江蘇省水利地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柏 屏，高祥濤

（江蘇省水利網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心，南京 210029）

1 建設(shè)背景

地理信息系統(tǒng)（GIS）反映人們賴以生存的現(xiàn)實(shí)世界（資源與環(huán)境）的現(xiàn)勢和變遷的各類空間數(shù)據(jù)及描述這些空間數(shù)據(jù)特征的屬性，在計(jì)算機(jī)軟件和硬件支持下，以一定的格式輸入、存儲、檢索、顯示和綜合分析應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)[1]。通俗地講，地理信息系統(tǒng)是整個(gè)地球或部分區(qū)域的資源、環(huán)境在計(jì)算機(jī)中的縮影。水利地理信息系統(tǒng)屬于應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)，一般來說，是指以計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)為技術(shù)手段，進(jìn)行水利信息的獲取、分析、處理、存儲與表達(dá)，并為水利管理工作提供水利空間信息支持和管理決策依據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[2]。

江蘇省在信息采集、網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)庫等水利信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上投入較大，為全省水利信息化系統(tǒng)建設(shè)打下了很好的基礎(chǔ)。但至今卻未建成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、資源豐富的大比例尺水利地理空間信息數(shù)據(jù)庫，從一定意義上來說，制約了江蘇省水利信息化的深入發(fā)展。江蘇省各級防汛指揮、水資源管理信息等業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，都迫切需要水利地理空間信息數(shù)據(jù)庫及其服務(wù)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)支撐平臺，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求綜合利用各類水利成果及資料，整合現(xiàn)有水利工程基礎(chǔ)和相關(guān)信息資源，使全省水利行業(yè)信息化應(yīng)用水平進(jìn)一步提高。

2009年8月，江蘇省水利廳提出江蘇省水利地理信息系統(tǒng)是數(shù)字、現(xiàn)代水利的基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代水利業(yè)務(wù)應(yīng)用和社會公眾服務(wù)的基礎(chǔ)平臺，是水利信息化進(jìn)程的一項(xiàng)標(biāo)志性工程，該工程建設(shè)對加快推進(jìn)江蘇水利現(xiàn)代化有著十分重要的戰(zhàn)略意義?？紤]到建設(shè)工程量浩大，協(xié)調(diào)任務(wù)重，建設(shè)復(fù)雜程度和技術(shù)難度高，系統(tǒng)專門成立了江蘇省水利地理信息系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組，旨在加快推進(jìn)江蘇省水利地理信息系統(tǒng)工程的建設(shè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 總體目標(biāo)

基于江蘇省 1:10000基礎(chǔ)地理信息，開展全省鄉(xiāng)級以上水利管理部門管理的水利地理信息的采集和整理工作，整合現(xiàn)有的資源，建立全省共享的水利地理信息數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建全省統(tǒng)一的面向現(xiàn)代水利業(yè)務(wù)應(yīng)用和公眾服務(wù)的 GIS 服務(wù)平臺，為加強(qiáng)全省水利管理，提升水利服務(wù)水平提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，推進(jìn)全省水利現(xiàn)代化的建設(shè)進(jìn)程。

2.2 一期工程目標(biāo)

制定江蘇省水利地理信息分類與編碼、采集、信息共享等標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)全省 1:10000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和最新影像資料，開展與水利有關(guān)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新工作，開展省級水利地理信息的采集、建庫工作，并在此基礎(chǔ)上，開展地理信息數(shù)據(jù)維護(hù)、服務(wù)管理和信息發(fā)布系統(tǒng)的研發(fā)工作，滿足省級水利管理部門的應(yīng)用需要。同時(shí)試點(diǎn)開展南京城區(qū)和江寧區(qū)的水利地理信息的采集、建庫工作，為建設(shè)全省信息共享、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、服務(wù)方式規(guī)范的水利地理信息系統(tǒng)提供示范和技術(shù)保障。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

江蘇省水利地理信息系統(tǒng)側(cè)重為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供地理空間信息的服務(wù)，屬于應(yīng)用支撐平臺，適當(dāng)兼顧信息發(fā)布。

系統(tǒng)采用 GIS 中典型的3層架構(gòu)，具體如下：

1）數(shù)據(jù)層。主要指江蘇省水利地理數(shù)據(jù)庫，主要包括與水利相關(guān)的基礎(chǔ)地理信息（DLG，DOM，DEM）、水利公共類和專業(yè)類等數(shù)據(jù)庫，是系統(tǒng)的最底層（基礎(chǔ)）——數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端。

2）服務(wù)層。主要指各類應(yīng)用服務(wù)與數(shù)據(jù)層之間的連接接口，主要包括各類專業(yè)應(yīng)用組件、服務(wù)和數(shù)據(jù)交換接口等，是系統(tǒng)中間層——GIS 服務(wù)器端。

3）表現(xiàn)層。主要指各類專業(yè)應(yīng)用結(jié)果的展示界面，包括查詢、專題圖生成、分析、圖形輸出等結(jié)果的表現(xiàn)界面，是系統(tǒng)最上層——客戶端/瀏覽器端。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 江蘇省水利地理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

