淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)框架與方法研究

彭順風(fēng) 李鳳生 黃 云

（淮河水利委員會水文局 蚌埠 233001）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，淮河流域洪澇、水資源短缺、水體污染、水土流失等涉水問題愈加突出，而這些問題又是相互聯(lián)系、相互影響的。如果僅對某一地區(qū)某一問題采取措施，可能影響其他問題的解決。例如在淮北地區(qū)平原河道建閘蓄水，解決了局部的水資源短缺問題，卻降低了水體的自凈能力；對于行洪河道裁彎取直和堤防退建，加快了洪水的下泄速度，卻增加了下游的防洪壓力。因此，需要從全面、系統(tǒng)、流域整體的角度出發(fā)，綜合考慮各種問題之間的有機(jī)聯(lián)系，實現(xiàn)對流域的綜合管理，才能更好地解決問題。而基于流域基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、時間序列數(shù)據(jù)和水利專業(yè)數(shù)學(xué)模型的數(shù)字化系統(tǒng)，是實現(xiàn)流域綜合管理的有效手段。因此，近幾年來關(guān)于流域管理數(shù)字化的研究進(jìn)展迅速，成果豐富，應(yīng)用效果顯著。然而，由于沒有形成公認(rèn)的概念、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)框架、邊界范圍等約束條件，導(dǎo)致研究成果不能共享。為了保證淮河流域數(shù)字化建設(shè)成果能在各種流域管理業(yè)務(wù)之間高度共享，本文研究了流域管理數(shù)字化及其系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)框架和關(guān)鍵方法，為系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支持。

2 概念與系統(tǒng)框架

流域管理數(shù)字化是指基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、水利專業(yè)方法和模型等技術(shù)，量化流域防洪抗旱、水資源保護(hù)與開發(fā)利用、水土保持等涉水業(yè)務(wù)管理的對象和管理行為，實現(xiàn)流域綜合管理目標(biāo)的管理活動和方法。而利用淮河流域數(shù)據(jù)資源（包括基礎(chǔ)地理、遙感、專題電子地圖等空間數(shù)據(jù)資源，以及防洪工程、歷史水文、實時水情等水利數(shù)據(jù)資源）和計算機(jī)軟、硬件資源，建設(shè)具有決策支持功能的計算機(jī)系統(tǒng)，即為淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)。為了便于系統(tǒng)建設(shè)過程中多專業(yè)分工合作、系統(tǒng)集成應(yīng)用與成果共享，本文提出了四層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框架，自下向上分別為多源數(shù)據(jù)融合體系、數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺、水利專業(yè)模型系統(tǒng)和流域管理決策支持系統(tǒng)?；春恿饔蚬芾頂?shù)字化系統(tǒng)框架如圖1所示。

框架最底層的多源數(shù)據(jù)融合體系是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。所謂多源數(shù)據(jù)融合，就是在國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的約束下，對流域空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化加工整理，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與關(guān)系型水利數(shù)據(jù)的集成，使之能協(xié)同使用。數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺是數(shù)據(jù)、用戶、各種應(yīng)用聯(lián)系的紐帶，是一個綜合的數(shù)據(jù)管理和可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)多源、異質(zhì)、異構(gòu)、異地數(shù)據(jù)的組織管理和查詢分析應(yīng)用，為用戶提供全面的服務(wù)接口，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。水利專業(yè)模型體系是整個系統(tǒng)的核心，用于定時、定點、定量地描述流域的水循環(huán)過程，模擬各種管理方法的效果，從而為決策者提供定量的參考依據(jù)。最頂層的流域管理決策支持系統(tǒng)用于完成水利專業(yè)模型計算結(jié)果的評價和調(diào)整。決策者在專家經(jīng)驗和專家系統(tǒng)的支持下，對模型的結(jié)果進(jìn)行會商、判斷，最后做出決策，從而發(fā)揮整個系統(tǒng)的決策支持作用。四層框架在標(biāo)準(zhǔn)化體系和安全體系的保障和約束下分別研究和建設(shè)，以保證整個體系協(xié)同工作，互為支撐，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享、軟件組件重用、設(shè)施設(shè)備共用。

3 關(guān)鍵方法

3.1 多源數(shù)據(jù)融合方法

淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)面對的數(shù)據(jù)是十分復(fù)雜的，如存儲于多種存儲介質(zhì)的地形圖、遙感影像圖、水文氣象觀測資料、水利工程特征數(shù)據(jù)和運(yùn)行管理過程記錄數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和管理單位、空間參考系、存儲介質(zhì)、數(shù)據(jù)格式、存儲位置千差萬別，這就需要通過多源數(shù)據(jù)融合方法，實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化整理。多源數(shù)據(jù)融合方法主要包括以下4個方面內(nèi)容：

