數字汶河水利設計與開發

蔣玉水

(泰安市大汶河綜合開發建設指揮部，山東泰安 271000)

近年來，水利項目建設的目的已不僅是治水這個最基本的民生宿求，還是服務于旅游的一項重要舉措。泰安有著山城一體的獨特格局，在山與城的南側，還有一條“河”，匯集眾水，南繞泰城，西入東平湖，最后流入黃河，這就是大汶河。大汶河是山東省省境內黃河最大支流，是泰萊地區的母親河，流域面積8536km2，流經泰安境內156km。汶河沿岸工業、農業、水利、漁業、林業、生態、旅游等發展狀況和沿岸治污、治沙情況都是政府所關心的。因此，開發集治水與旅游于一體的風景水利管理系統具有十分重要的意義。

1 系統設計

1.1 關鍵技術

系統采用Rational Rose 2003進行組織結構設計，采用ArcSDE9.3 For Oracle10g進行數據存儲，采用Visual Studio 2010作為開發的語言平臺，采用 Google SketchUp進行三維景觀模型的建模，采用 ArcEngine作為治水模塊的二次開發工具，采用ArcServer作為旅游管理模塊的二次開發工具。

ArcSDE是ArcGIS與關系數據庫之間的GIS通道。它允許用戶在多種數據管理系統中管理地理信息，并使所有的 ArcGIS應用程序都能夠使用這些數據。

1.2 組織結構

系統總功能框架如圖1所示。

圖1 系統功能結構

現有的大部分水利數據都是CAD數據，要充分利用之。但CAD數據不利于空間分析，因此，系統必須支持CAD數據到SDE數據的轉換。轉換過來的CAD數據可通過二維編輯、互動編輯、三維編輯依次進行編輯，生成滿足需要的水利要素。

2 系統功能與實現

2.1 CAD數據轉換

現有的大部分水利數據都是CAD數據，要充分利用之。但CAD數據不利于空間分析，因此，系統必須支持CAD數據到SDE數據的轉換。轉換過來的CAD數據可通過二維編輯、互動編輯、三維編輯依次進行編輯，生成滿足需要的水利要素。

2.2 地表生成及修改

通過處理CAD數據，獲取高程點數據，然后再利用離散的高程點生成TIN三維地表。 首先把CAD高程點數據轉換成Shapefile數據，然后利用三維編輯模塊的生成地表功能生成三維地表。與ArcGIS相比，功能簡單。所有功能在一個界面完成，節省來回導入導出數據時間。并且二維高程點數據與三維地表數據對應，效果明顯。

地表不可能一成不變，自然力量使地表變化，如風蝕、水蝕，建房、公路時需要填滿洼地，去除高地，填洼地表。因此，系統必須具備修改地表的功能。

在該系統中地表的修改主要分為兩部分。

根據使用的修改地表對象，分為二維地物對地表修改與三維地物對地表修改。所對應的工具分別在互動模塊和三維編輯模塊。 根據修改地表的高程數據的來源可分為對象自帶高程修改地表與高程屬性下壓地表。

2.3 編輯模塊

2.3.1 二維編輯模塊

在三維場景中對地理要素編輯比較困難，然而二維界面的編輯卻簡單很多，因此主要的地理要素編輯的編輯工作還是要在二維界面完成。為了提高編輯的效率，解決三維場景中編輯比較困難的問題，而為場景被保留下來，既可以獨自完成編輯，也可以與三維場景互動完成編輯。

該模塊的主要功能框架是 MapControl控件。MapControl控件對應于ArcMap的數據視圖，它封裝了Map對象，并提供了額外的屬性、方法、事件用于管理控件的外觀、顯示屬性和地圖屬性，添加并管理空間中的數據層，裝載Map文檔（.mxd）到控件中。