4.1 編制試行標(biāo)準(zhǔn)

編制江蘇省水利地理信息建設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、存儲、共享交換、分類編碼、質(zhì)量控制、元數(shù)據(jù)、審核發(fā)布、圖形標(biāo)識等試行標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 更新采集地理信息

按照水利信息的特性、來源、精度要求等，數(shù)據(jù)采集的方式主要包括以下幾種：

1）已有數(shù)據(jù)的加工、整理。對于市、縣及省水利廳已建信息系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)精度可以滿足要求，則這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過加工、整理的方式進(jìn)行采集，達(dá)到系統(tǒng)的要求。加工、整理的內(nèi)容包括數(shù)學(xué)基礎(chǔ)處理、分類編碼調(diào)整、數(shù)據(jù)重新組織。如數(shù)據(jù)為CAD 方式，則需進(jìn)行數(shù)據(jù)的連通性、邏輯性加工整理。具體流程如圖2所示。

圖2 已有數(shù)據(jù)的加工、整理流程圖

2）基于基礎(chǔ)地理信息的數(shù)據(jù)再加工。對于河流、湖泊、水庫等水利地理信息，盡管沒有可以直接使用的數(shù)據(jù)，但這類數(shù)據(jù)大多在基礎(chǔ)地理信息或其它水利項(xiàng)目中已存在，只是連接關(guān)系、范圍大小、精度、名稱等信息不能滿足要求。這類數(shù)據(jù)可以通過相關(guān)文字、表格的說明信息和 DOM 數(shù)據(jù)，對水系要素進(jìn)行加工整理，并按 1:10000比例尺成圖分區(qū)域輸出圖形，進(jìn)行校對、修改?；诨A(chǔ)地理信息的數(shù)據(jù)再加工流程如圖3所示。

3）基于基礎(chǔ)地理信息的水利要素標(biāo)載和采集。對于水利要素空間位置精度要求不是特別高，基礎(chǔ)地理信息中相應(yīng)信息不全或不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以采用基于 1:10000地形圖和影像數(shù)據(jù)，采用水利專業(yè)人員標(biāo)載、內(nèi)業(yè)采集的方式獲取數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，圖上標(biāo)載的位置（范圍）只作為定性參考，具體空間位置需依據(jù)地形圖或參考周圍地物確定。這類采集手段主要用于市、縣和部分省水利管理部門管理的水利要素（圩區(qū)、蓄滯洪區(qū)等）的獲取。地理信息的水利要素標(biāo)載和采集流程如圖4所示。

圖3 基于基礎(chǔ)地理信息的數(shù)據(jù)再加工流程圖

4）外業(yè)數(shù)據(jù)的采集。對于部分位置精度要求高且又沒有其它辦法可以解決的數(shù)據(jù)，則通過調(diào)繪、GPS 采集或其它測量工具實(shí)地測量的手段進(jìn)行采集，具體流程如圖5所示。這類采集一般僅限于點(diǎn)狀水利要素的位置獲取。

4.3 研發(fā)相關(guān)示范軟件

數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)主要是對數(shù)據(jù)入庫前的水利數(shù)據(jù)加工、整理、檢查、修改和數(shù)據(jù)庫建設(shè)后的數(shù)據(jù)維護(hù)（數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)、替換）等，主要是針對數(shù)據(jù)庫庫體的操作和修改。采用 C/S 方式運(yùn)行，由具備一定 GIS 和水利專業(yè)技術(shù)知識的人員使用，并嚴(yán)格權(quán)限和日志管理，以確保整個(gè)系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

服務(wù)管理系統(tǒng)主要解決省級水利信息的圖層、權(quán)限、數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)等管理及常用應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)。

信息發(fā)布系統(tǒng)主要基于服務(wù)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的服務(wù)開發(fā)功能，解決各類水利地理信息的元數(shù)據(jù)查詢，水利信息的表現(xiàn)、查詢、統(tǒng)計(jì)，以及簡單的空間分析等問題。

三維展示系統(tǒng)主要展示重點(diǎn)水利工程的三維場景，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)查詢，查詢結(jié)果在三維場景中展示；另外可進(jìn)行坡度、土石方計(jì)算及通視分析等。

圖4 基于基礎(chǔ)地理信息的水利要素標(biāo)載、采集流程圖

圖5 外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 空間數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)

采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫 Oracle 實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)管理，主要借助于 ArcSDE 的空間數(shù)據(jù)模型 geodatebase 實(shí)現(xiàn)矢量要素、柵格和 TIN 數(shù)據(jù)集，以及空間域、規(guī)則集等管理[3]。

5.2 面向服務(wù)的空間信息共享技術(shù)

系統(tǒng)中所有的基礎(chǔ)地理信息、水利公共類及專業(yè)類數(shù)據(jù)，都通過建立 ArcGIS Server 地圖服務(wù)的方式提供給系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)不能直接訪問空間數(shù)據(jù)，只能通過地圖服務(wù)所定義的接口調(diào)用，保證了數(shù)據(jù)的安全性。當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)，只需要發(fā)布地圖服務(wù)的部門更新數(shù)據(jù)即可，對比以往需要將數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)部門更新，可以降低數(shù)據(jù)更新的成本。

