數(shù)字汶河水利設(shè)計與開發(fā)

蔣玉水

(泰安市大汶河綜合開發(fā)建設(shè)指揮部，山東泰安 271000)

近年來，水利項目建設(shè)的目的已不僅是治水這個最基本的民生宿求，還是服務于旅游的一項重要舉措。泰安有著山城一體的獨特格局，在山與城的南側(cè)，還有一條“河”，匯集眾水，南繞泰城，西入東平湖，最后流入黃河，這就是大汶河。大汶河是山東省省境內(nèi)黃河最大支流，是泰萊地區(qū)的母親河，流域面積8536km2，流經(jīng)泰安境內(nèi)156km。汶河沿岸工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、漁業(yè)、林業(yè)、生態(tài)、旅游等發(fā)展狀況和沿岸治污、治沙情況都是政府所關(guān)心的。因此，開發(fā)集治水與旅游于一體的風景水利管理系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用Rational Rose 2003進行組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用ArcSDE9.3 For Oracle10g進行數(shù)據(jù)存儲，采用Visual Studio 2010作為開發(fā)的語言平臺，采用 Google SketchUp進行三維景觀模型的建模，采用 ArcEngine作為治水模塊的二次開發(fā)工具，采用ArcServer作為旅游管理模塊的二次開發(fā)工具。

ArcSDE是ArcGIS與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的GIS通道。它允許用戶在多種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中管理地理信息，并使所有的 ArcGIS應用程序都能夠使用這些數(shù)據(jù)。

1.2 組織結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總功能框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的大部分水利數(shù)據(jù)都是CAD數(shù)據(jù)，要充分利用之。但CAD數(shù)據(jù)不利于空間分析，因此，系統(tǒng)必須支持CAD數(shù)據(jù)到SDE數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過來的CAD數(shù)據(jù)可通過二維編輯、互動編輯、三維編輯依次進行編輯，生成滿足需要的水利要素。

2 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

2.1 CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

現(xiàn)有的大部分水利數(shù)據(jù)都是CAD數(shù)據(jù)，要充分利用之。但CAD數(shù)據(jù)不利于空間分析，因此，系統(tǒng)必須支持CAD數(shù)據(jù)到SDE數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過來的CAD數(shù)據(jù)可通過二維編輯、互動編輯、三維編輯依次進行編輯，生成滿足需要的水利要素。

2.2 地表生成及修改

通過處理CAD數(shù)據(jù)，獲取高程點數(shù)據(jù)，然后再利用離散的高程點生成TIN三維地表。 首先把CAD高程點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Shapefile數(shù)據(jù)，然后利用三維編輯模塊的生成地表功能生成三維地表。與ArcGIS相比，功能簡單。所有功能在一個界面完成，節(jié)省來回導入導出數(shù)據(jù)時間。并且二維高程點數(shù)據(jù)與三維地表數(shù)據(jù)對應，效果明顯。

地表不可能一成不變，自然力量使地表變化，如風蝕、水蝕，建房、公路時需要填滿洼地，去除高地，填洼地表。因此，系統(tǒng)必須具備修改地表的功能。

在該系統(tǒng)中地表的修改主要分為兩部分。

根據(jù)使用的修改地表對象，分為二維地物對地表修改與三維地物對地表修改。所對應的工具分別在互動模塊和三維編輯模塊。 根據(jù)修改地表的高程數(shù)據(jù)的來源可分為對象自帶高程修改地表與高程屬性下壓地表。

2.3 編輯模塊

2.3.1 二維編輯模塊

在三維場景中對地理要素編輯比較困難，然而二維界面的編輯卻簡單很多，因此主要的地理要素編輯的編輯工作還是要在二維界面完成。為了提高編輯的效率，解決三維場景中編輯比較困難的問題，而為場景被保留下來，既可以獨自完成編輯，也可以與三維場景互動完成編輯。

該模塊的主要功能框架是 MapControl控件。MapControl控件對應于ArcMap的數(shù)據(jù)視圖，它封裝了Map對象，并提供了額外的屬性、方法、事件用于管理控件的外觀、顯示屬性和地圖屬性，添加并管理空間中的數(shù)據(jù)層，裝載Map文檔（.mxd）到控件中。

2.3.2 互動編輯模塊

該模塊的功能基礎(chǔ)是二維與三維的同步，分為數(shù)據(jù)顯示的同步于數(shù)據(jù)編輯的同步。數(shù)據(jù)編輯的同步可以借助ArcSDE進行實現(xiàn)。這里重點介紹數(shù)據(jù)顯示的同步，換句話說，就是當二維視圖內(nèi)容發(fā)生變化時，三維視圖做出相應的內(nèi)容變化；當三維視圖內(nèi)容發(fā)生變化時，二維視圖做出相應的內(nèi)容變化。