2.3.2 互動編輯模塊

該模塊的功能基礎是二維與三維的同步，分為數據顯示的同步于數據編輯的同步。數據編輯的同步可以借助ArcSDE進行實現。這里重點介紹數據顯示的同步，換句話說，就是當二維視圖內容發生變化時，三維視圖做出相應的內容變化；當三維視圖內容發生變化時，二維視圖做出相應的內容變化。

該模塊是整個系統的重點，既解決了二維與三維同步顯示的問題，也解決了二維與三維互動編輯的問題。

在三維模塊中數據量比較大，在場景中選擇對象的速度比較慢，精準度低，這就是三維編輯差強人意。為了解決三維場景選擇慢、精準度低的問題，可以現在二維場景中選擇對應對象，然后把具體對象的 ID傳給三維場景，這樣就越過了在三維場景中的拾取操作，直接根據二維場景提供的對象的ID篩選對象，只要對象類在數據庫中建好索引，可以想象這樣的速度是很快的。

2.3.3 三維編輯模塊

與二維圖形的編輯一樣，用戶也可以對三維曲面、實體進行編輯。對于二維圖形的許多編輯命令同樣適合于三維圖形，如復制、移動等。由于在三維場景中進行編輯速度慢、精準度低，因此該模塊主要是一些簡單的三維編輯功能。把主要功能用二維與三維互動編輯代替。

2.4 自動化建模

水利工程對象有大壩、橋梁、公路、水閘、護堤等。比如橋梁，只要知道橋梁的橋面高、橋寬、橋梁走向、橋墩距離、橋面貼圖，就可以制作出符合用戶要求的三維模型。制作每個橋梁都遵循這一規格標準，用建模軟件建模橋梁都在重復這一過程。為了提高建模效率，我們完全可以用程序代替這一過程。在系統中，選擇互動編輯中的二維拉線建橋工具，在二維視圖中劃出橋梁走向圖，在規格對話框中輸入橋梁的橋寬、橋面高、橋墩半徑、橋墩距離等參數，在三維視圖中就會生成對應的三維橋梁模型。

線狀公路的自動化建模也可以比照橋梁的自動化建模。但在實踐中發現公路的大多數數據是CAD路樁數據。為了充分利用CAD數據，并減少連點成線帶來的麻煩，為此，開發了基于路樁的公路自動化建模。

公路受地表起伏影響比較大，在公路的自動化建模中，還涉及到修改地表的問題。在已知公路高程時，生成三維公路后，須根據公路高程修改地表。在未知公路高程時，須根據地表高程賦值公路線或路樁來生成公路。

自動化建模技術是以 MultiPatch為基礎數據模型。ArcEngine的 IGeneralMultiPatchCreator與IMultiPatch接口都提供了對MultiPatch數據模型基本的編輯功能。兩個接口都可實現創建不帶紋理的模型，但IGeneralMultiPatchCreator還支持創建帶紋理的模型。IGeneralMultiPatchCreator與IMultiPatch也有一個缺點，就是建模較復雜。因此，我們選用IMultiPatch接口進行建模，使用IGeneralMultiPatchCreator接口進行貼圖。其過程如圖2。

圖2

為了便于使用和修改，重新定義一類Multi-PatchCreator。該類有如下成員函數。

通常，多片是用來描述陰影平面集合，并且可以在其上粘貼影像，也就是貼圖。為了粘貼影像，需要在Multipatch的每一個定點上記錄紋理坐標。紋理坐標記錄為s和t，值為0到1，表示了從x到y方向影像的起點到終點。在ArcObjects中將s和 t編碼存儲在定點的 M值中。另外，如果要用Multipatch表達復雜連續的幾何對象，比如球體，為了平滑陰影平面之間的轉折，需要在Multipatch的每一個頂點上記錄它的法向量，同樣法向量也是編碼后存儲在定點的M值中。

2.5 水利工程信息管理

水利工程信息管理是建立在前面所有功能基礎之上的功能。實現河道、水庫、橡膠壩、水閘、堤防、引水工程、灌溉工程管理數據查尋、編輯、修改、打印、樣式輸出。功能要求：能查尋已建三維河道、水庫等庫容、水位；水閘閘門提升放水時，水閘閘門過水流量與庫容水位三維演示，可以生成相應的庫容水位曲線表以供打印例參數、多媒體信息, 也有HTML文檔的頁面信息 。

