李燕敏，賀凱盈，程 娜，任英橋，田正華

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714099； 2. 中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200000)

0 前 言

小浪底水利樞紐工程是位于黃河干流上一座集防洪減淤、泄洪排沙、供水發(fā)電等任務(wù)的綜合性水利工程。由于該水利工程關(guān)系到對(duì)黃河的有效治理和黃河下游無(wú)數(shù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，因此建立一個(gè)能夠科學(xué)、高效管理庫(kù)區(qū)各項(xiàng)事務(wù)的系統(tǒng)顯得尤為重要了。本文通過(guò)從系統(tǒng)的構(gòu)架、數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方面對(duì)如何建立庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)做了深入的研究和探討。應(yīng)用實(shí)踐表明，該系統(tǒng)在小浪底水利樞紐庫(kù)區(qū)的應(yīng)用極大了提高了管理水平和大壩的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)效能，為小浪底水利樞紐工程完成集庫(kù)區(qū)綜合治理，水資源統(tǒng)一調(diào)度，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，大壩安全監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)分析，樞紐區(qū)環(huán)境規(guī)劃等方面任務(wù)發(fā)揮了十分顯著的作用。

1 工程概況

黃河小浪底水利樞紐位于黃河中游豫、晉兩省交界處，位于河南省洛陽(yáng)市孟津縣小浪底，在洛陽(yáng)市以北黃河中游最后一段峽谷的出口處，南距洛陽(yáng)市40 km，上距三門(mén)峽壩址130 km，下距鄭州花園口128 km。

小浪底水利樞紐是一座大型綜合利用的水利樞紐。小浪底水庫(kù)北依王屋、太行二山，南抵崤山余脈，西起平陸縣杜家莊，東至濟(jì)源市(原濟(jì)源縣)大峪河。南北最寬處約72 km，東西長(zhǎng)93.6 km。正常蓄水位時(shí)淹沒(méi)影響面積277.8 km2，施工區(qū)占地23.33 km2。工程主要建筑物由主壩、泄洪排沙系統(tǒng)和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，主壩為壤土斜心墻堆石壩，最大壩高160 m，壩頂長(zhǎng)1 667 m；泄洪排沙系統(tǒng)包括進(jìn)水塔，3條直徑為14.5 m的孔板消能泄洪洞，3條斷面尺寸為(10.0 m～10.5 m)×(11.5 m～13.0 m)的明流泄洪洞，3條直徑為6.5 m的排沙洞，一條溢洪道和一座兩級(jí)消能消力塘；引水發(fā)電系統(tǒng)包括6條直徑為7.8 m的引水發(fā)電洞，一座長(zhǎng)251.5 m、跨度26.2 m、最大開(kāi)挖高度61.4 m、裝機(jī)容量為6×300 MW的地下廠房，一座主變室，一座尾水閘門(mén)室和3條斷面為12.0 m×19.0 m的尾水洞，一座6孔防淤閘，一座228.5 m×153.0 m的220 kV地面式開(kāi)關(guān)站。

本項(xiàng)目的建設(shè)是在已有庫(kù)壩區(qū)航空攝影測(cè)量影像成果等基礎(chǔ)地理信息基礎(chǔ)上，補(bǔ)充獲取樞紐管理區(qū)重點(diǎn)部位的三維空間信息和背景區(qū)域的衛(wèi)星遙感影像和數(shù)字高程模型，建設(shè)以庫(kù)區(qū)土地管理、庫(kù)區(qū)水體管理、庫(kù)區(qū)滑坡體管理、庫(kù)區(qū)泥沙淤積分析、水庫(kù)周邊地震信息管理和大壩安全監(jiān)測(cè)信息三維展示為核心業(yè)務(wù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；基于“3S”集成的理論和技術(shù)，充分利用三維可視化技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)等現(xiàn)代高新技術(shù)，構(gòu)建三維地理信息基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的集成和管理。在二、三維交互式數(shù)字地圖環(huán)境中直觀地展現(xiàn)全區(qū)地形、地貌、水系、道路等基礎(chǔ)信息，滿足小浪底水利樞紐運(yùn)行管理及庫(kù)區(qū)管理需求。增設(shè)管網(wǎng)信息系統(tǒng)，為樞紐運(yùn)行管理、維護(hù)維修、后續(xù)施工等提供指導(dǎo)，并集成大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息管理方式由二維向三維提升，為打造國(guó)內(nèi)一流的三維地理信息綜合平臺(tái)、初步實(shí)現(xiàn)數(shù)字小浪底奠定基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于實(shí)用性、先進(jìn)性原則，穩(wěn)定性、可靠性原則，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化原則，易用性原則，開(kāi)放性和可擴(kuò)展性原則，安全性原則，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的選用的平臺(tái)、庫(kù)區(qū)管理的業(yè)務(wù)內(nèi)容、大壩安全監(jiān)測(cè)成果的三維可視化展示[1]，需要保證較好的圖形交互，和一定的響應(yīng)速度，以及系統(tǒng)平臺(tái)安全性、穩(wěn)定性綜合考慮，因此采用成熟的三層C/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫(kù)層/平臺(tái)及服務(wù)層/應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)。