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)體系制定與選用方法

目前有大量的關(guān)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。為了保證整理后數(shù)據(jù)的一致性、準(zhǔn)確性和協(xié)同性，必須制定一個標(biāo)準(zhǔn)體系，明確各種標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行順序。根據(jù)科學(xué)性、實用性和可擴(kuò)充性原則，分別以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)層級、專業(yè)門類、實施時間為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的層級劃分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、單位規(guī)定、慣例；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)門類劃分為水利、GIS、測繪、遙感4個專業(yè)門類；按照標(biāo)準(zhǔn)實施的時間劃分為新標(biāo)準(zhǔn)和老標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先執(zhí)行。在多個標(biāo)準(zhǔn)同時可用的情況下，首先選擇高層級的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；對于處于同一層級的多個標(biāo)準(zhǔn)，為了保證空間數(shù)據(jù)與目前已有的關(guān)系型水利數(shù)據(jù)的融合，優(yōu)先執(zhí)行水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了發(fā)揮數(shù)據(jù)的空間分析能力，GIS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行順序優(yōu)先于測繪和遙感方面的標(biāo)準(zhǔn)。這就保證了不同人員、不同時期整理數(shù)據(jù)的一致性、協(xié)同性，也使得數(shù)據(jù)加工整理工作容易分工合作和集成。

3.1.2 數(shù)據(jù)指標(biāo)體系制定方法

數(shù)據(jù)整理是一個長期的、多方合作的過程，為了保證數(shù)據(jù)內(nèi)容一致，便于集成，需要研究和規(guī)定數(shù)據(jù)的指標(biāo)體系，即規(guī)定每一類數(shù)據(jù)所包含指標(biāo)的詳細(xì)列表，規(guī)定每個指標(biāo)的空間要素類型、屬性項數(shù)據(jù)類型、與其他空間要素的拓?fù)潢P(guān)系、數(shù)據(jù)長度、填寫規(guī)則等。這樣就可以保證不同人員、不同時期整理的多源數(shù)據(jù)能夠集成在一起，相互補(bǔ)充，協(xié)同使用。

3.1.3 圖形要素整理方法

需要根據(jù)淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)面對的海量大比例尺原始地形圖的實際情況，制定詳細(xì)的數(shù)據(jù)整理規(guī)則和流程，以保證多源數(shù)據(jù)整理成果的一致性。主要規(guī)則包括：數(shù)據(jù)的空間參考系采用1980西安坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)；地圖投影采用高斯—克里格3°分帶投影；數(shù)據(jù)分幅編號依據(jù)《國家基本比例尺地形圖分幅和編號》（GB/T 13989-92）；圖形要素分類與編碼依據(jù)《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》（GB/T13923-2006）；成果數(shù)據(jù)中不保留注記數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到圖形要素屬性中；成果數(shù)據(jù)中，不再保留可符號化表達(dá)的數(shù)據(jù)（如示坡線等），該數(shù)據(jù)在GIS中通過專門符號來表達(dá)；刪除圖廓整飾內(nèi)容，其信息保存到元數(shù)據(jù)庫中，例如原始數(shù)據(jù)圖幅編號、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)單位、坐標(biāo)系統(tǒng)、投影系統(tǒng)等內(nèi)容；點、線、面等圖形要素整理成果符合GIS、測繪方面的標(biāo)準(zhǔn)要求；數(shù)據(jù)根據(jù)淮委制定的《淮河流域數(shù)字地形圖圖層分層暫行規(guī)定》進(jìn)行分類分層。

3.1.4 關(guān)系型水利數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)方法

通過水利工程代碼與圖形要素代碼相統(tǒng)一的方法，實現(xiàn)二者關(guān)聯(lián)。對于沒有圖形要素相對應(yīng)的水利數(shù)據(jù)，參考電子地圖、高精度遙感影像等相關(guān)資料，創(chuàng)建相應(yīng)圖形要素，并賦給相應(yīng)水利工程的代碼，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺建設(shè)方法

淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)種類多、異構(gòu)系統(tǒng)多、應(yīng)用需求多、元數(shù)據(jù)不全，數(shù)據(jù)物理位置分散，為了保證數(shù)據(jù)的安全存儲，便于數(shù)據(jù)的管理、展示、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及多用戶并發(fā)訪問，需要建設(shè)數(shù)據(jù)服務(wù)管理服務(wù)平臺以滿足應(yīng)用需求。這里提出了基于通用軟件的平臺建設(shè)方法，數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺技術(shù)框架如圖2所示。即選用當(dāng)前主流的通用數(shù)據(jù)庫管理軟件、GIS軟件、中間件為開發(fā)平臺，以當(dāng)前主流開發(fā)技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)。整個平臺自下而上分為數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層三部分，數(shù)據(jù)層主要考慮流域綜合管理業(yè)務(wù)公共數(shù)據(jù)的存儲、管理、更新和服務(wù)。因為淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)需要訪問多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如Oracle、SQL-Server、Sybase等，這些數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、組織模型多種多樣，而且處在發(fā)展變化過程中。為了集成這些數(shù)據(jù)，該平臺設(shè)置了中間層，提供了以ADO.NET作為數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用程序的開發(fā)軟件，實現(xiàn)應(yīng)用層對數(shù)據(jù)層的透明訪問，保證了平臺的通用性、可伸縮性和穩(wěn)定性。應(yīng)用層主要基于ArcGIS Engine平臺，開發(fā)系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)抽取、元數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)操縱功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合管理；基于ArcGIS Server和Skyline TerraGate Suite開發(fā)平臺分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行二維、三維發(fā)布和服務(wù)。

