閆 莉 ，彭 勃 ，余真真 ，姜仁貴

（1.黃河水資源保護科學(xué)研究院，450004，鄭州；2.水利部黃河水利委員會，450003，鄭州；3.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，710048，西安）

玉樹州三江源區(qū)水資源三維電子沙盤技術(shù)與架構(gòu)

閆 莉1，彭 勃2，余真真1，姜仁貴3

（1.黃河水資源保護科學(xué)研究院，450004，鄭州；2.水利部黃河水利委員會，450003，鄭州；3.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，710048，西安）

三江源是我國重要江河源頭的匯水區(qū)，是國家生態(tài)安全、水源涵養(yǎng)、世界高海拔生物多樣性保護的關(guān)鍵區(qū)域?；诂F(xiàn)代信息處理及軟件平臺構(gòu)建技術(shù)，建設(shè)了玉樹州三江源區(qū)水資源三維電子沙盤系統(tǒng)。系統(tǒng)集數(shù)據(jù)管理、信息展示、空間分析、可視化模擬仿真、業(yè)務(wù)管理、輔助決策等功能于一體，實現(xiàn)了水資源的數(shù)字化管理。成果可為三江源區(qū)水生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐。

水資源；三維電子沙盤；信息化；地理信息系統(tǒng)；三江源

一、三維電子沙盤系統(tǒng)建立背景

玉樹州三江源區(qū)位于我國西部，地處世界屋脊青藏高原的腹地，為長江、黃河和瀾滄江的源頭匯水區(qū)，是我國生態(tài)安全、水源涵養(yǎng)、世界高海拔生物多樣性保護的關(guān)鍵地區(qū)，戰(zhàn)略地位十分重要。三江源區(qū)供給黃河徑流49%，雅魯藏布江、瀾滄江和怒江每年出境水量約5000億m3，是我國水資源的戰(zhàn)略儲備區(qū)。

在氣候變化影響、人類活動加劇雙重作用下，三江源區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，不斷惡化的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要制約。當(dāng)前，三江源區(qū)開發(fā)保護得到了國家和地方的高度重視，但是玉樹州水資源保護措施較為薄弱，實地調(diào)查、監(jiān)控難度大，缺乏對水資源管理相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整合，遠不能滿足水資源保護的要求。尤其是當(dāng)?shù)厮畔⒒€處于基礎(chǔ)設(shè)施完善和業(yè)務(wù)應(yīng)用初步建立的階段，水資源信息化支撐能力亟待提高。為此，玉樹州水利局提出建立三江源區(qū)水資源三維電子沙盤系統(tǒng)，實現(xiàn)信息化與水利現(xiàn)代化相結(jié)合，為三江源區(qū)水資源管理和水生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)手段支撐。

二、三維電子沙盤內(nèi)容概況

三維電子沙盤又稱三維數(shù)字地圖，是遙感、地理信息系統(tǒng)、三維仿真等技術(shù)的結(jié)合，能實時動態(tài)地查找每一點的地理位置及其屬性并提供信息、計算和決策服務(wù)支持?；诂F(xiàn)代信息處理及軟件平臺構(gòu)建技術(shù)，建設(shè)玉樹州三江源區(qū)水資源三維電子沙盤系統(tǒng)，通過整合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史水文數(shù)據(jù)、GIS、GPS、RS等， 建立三江源電子沙盤數(shù)據(jù)庫和三維數(shù)字地球服務(wù)平臺，為三江源區(qū)水文、水資源業(yè)務(wù)提供信息服務(wù)、計算服務(wù)和決策服務(wù)。

①建立多源數(shù)據(jù)融合與電子沙盤數(shù)據(jù)庫。對玉樹州三江源區(qū)的歷史水文數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、空間地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進行整理和分析，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合。建設(shè)水文數(shù)據(jù)庫、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、空間地理信息數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)資源的整合與共享。