平臺(tái)軟件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)[2-3]。本方案設(shè)計(jì)二維GIS平臺(tái)采用了國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最先進(jìn)的ESRI ArcGIS。ArcGIS的先進(jìn)性、開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性，保證了基于其所構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放和可持續(xù)發(fā)展。其優(yōu)勢(shì)在于海量數(shù)據(jù)的管理，多用戶支持；提供開(kāi)放的數(shù)據(jù)訪問(wèn)；支持復(fù)雜空間數(shù)據(jù)提取和分析，支持面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型(GeodataBase)。支持緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑事件分析等；對(duì)多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的互操作支持。

庫(kù)區(qū)管理的三維可視化平臺(tái)選用的Skyline平臺(tái)是一套完整的三維空間數(shù)據(jù)交互式可視化解決方案平臺(tái)，憑借其國(guó)際領(lǐng)先的大場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)組織算法和三維顯示技術(shù)，成為了在國(guó)內(nèi)引進(jìn)的三維可視化GIS平臺(tái)領(lǐng)域表現(xiàn)最突出的代表[4]。

大壩安全監(jiān)測(cè)的三維可視化平臺(tái)，采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VR-DAM進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該平臺(tái)擁有高速3D引擎，能對(duì)海量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，進(jìn)行精密的三維空間查詢、分析和運(yùn)算，已成為水利行業(yè)目前最為優(yōu)秀的三維GIS軟件平臺(tái)之一。

其中數(shù)據(jù)庫(kù)層負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的組織和集成建庫(kù)；平臺(tái)及服務(wù)層的基礎(chǔ)是GIS平臺(tái)、三維可視化平臺(tái)[5]，平臺(tái)服務(wù)層需要提供基本的數(shù)據(jù)服務(wù)和共用服務(wù)(組件)，如地圖數(shù)據(jù)服務(wù)、三維瀏覽與表現(xiàn)服務(wù)和基本空間分析服務(wù)；應(yīng)用層包括庫(kù)區(qū)管理應(yīng)用和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成以及用戶交互及操作界面，系統(tǒng)基于這些平臺(tái)及服務(wù)組件完成其專(zhuān)業(yè)展示和分析計(jì)算，提供信息化處理應(yīng)用的操作界面，并實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)模塊的功能需求[6]，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

系統(tǒng)運(yùn)行必需的平臺(tái)軟件，包括操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS平臺(tái)、三維可視化平臺(tái)[7]。

1)操作系統(tǒng)。服務(wù)器端推薦選用Windows 2008 Server作為操作系統(tǒng)?？蛻舳耸褂肳indows7以上主流操作系統(tǒng)；

2)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)選型需要綜合考慮海量空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理要求[8]，以及對(duì)安全性、穩(wěn)定性、兼容性等要求，擬選用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)；

3)GIS平臺(tái)。綜合考慮對(duì)空間信息技術(shù)應(yīng)用需求，擬選用ESRI公司的 ArcGIS系列軟件作為GIS平臺(tái)；

本法所稱集體商標(biāo)，是指以團(tuán)體、協(xié)會(huì)或者其他組織名義注冊(cè)，供該組織成員在商事活動(dòng)中使用，以表明使用者在該組織中的成員資格的標(biāo)志。

4)三維可視化平臺(tái)?？紤]到平臺(tái)既要滿足庫(kù)區(qū)管理中規(guī)劃成果的可視化、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)分析方面的需求，同時(shí)充分考慮所選平臺(tái)適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，二次開(kāi)發(fā)和集成能力，數(shù)據(jù)接口開(kāi)放等要求，主要三維可視化平臺(tái)選用Skyline。

3.2 庫(kù)區(qū)管理應(yīng)用和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成

3.2.1 庫(kù)區(qū)管理應(yīng)用模塊功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1)庫(kù)區(qū)管理應(yīng)用模塊功能設(shè)計(jì)

