湖南省水利綜合數據庫系統的研究和實現

許航

（湖南省水利廳長沙市410007）

湖南省現有各類水利工程200多萬處。其中水庫13 000多處，大中型灌區354個，萬畝以上堤垸254處、大中型灌區348處，大中型機電排灌134處，這些水利工程信息種類繁多，分存于不同的業務部門，信息更新時效差，統計口徑不一、統計方式不規范。特別是在長期的水利建設和管理工作中形成的各類規范性報表，報表的形式和內容已基本固定，可全面反映湖南省的建設和管理情況，但是這些報表目前主要用于向上級單位匯報，信息利用率較低，為了把這些信息集中起來，實行統一管理，增強信息共享和科學決策水平，增強全省各項水利事業活動的效率和效能，湖南省水利廳信息中心從2008年開始正式啟動湖南省水利綜合數據庫項目建設，并于2009年12月正式通過竣工驗收。

湖南省水利綜合數據庫系統是一個采用SOA體系架構，集GIS技術、網絡技術、統計分析、空間數據庫等多種技術為一體的綜合數據庫處理系統。系統主要包括大中型水利工程特征數據、動態水利報表及實時汛情數據、文件資料數據、水利空間地理數據等幾類信息的入庫，并建立相關空間數據庫,針對上述數據開發電子地圖查詢、統計分析、移動查詢和數據庫維護系統等功能，從而為協同辦公和工程管理提供信息化服務。系統實現了全省水利綜合數據的規范化管理,統一了全省水利工程數據交換格式，提供了統一查詢界面和接口，更好的開發和利用了水利信息資源。

1 設計基礎

水利本身所研究的系統是一個巨大的、與外界系統有頻繁的信息及物質交換的自然系統。實際系統抽象出的軟件組件間關系趨于復雜，一般基于過程的軟件模式已經不能滿足現有的水利行業需求。在對現有水利信息的采集、傳輸、存儲和處理系統的開發及管理模式進行深入研究后，我們采用SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務架構）構建的多層結構作為系統的主體構架。目前，在Internet環境下SOA的理念已經逐步成為業界的一個共識，已成為主流的軟件開發架構。SOA具有獨立性、主動性和自適應性，實體之間能夠進行多種靜態連接和動態合作等特點。SOA的架構是一個組件模型，它將各個子應用程序的不同功能單元——服務（service），通過服務間良好定義的接口和契約聯系起來。接口采用標準、中立的方式定義，獨立于具體實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言，使得構建在各子系統中的服務可以使用統一和標準的方式進行通信。

本系統同時采用基于C/S與B/S體系結構相結合的GIS技術。對于基礎數據的管理和系統維護采用C/S方式由系統管理員通過ArcGIS專用終端完成；而綜合信息服務則采用B/S方式，其優點在于采用了網絡技術與GIS技術,用戶能利用基于網絡GIS平臺的人機交互界面查詢水利工程的空間或屬性信息，省去了客戶端的安裝和維護更新工作。

2 綜合數據庫的具體設計和實現

2.1 整體SOA架構設計

圖1 系統SOA架構示意圖

系統整體采用基于SOA架構風格、ESB（企業服務總線）架構方式的統一信息發布平臺（圖1），能有效解決傳統架構中的弊端，直接將業務處理邏輯封裝在服務提供者區域內，內部業務邏輯的變化不會影響已約定的服務，ESB保障所有Web服務的安全性和事務性處理，并可將現有服務重新組裝、拼接，使業務層著力關注企業邏輯處理，基于Web服務方式的信息獲取，獨立于業務邏輯處理的具體執行環境，任何客戶端（瀏覽器、智能手機）都能使用SOAP（簡單對象訪問協議）方式請求Web服務完成應用。總而言之，SOA以借助現有的應用來組合產生新服務，提供了更好的靈活性來構建應用程序和業務流程。湖南省水利綜合數據庫采用SOA架構提高了軟件復用和開發效率，實現了多層次水利業務數據的綜合利用。

2.2 網絡GIS平臺的設計和部署

地理信息系統（簡稱GIS）是在計算機軟硬件支持下,采集、存儲、管理、檢索、分析和描述地理空間數據，適時提供各種空間的和動態的地理信息，用于管理和決策過程的計算機系統。與傳統的GIS相比，基于internet的技術的網絡GIS技術，其優點在于使用B/S網絡結構,GIS與Web的結合使得空間信息的發布與共享更加簡單。GIS通過internet成為公眾服務的手段和社會最基本的信息服務之一。通過網絡GIS平臺，從互聯網的任意一個地方，用戶都可以瀏覽站點中的空間數據、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析。

