水利電子沙盤研究及應(yīng)用范文

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《華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第6期

摘要:針對(duì)水利工程領(lǐng)域中存在的多源數(shù)據(jù)資源難以有效融合和應(yīng)用系統(tǒng)可視化效果欠佳等問題，將沙盤引入到水利工程領(lǐng)域，構(gòu)建水利電子沙盤（Hydro-EST），基于水利電子沙盤開發(fā)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，為決策服務(wù)。提出水利電子沙盤概念，設(shè)計(jì)Hydro-EST開發(fā)流程和五層體系結(jié)構(gòu)。基于Hydro-EST開發(fā)防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)水污染事件模擬和嚴(yán)格水資源管理等水利主題服務(wù)。結(jié)果表明：Hydro-EST在保留傳統(tǒng)沙盤較好可視化效果的同時(shí)解決了水利業(yè)務(wù)應(yīng)用中多源數(shù)據(jù)資源融合、業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)復(fù)雜等問題，組件化開發(fā)避免了系統(tǒng)異構(gòu)和重復(fù)開發(fā)的弊端，體現(xiàn)了綠色發(fā)展的主旨。

關(guān)鍵詞:工程管理信息化;電子沙盤;組件化開發(fā);三維可視化

《辭海》中將沙盤定義為“根據(jù)地形圖、航空像片、實(shí)地地形，按比例尺用泥沙或其他材料及兵棋制作的一種顯示地形和地面目標(biāo)的模型”，最早用于軍事領(lǐng)域，研究作戰(zhàn)計(jì)劃。我國史書記載的最早關(guān)于沙盤的論述始于公元32年，《后漢書•馬援列轉(zhuǎn)》中記載，光武帝西征，馬媛“于帝前聚米為山谷，指畫形勢”，最終達(dá)到“虜在吾目中矣”的效果，隨后，沙盤在不同領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)沙盤占地面積大、不便于攜帶以及可視化效果欠佳等問題凸顯，由此衍生出電子沙盤，即將3S技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)+等信息技術(shù)應(yīng)用到沙盤中，構(gòu)建一個(gè)地形地貌可視、沉浸式人機(jī)交互與實(shí)時(shí)可視可信的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

水利是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是信息和技術(shù)密集型的傳統(tǒng)行業(yè)，近年來，圍繞防汛抗旱、最嚴(yán)格水資源管理和水生態(tài)文明建設(shè)等開展了大量工作，以信息技術(shù)的應(yīng)用，水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)為代表的水利信息化研究得到不斷深入，但仍存在著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)難以共享，規(guī)范化程度低，系統(tǒng)建設(shè)分散導(dǎo)致的異構(gòu)與重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重，缺乏頂層設(shè)計(jì)等問題，尤其是在水利應(yīng)用的可視化仿真與集成上研究較少。本文結(jié)合水利工程領(lǐng)域多源數(shù)據(jù)融合與信息可視化的實(shí)際需求，將沙盤應(yīng)用到水利領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了面向水利工程領(lǐng)域的水利電子沙盤（HydrologicElectronicSandTable，Hydro-EST)，針對(duì)不同水利應(yīng)用設(shè)定不同的主題，基于Hydro-EST開發(fā)防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)性水污染事件模擬、國家水資源監(jiān)控、最嚴(yán)格水資源管理、城市內(nèi)澇應(yīng)急管理和生態(tài)文明建設(shè)等水利主題服務(wù)，為用戶提供較好三維可視化效果和決策支持服務(wù)。

1水利電子沙盤設(shè)計(jì)

