基于黑龍江省水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源池及應(yīng)用

張 晗，司振江

(黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 數(shù)據(jù)資源

1.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

涵蓋了黑龍江省行政區(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)單位以及水文站點(diǎn)等空間數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)既可以通過(guò)地圖形式進(jìn)行可視化展示，也可以通過(guò)屬性表展示相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比例尺為1∶10 000。顯示比例尺為(1∶8 000 000)～(1∶2000)。

1.2 遙感影像數(shù)據(jù)

利用原有遙感影像數(shù)據(jù)，加載到三維場(chǎng)景，將DEM數(shù)據(jù)、流域水系數(shù)據(jù)、水利工程設(shè)施、水利行業(yè)單位、水文站點(diǎn)、交通路網(wǎng)等數(shù)據(jù)相疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)黑龍江省地面狀態(tài)的真實(shí)反應(yīng)。數(shù)據(jù)精度為2.5 m。

1.3 DEM數(shù)據(jù)

通過(guò)將DEM數(shù)據(jù)與3D圖像進(jìn)行疊加，得到地表的全省地面數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)精度為25 m。

1.4 水利普查數(shù)據(jù)

以黑龍江省所有行業(yè)和所有要素類的地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以屬性數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來(lái)。水利普查數(shù)據(jù)主要包括了以下8大類：河湖基本情況、水利工程基本情況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水、河湖開(kāi)發(fā)治理保護(hù)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(xiàng)、地下水取水井專項(xiàng)等，共有547.5萬(wàn)個(gè)普查對(duì)象[1]。

1.5 三維數(shù)據(jù)模型

利用多旋翼無(wú)人機(jī)航拍獲取典型水庫(kù)工程的三維數(shù)據(jù)。構(gòu)建三維模型，修復(fù)水面，與庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的0.5 m精度影像數(shù)據(jù)、20 m精度DEM數(shù)據(jù)融合處理，數(shù)據(jù)融入平臺(tái)三維場(chǎng)景中。數(shù)據(jù)精度：模型規(guī)格為A類，建筑精度0.02 m，坐標(biāo)精度0.02 m。

1.6 元數(shù)據(jù)

即中介數(shù)據(jù)、中繼數(shù)據(jù)，作為描述水利普查數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 數(shù)據(jù)資源池設(shè)計(jì)規(guī)則

數(shù)據(jù)資源池是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。一個(gè)良好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和可維護(hù)性，降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本，并且使系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)未來(lái)的業(yè)務(wù)變化和發(fā)展。

在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系、約束以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)方式等因素[2]。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的合理組織和規(guī)劃，可以優(yōu)化系統(tǒng)的查詢速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力，從而提高系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率。

2.1 規(guī)范命名

所有的庫(kù)名、表名、域名必須遵循水利部的規(guī)范說(shuō)明，并進(jìn)行必要說(shuō)明，以方便設(shè)計(jì)、維護(hù)、查詢。

2.2 并發(fā)控制

并發(fā)控制是設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)，它確保了在同一時(shí)間只有一個(gè)用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的某個(gè)表?yè)碛袑?xiě)入權(quán)限，而其他用戶只能進(jìn)行讀取操作。這種控制方式可以有效地避免數(shù)據(jù)沖突和數(shù)據(jù)不一致的情況發(fā)生，從而確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

2.3 全面準(zhǔn)確

確保所涉及的數(shù)據(jù)庫(kù)具有盡可能全面的內(nèi)容，并且字段的類型和長(zhǎng)度能夠精確地反映業(yè)務(wù)處理的需求。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)還應(yīng)該能夠滿足當(dāng)前和未來(lái)的業(yè)務(wù)需求，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

2.4 關(guān)系一致

準(zhǔn)確描述“一對(duì)一”“一對(duì)多”“多對(duì)多”等不同數(shù)據(jù)表之間的聯(lián)系，并與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況保持一致。同時(shí)，考慮是否使用各種強(qiáng)制關(guān)系，以及規(guī)定維持這些關(guān)系的多種方式，例如強(qiáng)制存在、強(qiáng)制一對(duì)一等。

2.5 松散耦合

各子系統(tǒng)之間采用了松散耦合的原理，避免了過(guò)多的級(jí)聯(lián)和嵌套，有效地解決了多個(gè)子系統(tǒng)之間的相互影響。子系統(tǒng)間的關(guān)系可以通過(guò)“重新輸入”“查詢”和“程序填充”三種方法進(jìn)行連接，相關(guān)字段采用冗余存儲(chǔ)。

2.6 適度冗余

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能地減少冗余，并保留一定程度的冗余。

2.7 高頻分離

平臺(tái)自主將高頻使用的數(shù)據(jù)從主表中分離或冗余存儲(chǔ)，可以顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行性能。這種優(yōu)化方法可以減少對(duì)主表的訪問(wèn)次數(shù)，從而降低主表的負(fù)載，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。例如，在對(duì)受限信息進(jìn)行檢測(cè)等場(chǎng)景中，平臺(tái)可以將這些高頻使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存中，以便快速訪問(wèn)和查詢。這種做法不僅可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還可以減少對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)次數(shù)，從而降低系統(tǒng)的負(fù)載和資源消耗。