本系統采用ESRI公司ArcGIS9.3軟件，并使用ArcSDE for Oracle作為空間數據存儲的解決方案，信息發布和空間數據編輯采用ArcIMS于Arcview。ArcSDE是空間數據引擎，它提供了對空間數據進行存取與維護的通道，而ArcIMS是由ESRI公司開發的GIS產品，允許用戶在internet和intranet環境下為瀏覽器端的客戶提供應用和地圖數據。空間數據格式為ArcGIS定義的shape文件格式，并通過ArcSDE存儲于Oracle10g中。系統主要的GIS功能均通過Web訪問ArcIMS的相關服務來實現。

2.3 綜合數據庫信息分類

該系統主要整編入庫了全省大中型水利工程特征數據，涵蓋了水文、氣象、防汛抗旱等多部門有關基礎數據10萬余條，因數據涉及面廣，類型龐雜、如何對數據進行分類分層也是本系統的重點內容之一。綜合數據庫的數據主要根據兩個方面進行分類，一是按數據本身的格式特征進行分類，即按數據的計算機屬性分類；二是按數據的業務需求進行分類。

2.3.1 按數據的格式特征分類

水利工程數據庫存儲的數據類型包括：

（1）水利工程屬性數據（例如：設計洪水標準、泄水建筑物型式等）、工程特征數據、統計資料、實時數據，這類數據屬結構化數據，所有結構化數據又分為表1所示類型。

附表綜合數據庫中的數據類型

（2）工程圖和照片（包括流域水系圖、灌區、堤垸分布圖以及工程圖和照片等）可能是掃描圖，也可能是用AUTOCAD等軟件繪制的電子圖。工程圖屬非結構化數據。

2.3.2 按數據業務需求分類

按數據業務需求可大致分為“水利工程特征數據”、“報表數據和實時數據”、“文件資料數據”、“空間數據”四大類。詳細分類如下：

（1）水利工程特征數據。

此類工程數據主要為湖南省的大中型水庫（電站）和重點小（I）型水庫（11 280座）、湖區機電排灌資料（135處）、萬畝以上堤垸（254處）、大中型灌區（348處）四類工程數據為主。此類數據的更新周期長，錄入數據庫后不需要進行頻繁地更新，基本作為歷史資料備查。

（2）報表數據和實時數據。

此類數據主要包括湖南省2007年以來的水利綜合統計資料、農村水電統計年報、防汛抗旱業務報表、水資源報表、水資源報表、實時雨水情信息和山洪災害數據共5萬余條。此類數據更新周期短，頻率高，數據變更后需要及時進行更新。

（3）文檔資料數據。

“文檔資料數據”是指各項法律法規、規程、規范、條例、政策文件，與水利相關的各種專業圖書、資料,以及各種技術標準、培訓資料以及工程圖紙等，共入庫3 906條。這些數據更新周期不定，而且有些為非結構化數據，數據更新需要進行部分人工干預。

（4）空間數據庫。

“空間數據庫”包括湖南省的1∶5萬基礎電子地圖和水利專業數據圖層，如庫區大壩布置圖、堤垸布置圖、灌區總體布置圖以及各類工程圖紙和工程全景照片等。具體數據類型結構如圖2所示。

圖2 綜合數據庫業務數據分類

2.4 空間數據庫的設計

空間數據作為各種地理特征和現象間關系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征（簡稱屬性）和時域特征三部分。本系統的空間數據庫以電子地圖矢量數據與遙感數據為主，通過地理空間數據與屬性數據相關聯，把空間地理信息獲取、處理、管理、維護等各個環節連成一個有機的整體，為領導決策提供一個良好的信息展示平臺。

湖南省水利空間信息主要包括基礎地理空間信息、社會經濟信息和水利專題空間信息。其中基礎地理空間信息采用國土資源部門1∶5萬的電子地圖，并對水利專業圖層進行重新繪制和疊加，以國家相關的地理要素分類編碼標準和元數據標準為基礎，建立基于1∶5萬電子地圖的水利空間數據庫。社會經濟信息主要根據各類水利綜合報表，將綜合報表數據在電子地圖上進行直觀的統計分析和查詢展示。水利專題空間信息主要是對大中型水利工程進行現場GPS定位，并繪制專業圖層錄入數據庫GIS圖層中。此次水利專業圖層的制作主要對大中型水庫、灌區和電排進行GPS空間定位，收集經緯度和全景照片，同時對每座大中型水庫電站制作樞紐布置圖、大壩橫剖面圖、大壩縱剖面圖、溢洪道剖面圖、電站廠房剖面圖等矢量電子工程圖，對大中型灌區、湖區重點堤垸和蓄洪垸制作矢量電子地圖。

