河道堤防工程管理三维仿真系统的设计与开发

河道堤防工程管理三维仿真系统的设计与开发何保国邱儒琼（湖北省基础地理信息中心湖北武汉430071）摘要以湖北省长江河道堤防工程管理三维仿真系统开发为背景,介绍基于ArcEngine的大数据量河道三维仿真系统的设计与实现。采用地理信息系统技术、遥感技术、虚拟现实技术、数据库技术、多媒体技术、互联网技术、面向对象系统设计与分析技术,使系统具有体系结构清晰合理、技术先进、扩展性好、查询方便、三维场景数据量大、功能强大等特点,能有效地为长江堤防管理单位的高效管理、研究和规划服务，提升湖北省河道堤防管理的现代化管理水平,加快以“数字长江”为目标的信息化建设步伐。对其他大数据量三维地理信息系统的实现具有较高的参考价值。关键词三维地理信息系统、堤防、长江、ArcEngine1引言21世纪，“实现传统水利向现代水利、可持续发展水利转变”的新治水思路要求把水利信息化放在优先的位置。构筑湖北省的“防洪减灾体系、水资源保障系统和水生态环境保护体系”必须通过水利信息化这个重要措施和关键环节来实现，因此，在当前的新形势下，如何利用现代信息技术提高河道堤防及分蓄洪区等工程的管理水平向我们提出了一个严峻的挑战。“九八”大洪水之后，国家加大了治理大江大河的力度，在投巨资进行湖北长江干堤的工程建设的同时，也安排了非工程项目，特别是配套实施了信息化工程项目，给堤防工程建设与管理的现代化信息建设提供了机遇；在二00五年湖北省水利局长会议上，将进一步推进水利信息化工作列为一项重要任务，其中开发河道堤防工程管理三维仿真系统软件列为重点项目。依托信息基础设施，开发三维仿真系统软件，是信息化效果的最直接体现。统一规划、开发湖北省长江河道堤防三维仿真系统软件，可以有效节省投资、实现信息资源共享、统一规范管理模式。因此，开发湖北省长江河道堤防三维仿真系统是一项重要且迫切的任务，同时具有十分重要的意义。2、设计目标根据堤防及分蓄洪区工程现代化管理的实际需求,以现代信息技术为手段,建立覆盖湖北省的河道堤防及分蓄洪区工程管理的河道堤防三维仿真系统,实现”管理自动化、信息网络化、服务智能化”,为防汛决策、河道堤防及分蓄洪区工程建设与管理、日常办公提供全面、及时、准确的信息服务和技术支持,初步建成现代化的湖北省堤防工程管理体系，促进湖北省水利信息化建设。系统以长江湖北段为核心，以上起三峡大坝，下至黄梅小池，长约1000公里，宽约1—4公里范围的沿江基础地理信息数据与专题数据为基础，利用三维地理信息系统、虚拟现实、数据库、互联网等现代技术[1]，搭建长江湖北段堤防三维虚拟现实，集河道及堤防工程信息数据的采集、管理、分析、处理、显示和应用为一体，实现堤防三维动态交互式浏览及堤防工程项目成果的三维可视化。通过对河道堤防设施的管理、建设、运行等信息的集成管理，可实现在二维、三维窗口中灵活查询、展现各类堤防、水闸、险工险段、防汛资料等信息；通过空间分析、计算、查询等功能，建立基于GIS的三维可视化辅助评价决策支持平台，为堤防管理单位的高效管理、研究和规划服务，提升湖北省河道提防管理局的现代化管理水平。系统主要功能包括：二三维场景控制、坐标定位、位置查找、信息查询、工程浏览、工程查询、路线飞行、书签管理、专题图管理、缓冲区分析、断面分析、通视分析、距离量算、面积量算、图层控制等。3、数据库结构设计本系统涉及四个数据库：空间地理信息数据库、基础工情信息数据库、社会经济信息数据库、三维模型数据库。空间地理信息数据库是河道堤防三维仿真系统中二维GIS视图中的基础底图，是整个系统的空间定位的核心。空间地理信息数据库包含基础地理信息数据库和专题地理信息数据库，前者存储所有1:10000和1:250000基础地理信息数据，后者存储所有河流、水库等专题地理信息数据。基础工情信息数据库的数据是按照具体业务需要，在基础地理数据之上生成的，其坐标系统和比例尺应与所对应的基础底图相同。在系统运行过程中，主要由基础工情信息数据库参与专题业务信息的处理，包括二维GIS专题信息查询和三维浏览时专题信息查询。