李燕敏，賀凱盈，程 娜，任英橋，田正華

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院,陜西 渭南 714099； 2. 中國科學院 上海天文臺，上海 200000)

0 前 言

小浪底水利樞紐工程是位于黃河干流上一座集防洪減淤、泄洪排沙、供水發(fā)電等任務的綜合性水利工程。由于該水利工程關系到對黃河的有效治理和黃河下游無數(shù)人民群眾生命財產(chǎn)安全，因此建立一個能夠科學、高效管理庫區(qū)各項事務的系統(tǒng)顯得尤為重要了。本文通過從系統(tǒng)的構架、數(shù)據(jù)庫的建設和系統(tǒng)功能的設計與開發(fā)方面對如何建立庫區(qū)管理系統(tǒng)做了深入的研究和探討。應用實踐表明，該系統(tǒng)在小浪底水利樞紐庫區(qū)的應用極大了提高了管理水平和大壩的實時安全監(jiān)測效能，為小浪底水利樞紐工程完成集庫區(qū)綜合治理，水資源統(tǒng)一調度，地質災害調查，大壩安全監(jiān)測和風險分析，樞紐區(qū)環(huán)境規(guī)劃等方面任務發(fā)揮了十分顯著的作用。

1 工程概況

黃河小浪底水利樞紐位于黃河中游豫、晉兩省交界處，位于河南省洛陽市孟津縣小浪底，在洛陽市以北黃河中游最后一段峽谷的出口處，南距洛陽市40 km，上距三門峽壩址130 km，下距鄭州花園口128 km。

小浪底水利樞紐是一座大型綜合利用的水利樞紐。小浪底水庫北依王屋、太行二山，南抵崤山余脈，西起平陸縣杜家莊，東至濟源市(原濟源縣)大峪河。南北最寬處約72 km，東西長93.6 km。正常蓄水位時淹沒影響面積277.8 km2，施工區(qū)占地23.33 km2。工程主要建筑物由主壩、泄洪排沙系統(tǒng)和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，主壩為壤土斜心墻堆石壩，最大壩高160 m，壩頂長1 667 m；泄洪排沙系統(tǒng)包括進水塔，3條直徑為14.5 m的孔板消能泄洪洞，3條斷面尺寸為(10.0 m～10.5 m)×(11.5 m～13.0 m)的明流泄洪洞，3條直徑為6.5 m的排沙洞，一條溢洪道和一座兩級消能消力塘；引水發(fā)電系統(tǒng)包括6條直徑為7.8 m的引水發(fā)電洞，一座長251.5 m、跨度26.2 m、最大開挖高度61.4 m、裝機容量為6×300 MW的地下廠房，一座主變室，一座尾水閘門室和3條斷面為12.0 m×19.0 m的尾水洞，一座6孔防淤閘，一座228.5 m×153.0 m的220 kV地面式開關站。

本項目的建設是在已有庫壩區(qū)航空攝影測量影像成果等基礎地理信息基礎上，補充獲取樞紐管理區(qū)重點部位的三維空間信息和背景區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像和數(shù)字高程模型，建設以庫區(qū)土地管理、庫區(qū)水體管理、庫區(qū)滑坡體管理、庫區(qū)泥沙淤積分析、水庫周邊地震信息管理和大壩安全監(jiān)測信息三維展示為核心業(yè)務的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；基于“3S”集成的理論和技術，充分利用三維可視化技術，結合虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡通訊和數(shù)據(jù)庫等現(xiàn)代高新技術，構建三維地理信息基礎平臺，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的集成和管理。在二、三維交互式數(shù)字地圖環(huán)境中直觀地展現(xiàn)全區(qū)地形、地貌、水系、道路等基礎信息，滿足小浪底水利樞紐運行管理及庫區(qū)管理需求。增設管網(wǎng)信息系統(tǒng)，為樞紐運行管理、維護維修、后續(xù)施工等提供指導，并集成大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)信息管理方式由二維向三維提升，為打造國內一流的三維地理信息綜合平臺、初步實現(xiàn)數(shù)字小浪底奠定基礎。

2 系統(tǒng)設計思路

基于實用性、先進性原則，穩(wěn)定性、可靠性原則，標準化、規(guī)范化原則，易用性原則，開放性和可擴展性原則，安全性原則，根據(jù)系統(tǒng)建設的選用的平臺、庫區(qū)管理的業(yè)務內容、大壩安全監(jiān)測成果的三維可視化展示[1]，需要保證較好的圖形交互，和一定的響應速度，以及系統(tǒng)平臺安全性、穩(wěn)定性綜合考慮，因此采用成熟的三層C/S結構開發(fā)本系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫層/平臺及服務層/應用層的三層結構。