②設(shè)計三維數(shù)字地球服務(wù)平臺，整合GIS、GPS及RS數(shù)據(jù)，為電子沙盤平臺建設(shè)提供基礎(chǔ)平臺。

③開發(fā)水資源電子沙盤業(yè)務(wù)應(yīng)用。基于三維數(shù)字地球平臺開發(fā)面向玉樹州三江源區(qū)水資源電子沙盤業(yè)務(wù)服務(wù)，采用三維建模軟件進行三維實體建模，為三江源區(qū)水文及水資源管理提供三維模型展示、信息服務(wù)、空間分析及輔助決策等功能。

三、三維電子沙盤架構(gòu)設(shè)計

基于現(xiàn)代信息處理及軟件平臺構(gòu)建技術(shù)，建設(shè)玉樹州三江源區(qū)水資源三維電子沙盤系統(tǒng)，項目實施時將系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)成基于數(shù)字地球的信息服務(wù)平臺。平臺設(shè)計具備兼容性、可擴展性、部署靈活性和可維護性，系統(tǒng)總體框架采用成熟的J2EE多層技術(shù)架構(gòu)，存儲、服務(wù)器系統(tǒng)在玉樹藏族自治州水利局相對集中部署，采用C/S模式，在多源數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上提供數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用功能以及信息服務(wù)，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。另外，平臺中的業(yè)務(wù)應(yīng)用應(yīng)與數(shù)據(jù)保持相對獨立，減少應(yīng)用系統(tǒng)各功能模塊間的依賴關(guān)系，通過定義良好的接口與協(xié)議形成松散耦合型系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)間信息交換的同時，盡量保持系統(tǒng)相對獨立運行。

三江源區(qū)水資源三維電子沙盤系統(tǒng)總體框架由數(shù)據(jù)層、核心層、應(yīng)用服務(wù)層和客戶層四層構(gòu)成。此系統(tǒng)框架充分利用了J2EE架構(gòu)、Swing組件以及3S結(jié)合等技術(shù)，通過地理數(shù)據(jù)、歷史水文與地形數(shù)據(jù)的集成與融合，構(gòu)建關(guān)系數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、歷史水文數(shù)據(jù)庫和地形數(shù)據(jù)庫等，為管理軟件提供應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；發(fā)揮3S技術(shù)特點和優(yōu)勢，為上層提供獨特的三維可視化以及3S系列等應(yīng)用功能；通過Swing界面編程組件技術(shù)提供基于C/S客戶端的數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用等功能；通過數(shù)據(jù)互操作環(huán)境。其中，數(shù)據(jù)層建設(shè)是三江源區(qū)水資源三維電子沙盤系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)管理服務(wù)的基礎(chǔ)環(huán)境，通過搭建各類數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、水文與地形數(shù)據(jù)的融合。

圖1 玉樹州三江源區(qū)水資源電子沙盤總體框架

四、三維電子沙盤關(guān)鍵技術(shù)

1.3S技術(shù)集成

3S是地理信息系統(tǒng)、遙感和全球定位系統(tǒng)3個名稱的英文縮寫，是GIS、RS、GPS 這 3 項相互獨立而在應(yīng)用上又密切關(guān)聯(lián)的高新技術(shù)的簡稱。3S技術(shù)的集成是當(dāng)前測繪技術(shù)、攝影測量和遙感技術(shù)、地圖制圖技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、地理信息技術(shù)、計算機技術(shù)、專家系統(tǒng)和定位技術(shù)及數(shù)據(jù)通信技術(shù)的結(jié)合與綜合應(yīng)用。就在集成體中的作用及地位而言，GIS相當(dāng)于人的大腦，對所得的信息加以管理和分析，RS和GPS相當(dāng)于人的兩只眼睛，負責(zé)獲取海量信息及其空間定位。RS、GPS和GIS三者的有機結(jié)合，構(gòu)成了整體上的實時動態(tài)對地觀測、分析和應(yīng)用的運行系統(tǒng)，為科學(xué)研究、政府管理、社會生產(chǎn)提供了新一代的觀測手段、描述語言和思維工具。目前3S技術(shù)的結(jié)合與集成研究已經(jīng)有了一定發(fā)展，正在經(jīng)歷從低級向高級發(fā)展和完善的過程。在3S系統(tǒng)的低級階段，系統(tǒng)之間是通過互相調(diào)用一些功能來實現(xiàn)的；在3S集成的高級階段，三者之間不只是相互調(diào)用功能，而是直接共同作用，形成有機的一體化系統(tǒng)，從而快速準(zhǔn)確地獲取定位的現(xiàn)勢信息，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)更新，實現(xiàn)實時實地現(xiàn)場查詢和分析判斷。