三维模型数据库存储所有水利工程三维模型，系统运行时调用这些模型展现三维场景。目前，系统所需要的三维专题水利工程模型如水闸、堤防、控制站、机电排灌站12个；特殊模型如特殊涵闸、跨河大桥26个。文件格式为flt，所有的三维水利工程模型均可使用3DMax、MultiGenCreator等三维建模工具进行单独建模。数据库逻辑结构图如下所示：4、系统功能设计目前，面向对象方法是软件开发方法的主流方法，面向对象方法克服了传统的结构化分析方法的代码复用困难、对于复杂系统功能难于扩充、不易维护等弊端，在软件系统日益庞大、结构日益复杂的今天得到广泛的使用，是目前最流行的系统分析和设计技术；UML是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言，它溶入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术，它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程[2],因此，本系统采用面向对象方法进行设计与分析，采用UML进行系统建模。湖北省河道堤防三维仿真系统系统级需求用例图如下图所示：主要功能简介如下：场景控制：完成二、三维场景放大、缩小、漫游、模式切换等操作坐标定位：完成坐标的输入及定位功能位置查找：包括地名查找和空间矢量要素查找信息查询：查询用户鼠标点中的空间实体的属性信息和专题信息工程查询：根据工程代码或桩号在用户可访问的工程中查询工程详细信息工程浏览：根据用户相关信息和行政区划显示所有工程，可查询每个工程的详细信息并定位工程空间分析：包括二维缓冲区分析、三维断面分析、三维通视分析路线飞行：可以选择已经存在的路线进行飞行；可以在Globe控件中绘制路线进行飞行；可以在Globle控件中选择已有的路线进行飞行书签管理：实现对二维视图或三维视图的书签快速定位,方便用户进行视点跳转.书签即为当前视图视点,书签可以被创建,删除,修改,水文预警：当某个水位站的当前水位接近警戒水位时，提示用户，用户可以对该水位站进行快速定位或查询其水位相关详细信息；同时，将该水位站新增到预警水位站列表中；若已经存在的预警水位站因为水位降低而退出预警状态，也会提示用户之，并将该水位站从预警水位站列表中删除。视频：用户选择某个视频摄像头，进行视频观看其它还包括：图层控制、图面清理、距离量算、面积量算、水位模拟、绕点旋转等功能5、系统开发与实现本系统采用客户机/服务器模式(Customer/Sever)，提高了系统的可扩充性和可维护性；客户端操作系统选择WindowsXP，服务器端操作系统采用WindowsServer2003;GIS开发平台选择ESRI公司的ArcEngine9.2[3]，开发语言选择VB6.0；采用RationalRose作为UML建模工具，采用VisualSouceSafe进行版本控制，系统主界面如下图所示：6、系统特点6.1数据复杂、数据量大本系统包括基础地理信息数据、专题地理信息数据、基础工情数据、社会经济数据、元数据五大类，其中，基础地理信息数据包括全省25万道路、居民地、地貌、水系、境界矢量数据；分蓄洪区5万行政村、居民点、街道、公路、居民地、水系矢量数据；长江湖北段沿线1万名称注记、植被、水系、管线、道路、植被、地貌、居民地矢量数据；长江湖北段沿岸1万DEM数据；湖北省全省5万DEM数据；湖北省25米分辨率卫星影像数据、长江湖北段沿岸0.5米分辨率高清晰航片数据。专题地理信息数据包括水利工程数据，如水位站、控制站、点状湖泊、点状水库、线状河流、跨河工程、面状水库、面状湖泊；分蓄洪区及附属设施数据，如躲水楼、安全台、口门、转移道路、主要桥梁、安全区、蓄滞(行)洪区；堤防工程数据，包括堤防、桩号、险点险段、防汛仓库、水闸、码头、管理单位、穿堤建筑物、视频监控点、机电排灌站、采砂区、防浪林、圩垸等。基础工情数据包括各个水利工程详细工情数据。