該模塊是整個系統(tǒng)的重點，既解決了二維與三維同步顯示的問題，也解決了二維與三維互動編輯的問題。

在三維模塊中數(shù)據(jù)量比較大，在場景中選擇對象的速度比較慢，精準度低，這就是三維編輯差強人意。為了解決三維場景選擇慢、精準度低的問題，可以現(xiàn)在二維場景中選擇對應對象，然后把具體對象的 ID傳給三維場景，這樣就越過了在三維場景中的拾取操作，直接根據(jù)二維場景提供的對象的ID篩選對象，只要對象類在數(shù)據(jù)庫中建好索引，可以想象這樣的速度是很快的。

2.3.3 三維編輯模塊

與二維圖形的編輯一樣，用戶也可以對三維曲面、實體進行編輯。對于二維圖形的許多編輯命令同樣適合于三維圖形，如復制、移動等。由于在三維場景中進行編輯速度慢、精準度低，因此該模塊主要是一些簡單的三維編輯功能。把主要功能用二維與三維互動編輯代替。

2.4 自動化建模

水利工程對象有大壩、橋梁、公路、水閘、護堤等。比如橋梁，只要知道橋梁的橋面高、橋?qū)挕蛄鹤呦?、橋墩距離、橋面貼圖，就可以制作出符合用戶要求的三維模型。制作每個橋梁都遵循這一規(guī)格標準，用建模軟件建模橋梁都在重復這一過程。為了提高建模效率，我們完全可以用程序代替這一過程。在系統(tǒng)中，選擇互動編輯中的二維拉線建橋工具，在二維視圖中劃出橋梁走向圖，在規(guī)格對話框中輸入橋梁的橋?qū)?、橋面高、橋墩半徑、橋墩距離等參數(shù)，在三維視圖中就會生成對應的三維橋梁模型。

線狀公路的自動化建模也可以比照橋梁的自動化建模。但在實踐中發(fā)現(xiàn)公路的大多數(shù)數(shù)據(jù)是CAD路樁數(shù)據(jù)。為了充分利用CAD數(shù)據(jù)，并減少連點成線帶來的麻煩，為此，開發(fā)了基于路樁的公路自動化建模。

公路受地表起伏影響比較大，在公路的自動化建模中，還涉及到修改地表的問題。在已知公路高程時，生成三維公路后，須根據(jù)公路高程修改地表。在未知公路高程時，須根據(jù)地表高程賦值公路線或路樁來生成公路。

自動化建模技術(shù)是以 MultiPatch為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。ArcEngine的 IGeneralMultiPatchCreator與IMultiPatch接口都提供了對MultiPatch數(shù)據(jù)模型基本的編輯功能。兩個接口都可實現(xiàn)創(chuàng)建不帶紋理的模型，但IGeneralMultiPatchCreator還支持創(chuàng)建帶紋理的模型。IGeneralMultiPatchCreator與IMultiPatch也有一個缺點，就是建模較復雜。因此，我們選用IMultiPatch接口進行建模，使用IGeneralMultiPatchCreator接口進行貼圖。其過程如圖2。

圖2

為了便于使用和修改，重新定義一類Multi-PatchCreator。該類有如下成員函數(shù)。

通常，多片是用來描述陰影平面集合，并且可以在其上粘貼影像，也就是貼圖。為了粘貼影像，需要在Multipatch的每一個定點上記錄紋理坐標。紋理坐標記錄為s和t，值為0到1，表示了從x到y(tǒng)方向影像的起點到終點。在ArcObjects中將s和 t編碼存儲在定點的 M值中。另外，如果要用Multipatch表達復雜連續(xù)的幾何對象，比如球體，為了平滑陰影平面之間的轉(zhuǎn)折，需要在Multipatch的每一個頂點上記錄它的法向量，同樣法向量也是編碼后存儲在定點的M值中。

2.5 水利工程信息管理

水利工程信息管理是建立在前面所有功能基礎(chǔ)之上的功能。實現(xiàn)河道、水庫、橡膠壩、水閘、堤防、引水工程、灌溉工程管理數(shù)據(jù)查尋、編輯、修改、打印、樣式輸出。功能要求：能查尋已建三維河道、水庫等庫容、水位；水閘閘門提升放水時，水閘閘門過水流量與庫容水位三維演示，可以生成相應的庫容水位曲線表以供打印例參數(shù)、多媒體信息, 也有HTML文檔的頁面信息 。