庫(kù)區(qū)管理應(yīng)用包含的模塊主要有：庫(kù)區(qū)土地管理、庫(kù)區(qū)水體管理、庫(kù)周地震信息管理、庫(kù)區(qū)水情沙情信息管理(含庫(kù)區(qū)泥沙淤積形態(tài)展示)、文檔資料管理及用戶管理等。庫(kù)區(qū)土地管理模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有岸線功能分區(qū)及屬性信息錄入、指定水位淹沒(méi)范圍顯示、以縣為單位淹沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)、違章建筑信息錄入和查詢、輔助庫(kù)區(qū)土地利用規(guī)劃。庫(kù)區(qū)水體管理模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有養(yǎng)殖區(qū)信息的錄入、輔助養(yǎng)殖規(guī)劃、排污口基本信息入庫(kù)。庫(kù)區(qū)地震信息監(jiān)測(cè)管理模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有微震臺(tái)網(wǎng)在三維地圖中的展示、強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)在三維地圖中的展示、地震監(jiān)測(cè)信息批量導(dǎo)入、地震目錄數(shù)據(jù)的查詢、設(shè)置條件對(duì)地震進(jìn)行篩選顯示。庫(kù)區(qū)周?chē)嗌秤^測(cè)信息管理實(shí)現(xiàn)的主要功能有泥沙觀測(cè)斷面展示、泥沙觀測(cè)信息批量導(dǎo)入、指定斷面、某次觀測(cè)時(shí)泥沙含量等觀測(cè)信息曲線圖繪制、泥沙斷面監(jiān)測(cè)成果圖及報(bào)表輸出。輔助分析決策模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要有庫(kù)容計(jì)算、量算分析、地形剖面繪制、坡度分析、緩沖區(qū)分析、圖屬互查。

2)庫(kù)區(qū)管理應(yīng)用部分功能展示

系統(tǒng)彈出界面，用戶輸入淹沒(méi)水位，并指定某個(gè)行政區(qū)域(縣)，系統(tǒng)在三維場(chǎng)景中以表面填充的形式顯示該行政區(qū)域內(nèi)的淹沒(méi)范圍，計(jì)算相應(yīng)該行政區(qū)域內(nèi)的淹沒(méi)土地面積，最終以統(tǒng)計(jì)表格形式輸出。

通過(guò)進(jìn)行斷面基本設(shè)置，選定測(cè)次名稱和進(jìn)行斷面定位，即可在統(tǒng)計(jì)圖窗口顯示河流的斷面圖。

3.2.2 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成模塊功能設(shè)計(jì)

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成基于三維GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)等高新技術(shù)，結(jié)合水利工程及大壩安全監(jiān)測(cè)專(zhuān)業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)完成。它將庫(kù)區(qū)實(shí)景，樞紐結(jié)構(gòu)及安全監(jiān)測(cè)信息相結(jié)合，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和直觀展示。該系統(tǒng)集成包含的模塊為二維信息的輸出、三維成果展示和文檔管理。二維信息輸出模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能包括信息查詢、圖表輸出、檢驗(yàn)分析；三維成果展示模塊主要功能展示重要水工建筑物(如大壩、主廠房、廊道、泄洪洞等)和重要測(cè)點(diǎn)的三維模型，對(duì)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行查詢和分析；文檔管理模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是各類(lèi)文檔資料的入庫(kù)、查詢、修改、復(fù)制、預(yù)覽等。

2)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成部分功能展示

條件查詢。用戶成功登陸并且連接數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入查詢條件(工程部位、監(jiān)測(cè)類(lèi)型、儀器類(lèi)型、測(cè)點(diǎn)編號(hào)、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等)，顯示并以特定格式導(dǎo)出查詢結(jié)果。

圖2～3為空間查詢部分的相關(guān)效果圖。

圖2 空間點(diǎn)擊查詢

圖3 查詢過(guò)程線圖

室內(nèi)外一體化漫游與信息查詢?；诮ㄖ锸覂?nèi)結(jié)構(gòu)，對(duì)室內(nèi)漫游建筑物進(jìn)行空間剖分，建立起室內(nèi)多細(xì)節(jié)實(shí)體層次關(guān)系，同時(shí)在室內(nèi)數(shù)據(jù)有效管理基礎(chǔ)上，采用動(dòng)態(tài)的建筑物室內(nèi)外交互可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地上地下、室內(nèi)外三維表達(dá)與漫游的有機(jī)整合。

在三維環(huán)境下，完成各項(xiàng)量算操作，為三維數(shù)字展示、輔助分析與管理提供基礎(chǔ)。提供的量算功能有：高度量算、距離量算、角度量算、面積量算、坐標(biāo)查詢、地表距離、地表面積，為基于小浪底的三維數(shù)字展示、輔助分析和管理提供基礎(chǔ)的技術(shù)支撐。

監(jiān)測(cè)展示分析。該功能可以更主觀地展示大壩斷面內(nèi)部滲壓計(jì)等水位線的三維分布，以及主壩防滲體系上游、心墻內(nèi)部、下游三個(gè)縱斷面滲壓計(jì)測(cè)值水頭的三維分布圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

小浪底工程庫(kù)區(qū)及樞紐區(qū)管理三維地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目充分利用三維可視化技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通訊和高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)，在構(gòu)建三維地理信息基礎(chǔ)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了小浪底庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)及小浪底大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在小浪底水利樞紐工程庫(kù)區(qū)進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，其穩(wěn)定性、可靠性以及可擴(kuò)展性方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，為小浪底工程的科學(xué)管理和分析決策提供了一個(gè)良好的技術(shù)平臺(tái)，使得庫(kù)區(qū)的管理以及決策走向自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化。