2.數(shù)字地球

數(shù)字地球可以理解成對現(xiàn)實地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一的數(shù)字化重現(xiàn)和認識。其核心思想是運用數(shù)字化手段來處理整個地球的自然和社會活動等方面問題，最大限度地利用資源，并使普通民眾能夠通過一定方式方便地獲得他們所想了解有關(guān)地球的信息。其特點是嵌入海量地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多分辨率、三維地球的描述，即“虛擬地球”。通俗地講，就是在計算機上用數(shù)字化的方法對地球、地球上的活動及整個地球環(huán)境的時空變化進行模擬，使之最大限度地為人類生存及可持續(xù)發(fā)展和日常工作、生活、娛樂服務(wù)。嚴(yán)格地講，數(shù)字地球是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運用海量地理信息對地球進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，并利用其作為工具來支持和改善人類活動、生活質(zhì)量。

3.水利GIS與數(shù)字地球融合

通過影像金字塔及數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實現(xiàn)地球模型的構(gòu)建，采用地圖服務(wù)器，通過構(gòu)建遵循美國“開放式地理空間協(xié)會”（OpenGIS Consortium，簡稱OGC）規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，實現(xiàn)水利GIS數(shù)據(jù)與數(shù)字地球信息的融合。采用遵循OGC標(biāo)準(zhǔn)的開源WMS和WFS.T地圖服務(wù)器，并兼容兩者特性，支持PostGIS、Shapefile及MapInfo等多種數(shù)據(jù)格式，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò) 地 圖 輸 出 為 OpenLayers、KML、PDF、SVG及GeoRSS等格式。地圖服務(wù)器采用純Java編寫，基于J2EE架構(gòu)及Selvlet框架，可以被部署在Web應(yīng)用服務(wù)器中，本身包含完整的管理配置組件，通過固定URL訪問，用戶安全登錄后可以實現(xiàn)對管理、配置和樣例3個組件的操作，其中配置組件能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的設(shè)置和生成。

地圖樣式表（SLD）是地圖服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，它是OGC制定的一種基于XML語言的文本文件，用來描繪特征數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，可以跨平臺使用，能夠精確控制圖層上每一個特征要素的表現(xiàn)形式，靈活地顯示不同狀態(tài)下的空間要素。

4.標(biāo)準(zhǔn)化互操作環(huán)境

數(shù)字地球信息服務(wù)平臺數(shù)據(jù)量大，而且很多來自異構(gòu)平臺，高效整合不同格式的數(shù)據(jù)需要提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)互操作環(huán)境。本項目結(jié)合WW的特點以及應(yīng)用需求，采用開放式地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范作為數(shù)據(jù)互操作標(biāo)準(zhǔn)。開放式地理數(shù)據(jù)互操作規(guī)范（簡稱 OpenGIS），由 OGC 提出，目標(biāo)是提供一套具有開放界面規(guī)范的通用組件，開發(fā)者根據(jù)規(guī)范開發(fā)出交互式組件，這些組件可以實現(xiàn)不同種類地理數(shù)據(jù)和地理處理方法間的透明訪問，基于OpenGIS規(guī)范的數(shù)據(jù)操作具有更好的可擴展性、可移植性、開放性、互操作性和易用性。OpenGIS是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中增強空間信息和位置技術(shù)的互操作性，陳述空間界面規(guī)范，開發(fā)者根據(jù)這些規(guī)范開發(fā)出交互式組件，實現(xiàn)不同種類地理數(shù)據(jù)和地理處理方法間的透明訪問。

