黑龍江省水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺的GIS應(yīng)用

劉 勇

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

水利普查數(shù)據(jù)是黑龍江省目前掌握的最為詳實的水利基礎(chǔ)信息，同時成果數(shù)據(jù)還蘊含著大量的統(tǒng)計、經(jīng)濟和社會信息，是寶貴的信息資源和社會財富。如何體現(xiàn)水利普查數(shù)據(jù)的重要成果，將其更好的利用起來，為水利規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)管理提供服務(wù)，成為目前急需解決的問題。

1 GIS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

GIS(地理信息系統(tǒng))是一門結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、計算機科學(xué)與遙感技術(shù)的綜合性學(xué)科[1],不僅具有將空間位置信息與圖形信息可視化的能力，并且能夠?qū)Χ嘣磾?shù)據(jù)進行整合與共享，具有強大的空間分析與統(tǒng)計計算能力，可解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題。因此，GIS也被稱為“地理信息科學(xué)”(Geographic Information Science)，近幾年GIS也被稱為“地理信息服務(wù)”(Geographic Information Service)[2]。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，地理信息系統(tǒng)也孕育而生了多個分支技術(shù)體系，其中包括：WebGIS技術(shù)、二三維一體化技術(shù)、跨平臺技術(shù)、云計算技術(shù)，以及傾斜攝影技術(shù)。

1.1 WebGIS技術(shù)

WebGIS(網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng))是指工作在Web網(wǎng)上的GIS,是傳統(tǒng)的GIS在網(wǎng)絡(luò)上的延伸和發(fā)展，具有傳統(tǒng)GIS的特點，可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS基本功能，同時也是Internet上地理信息發(fā)布、共享和交流協(xié)作的基礎(chǔ)[3]。

1.2 二三維一體化技術(shù)

將GIS中的二維空間數(shù)據(jù)與三維空間數(shù)據(jù)整合在一個平臺下，打破了以前三維GIS系統(tǒng)相對于二維GIS系統(tǒng)在數(shù)據(jù)、功能、結(jié)構(gòu)上的劣勢。二維與三維數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上保持一體化，三維GIS數(shù)據(jù)不僅兼容二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，二維數(shù)據(jù)也做了適當(dāng)調(diào)整，實現(xiàn)了所有的二維數(shù)據(jù)無需任何轉(zhuǎn)換處理直接高性能地在三維場景中的可視化。

1.3 跨平臺技術(shù)

跨平臺技術(shù)泛指程序語言、軟件或硬件設(shè)備可以在多種作業(yè)系統(tǒng)或不同硬件架構(gòu)的電腦上運作。地理信息數(shù)據(jù)具有嚴(yán)格的保密性質(zhì)，往往需要部署在安全性較高的Linux系統(tǒng)服務(wù)器上，所以支撐平臺軟件、業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件都基于跨平臺技術(shù)建設(shè)，以滿足應(yīng)用軟件對平臺需求的差異性[4]，以及各單位不同操作系統(tǒng)、不同客戶端應(yīng)用需求。

1.4 云計算技術(shù)

云計算技術(shù)主要有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、高可擴展性、按需服務(wù)等技術(shù)特點，進而帶來通用性，輕松共享數(shù)據(jù)，價格低廉，可能無限多等應(yīng)用特點。云計算技術(shù)的應(yīng)用可以按用戶的需求量分配數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺的硬件存儲資源，可以按用戶需求提供計算能力，可以按需求提供多終端設(shè)備訪問平臺應(yīng)用功能的能力(計算機、服務(wù)器/客戶端、筆記本)。云計算技術(shù)減少了數(shù)字鴻溝，加強了科技創(chuàng)新，提高了公告服務(wù)水平[5]。

1.5 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像。目前，傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐[6]。