5.3 面向服務(wù)的空間信息分析技術(shù)

系統(tǒng)除了包括查詢信息、地圖定位、檢索信息、要素識別等功能外，還包含 ARCGIS 的Geoprocessing 的功能。Geoprocessing 是對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后獲取其他信息的轉(zhuǎn)換工具，能夠通過分析處理已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)，在新的數(shù)據(jù)集中產(chǎn)生分析結(jié)果。GeoProcessing 不僅提供空間數(shù)據(jù)分析的簡單功能，而且支持建立非常復(fù)雜的地理處理模型來完成定制的地理處理任務(wù)和執(zhí)行批處理操作。

5.4 面向服務(wù)的分布式數(shù)據(jù)訪問技術(shù)

系統(tǒng)采用基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的中間層模式實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成?；?SOA 的數(shù)據(jù)集成支持對異構(gòu)數(shù)據(jù)類型的訪問，通過利用標(biāo)準(zhǔn)化接口，提供高度靈活的抽象層，將數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)邏輯分離，把數(shù)據(jù)訪問和處理以服務(wù)的形式提供給外部使用者，從而增加了系統(tǒng)的靈活性和重用性，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用和服務(wù)的松散耦合。

5.5 預(yù)生成與動態(tài)地圖服務(wù)結(jié)合

系統(tǒng)中矢量數(shù)據(jù)（包括 DLG 和 DOM 數(shù)據(jù)）屬于定期更新數(shù)據(jù)，更新周期較長，數(shù)據(jù)量大，并且作為系統(tǒng)應(yīng)用的背景圖層需要較好的地圖圖面效果，因此擬將矢量數(shù)據(jù)配置成地圖文檔后，發(fā)布為預(yù)生成地圖服務(wù)。水利公共類和專業(yè)類數(shù)據(jù)由于變更頻繁，需要分析處理，可采用動態(tài)地圖服務(wù)，將數(shù)據(jù)配置好地圖后不預(yù)生成，直接通過 Web 服務(wù)向客戶端發(fā)布，這種發(fā)布模式能夠隨時(shí)在地圖上反映數(shù)據(jù)的變化情況，便于及時(shí)掌握數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)情況。

5.6 基于組件的 GIS 開發(fā)技術(shù)

組件式 GIS 是把 GIS 的各大功能模塊劃分為幾個(gè)控件，每個(gè)控件完成不同的功能。各個(gè) GIS 控件之間，GIS 與非 GIS 控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的 GIS 應(yīng)用。控件如同1堆各式各樣的積木，它們分別實(shí)現(xiàn)不同的功能（包括 GIS 和非 GIS 功能），根據(jù)需要把實(shí)現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，就構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)。

5.7 基于 Flex RIA 技術(shù)的 WebGIS

Flex 采用 GUI 界面開發(fā)，使用基于 XML 的MXML 語言。Flex 具有多種組件，可實(shí)現(xiàn) Web Services，遠(yuǎn)程對象、拖放、列排序、圖表等功能。Flex 作為主流的 RIA 平臺主要包括部署方便，類似桌面應(yīng)用的用戶體驗(yàn)，完全面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)顯示地圖數(shù)據(jù)并與之交互，在服務(wù)器上執(zhí)行空間處理模型并顯示結(jié)果，基于 ArcGIS Online 的地圖服務(wù)顯示自己的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，根據(jù)屬性或者位置查找數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果，查找地址并顯示結(jié)果，創(chuàng)新結(jié)果的顯示方式，創(chuàng)建 Mashups 應(yīng)用等效果。

6 結(jié)語

江蘇省水利地理信息系統(tǒng)一期工程的建設(shè)任務(wù)已基本完成，實(shí)現(xiàn)了全省1套標(biāo)準(zhǔn)、1張圖、1個(gè)庫、1個(gè)平臺的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為進(jìn)一步建設(shè)全省信息共享、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、服務(wù)方式規(guī)范的水利地理信息系統(tǒng)提供了技術(shù)保障。但系統(tǒng)還存在一些亟需解決的問題：如地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)保密與共享的矛盾，屬性數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步收集和有待權(quán)威部門認(rèn)定，空間數(shù)據(jù)維護(hù)管理機(jī)制，各類系統(tǒng)空間信息編碼不統(tǒng)一等，只有很好地解決上述問題，才能使系統(tǒng)真正發(fā)揮作用，產(chǎn)生效益，成為水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，提升水利管理和公共服務(wù)水平。

[1] 黃杏元，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].3版.北京：高等教育出版社，2008: 2.

[2] 張成才，孟令奎，孫喜梅.水利地理信息系統(tǒng)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005: 2-3.

[3] 吳秀琴，張洪巖，張正祥，等.ArcGIS9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐（上、下冊）[M].北京：科學(xué)出版社，2007: 3-4.