工程管理模塊主要為沿線的工程項目的進度、成本、質(zhì)量、安全管理實現(xiàn)科學化、規(guī)范化、程序化、制度化提供高效的管理工具。通過該模塊對工程的進度、工程的各項指標等工程項目信息, 結(jié)合相關(guān)的基礎(chǔ)信息、河道信息、水雨情信息等實時、歷史、空間或非空間信息進行綜合分析, 建立沿線三維地質(zhì)、地形基礎(chǔ)信息, 結(jié)合相關(guān)空間信息與非空間信息, 對沿線工程優(yōu)化管理, 并以圖形、表格、三維可視化等技術(shù)手段展示已建或在建工程項目的狀況。

同時獲取相關(guān)性分析、因果關(guān)系分析及常規(guī)的統(tǒng)計分析結(jié)果, 并實時在線采集數(shù)據(jù), 以確保工程的質(zhì)量, 降低生產(chǎn)成本, 提高勞動生產(chǎn)率。

在水資源管理方面，該系統(tǒng)主要提供了水淹分析、水淹演示、雨情信息管理等。在工程管理方面該系統(tǒng)主要提供了剖面分析，水利工程對象的定位、查詢、屬性修改等操作。

在系統(tǒng)中選擇水位庫容工具，在二維視圖中選中要查看的水庫，在彈出的水淹分析對話框中，就可以查詢該水庫水位與庫容的關(guān)系，并可輸出水位/庫容、水位/回水面積、庫容/回水面積曲線。

水淹分析主要用到ArcEngine的接口Isurface的函數(shù)GetProjectedArea（參數(shù)1，參數(shù)2，參數(shù)3）與GetVolumn（參數(shù)1，參數(shù)2，參數(shù)3）函數(shù)。GetProjectedArea接口函數(shù)有三個參數(shù)，第一個參數(shù)表示輸入的水位高程，第二個參數(shù)表示輸出的面積是在水位上還是在水位下，第三個參數(shù)表示輸出在該水位時的回水面積。函數(shù)GetVolumn也有三個參數(shù)，第一個參數(shù)表示輸入的水位高程，第二個參數(shù)表示輸出的庫容是在水位上還是在水位下，第三個參數(shù)表示輸出在該水位時的庫容。

擬在GIS技術(shù)支持下，利用建立的洪水預報模型，模擬洪水發(fā)展過程，預報最大洪峰出現(xiàn)的時間和流量，根據(jù)數(shù)字高程模型，圈定出洪水淹沒范圍，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中淹沒區(qū)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟資料，對災區(qū)受災程度及損失快速做出評估，整個過程集合成一個系統(tǒng)，建立實用性強、可視化程度高的洪水預警和淹沒評估系統(tǒng)，為氣象部門開展局部強降雨造成的洪災預警和淹沒評估提供基礎(chǔ)平臺，具有業(yè)務應用和推廣價值的意義。

洪水淹沒由多種因素造成, 降雨、上游來水都可以造成淹沒。按照洪水淹沒的成因，可將其分為兩大類: 一類是無源淹沒, 一類是有源淹沒。

水淹演示功能可以動態(tài)的展現(xiàn)水淹的全部過程，并對水淹后的財產(chǎn)損失進行評估。運用GIS技術(shù)快速準確地模擬洪水淹沒區(qū)域，與當?shù)馗鞣N專題涂層疊加分析得到有關(guān)決策指標，對于確定人員疏散規(guī)模與災害評估具有十分重大的意義。

水利工程的運用、操作、維修和保護工作，是水利管理的重要組成部分。水利工程建成后，必須通過有效的管理，才能實現(xiàn)預期的效果和驗證原來規(guī)劃、設(shè)計的正確性。工程管理的基本任務是：保持工程建筑物和設(shè)備的完整、安全，經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀況；正確運用工程設(shè)備，以控制、調(diào)節(jié)、分配、使用水源，充分發(fā)揮其防洪、灌溉、供水、排水、發(fā)電、航運、水產(chǎn)、環(huán)境保護等效益；正確操作閘門啟閉和各類機械、電機設(shè)備，提高效率，防止事故；改善經(jīng)營管理，不斷更新改造工程設(shè)備和提高管理水平。

在系統(tǒng)中可通過編輯屬性對話框?qū)崿F(xiàn)對水利工程對象的定位、查詢、屬性修改等操作。在編輯屬性窗口中雙擊每一行就可以定位該行所對應的對象，并可對每一行對象進行修改。