2 水利普查數(shù)據(jù)整合與共享

數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的核心，沒有數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，任何業(yè)務(wù)系統(tǒng)都將成為空中樓閣。黑龍江省水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺建設(shè)以全省水利普查數(shù)據(jù)整合與共享為目標(biāo)，實現(xiàn)多種類型的水利普查數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)平臺上的集成與管理。

2.1 數(shù)據(jù)類型

2.1.1 水利普查數(shù)據(jù)

將地理信息數(shù)據(jù)掛接覆蓋黑龍江省全行業(yè)、全要素類的水利普查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為屬性數(shù)據(jù)展示，數(shù)據(jù)包括河湖基本情況、水利工程基本情況、經(jīng)濟社會用水、河湖開發(fā)治理保護情況、水土保持情況、水利行業(yè)能力建設(shè)情況、灌區(qū)專項、地下水取水井等8類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2.1.2 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

由行政區(qū)劃、交通路網(wǎng)、流域水系水、水利工程設(shè)施、灌區(qū)工程、水利行業(yè)單位、水文站點等空間點線面數(shù)據(jù)組成，以地圖的方式展示給用戶應(yīng)用，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以屬性詳情方式展示。

2.1.3 影像數(shù)據(jù)

利用信息中心原有遙感影像數(shù)據(jù)，加載至三維場景中，疊加DEM數(shù)據(jù)、流域水系數(shù)據(jù)、水利工程設(shè)施、灌區(qū)工程、水利行業(yè)單位、水文站點、交通路網(wǎng)等數(shù)據(jù)，真實反應(yīng)黑龍江省地面狀態(tài)。

2.1.4 DEM數(shù)據(jù)

利用信息中心原有DEM數(shù)據(jù)疊加至三維場景中，使系統(tǒng)能獲取到地表高度信息。

2.1.5 傾斜攝影模型數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)由旋翼、固定翼等多種類型無人機航拍采集，通過建模軟件自動構(gòu)建成傾斜攝影模型，模型具有采集速度快、數(shù)據(jù)真實、成本低、受氣候條件影響小、飛行條件需求低、滿足測繪成圖要求等特點。

2.2 數(shù)據(jù)融合

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將各層次數(shù)據(jù)成果、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等信息進行組織，統(tǒng)一在“水利一張圖”上進行集成和展現(xiàn)，利用信息技術(shù)進行圖層的疊加和分析，最后以“一張圖”的形式，為科學(xué)規(guī)劃提供精確、直觀的數(shù)據(jù)支持(見圖1)。

圖1 數(shù)據(jù)融合

2.3 數(shù)據(jù)共享

黑龍江省水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺建立服務(wù)管理子系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)(二維地圖，三維場景)以服務(wù)的形式進行共享與分發(fā)，用戶有數(shù)據(jù)需求時可登陸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的申請，通過審批后可在線使用或下載數(shù)據(jù)。

3 服務(wù)與應(yīng)用展示

服務(wù)與應(yīng)用展示系統(tǒng)集中了面向用戶的功能，是對水利數(shù)據(jù)“一張圖”服務(wù)和功能服務(wù)的集成展示，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化、二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)一體化、數(shù)據(jù)綜合查詢和統(tǒng)計分析應(yīng)用，直觀的展現(xiàn)水系分布、河流形態(tài)、水利工程等分布等情況，為水利各個部門提供信息化及可視化的數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(見圖2)。

圖2 服務(wù)與應(yīng)用展示系統(tǒng)

3.1 GIS地圖操作

在服務(wù)與應(yīng)用展示系統(tǒng)首頁，可方便地對二維水利地圖進行放大、縮小、漫游、打印、定位、距離量算、面積量算等功能。實現(xiàn)對基礎(chǔ)水利數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)與瀏覽。

3.2 流域水系定位

根據(jù)河流屬性數(shù)據(jù)之間的歸屬關(guān)系，對數(shù)據(jù)進行了再加工，能夠直觀體現(xiàn)出黑龍江省各條河流的分布及關(guān)系。在河流結(jié)構(gòu)樹狀圖中，點中某條河流后，會在地圖上快速定位顯示該河流。