空間數據庫的具體內容主要包括：

（1）河流類。包括全省水系的干流、一、二、三級支流、次要支流等。

（2）測站類。包括雨量站、水位／水文站、水庫站等800多個。

（3）水庫類。包括全省大、中、小型水庫，其中大型水庫21座、中型水庫275座、小型水庫10 984座。

（4）堤垸類。包括全省萬畝以上的堤垸254處。

（5）灌區類。包括全省大中型灌區348處。

（6）電排類。包括全省大中型機電排灌站135處。

（7）行政類。包括省、市、縣、鎮、居民地點信息等。

2.4.1 空間數據和水利數據的結合

在本系統中主要采用關系數據庫表對空間數據進行存儲和管理。充分利用關系數據庫已有的數據管理功能實現海量空間數據存貯與管理、事務處理、和并發控制等功能，利用擴展的SQL語言對空間與非空間數據進行操作。尤其使空間數據與非空間數據得以集成在統一的數據平臺，從而促使GIS應用與一般應用的無縫集成。本系統中水利數據信息按照設計可以分為水利工程屬性數據和工程圖和照片，該二類數據與空間數據結合方式如下：

（1）水利工程特征數據、動態水利業務報表及實時數據等屬于屬性數據。屬性數據保存在關系數據庫中，通過數據編碼與空間數據進行關聯，將空間數據庫各類數據集和特征集進行統一編碼。工程特征數據庫中的各類工程、工程中主要建筑物、流域等在空間數據庫中均有相關圖層或元素表示，水利工程特征數據以唯一工程編碼作為主鍵，在空間數據庫中建立每個工程與其空間元素的一一對應表，實現水利特征數據與空間數據的對應。而動態水利報表數據大部分是以行政區劃和流域進行統計的，因此，統一空間數據和水利數據庫中的行政及流域代碼即可實現動態水利報表與空間數據的對應。實時雨水情等數據與水利特征數據相同，也是以水利工程編碼作為數據的主鍵之一。

（2）工程圖紙照片，影像文件等屬于工程圖和照片。工程圖和照片數據中的工程圖紙，如各類工程圖和整體布置圖，大壩縱剖面圖，大壩橫剖面圖，泄洪建筑物剖面圖，電站廠房剖面圖、渠道布置圖、堤垸圖等都為需要矢量數字化的資料，先按照空間數據模型和空間數據編碼標準進行掃描和矢量數字化，保存為ArcGIS支持的格式，然后提交數字化成果、進行格式轉換、成果檢查、入庫及通過矢量圖數據表與基礎數據庫關聯。工程照片、衛星影象數據等需要保存在空間數據庫中的柵格數據則通過柵格圖件數據表與基礎數據庫關聯。

2.4.2 圖層的分層設計

圖形數據的管理是基于圖層進行的，并通過關鍵字段將空間數據和屬性數據連接起來。為了能對數據合理地分層，首先必須進行合理地分類，設立主題、亞層主題等。其次，應對每一層的空間符號（點、線、面）進行定義，制定出合理分層體系。

根據國家和相關行業已公布的數據標準，并結合湖南省的實際情況及本系統的需求特點，系統對數據的分層是按照以下的原則進行：

（1）按行政區劃、道路、水利工程、水利參考系、居民地分為五類，每類進一步劃分成若干圖層，以適應不同的需要；

（2）相同邏輯內容的空間信息盡量放在一個圖層；（3）圖層劃分要適合GIS軟件功能特點；

（4）圖層劃分要滿足湖南水利信息系統的需求。根據上述原則，系統基礎地圖主要分層如下：行政區劃類、道路類、水利工程、水利參考系、居民地。系統所使用的基礎地理數據庫主要在1∶5萬和1∶25萬全省基礎地形數據庫基礎上加工處理實現。主要用于標識相關工程位置信息，各類基礎地圖可按不同的層次關系組合在一張或幾張地圖上。

