水利電子沙盤研究及應用范文

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《華北水利水電大學學報》2016年第6期

摘要:針對水利工程領域中存在的多源數據資源難以有效融合和應用系統可視化效果欠佳等問題，將沙盤引入到水利工程領域，構建水利電子沙盤（Hydro-EST），基于水利電子沙盤開發水利業務應用，為決策服務。提出水利電子沙盤概念，設計Hydro-EST開發流程和五層體系結構。基于Hydro-EST開發防汛預警監視、水庫移民可視化仿真、突發水污染事件模擬和嚴格水資源管理等水利主題服務。結果表明：Hydro-EST在保留傳統沙盤較好可視化效果的同時解決了水利業務應用中多源數據資源融合、業務應用開發復雜等問題，組件化開發避免了系統異構和重復開發的弊端，體現了綠色發展的主旨。

關鍵詞:工程管理信息化;電子沙盤;組件化開發;三維可視化

《辭海》中將沙盤定義為“根據地形圖、航空像片、實地地形，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的模型”，最早用于軍事領域，研究作戰計劃。我國史書記載的最早關于沙盤的論述始于公元32年，《后漢書•馬援列轉》中記載，光武帝西征，馬媛“于帝前聚米為山谷，指畫形勢”，最終達到“虜在吾目中矣”的效果，隨后，沙盤在不同領域中得到廣泛應用。計算機科學和信息技術的快速發展，傳統沙盤占地面積大、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、計算機圖形學、虛擬現實和互聯網+等信息技術應用到沙盤中，構建一個地形地貌可視、沉浸式人機交互與實時可視可信的虛擬現實環境。

水利是國民經濟發展與社會進步的重要基礎設施，是信息和技術密集型的傳統行業，近年來，圍繞防汛抗旱、最嚴格水資源管理和水生態文明建設等開展了大量工作，以信息技術的應用，水利基礎數據處理，水利業務應用系統開發為代表的水利信息化研究得到不斷深入，但仍存在著基礎數據難以共享，規范化程度低，系統建設分散導致的異構與重復建設嚴重，缺乏頂層設計等問題，尤其是在水利應用的可視化仿真與集成上研究較少。本文結合水利工程領域多源數據融合與信息可視化的實際需求，將沙盤應用到水利領域，設計了面向水利工程領域的水利電子沙盤（HydrologicElectronicSandTable，Hydro-EST)，針對不同水利應用設定不同的主題，基于Hydro-EST開發防汛預警監視、水庫移民可視化仿真、突發性水污染事件模擬、國家水資源監控、最嚴格水資源管理、城市內澇應急管理和生態文明建設等水利主題服務，為用戶提供較好三維可視化效果和決策支持服務。

1水利電子沙盤設計

1.1Hydro-EST概念

Hydro-EST指基于電子沙盤的虛擬現實環境為水利提供主題服務，采用現代信息技術實現多源水利數據集成與融合處理，采用組件方式整合分散在不同服務器或異構的水利業務系統中相關應用。數據層面上，對電子沙盤和水利業務應用數據進行高效組織與管理，提出多源數據集成方案，實現多源數據的集成與融合；功能層面上，采用組件技術開發業務應用的，采用框架進行封裝，通過開放應用接口實現組件與電子沙盤的集成，不同業務應用邏輯上相對獨立；應用層面上，彌補了傳統水利業務系統應用單一和表現力不足的缺陷，采用電子沙盤作為基礎平臺，具有較好表現力。

1.2Hydro-EST設計目標

Hydro-EST采用組件和框架技術，遵循統一規范，根據電子沙盤提供的開放應用接口進行不同水利業務應用開發，并封裝成組件實現與Hydro-EST的集成。通過多源數據集成方案實現電子沙盤三維可視化場景建模以及多源水利數據的標準化和融合處理，不同用戶可以在Hydro-EST上進行個性化開發，并通過統一的應用界面進行交互。Hydro-EST整體上要實現海量多源數據與水利業務應用的處理、開發、集成與可視化展現，為用戶提供決策支持服務。根據上述目標，Hydro-EST開發中應遵循實用性、數據一致性、可擴展性、集成性、安全性、界面友好與用戶交互及較好三維表現力等原則。

1.3Hydro-EST開發流程

Hydro-EST遵循“多源數據集成→電子沙盤開發→水利主題服務→用戶界面集成”的開發流程，通過底層的多源數據集成提供基礎數據服務，建立水利電子沙盤三維可視化環境，通過框架技術實現與水利業務應用的集成，最后根據用戶需求對不同的應用界面進行集成。①多源數據集成是電子沙盤與應用開發的基礎，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。采用三維地理信息系統組件作為Hydro-EST的基礎平臺，根據組件提供的球體模型、事件監聽機制、應用模式和部署方案，遵循標準規范，采用框架技術、數據庫編程技術及可視化技術等實現底層數據的融合與組件開發。③水利工程業務應用集成。在多源數據集成和電子沙盤開發基礎上，結合水利工程領域特點和業務應用需求確定主題服務，進行水利工程業務應用的開發與集成。④用戶界面集成。不同的水利工程業務應用可能采用多種人機交互方式，不同的用戶界面最終在Hydro-EST客戶層進行集成。