3.3 數(shù)據(jù)查詢

實現(xiàn)對河湖水系、水利工程、灌區(qū)、地下水取水井河湖治理保護，及水利行業(yè)單位等數(shù)據(jù)進行查詢，并將查詢結(jié)果在地圖中顯示。

查詢可以通過綜合選擇，按照不同工程分類、不同行政區(qū)域、不同水資源分區(qū)和其他自定義條件組合進行。獲得查詢結(jié)果的同時，即得到二維地圖上的位置。

3.4 數(shù)據(jù)匯總

對于各水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，按照不同數(shù)據(jù)匯總條件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將分類、統(tǒng)計方法和統(tǒng)計字段結(jié)合在一起，可根據(jù)簡單的匯總條件，以表格的形式將數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行顯示。

查詢結(jié)果以柱狀圖、餅狀圖和表格等形式進行顯示，統(tǒng)計圖可以導(dǎo)出JPG圖片，統(tǒng)計表可導(dǎo)出為Excel電子表格文件。導(dǎo)出的圖片、表格均可插入到WPS辦公自動化軟件中進行二次編輯，如調(diào)整大小、裁剪等操作。

3.5 三維空間量算

平臺建立了覆蓋全省的三維場景，并且開發(fā)了空間量算的工具，具體包括空間距離量算、空間面積量算、高程量算、水平距離量算、水平面積量算等5種量算功能。

3.6 三維空間分析

在三維視圖中，提供通視分析、可視域分析、陰影分析、等高線分析、淹沒分析、坡度分析等6種空間分析方式，輔助使用者進行空間決策與分析。

(1)通視分析。系統(tǒng)將自動分析任意選擇兩點的起點高度、終點高度、視點高程、通視分析等半徑等內(nèi)容，并具有導(dǎo)出斷面、導(dǎo)出軌跡等功能。在視圖中兩點之間不能相互可視采用紅色表示，兩點之間相互可視采用綠色表示。

(2)可視域分析。直觀感受人站在觀測點上所能觀察到的視野范圍，通過顏色劃分區(qū)域為不可視范圍和可視范圍(見圖3)。

(3)陰影分析。在三維場景中直觀分析在不同地區(qū)陰影遮擋情況，可查看每一點的陰影率(見圖4)。

(4)等高線分析。在三維視圖中對地形地貌進行分析，得到地形地貌的等高線信息。

圖3 可視域分析

圖4 陰影分析

(5)淹沒分析。在三維視圖中對淹沒情況進行模擬分析，通過設(shè)置不同的基礎(chǔ)高度、淹沒高度、水漲幅度等信息，得到不同情況下水庫淹沒情況信息(見圖5)。

圖5 淹沒分析

(6)坡度分析。在三維視圖中對不同區(qū)域的坡度進行計算分析，得到不同區(qū)域的坡度值(見圖6)。

圖6 坡度分析

4 結(jié) 論

(1)黑龍江省水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)以公共基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和水利普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將水利普查、無人機采集的傾斜模型、遙感影像、DEM數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)成果疊加發(fā)布，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享平臺與水利行業(yè)不同的業(yè)務(wù)需求的最佳融合。

(2)黑龍江省水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)資源整合應(yīng)用與共享，使之成為水利行業(yè)內(nèi)部的水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，進行數(shù)據(jù)發(fā)布與共享，水利信息資源利用率最大化。

(3)平臺建設(shè)通過綜合運用地理信息、服務(wù)融合等技術(shù)手段，對多時空水利數(shù)據(jù)進行綜合管理，并提供了標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口，為水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的快速搭建提供規(guī)范、高效、豐富的功能及服務(wù)共享，為水利業(yè)務(wù)用戶提供集瀏覽、查詢、統(tǒng)計、分析于一體的二、三維一體化綜合展示水利行業(yè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用平臺。