3.3 水利專業(yè)模型建設(shè)方法

為流域綜合管理決策提供支持是流域管理數(shù)字化系統(tǒng)的主要目標(biāo)。決策支持系統(tǒng)的核心是水利專業(yè)模型的建設(shè)，例如在防洪減災(zāi)方面，需要建設(shè)的洪澇災(zāi)情評估模型、流域洪水預(yù)報模型、河道與行蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)模型等。目前，淮河流域管理業(yè)務(wù)還是以概念性模型和方法為主要手段，如流域洪水預(yù)報使用的降雨徑流相關(guān)圖、單元河道馬斯京根法、新安江模型等。這些模型方法計算機(jī)化后，在實際工作中發(fā)揮了不可替代的作用。然而，這些模型方法的局限性是很明顯的。首先，這些模型方法都是基于歷史洪水觀測過程分析出來的結(jié)果，其中間過程不清楚，一旦下墊面條件改變了，原來的成果就失去了再使用的基礎(chǔ)。其次，經(jīng)驗性的模型方法應(yīng)用效果依賴于人的經(jīng)驗，而經(jīng)驗很難傳承。第三，集總式的計算結(jié)果不能滿足局部水利工程調(diào)度運(yùn)用需求。因此，需要基于流域水循環(huán)的機(jī)理，根據(jù)下墊面條件和水文氣象條件，建設(shè)數(shù)字化的流域模型體系。建設(shè)流域水文模型，首先要從數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺提取研究流域的地形、土壤類型、植被類型、土地利用等空間數(shù)據(jù)，據(jù)此數(shù)據(jù)先把研究流域劃分為一系列子流域；再根據(jù)產(chǎn)流規(guī)律基本相同原則，把各子流域劃分為許多水文響應(yīng)單元，對于每個單元應(yīng)用水動力學(xué)方程，依據(jù)上下游關(guān)系把這些單元依次連接集成為更大的區(qū)域直至整個計算區(qū)域，再在正確的位置嵌入水利工程，這樣就構(gòu)建了數(shù)字化分布式水文模型。上述建模過程可以通過通用流域水文數(shù)值模型軟件與規(guī)范化的時空數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方法快速完成。同樣，對于河道和行蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)模型、污染物運(yùn)移模型、土壤侵蝕模型、災(zāi)情評估模型等，都可采用類似的方法構(gòu)建。利用該方法，在淮河流域管理數(shù)字化系統(tǒng)中，已經(jīng)構(gòu)建了史灌河子流域水文模型、中游地區(qū)河道與行蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)模型、洪澇災(zāi)情評估模型，在實際的流域天然水資源過程模擬、洪水調(diào)度預(yù)案效果模擬、實時洪澇災(zāi)情評估工作中發(fā)揮了技術(shù)支撐作用。

4 結(jié)論

通過對淮河流域管理數(shù)字化概念、系統(tǒng)框架和其中關(guān)鍵方法的研究，明確了系統(tǒng)的服務(wù)目標(biāo)、主要功能、技術(shù)框架、邊界范圍和技術(shù)路線，清晰地劃分了系統(tǒng)的建設(shè)模塊，使得系統(tǒng)建設(shè)可以分步建設(shè)、循序漸進(jìn)、邊建設(shè)邊應(yīng)用?；春恿饔驍?shù)字化系統(tǒng)據(jù)此實現(xiàn)了來源眾多、不同標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、數(shù)字遙感數(shù)據(jù)、關(guān)系型水利數(shù)據(jù)的融合，使得數(shù)據(jù)之間能互相補(bǔ)充、協(xié)調(diào)使用；初步建成了數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺，實現(xiàn)了對異地、異構(gòu)、異系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的綜合查詢分析和統(tǒng)一服務(wù)，具備了空間數(shù)據(jù)管理維護(hù)更新能力；典型地區(qū)流域水文模型、水動力學(xué)模型、實時災(zāi)情評估模型等專業(yè)數(shù)值模型的構(gòu)建和應(yīng)用，為流域綜合管理決策提供了支撐作用。然而，流域綜合管理的需求是復(fù)雜的，且隨著流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展而發(fā)展，流域管理需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也是海量的，且處在加速增長的過程中，因此，流域管理數(shù)字化系統(tǒng)的研究和建設(shè)將是一個長期的過程，需要流域管理各業(yè)務(wù)單位和部門協(xié)同工作，才能保證數(shù)字化系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展并發(fā)揮作用