1.4Hydro-EST體系結構

對應Hydro-EST開發流程，設計了Hydro-EST數據層、服務層、應用層、接口層和客戶層的五層體系結構。1)數據層通過多源數據集成方案對電子沙盤基礎數據和水利業務數據進行集成和融合處理，重點實現傳統結構化數據的標準化、半結構或非結構數據的整編與處理。2)服務層對應開發流程中的電子沙盤開發，重點實現基礎地理信息系統的部署，Web應用服務器搭建，數據標準化互操作規范制定以及水利業務應用數學模型設計與開發。3)應用層指基于水利電子沙盤開發的具體水利主題服務，目前已實現國家水資源監控、嚴格水資源管理、城市內澇應急、生態環境監視、防汛預警監視、水庫移民可視化等十多個主題服務，每個主題服務根據具體內容包括多個功能模塊。4)接口層作為應用層和客戶層之間的連接，為分級用戶提供人機交互的用戶接口，主要包括數據服務、電子沙盤、業務應用和決策支持4類用戶接口。⑤客戶層對應開發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、知識可視化平臺以及移動APP等方式為用戶提供人機交互和三維可視化操作環境。

2應用實例

2.1防汛預警監視主題服務

受全球氣候變化和城鎮化進程加快的雙重影響，傳統的流域洪水向城市內澇和山洪災害等延伸，次生衍生問題嚴重，災害巨大。據中國水旱災害公報統計，2014年，全國28個省（自治區、直轄市）的1621個縣（市、區）遭受洪澇災害，因災死亡486人，125座城市受澇，造成直接經濟損失高達1573.55億元。以陜西省為例，2014年全年因洪澇災害受災人口達到105.18萬人，農作物受災面積66.37千公頃，絕收面積10.99千公頃，造成直接經濟損失高達17.18億元。防汛信息化是水利信息化的重要組成部分，當前已建成的一些防汛信息系統中對實時預警監視以及空間分析研究較少，一定程度上制約著防汛科學決策。本文在Hydro-EST基礎上開發了面向陜西防汛預警監視的主題服務，在Hydro-EST上開發了預警監視、實時雨水情分析、洪水淹沒分析、洪水預報、移動服務、防汛指揮和應急響應等功能，彌補了當前防汛信息系統在數據集成與空間展示、三維可視化仿真以及實時預警監視上的不足。

2.2水庫移民可視仿真主題服務

大型調水工程的建設往往伴隨著移民的產生，長期以工程為重的思想使得在移民數據的管理、分析與應用中存在一些問題，當前已經開發的部分移民信息系統主要集中在對移民數據的統計分析上，較少考慮移民數據的空間屬性，表現力不足，難以支持復雜的決策分析。陜西省引漢濟渭調水工程屬于陜西省內跨流域I等骨干調水工程，調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中，由于庫區蓄水淹沒以及工程建設占地產生了水庫移民安置問題，據實物指標統計庫區淹沒與影響區涉及漢中市和安康市2個市的3個縣，共計15個鄉鎮、60多個村，需要移民8000余人。筆者在Hydro-EST基礎上開發調水工程水庫移民可視化仿真主題服務，將采集的水庫移民實物指標數據經處理后存儲到標準化數據庫中，在Hydro-EST上實現移民實物指標的管理、數據的統計與分析、可視化查詢、水庫淹沒分析、虛擬現實瀏覽、移民安置分析等功能，為水庫移民提供決策支持。

2.3突發水污染事件模擬主題服務

當前針對水污染研究主要集中在水質模型上，通過數學模型對水質狀況以及污染物運移時態特征進行分析，通常的做法是將河流視為線元素進行模擬，以一維或者二維為主。松花江流域是我國七大流域之一，途經多個大眾城市，是我國重要的能源、工農業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生爆炸，造成苯類污染物流入車間廠區附近的第二松花江，導致嚴重的江體污染。類似這樣的水污染事件具突發性和地理位置的特殊性，有必要在三維空間上實現流域基本信息的展示、污染物運移和可視化仿真，為水污染事件應急預案的制定與科學調度提供參考。本文在Hydro-EST基礎上開發了突發水污染事件模擬主題服務，實現水污染信息三維可視化展示，水污染事件空間關聯分析以及污染物動態運移仿真，可及時、有效地對突發性水污染事件進行決策及科學研究。

2.4嚴格水資源管理主題服務

自從2012年1月國務院頒布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，實行最嚴格的水資源管理成為國家戰略。最嚴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開發嚴格水資源管理主題服務，整合區域空間地理信息、高清影像信息、數字高程模型、氣象水文數據、水利普查數據、工情數據、水資源管理考核、應急管理以及與之相關的多源信息，構建區域三維可視化環境，實現對區域供水、用水、耗水和排水的實時監控，為區域水資源管理提供信息服務、監視模擬服務、嚴格管理考核服務和應急服務，并輔之空間分析和三維空間操作功能，提供決策支持服務。

3結語

筆者將沙盤引入到水利工程領域，提出了建設水利電子沙盤的思路，解決傳統水利業務應用系統中普遍存在的數據共享性差、系統異構以及三維表現力不足的問題。采用組件化軟件技術對Hydro-EST進行設計，遵循“多源數據集成-電子沙盤開發-水利主題服務-用戶界面集成”的開發流程開發Hydro-EST，并將其應用到防汛預警監視、水庫移民可視化仿真、突發水污染事件模擬和嚴格水資源管理等主題服務中。結果表明：基于Hydro-EST開發的水利主題服務具有較好可擴展性和三維表現力等特點，以組件的方式實現不同主題服務在Hydro-EST上的集成，在一定程度上避免了不同應用系統帶來的異構和重復建設問題，促進了水利信息化水平的提高，體現了綠色發展的主旨，在水利工程領域具有較好的應用前景。

參考文獻

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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