在本項目中將實施的標(biāo)準(zhǔn)化互操作主要包括 WMS、WFS、WPS、GML等規(guī)范。WMS主要提供地圖數(shù)據(jù)的圖像發(fā)布、疊加和渲染；WFS主要對OpenGIS簡單要素的數(shù)據(jù)編輯進行規(guī)范，從而使服務(wù)器端和客戶端能夠在要素層面進行通信；WPS是一種提供空間算法和處理的服務(wù)，采用Web Service的方式來實現(xiàn)GIS的業(yè)務(wù)邏輯，并可以在此基礎(chǔ)上擴展空間算法；GML是基于XML的地理信息編碼規(guī)范，主要用于地理信息的建模、傳輸和存儲。

五、應(yīng)用實例

1.信息服務(wù)

基于電子沙盤的信息服務(wù)功能主要包括區(qū)域信息、測站信息、河道信息、生態(tài)文明、三江源頭、河流湖泊、冰川雪山、人飲工程、水閘工程、水庫工程、堤防工程、水電站工程、機電井工程、取水口工程。

2.統(tǒng)計服務(wù)

統(tǒng)計服務(wù)功能主要包括氣象信息服務(wù)、地下水服務(wù)、徑流量統(tǒng)計、輸沙量統(tǒng)計、水資源量統(tǒng)計、供用水量統(tǒng)計、水功能區(qū)服務(wù)、水源地服務(wù)功能。

3.輔助決策服務(wù)

決策服務(wù)功能主要包括空間巡視、預(yù)案管理、應(yīng)急響應(yīng)、空間分析、地圖操作、地理信息服務(wù)、應(yīng)用截屏等功能，這些功能都是基于數(shù)字地球基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。

六、建設(shè)成果

①搭建了玉樹州三江源區(qū)水資源電子沙盤基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，基于數(shù)字地球平臺融合影像數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等，建立了水資源電子沙盤基礎(chǔ)平臺。

②收錄了基礎(chǔ)地理信息、水利普查、氣象水文和水資源數(shù)據(jù)，后續(xù)可以增補實時水資源、水生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為水資源保護提供資源整合及可視化展示環(huán)境。

③首次研究建立三江源區(qū)水資源電子沙盤，開發(fā)了信息服務(wù)、計算服務(wù)、決策服務(wù)3大類共30余項業(yè)務(wù)主題服務(wù)功能，為玉樹州三江源水資源管理和水生態(tài)文明建設(shè)提供信息化支撐。

④沙盤系統(tǒng)集數(shù)據(jù)管理、信息展示、空間分析、可視化模擬、業(yè)務(wù)管理、輔助決策等功能于一體，實現(xiàn)了玉樹州三江源區(qū)水資源的信息化管理?！?/p>

[1]韋晶，郭亞敏，孫林，等.三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價 [J].生態(tài)學(xué)雜志，2015（7）.

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Technologies and framework for three-dimensional electronic sand table of Three-River-Source Region in Yushu Prefecture

Yan Li,Peng Bo,Yu Zhenzhen,Jiang Rengui

Three-River-Source,the headstream of three major rivers in China,is crucial for national ecological security,conservation and protection of river sources and biodiversity in high-altitude region.A three-dimensional electronic sand table for Three-River-Source Region in Yushu Prefecture was created based on modernized technologies of data treatment and software platform.The system integrates data management,information display,spatial analysis,visual simulation,business management and decision making supporting systems,so as to realize digitalized management of water resources.This achievement has provided a technical base for ecological civilization in Three-River-Source Region.

water resources;three-dimensional electronic sand table;informatization;geological information system;Three-River-Source

TV+X171.4

B

1000-1123（2017）17-0033-03

2017-05-17

閆莉，高級工程師，主要研究方向為水資源保護。

國家自然科學(xué)基金（項目編號：51709126）。

責(zé)任編輯 董明銳