平臺軟件是系統(tǒng)的基礎[2-3]。本方案設計二維GIS平臺采用了國內外公認的最先進的ESRI ArcGIS。ArcGIS的先進性、開放性和標準性，保證了基于其所構建的應用系統(tǒng)的技術先進、標準開放和可持續(xù)發(fā)展。其優(yōu)勢在于海量數(shù)據(jù)的管理，多用戶支持；提供開放的數(shù)據(jù)訪問；支持復雜空間數(shù)據(jù)提取和分析，支持面向對象的數(shù)據(jù)模型(GeodataBase)。支持緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑事件分析等；對多種數(shù)據(jù)類型的互操作支持。

庫區(qū)管理的三維可視化平臺選用的Skyline平臺是一套完整的三維空間數(shù)據(jù)交互式可視化解決方案平臺，憑借其國際領先的大場景三維數(shù)據(jù)組織算法和三維顯示技術，成為了在國內引進的三維可視化GIS平臺領域表現(xiàn)最突出的代表[4]。

大壩安全監(jiān)測的三維可視化平臺，采用擁有自主知識產(chǎn)權的VR-DAM進行開發(fā)，該平臺擁有高速3D引擎，能對海量空間數(shù)據(jù)進行管理，進行精密的三維空間查詢、分析和運算，已成為水利行業(yè)目前最為優(yōu)秀的三維GIS軟件平臺之一。

其中數(shù)據(jù)庫層負責完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的組織和集成建庫；平臺及服務層的基礎是GIS平臺、三維可視化平臺[5]，平臺服務層需要提供基本的數(shù)據(jù)服務和共用服務(組件)，如地圖數(shù)據(jù)服務、三維瀏覽與表現(xiàn)服務和基本空間分析服務；應用層包括庫區(qū)管理應用和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)集成以及用戶交互及操作界面，系統(tǒng)基于這些平臺及服務組件完成其專業(yè)展示和分析計算，提供信息化處理應用的操作界面，并實現(xiàn)各專業(yè)模塊的功能需求[6]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件體系結構

3 系統(tǒng)功能的開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件平臺

系統(tǒng)運行必需的平臺軟件，包括操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫、GIS平臺、三維可視化平臺[7]。

1)操作系統(tǒng)。服務器端推薦選用Windows 2008 Server作為操作系統(tǒng)?？蛻舳耸褂肳indows7以上主流操作系統(tǒng)；

2)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)平臺。數(shù)據(jù)庫平臺選型需要綜合考慮海量空間數(shù)據(jù)存儲管理要求[8]，以及對安全性、穩(wěn)定性、兼容性等要求，擬選用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫；

3)GIS平臺。綜合考慮對空間信息技術應用需求，擬選用ESRI公司的 ArcGIS系列軟件作為GIS平臺；

本法所稱集體商標，是指以團體、協(xié)會或者其他組織名義注冊，供該組織成員在商事活動中使用，以表明使用者在該組織中的成員資格的標志。

4)三維可視化平臺?？紤]到平臺既要滿足庫區(qū)管理中規(guī)劃成果的可視化、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析方面的需求，同時充分考慮所選平臺適應性、可擴展性，二次開發(fā)和集成能力，數(shù)據(jù)接口開放等要求，主要三維可視化平臺選用Skyline。

3.2 庫區(qū)管理應用和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)集成

3.2.1 庫區(qū)管理應用模塊功能設計與實現(xiàn)