剖面分析模塊可以獲得任意兩點之間的地表剖面圖，并對剖面數(shù)據(jù)進行處理。剖面分析在很多工程領(lǐng)域有很多應用，很大的便利的工程建設(shè)，可以為河底清淤、水利工程提供可靠的地表剖面數(shù)據(jù)依據(jù)。剖面分析的基礎(chǔ)是高程點數(shù)據(jù)的插值分析。高程數(shù)據(jù)通過插值生成高程柵格數(shù)據(jù)或TIN數(shù)據(jù)，在柵格數(shù)據(jù)和TIN數(shù)據(jù)上可以獲得任意點的高程，也就可以獲得任意兩點間的高程。從另一個方面來講，剖面分析是對高程數(shù)據(jù)的再利用，提高了高程數(shù)據(jù)的利用率。在系統(tǒng)中點擊連線就可以生成對應的剖面圖。

剖面分析主要用的ArcEngine的Isurface接口的InterpolateShape（參數(shù)1，參數(shù)2）函數(shù)。該接口函數(shù)有兩個參數(shù)，第一個參數(shù)是輸入數(shù)據(jù)，表示由兩點組成的線數(shù)據(jù)，第二個參數(shù)是輸出數(shù)據(jù)，表示輸出的剖面線數(shù)據(jù)。

2.6 水利旅游管理

水利風景區(qū)因水利工程而形成，因水利工程壯闊而雄偉；水利工程因水利風景區(qū)的旅游開發(fā)而增加收益，因旅游風景區(qū)的開發(fā)而增加收益而擴大知名度、水利科學知識和水文化概念認知，也因二者的和諧雙贏而得到普及。但是水利風景區(qū)的旅游開發(fā)必須以水利工程安全為前提，在水利風景資源開發(fā)的全過程中，工程安全是高壓線，必須放在首位。在大壩、溢洪道上不能建房，在大壩內(nèi)坡不得修建碼頭，凡危害工程安全的旅游建設(shè)必須拆除。

大汶河濱水景觀規(guī)劃總體結(jié)構(gòu)可用一湖、三岸、四段、五廣場、六節(jié)點、八主題園來概括。一湖指天澤湖，三岸指歷史文化岸、自然生態(tài)岸、濱湖生活岸，四段指生態(tài)濕地段、文化展示段、人本養(yǎng)生段、生活安康段，五廣場指旅游文化節(jié)慶典廣場、天地人和慶典廣場、園藝節(jié)慶典廣場、養(yǎng)生節(jié)慶典廣場、體育節(jié)慶典廣場，六節(jié)點指頤養(yǎng)天和、泰城水埠、龍游廣場之日耀、龍游廣場之月光、風鳥來儀、凰舞載歌，八主題園指生態(tài)濕地園、龍鳳祥和園、名人薈萃園、樂水文化園、休閑養(yǎng)生園、園藝博覽園、金沙灘公園、汶河植物園。因此，大汶河規(guī)劃區(qū)景點眾多，必須使用信息化管理。

以上介紹的所有功能都是水利旅游管理功能的基礎(chǔ)。水利旅游管理功能模塊包括景點游覽、景點查詢、景點介紹、景點動漫制作、景點客流管理等。旅游游覽功能可以不用去現(xiàn)場，可以一覽無余地再現(xiàn)場景。景點查詢功能可以根據(jù)輸入的景點名稱定位到景點場景，并可查看景點介紹。景點介紹有文字圖片介紹、語音介紹、視頻介紹，只需點擊景點，就可獲取景點介紹。景點動漫制作功能可以把三維場景游覽的過程制成視頻，并能需要的景點語音介紹。景點客流管理功能可以保存一定時間內(nèi)的客流記錄，并能根據(jù)客流記錄預測未來一段時間內(nèi)的客流量。

水利旅游管理功能是一個雙客戶的系統(tǒng)，不僅要滿足旅游管理者的管理需求，也要滿足游客的游覽需求。因此，在開發(fā)此模塊時采用B/S結(jié)構(gòu)，采用ArcServer技術(shù)進行開發(fā)。

3 結(jié) 語

以泰安市水利行業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)為研究對象，通過使用ArcEngine與ArcServer開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了基于B/S與C/S結(jié)合、二維與三維結(jié)合的風景水利管理系統(tǒng)的開發(fā)，為水利系統(tǒng)的工作人員提高了管理各種風景水利的效率與效力。二三維互動編輯和水利工程自動化建模兩個功能是該系統(tǒng)的最大亮點，兼顧水利治水管理與水利旅游管理是該系統(tǒng)的最大特點。二三維互動編輯是水利工程自動化建模的基礎(chǔ)，通過這兩個亮點功能可以很方便的實現(xiàn)水利規(guī)劃設(shè)計。兼顧水利管理與水利旅游管理是當前風景水利的最大需求。該系統(tǒng)三維動態(tài)瀏覽、雨水情數(shù)據(jù)數(shù)字化模擬分析以及水利工程管理應用等水利應用將不斷開發(fā)設(shè)計，以適應現(xiàn)代數(shù)字信息化水利建設(shè)的需要。

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