工程管理模塊主要為沿線的工程項目的進度、成本、質量、安全管理實現科學化、規范化、程序化、制度化提供高效的管理工具。通過該模塊對工程的進度、工程的各項指標等工程項目信息, 結合相關的基礎信息、河道信息、水雨情信息等實時、歷史、空間或非空間信息進行綜合分析, 建立沿線三維地質、地形基礎信息, 結合相關空間信息與非空間信息, 對沿線工程優化管理, 并以圖形、表格、三維可視化等技術手段展示已建或在建工程項目的狀況。

同時獲取相關性分析、因果關系分析及常規的統計分析結果, 并實時在線采集數據, 以確保工程的質量, 降低生產成本, 提高勞動生產率。

在水資源管理方面，該系統主要提供了水淹分析、水淹演示、雨情信息管理等。在工程管理方面該系統主要提供了剖面分析，水利工程對象的定位、查詢、屬性修改等操作。

在系統中選擇水位庫容工具，在二維視圖中選中要查看的水庫，在彈出的水淹分析對話框中，就可以查詢該水庫水位與庫容的關系，并可輸出水位/庫容、水位/回水面積、庫容/回水面積曲線。

水淹分析主要用到ArcEngine的接口Isurface的函數GetProjectedArea（參數1，參數2，參數3）與GetVolumn（參數1，參數2，參數3）函數。GetProjectedArea接口函數有三個參數，第一個參數表示輸入的水位高程，第二個參數表示輸出的面積是在水位上還是在水位下，第三個參數表示輸出在該水位時的回水面積。函數GetVolumn也有三個參數，第一個參數表示輸入的水位高程，第二個參數表示輸出的庫容是在水位上還是在水位下，第三個參數表示輸出在該水位時的庫容。

擬在GIS技術支持下，利用建立的洪水預報模型，模擬洪水發展過程，預報最大洪峰出現的時間和流量，根據數字高程模型，圈定出洪水淹沒范圍，結合數據庫中淹沒區的基礎地理數據和社會經濟資料，對災區受災程度及損失快速做出評估，整個過程集合成一個系統，建立實用性強、可視化程度高的洪水預警和淹沒評估系統，為氣象部門開展局部強降雨造成的洪災預警和淹沒評估提供基礎平臺，具有業務應用和推廣價值的意義。

洪水淹沒由多種因素造成, 降雨、上游來水都可以造成淹沒。按照洪水淹沒的成因，可將其分為兩大類: 一類是無源淹沒, 一類是有源淹沒。

水淹演示功能可以動態的展現水淹的全部過程，并對水淹后的財產損失進行評估。運用GIS技術快速準確地模擬洪水淹沒區域，與當地各種專題涂層疊加分析得到有關決策指標，對于確定人員疏散規模與災害評估具有十分重大的意義。

水利工程的運用、操作、維修和保護工作，是水利管理的重要組成部分。水利工程建成后，必須通過有效的管理，才能實現預期的效果和驗證原來規劃、設計的正確性。工程管理的基本任務是：保持工程建筑物和設備的完整、安全，經常處于良好的技術狀況；正確運用工程設備，以控制、調節、分配、使用水源，充分發揮其防洪、灌溉、供水、排水、發電、航運、水產、環境保護等效益；正確操作閘門啟閉和各類機械、電機設備，提高效率，防止事故；改善經營管理，不斷更新改造工程設備和提高管理水平。

