測(cè)站130余處，可為水資源監(jiān)控和防汛工作提供重要數(shù)據(jù)資源。當(dāng)前，尚未涉及基于三維可視化仿真的區(qū)域水資源監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，結(jié)合上述背景，本文在前期研究基礎(chǔ)上，以陜西省水資源監(jiān)控為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)陜西省水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用，為陜西省水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施提供數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐。

3.23D-VSP應(yīng)用效果

結(jié)合陜西省水資源監(jiān)控建設(shè)現(xiàn)狀，本文將設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的3D-VSP應(yīng)用到陜西省水資源監(jiān)控中，為用戶提供三維可視化操作環(huán)境和地圖服務(wù)的基礎(chǔ)上，提供水資源信息服務(wù)、水資源監(jiān)視模擬和水資源管理考核等業(yè)務(wù)應(yīng)用，為陜西省水資源監(jiān)控提供三維可視化仿真平臺(tái)，為嚴(yán)格水資源管理服務(wù)，促進(jìn)陜西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)平穩(wěn)較快發(fā)展。下面以基于3D-VSP的陜西省水資源監(jiān)控信息服務(wù)、監(jiān)視模擬服務(wù)和嚴(yán)格水資源管理考核服務(wù)為例說(shuō)明3D-VSP的應(yīng)用效果。

圖1所示為基于3D-VSP開(kāi)發(fā)的陜西水資源監(jiān)控信息服務(wù)應(yīng)用實(shí)例，該服務(wù)為區(qū)域地理信息、基礎(chǔ)雨水情信息和工情信息提供信息集成、處理、分析和空間展示功能，其中工情信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)陜西省范圍內(nèi)泵站工程、水庫(kù)工程、水閘工程、水電站工程和機(jī)電井工程五大類工情信息的高效組織、管理和應(yīng)用。以機(jī)電井信息服務(wù)為例，用戶通過(guò)3D-VSP可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陜西省40809個(gè)機(jī)電井的信息進(jìn)行查詢、基礎(chǔ)信息和監(jiān)測(cè)信息的展示、以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線的繪制等功能，用戶可以按照“名稱”、“行政區(qū)劃”、“水資源區(qū)”、“編碼”、“所在河流”和“所在灌區(qū)”等查詢條件進(jìn)行查詢，點(diǎn)擊“基礎(chǔ)信息”和“監(jiān)測(cè)信息”按鈕可分別查詢指定測(cè)站的基礎(chǔ)信息和監(jiān)測(cè)信息。

圖1　基于3D-VSP的機(jī)電井信息服務(wù)Fig.1　Information service for electromechanical well based on 3D-VSP

圖2所示為基于3D-VSP的水資源監(jiān)視模擬服務(wù)應(yīng)用實(shí)例。水資源監(jiān)視模擬服務(wù)主要包括：水功能區(qū)監(jiān)視、水源地監(jiān)視、地下水監(jiān)視、水污染模擬和警報(bào)服務(wù)5類。其中前3類，用戶可以通過(guò)3D-VSP“查詢”界面按照“代碼”、“行政區(qū)劃名稱”、“所在流域”、“監(jiān)測(cè)單位”、“測(cè)站代碼”等個(gè)性化定制所需查詢的水功能區(qū)、水源地、地下水等。以水功能區(qū)監(jiān)視為例，鼠標(biāo)選中水功能區(qū)之后，點(diǎn)擊“基礎(chǔ)信息”可將水功能區(qū)的基礎(chǔ)信息進(jìn)行可視化仿真，包括：代碼、行政區(qū)劃、起止斷面、水質(zhì)目標(biāo)、監(jiān)控級(jí)別和實(shí)際水質(zhì)等，此外，還可以繪制各月水質(zhì)曲線、氨氮和COD濃度變化曲線等，如下圖所示?！熬瘓?bào)服務(wù)”實(shí)現(xiàn)對(duì)不同預(yù)警類型的警報(bào)服務(wù)，主要包括：降雨量超警戒、河道超汛限水位、含沙量超警戒等，用戶點(diǎn)擊“預(yù)警顯示”，則3D-VSP從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取所有超過(guò)閾值的測(cè)站，并根據(jù)該測(cè)站的空間位置提供“紅色警報(bào)”服務(wù)[9]。水污染模擬服務(wù)則針對(duì)突發(fā)水污染事件，基于3D-VSP對(duì)水污染事件進(jìn)行可視化模擬，按照事件、方案和污染物步驟進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)性水污染事件的監(jiān)視模擬[13]。

圖2　基于3D-VSP的水功能區(qū)監(jiān)視服務(wù)Fig.2　Monitoring service for water function zone based on 3D-VSP