1)庫區(qū)管理應用模塊功能設計

庫區(qū)管理應用包含的模塊主要有：庫區(qū)土地管理、庫區(qū)水體管理、庫周地震信息管理、庫區(qū)水情沙情信息管理(含庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)展示)、文檔資料管理及用戶管理等。庫區(qū)土地管理模塊實現(xiàn)的主要功能有岸線功能分區(qū)及屬性信息錄入、指定水位淹沒范圍顯示、以縣為單位淹沒面積統(tǒng)計、違章建筑信息錄入和查詢、輔助庫區(qū)土地利用規(guī)劃。庫區(qū)水體管理模塊實現(xiàn)的主要功能有養(yǎng)殖區(qū)信息的錄入、輔助養(yǎng)殖規(guī)劃、排污口基本信息入庫。庫區(qū)地震信息監(jiān)測管理模塊實現(xiàn)的主要功能有微震臺網(wǎng)在三維地圖中的展示、強震臺網(wǎng)在三維地圖中的展示、地震監(jiān)測信息批量導入、地震目錄數(shù)據(jù)的查詢、設置條件對地震進行篩選顯示。庫區(qū)周圍泥沙觀測信息管理實現(xiàn)的主要功能有泥沙觀測斷面展示、泥沙觀測信息批量導入、指定斷面、某次觀測時泥沙含量等觀測信息曲線圖繪制、泥沙斷面監(jiān)測成果圖及報表輸出。輔助分析決策模塊實現(xiàn)的功能主要有庫容計算、量算分析、地形剖面繪制、坡度分析、緩沖區(qū)分析、圖屬互查。

2)庫區(qū)管理應用部分功能展示

系統(tǒng)彈出界面，用戶輸入淹沒水位，并指定某個行政區(qū)域(縣)，系統(tǒng)在三維場景中以表面填充的形式顯示該行政區(qū)域內的淹沒范圍，計算相應該行政區(qū)域內的淹沒土地面積，最終以統(tǒng)計表格形式輸出。

通過進行斷面基本設置，選定測次名稱和進行斷面定位，即可在統(tǒng)計圖窗口顯示河流的斷面圖。

3.2.2 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)集成模塊設計與實現(xiàn)

1)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)集成模塊功能設計

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)集成基于三維GIS、數(shù)據(jù)庫等高新技術，結合水利工程及大壩安全監(jiān)測專業(yè)知識設計完成。它將庫區(qū)實景，樞紐結構及安全監(jiān)測信息相結合，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測信息的實時、動態(tài)和直觀展示。該系統(tǒng)集成包含的模塊為二維信息的輸出、三維成果展示和文檔管理。二維信息輸出模塊實現(xiàn)的主要功能包括信息查詢、圖表輸出、檢驗分析；三維成果展示模塊主要功能展示重要水工建筑物(如大壩、主廠房、廊道、泄洪洞等)和重要測點的三維模型，對測點信息進行查詢和分析；文檔管理模塊實現(xiàn)的功能主要是各類文檔資料的入庫、查詢、修改、復制、預覽等。

2)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)集成部分功能展示

條件查詢。用戶成功登陸并且連接數(shù)據(jù)庫，輸入查詢條件(工程部位、監(jiān)測類型、儀器類型、測點編號、開始時間、結束時間等)，顯示并以特定格式導出查詢結果。

圖2～3為空間查詢部分的相關效果圖。

圖2 空間點擊查詢

圖3 查詢過程線圖

室內外一體化漫游與信息查詢?；诮ㄖ锸覂冉Y構，對室內漫游建筑物進行空間剖分，建立起室內多細節(jié)實體層次關系，同時在室內數(shù)據(jù)有效管理基礎上，采用動態(tài)的建筑物室內外交互可視化技術，實現(xiàn)地上地下、室內外三維表達與漫游的有機整合。

在三維環(huán)境下，完成各項量算操作，為三維數(shù)字展示、輔助分析與管理提供基礎。提供的量算功能有：高度量算、距離量算、角度量算、面積量算、坐標查詢、地表距離、地表面積，為基于小浪底的三維數(shù)字展示、輔助分析和管理提供基礎的技術支撐。

監(jiān)測展示分析。該功能可以更主觀地展示大壩斷面內部滲壓計等水位線的三維分布，以及主壩防滲體系上游、心墻內部、下游三個縱斷面滲壓計測值水頭的三維分布圖。

4 結 語

小浪底工程庫區(qū)及樞紐區(qū)管理三維地理信息系統(tǒng)開發(fā)項目充分利用三維可視化技術，結合虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡通訊和高性能計算機技術等現(xiàn)代高新技術，在構建三維地理信息基礎平臺的基礎上，開發(fā)了小浪底庫區(qū)管理系統(tǒng)及小浪底大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在小浪底水利樞紐工程庫區(qū)進行了測試應用，其穩(wěn)定性、可靠性以及可擴展性方面都達到了設計的要求，為小浪底工程的科學管理和分析決策提供了一個良好的技術平臺，使得庫區(qū)的管理以及決策走向自動化和網(wǎng)絡化。