2.8 數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性和完整性

優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)各表單及其表間關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)，在確保數(shù)據(jù)庫(kù)一致性、完整性的同時(shí)，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)操作。合理平衡系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行速度之間的關(guān)系。

3 數(shù)據(jù)資源池構(gòu)建與管理

3.1 數(shù)據(jù)入池過(guò)程

數(shù)據(jù)資源池為多種空間數(shù)據(jù)格式的兼容操作提供了全面的支持，主要包括ArcGIS、SuperMap和MapInfo等空間數(shù)據(jù)格式。這些格式涵蓋了地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域中廣泛使用的數(shù)據(jù)格式，使得系統(tǒng)能夠在不同的數(shù)據(jù)源之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。

空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容主要包括點(diǎn)數(shù)據(jù)集、線數(shù)據(jù)集、面數(shù)據(jù)集、文本數(shù)據(jù)集、符合數(shù)據(jù)集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集和屬性數(shù)據(jù)集等。這些數(shù)據(jù)集代表了地理信息系統(tǒng)中各種不同類型的空間信息，包括地形、建筑物、道路、水系、土地利用等。

系統(tǒng)提供了方便快捷的數(shù)據(jù)錄入、編輯、存儲(chǔ)、備份、顯示查看等基本的空間數(shù)據(jù)操作功能。這些操作功能使得用戶可以輕松地進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、修改、更新和管理，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，可以將其他格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所支持的格式，進(jìn)一步擴(kuò)展了系統(tǒng)的兼容性。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理與性能優(yōu)化

3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

對(duì)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中式管理，全自動(dòng)備份數(shù)據(jù)，無(wú)須人工干預(yù)；在系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，時(shí)刻自動(dòng)恢復(fù)、自動(dòng)備份的數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生更改時(shí)，需要將原始數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣才能方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和查詢。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)優(yōu)化

減少平臺(tái)數(shù)據(jù)輸入輸出頻次，降低數(shù)據(jù)吞吐量，保證系統(tǒng)平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)效率，將常用修改的水利數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，不常修改的數(shù)據(jù)以瓦片形式存儲(chǔ)。將空間數(shù)據(jù)與普查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)索引關(guān)聯(lián)，其物理上的排放次序和索引次序完全一致，可很快查找定位。數(shù)據(jù)查詢中的指標(biāo)高級(jí)查詢降低使用表關(guān)聯(lián)，避免三個(gè)以上的表關(guān)聯(lián)，必要時(shí)將查詢分成多步來(lái)執(zhí)行，提升數(shù)據(jù)查詢效率。應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)據(jù)的一致性、完整性以及容錯(cuò)等基本功能，避免長(zhǎng)時(shí)間占用資源，引起死鎖；系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，刪除廢棄數(shù)據(jù)，保持良好性能。

3.2.3 空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)優(yōu)化

采用多級(jí)空間索引機(jī)制，對(duì)平臺(tái)涉及空間數(shù)據(jù)采用按行政分區(qū)、多級(jí)比例尺地圖、分幅索引等多級(jí)進(jìn)行索引，實(shí)現(xiàn)地圖顯示的平滑過(guò)渡和逐步載入。如二維矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、DEM地形地貌數(shù)據(jù)等，采用影像金字塔、隔行掃描策略、空間多分辨率編碼，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化數(shù)據(jù)顯示效率。

4 數(shù)據(jù)資源池的應(yīng)用

水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)數(shù)據(jù)資源池融合了水利普查中各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程模型以及無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)[3]。該平臺(tái)的應(yīng)用可以貫穿水利行業(yè)的各個(gè)方面，包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)與管理和咨詢決策等。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，該平臺(tái)所提供的數(shù)據(jù)可用于制定更為科學(xué)合理的水利規(guī)劃方案，為水利資源的合理配置和高效利用提供有力的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)還可以與其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，為城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供支持。例如，將水利普查數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和氣候變化研究等領(lǐng)域；將水利普查數(shù)據(jù)與城市規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以用于城市水資源管理和城市規(guī)劃等領(lǐng)域。

在工程建設(shè)與管理方面，該平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)可以用于水利工程的設(shè)計(jì)、施工和管理工作中。例如，利用遙感影像數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)可以生成三維地形模型，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行更為精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)；利用GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水利工程的選址、布局和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

在咨詢決策方面，該平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)可以為決策者提供科學(xué)依據(jù)。例如，利用水利普查數(shù)據(jù)可以對(duì)水資源進(jìn)行科學(xué)評(píng)估和調(diào)配，為水資源管理和保護(hù)提供依據(jù)；同時(shí)，這些數(shù)據(jù)還可以用于水文氣象預(yù)報(bào)、防洪抗旱等工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)數(shù)據(jù)資源池的建立和應(yīng)用為水利行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的支持。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了水利普查數(shù)據(jù)的集中式管理和自動(dòng)化處理，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，為水利行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域提供了科學(xué)依據(jù)和決策支持。

未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷提高，水利普查數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)數(shù)據(jù)資源池還有很大的提升空間。例如，可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法和技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度；可以進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)安全保障機(jī)制，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性和保密性；可以進(jìn)一步拓展該平臺(tái)的兼容性和擴(kuò)展性，為更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持。