2.4.3 空間數據的更新

數據有效性是系統正常運行和可持續發展的重要保障。空間數據在一定的周期內也必須更新，以保證信息的有效性。本系統空間數據的更新通過ArGIS相關軟件直接維護實現。數據更新分為大規模更新和局部更新兩種模式：

（1）大規模更新。在經濟發達地區，人工活動對地貌、地物的改變比較大，當地物的變化率超過30%時，就必須大規模更新地圖，這種更新工作量較大，宜直接向地圖提供單位購買或索取電子版地圖，利用系統的導入功能，更新空間數據庫。

（2）局部更新。當某一個地區地物發生較大變化時，可由當地水利部門負責上報信息中心更新，更新后的地圖存儲在審核庫匯總，經過質量檢查后，再導入到省空間數據庫。根據經驗，局部更新的期限為1～2年。

2.5 系統的界面與功能

系統界面的設計本著“所見即所得”的宗旨，便于用戶的操作和與系統之間的交互。主要實現的功能如下：

（1）基本水利工程信息的地圖查詢。系統可通過多種途徑如鍵盤、鼠標，地圖、關鍵字等定位于相關業務主題，并能在設定的范圍內對與其相關的其他業務主題進行空間定位（圖3）。可以對地圖進行放大、縮小、漫游、圖層的顯示與關閉、距離測量、當前圖層地理信息的查詢等功能。

圖3 系統界面

（2）水利專題信息的查詢。可以對灌區、電排等水利專題信息進行電子地圖和報表的查詢。該功能實現的具體流程分二個部分一是地圖到屬性的查詢，二是屬性到工程詳細信息的查詢。其中第二部分是指將空間信息關聯到工程詳細信息，即根據某項工程的工程名稱或代碼，從數據庫中提取其對應的水利專題信息，并在單獨的頁面文件中顯示，如圖4、圖5。

圖5 “澧松垸”屬性信息

（3）多類型地理信息及多種數據類型融合查詢。系統同步顯示與地理信息業務主題相關的鳥瞰圖及縮略圖，并提供與之相關的實景圖片、工程圖紙等（圖6）。

圖6 “水府廟“水庫地圖屬性查詢

（4）數據分析與統計。實現水利綜合報表數據的統計報表功能，提供按行政區、按流域、按工程分類、按工程規模等不同方式的統計報表和專題圖（圖7）。

圖7 水庫數據統計分析圖

（5）移動信息查詢。使用手機短信對綜合數據庫中的重要數據進行短信移動查詢，能滿足各級水利部門領導及工作人員出差時移動查詢數據，拓展了數據庫的使用范圍，提高了查詢效率。查詢方式為類別碼+名稱碼（如查詢五強溪水庫代碼為“DZSKWQX”或“大中水庫五強溪”（圖8）。

圖8 手機短信查詢界面

3 結語

湖南省水利綜合數據庫系統經過1年半的攻關，完成了系統開發工作，通過一段時間的投入運行，系統基本達到了預期目標。作為一個基于GIS平臺的綜合信息系統引入SOA構架后，提高了軟件的獨立性、自主性和自適應性，并具有直觀的信息表達能力，為湖南省的水利防汛決策科學化管理起到了很好的支撐作用。在研發過程中、因計算機技術和GIS技術本身發展很快，使得設計方案不得不進行多次調整，以使系統能采用最新技術成果，保證系統完成后能在若干方面在國內處于領先水平。由于現有技術限制和時間等原因.系統在用戶需求分析和功能模塊方面，仍有許多需要改進完善的地方，如水利數據分析模型和如何保證數據更新等問題方面，今后還需做大量艱苦的研究工作，以充分完善湖南省的水利信息化工作。

1 朱光，季曉燕，戎兵.地理信息系統基本原理及應用[M].北京：測繪出版社,1997.

2 薩師煊，王珊.數據庫系統概論（第2版）[M].北京：高等教育出版社，1991.

3 劉學，王興奎.王光謙，等.基于GIS的空間過程模擬建模方法研究[J].中國圖象圖形學報，1999，4(6)：476-480.

4 艾萍，倪偉新.基于構件的水利領域軟件標準化基礎研究[J].水利學報，2003，(12)：104-108.

5 費玉奎.Web構件模型研究及其在水利領域中的應用[D].南京：河海大學，2004.

6 ESRI.Spatial Database Engine[DB/OL].http://WWW.ESRI.COM.1999.

7 ORACLE.Data Cartridge Operating System lnterface[DB/OL].http://www.ORACLE.COM.1999.