在系統中可通過編輯屬性對話框實現對水利工程對象的定位、查詢、屬性修改等操作。在編輯屬性窗口中雙擊每一行就可以定位該行所對應的對象，并可對每一行對象進行修改。

剖面分析模塊可以獲得任意兩點之間的地表剖面圖，并對剖面數據進行處理。剖面分析在很多工程領域有很多應用，很大的便利的工程建設，可以為河底清淤、水利工程提供可靠的地表剖面數據依據。剖面分析的基礎是高程點數據的插值分析。高程數據通過插值生成高程柵格數據或TIN數據，在柵格數據和TIN數據上可以獲得任意點的高程，也就可以獲得任意兩點間的高程。從另一個方面來講，剖面分析是對高程數據的再利用，提高了高程數據的利用率。在系統中點擊連線就可以生成對應的剖面圖。

剖面分析主要用的ArcEngine的Isurface接口的InterpolateShape（參數1，參數2）函數。該接口函數有兩個參數，第一個參數是輸入數據，表示由兩點組成的線數據，第二個參數是輸出數據，表示輸出的剖面線數據。

2.6 水利旅游管理

水利風景區因水利工程而形成，因水利工程壯闊而雄偉；水利工程因水利風景區的旅游開發而增加收益，因旅游風景區的開發而增加收益而擴大知名度、水利科學知識和水文化概念認知，也因二者的和諧雙贏而得到普及。但是水利風景區的旅游開發必須以水利工程安全為前提，在水利風景資源開發的全過程中，工程安全是高壓線，必須放在首位。在大壩、溢洪道上不能建房，在大壩內坡不得修建碼頭，凡危害工程安全的旅游建設必須拆除。

大汶河濱水景觀規劃總體結構可用一湖、三岸、四段、五廣場、六節點、八主題園來概括。一湖指天澤湖，三岸指歷史文化岸、自然生態岸、濱湖生活岸，四段指生態濕地段、文化展示段、人本養生段、生活安康段，五廣場指旅游文化節慶典廣場、天地人和慶典廣場、園藝節慶典廣場、養生節慶典廣場、體育節慶典廣場，六節點指頤養天和、泰城水埠、龍游廣場之日耀、龍游廣場之月光、風鳥來儀、凰舞載歌，八主題園指生態濕地園、龍鳳祥和園、名人薈萃園、樂水文化園、休閑養生園、園藝博覽園、金沙灘公園、汶河植物園。因此，大汶河規劃區景點眾多，必須使用信息化管理。

以上介紹的所有功能都是水利旅游管理功能的基礎。水利旅游管理功能模塊包括景點游覽、景點查詢、景點介紹、景點動漫制作、景點客流管理等。旅游游覽功能可以不用去現場，可以一覽無余地再現場景。景點查詢功能可以根據輸入的景點名稱定位到景點場景，并可查看景點介紹。景點介紹有文字圖片介紹、語音介紹、視頻介紹，只需點擊景點，就可獲取景點介紹。景點動漫制作功能可以把三維場景游覽的過程制成視頻，并能需要的景點語音介紹。景點客流管理功能可以保存一定時間內的客流記錄，并能根據客流記錄預測未來一段時間內的客流量。

水利旅游管理功能是一個雙客戶的系統，不僅要滿足旅游管理者的管理需求，也要滿足游客的游覽需求。因此，在開發此模塊時采用B/S結構，采用ArcServer技術進行開發。

3 結 語

以泰安市水利行業的相關數據為研究對象，通過使用ArcEngine與ArcServer開發技術，實現了基于B/S與C/S結合、二維與三維結合的風景水利管理系統的開發，為水利系統的工作人員提高了管理各種風景水利的效率與效力。二三維互動編輯和水利工程自動化建模兩個功能是該系統的最大亮點，兼顧水利治水管理與水利旅游管理是該系統的最大特點。二三維互動編輯是水利工程自動化建模的基礎，通過這兩個亮點功能可以很方便的實現水利規劃設計。兼顧水利管理與水利旅游管理是當前風景水利的最大需求。該系統三維動態瀏覽、雨水情數據數字化模擬分析以及水利工程管理應用等水利應用將不斷開發設計，以適應現代數字信息化水利建設的需要。

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