1.1Hydro-EST概念

Hydro-EST指基于電子沙盤的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境為水利提供主題服務(wù)，采用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源水利數(shù)據(jù)集成與融合處理，采用組件方式整合分散在不同服務(wù)器或異構(gòu)的水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)中相關(guān)應(yīng)用。數(shù)據(jù)層面上，對(duì)電子沙盤和水利業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行高效組織與管理，提出多源數(shù)據(jù)集成方案，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成與融合；功能層面上，采用組件技術(shù)開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用的，采用框架進(jìn)行封裝，通過開放應(yīng)用接口實(shí)現(xiàn)組件與電子沙盤的集成，不同業(yè)務(wù)應(yīng)用邏輯上相對(duì)獨(dú)立；應(yīng)用層面上，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用單一和表現(xiàn)力不足的缺陷，采用電子沙盤作為基礎(chǔ)平臺(tái)，具有較好表現(xiàn)力。

1.2Hydro-EST設(shè)計(jì)目標(biāo)

Hydro-EST采用組件和框架技術(shù)，遵循統(tǒng)一規(guī)范，根據(jù)電子沙盤提供的開放應(yīng)用接口進(jìn)行不同水利業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)，并封裝成組件實(shí)現(xiàn)與Hydro-EST的集成。通過多源數(shù)據(jù)集成方案實(shí)現(xiàn)電子沙盤三維可視化場景建模以及多源水利數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和融合處理，不同用戶可以在Hydro-EST上進(jìn)行個(gè)性化開發(fā)，并通過統(tǒng)一的應(yīng)用界面進(jìn)行交互。Hydro-EST整體上要實(shí)現(xiàn)海量多源數(shù)據(jù)與水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的處理、開發(fā)、集成與可視化展現(xiàn)，為用戶提供決策支持服務(wù)。根據(jù)上述目標(biāo)，Hydro-EST開發(fā)中應(yīng)遵循實(shí)用性、數(shù)據(jù)一致性、可擴(kuò)展性、集成性、安全性、界面友好與用戶交互及較好三維表現(xiàn)力等原則。

1.3Hydro-EST開發(fā)流程

Hydro-EST遵循“多源數(shù)據(jù)集成→電子沙盤開發(fā)→水利主題服務(wù)→用戶界面集成”的開發(fā)流程，通過底層的多源數(shù)據(jù)集成提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，建立水利電子沙盤三維可視化環(huán)境，通過框架技術(shù)實(shí)現(xiàn)與水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的集成，最后根據(jù)用戶需求對(duì)不同的應(yīng)用界面進(jìn)行集成。①多源數(shù)據(jù)集成是電子沙盤與應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，是Hydro-EST的最底層但又是不可或缺的重要組成部分。②電子沙盤開發(fā)。采用三維地理信息系統(tǒng)組件作為Hydro-EST的基礎(chǔ)平臺(tái)，根據(jù)組件提供的球體模型、事件監(jiān)聽機(jī)制、應(yīng)用模式和部署方案，遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，采用框架技術(shù)、數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)及可視化技術(shù)等實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的融合與組件開發(fā)。③水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用集成。在多源數(shù)據(jù)集成和電子沙盤開發(fā)基礎(chǔ)上，結(jié)合水利工程領(lǐng)域特點(diǎn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求確定主題服務(wù)，進(jìn)行水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)與集成。④用戶界面集成。不同的水利工程業(yè)務(wù)應(yīng)用可能采用多種人機(jī)交互方式，不同的用戶界面最終在Hydro-EST客戶層進(jìn)行集成。

1.4Hydro-EST體系結(jié)構(gòu)