圖3所示為基于3D-VSP的嚴(yán)格水資源管理考核應(yīng)用實(shí)例。

將數(shù)據(jù)采集端采集的區(qū)域供用水信息通過(guò)3D-VSP的數(shù)據(jù)集成中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，存儲(chǔ)到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)“陜西省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法”制定的“三條紅線(包括：水資源開(kāi)發(fā)利用控制紅線、用水效率控制紅線和水功能區(qū)限制納污紅線)、六項(xiàng)指標(biāo)”和打分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)省、市、縣三級(jí)行政區(qū)分別進(jìn)行考核，并根據(jù)考核結(jié)果在3D-VSP上進(jìn)行紅、黃、藍(lán)展示。以水功能區(qū)納污紅線考核為例，在3D-VSP中選擇區(qū)域，再選擇時(shí)間，平臺(tái)調(diào)用底層的水功能區(qū)紅線考核計(jì)算方法和計(jì)算組件，計(jì)算得到考核結(jié)果，其中區(qū)域考核根據(jù)達(dá)標(biāo)數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)計(jì)算達(dá)標(biāo)率，水功能區(qū)考核根據(jù)水質(zhì)目標(biāo)和實(shí)際水質(zhì)計(jì)算是否達(dá)標(biāo)，最終在3D-VSP上將考核結(jié)果進(jìn)行可視化仿真。

圖3　基于3D-VSP的水功能區(qū)考核服務(wù)Fig.3　Assessment service for water function zone based on 3D-VSP

4　結(jié)　論

本文針對(duì)當(dāng)前區(qū)域水資源監(jiān)控中普遍存在的數(shù)據(jù)共享性差、應(yīng)用單一以及三維表現(xiàn)力不足問(wèn)題，在三維地理信息系統(tǒng)Worldwind組件上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了3D-VSP，并以陜西省水資源監(jiān)控為例開(kāi)展實(shí)例應(yīng)用，結(jié)果表明：基于3D-VSP開(kāi)發(fā)的水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用具有可擴(kuò)展性、較好三維表現(xiàn)力等特點(diǎn)，以組件的方式實(shí)現(xiàn)不同水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用在3D-VSP上的集成，一定程度上避免了由于不同水資源監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)的異構(gòu)和重復(fù)建設(shè)問(wèn)題，為嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施與考核提供技術(shù)支撐，促進(jìn)水利信息化建設(shè)和區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展，具有較好應(yīng)用前景。

3D-VSP采用三維地理信息系統(tǒng)Worldwind組件作為基礎(chǔ)平臺(tái)，由于Worldwind的開(kāi)源性使得底層組件源碼時(shí)刻都在更新，因此后期考慮在WorldWind提供的數(shù)字地球建?；A(chǔ)上進(jìn)行組件的自主研發(fā)。當(dāng)前3D-VSP基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)大多來(lái)自于開(kāi)源社區(qū)，鑒于安全性考慮，后期將根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，采用高清影像作為基本數(shù)據(jù)源，通過(guò)網(wǎng)格計(jì)算實(shí)現(xiàn)三維可視化場(chǎng)景構(gòu)建所需海量數(shù)據(jù)的高效組織與管理。

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(責(zé)任編輯楊小麗)

Research on thethree dimension visualization simulation platform for regional water resources monitoring

CHAI Li, XIE Jiancang, JIANG Rengui, LIU Jianlong, YU Xiang

(State Key Laboratory Base of Eco-hydrologic Engineering in Northwest in the Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048，China)

Aiming at the problems including difficulty in basic data sharing, single application and poor three-dimension expression existing in current water resources monitoring application, the paper designs a three-dimension visualization simulation platform (3D-VSP) based on 3DGIS named World Wind component, to provide decision support service for water resources monitoring. The framework of the 3D-VSP is proposed, with key technologies including component development, three dimension visual modeling, integration of geographic information, and visualization simulation of 3D-VSP used to develop the 3D-VSP. Taking Shaanxi province as research area, the paper develops the business applications including information service, water resources monitoring and simulation, strict water resource management and assessment on supporting the water resources monitoring. Result shows that the 3D-VSP has the advantages of good expandability and three-dimension expression, which could implement integration of mass data and provide 3D visualization simulation operation environment and decision support applications for regional water resources monitoring, indicating the advantages of better expandable, three-dimensional visualization and human-computer interaction.

water resources monitoring; three-dimension visualization simulation platform (3D-VSP); component-based development; business application; Shaanxi Province

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.004

2016-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51509201, 51479160, 41471451); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016M590964); 陜西省教育廳科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(15JK1503)

柴立，男，博士生，研究方向?yàn)榄h(huán)境資源與水利信息化。E-mail: 409537165@qq.com

姜仁貴，男，講師，博士，研究方向?yàn)樗畔⒒?。E-mail: jrengui@163.com

TP391.9

A

1006-4710(2016)03-0271-07