系统数据复杂、种类繁多，既包括矢量数据、影像数据、高程数据，又包括各种格式的工程图纸数据、视频、音像资料。系统数据图层总计59个、数据库表总计97个。0.5分辨率高清晰DOM数据179G、2.5米高精度DEM数据4.6G、25米DEM数据1.4G。6.2数据处理复杂、繁琐为了收集长江沿岸各个堤防工程信息资料，满足系统建设需要，湖北省基础地理信息中心先后多次到湖北省各市堤防管理局、总段进行资料收集整理，对各种工程记录信息进行检查整理，对所有工程图纸进行扫描分类并形成电子文档，对各种照片进行扫描，对相关视频进行切割，对所有工程进行分类和行政区划确认，对所有工程进行空间定位，在此基础上，采用国家水利工程相关标准，对各工程进行工程编码，然后入库。资料收集整理、现场踏勘、扫描、编码的过程繁琐、麻烦、工作量大，需要投入大量人力物力，同时，资料入库需要编制专门的数据入库程序和数据质量检查程序。高分辨率DOM影像需要进行拼接、裁切、色调统调以及接边处理，180G的DOM影像需要耗费大量的人力资源；当前，DEM生成过程中，由于各种误差的存在及生产条件和技术限制，生产出的DEM不能满足河道堤防三维建模的需要，必须编制专门程序对DEM进行特殊处理。三维场景中，三维模型有14类，高达7000个。对各类模型均需依据其所代表的堤防工程分别建模，模型的样式应能反应相应水利工程的基本特征，特殊模型如北闸、三峡大坝还应到现场拍摄真实纹理。对通用模型，在能反应相应水利工程的基本特征的基础上，还应合理选择适当的模型精细度，以降低系统显示模型时的资源消耗。模型完成后，需编制专门的模型数据处理程序对模型进行属性编辑处理，包括：模型坐标、模型所代表的水利工程的工程代码、模型大小等，最后，在三维场景中，对所有模型进行朝向人工处理，形成最终的三维模型数据库。鉴于湖北省长江河道堤防三维仿真系统数据量大这一基本特点，要保持系统具有较高的运行速度，必须对各种数据进行优化处理，所有基础地理信息矢量数据必须设置适当显示比例尺；所有数据库中记录必须建立索引；各种DLG,DEM,DOM数据均应实施金字塔优化；系统DEM,DOM数据一次优化需要5天，优化周期长。6.3三维场景可视化要求高建成后的“湖北省长江河道堤防三维仿真系统”是一个具有海量数据信息，表现直观、形象、系统的可交互的动态数字平台。它管理和表现了整个长江湖北段1000多公里的河道场景，三维场景影像数据高达180GB，三维场景数字高程模型数据高达5.9GB，三维模型高达7000个，三维场景影像数据量是在2004年全国水利厅局长会议上获得一直好评的“黄河下游交互式三维视景系统”影像数据量的14倍。海量高清晰的影像数据、海量高精度的数字高程模型、种类繁多、数量巨大的三维模型对系统三维场景海量数据有效管理、大场景的无缝拼接显示、动态载入等能力提出了很高的要求。6.4展现内容丰富、功能强大湖北省长江河道堤防三维仿真系统可以展现丰富的水利工程信息，在系统提供的大场景三维虚拟环境下，远可以从宏观上研究考察长江湖北段整体布局，直观了解每处堤防工程的作用及各类堤防工程之间的相互关系，近可以对工程进行全方位、交互式地控制浏览察看，方便快捷地查询工程的各种工情信息，包括工程文字信息、工程图纸信息、照片信息、音视频信息等。系统还可以实时显示长江湖北段各水利控制站实时信息如实时水位等。湖北省长江河道堤防三维仿真系统既包括三维场景，还具有二维场景，并可实现二三维场景联动。二维场景就是一个二维地理信息系统，既包括放大、缩小、漫游、距离面积量算等基本功能，还包括缓冲区分析等高级GIS功能，二维场景包括59个数据图层，涵盖从基础地理到专题地理的绝大部分信息，内容丰富，数据翔实。二维场景及其相应功能极大的弥补了三维场景在空间分析、信息显示上的不足，二三维场景联合使用为长江湖北段的治理开发与管理提供了强大的可视化决策支持。7、结语21世纪，与“数字地球”相关的研究与应用在全世界范围内受到了广泛的关注，作为“数字地球”重要支撑技术之一的三维地理信息系统也相应得到了快速发展。本文以湖北省长江河道堤防工程管理三维仿真