對(duì)應(yīng)Hydro-EST開發(fā)流程，設(shè)計(jì)了Hydro-EST數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、接口層和客戶層的五層體系結(jié)構(gòu)。1)數(shù)據(jù)層通過多源數(shù)據(jù)集成方案對(duì)電子沙盤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和融合處理，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、半結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的整編與處理。2)服務(wù)層對(duì)應(yīng)開發(fā)流程中的電子沙盤開發(fā)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的部署，Web應(yīng)用服務(wù)器搭建，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化互操作規(guī)范制定以及水利業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與開發(fā)。3)應(yīng)用層指基于水利電子沙盤開發(fā)的具體水利主題服務(wù)，目前已實(shí)現(xiàn)國家水資源監(jiān)控、嚴(yán)格水資源管理、城市內(nèi)澇應(yīng)急、生態(tài)環(huán)境監(jiān)視、防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化等十多個(gè)主題服務(wù)，每個(gè)主題服務(wù)根據(jù)具體內(nèi)容包括多個(gè)功能模塊。4)接口層作為應(yīng)用層和客戶層之間的連接，為分級(jí)用戶提供人機(jī)交互的用戶接口，主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)、電子沙盤、業(yè)務(wù)應(yīng)用和決策支持4類用戶接口。⑤客戶層對(duì)應(yīng)開發(fā)流程中的用戶界面集成，目前用戶可通過三維客戶瀏覽器、LED高清顯示屏、知識(shí)可視化平臺(tái)以及移動(dòng)APP等方式為用戶提供人機(jī)交互和三維可視化操作環(huán)境。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1防汛預(yù)警監(jiān)視主題服務(wù)

受全球氣候變化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的雙重影響，傳統(tǒng)的流域洪水向城市內(nèi)澇和山洪災(zāi)害等延伸，次生衍生問題嚴(yán)重，災(zāi)害巨大。據(jù)中國水旱災(zāi)害公報(bào)統(tǒng)計(jì)，2014年，全國28個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）的1621個(gè)縣（市、區(qū)）遭受洪澇災(zāi)害，因?yàn)?zāi)死亡486人，125座城市受澇，造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1573.55億元。以陜西省為例，2014年全年因洪澇災(zāi)害受災(zāi)人口達(dá)到105.18萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積66.37千公頃，絕收面積10.99千公頃，造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)17.18億元。防汛信息化是水利信息化的重要組成部分，當(dāng)前已建成的一些防汛信息系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)視以及空間分析研究較少，一定程度上制約著防汛科學(xué)決策。本文在Hydro-EST基礎(chǔ)上開發(fā)了面向陜西防汛預(yù)警監(jiān)視的主題服務(wù)，在Hydro-EST上開發(fā)了預(yù)警監(jiān)視、實(shí)時(shí)雨水情分析、洪水淹沒分析、洪水預(yù)報(bào)、移動(dòng)服務(wù)、防汛指揮和應(yīng)急響應(yīng)等功能，彌補(bǔ)了當(dāng)前防汛信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集成與空間展示、三維可視化仿真以及實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)視上的不足。

2.2水庫移民可視仿真主題服務(wù)

大型調(diào)水工程的建設(shè)往往伴隨著移民的產(chǎn)生，長期以工程為重的思想使得在移民數(shù)據(jù)的管理、分析與應(yīng)用中存在一些問題，當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)的部分移民信息系統(tǒng)主要集中在對(duì)移民數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析上，較少考慮移民數(shù)據(jù)的空間屬性，表現(xiàn)力不足，難以支持復(fù)雜的決策分析。陜西省引漢濟(jì)渭調(diào)水工程屬于陜西省內(nèi)跨流域I等骨干調(diào)水工程，調(diào)水工程包括六大單位工程，在三河口水庫和黃金峽水庫建設(shè)中，由于庫區(qū)蓄水淹沒以及工程建設(shè)占地產(chǎn)生了水庫移民安置問題，據(jù)實(shí)物指標(biāo)統(tǒng)計(jì)庫區(qū)淹沒與影響區(qū)涉及漢中市和安康市2個(gè)市的3個(gè)縣，共計(jì)15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、60多個(gè)村，需要移民8000余人。筆者在Hydro-EST基礎(chǔ)上開發(fā)調(diào)水工程水庫移民可視化仿真主題服務(wù)，將采集的水庫移民實(shí)物指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存儲(chǔ)到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫中，在Hydro-EST上實(shí)現(xiàn)移民實(shí)物指標(biāo)的管理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析、可視化查詢、水庫淹沒分析、虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽、移民安置分析等功能，為水庫移民提供決策支持。

2.3突發(fā)水污染事件模擬主題服務(wù)

當(dāng)前針對(duì)水污染研究主要集中在水質(zhì)模型上，通過數(shù)學(xué)模型對(duì)水質(zhì)狀況以及污染物運(yùn)移時(shí)態(tài)特征進(jìn)行分析，通常的做法是將河流視為線元素進(jìn)行模擬，以一維或者二維為主。松花江流域是我國七大流域之一，途經(jīng)多個(gè)大眾城市，是我國重要的能源、工農(nóng)業(yè)基地與重要的飲用水來源，2005年11月13日下午，位于吉林省吉林市的中國石油吉林石化公司雙苯廠發(fā)生爆炸，造成苯類污染物流入車間廠區(qū)附近的第二松花江，導(dǎo)致嚴(yán)重的江體污染。類似這樣的水污染事件具突發(fā)性和地理位置的特殊性，有必要在三維空間上實(shí)現(xiàn)流域基本信息的展示、污染物運(yùn)移和可視化仿真，為水污染事件應(yīng)急預(yù)案的制定與科學(xué)調(diào)度提供參考。本文在Hydro-EST基礎(chǔ)上開發(fā)了突發(fā)水污染事件模擬主題服務(wù)，實(shí)現(xiàn)水污染信息三維可視化展示，水污染事件空間關(guān)聯(lián)分析以及污染物動(dòng)態(tài)運(yùn)移仿真，可及時(shí)、有效地對(duì)突發(fā)性水污染事件進(jìn)行決策及科學(xué)研究。

2.4嚴(yán)格水資源管理主題服務(wù)

自從2012年1月國務(wù)院頒布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理成為國家戰(zhàn)略。最嚴(yán)格水資源管理制度的“三條紅線”需要大量第一手資料的支撐，基于Hydro-EST開發(fā)嚴(yán)格水資源管理主題服務(wù)，整合區(qū)域空間地理信息、高清影像信息、數(shù)字高程模型、氣象水文數(shù)據(jù)、水利普查數(shù)據(jù)、工情數(shù)據(jù)、水資源管理考核、應(yīng)急管理以及與之相關(guān)的多源信息，構(gòu)建區(qū)域三維可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域供水、用水、耗水和排水的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為區(qū)域水資源管理提供信息服務(wù)、監(jiān)視模擬服務(wù)、嚴(yán)格管理考核服務(wù)和應(yīng)急服務(wù)，并輔之空間分析和三維空間操作功能，提供決策支持服務(wù)。

3結(jié)語

筆者將沙盤引入到水利工程領(lǐng)域，提出了建設(shè)水利電子沙盤的思路，解決傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中普遍存在的數(shù)據(jù)共享性差、系統(tǒng)異構(gòu)以及三維表現(xiàn)力不足的問題。采用組件化軟件技術(shù)對(duì)Hydro-EST進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循“多源數(shù)據(jù)集成-電子沙盤開發(fā)-水利主題服務(wù)-用戶界面集成”的開發(fā)流程開發(fā)Hydro-EST，并將其應(yīng)用到防汛預(yù)警監(jiān)視、水庫移民可視化仿真、突發(fā)水污染事件模擬和嚴(yán)格水資源管理等主題服務(wù)中。結(jié)果表明：基于Hydro-EST開發(fā)的水利主題服務(wù)具有較好可擴(kuò)展性和三維表現(xiàn)力等特點(diǎn)，以組件的方式實(shí)現(xiàn)不同主題服務(wù)在Hydro-EST上的集成，在一定程度上避免了不同應(yīng)用系統(tǒng)帶來的異構(gòu)和重復(fù)建設(shè)問題，促進(jìn)了水利信息化水平的提高，體現(xiàn)了綠色發(fā)展的主旨，在水利工程領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

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作者：姜仁貴,于翔，解建倉，梁驥超 單位：西安理工大學(xué)