1、河道堤防工程管理三維仿真系統的設計與開發何保國邱儒瓊（湖北省基礎地理信息中心湖北武漢430071）摘要 以湖北省長江河道堤防工程管理三維仿真系統開發為背景，介紹基于ArcEngine的大數據量河道三 維仿真系統的設計與實現。采用地理信息系統技術、遙感技術、虛擬現實技術、數據庫技術、多媒體技術、互聯網技術、面向對象系統設計與分析技術使系統具有體系結構清晰合理、技 術先進、擴展性好、查詢方便、三維場景數據量大、功能強大等特點，能有效地為長江堤防管理單位的高 效管理、研究和規劃服務，提升湖北省河道堤防管理的現代化管理水平，加快以“數字長江”為目標的信 息化建設步伐。對其他大數據量三維地理信息系統的實

2、現具有較高的參考價值。關鍵詞 三維地理信息系統、堤防、長江、ArcEngine1引言21世紀，“實現傳統水利向現代水利、可持續發展水利轉變”的新治水思路 要求把水利信息化放在優先的位置。構筑湖北省的“防洪減災體系、水資源保障 系統和水生態環境保護體系”必須通過水利信息化這個重要措施和關鍵環節來實 現，因此，在當前的新形勢下，如何利用現代信息技術提高河道堤防及分蓄洪區 等工程的管理水平向我們提出了一個嚴峻的挑戰?！熬虐恕贝蠛樗螅瑖壹哟罅酥卫泶蠼蠛拥牧Χ龋谕毒拶Y進行湖 北長江十堤的工程建設的同時，也安排了非工程項目，特別是配套實施了信息化 工程項目，給堤 防工程建設與管理的現代化信息建設

3、提供了機遇；在二00五年 湖北省水利局長會議上，將進一步推進水利信息化工作列為一項重要任務，其中 開發河道堤防工程管 理三維仿真系統軟件列為重點項目。依托信息基礎設施， 開發三維仿真系統軟件，是信息化效果的最直接體現。統一規劃、開發湖北省長 江河道堤防三維仿真系統軟件，可以有效節省投資、實現信息資源共享、統一 規范管理模式。因此，開發湖北省長江河道堤防三維仿真系統是一項重要且迫切的任務，同時具 有十分重要的意義。2、設計目標根據堤防及分蓄洪區工程現代化管理的實際需求，以現代信息技術為手段， 建立覆蓋湖北省的河道堤防及分蓄洪區工程管理的河道堤防三維仿真系統，實現” 管理自動化、信息網絡化、服務智

4、能化”，為防汛決策、河道堤防及分蓄洪區工 程建設與管理、日常辦公提供全面、及時、準確的信息服務和技術支持,初步建 成現代化的湖北省堤防工程管理體系，促進湖北省水利信息化建設。系統以長江湖北段為核心，以上起三峽大壩，下至黃梅小池，長約1000公里， 寬約14公里范圍的沿江基礎地理信息數據與專題數據為基礎，利用三維地理信 息系統、虛擬現實、數據庫、互聯網等現代技術，搭建長江湖北段堤防三維虛 擬現實，集河道及堤防工程信息數據的采集、管理、分析、處理、顯示和應用為 一體，實現堤防三維動態交互式瀏覽及堤防工程項目成果的三維可視化。通過對 河道堤防設施的管理、建設、運行等信息的集成管理，可實現在二維、三維

5、窗口 中靈活查詢、展現各類堤防、水閘、險工險段、防汛資料等信息；通過空間分析、 計算、查詢等功能，建立基于GIS的三維可視化輔助評價決策支持平臺，為堤防 管理單位的高效管理、研究和規劃服務，提升湖北省河道提防管理局的現代化管 理水平。系統主要功能包括：二三維場景控制、坐標定位、位置查找、信息查詢、工 程瀏覽、工程查詢、路線飛行、書簽管理、專題圖管理、緩沖區分析、斷面分析、 通視分析、距離量算、面積量算、圖層控制等。3、數據庫結構設計本系統涉及四個數據庫：空間地理信息數據庫、基礎工情信息數據庫、社會經 濟信息數據庫、三維模型數據庫?？臻g地理信息數據庫是河道堤防三維仿真系統中二維GIS視圖中的基礎

6、底圖， 是整個系統的空間定位的核心?？臻g地理信息數據庫包含基礎地理信息數據庫和 專題地理信息數據庫，前者存儲所有1:10000和1:250000基礎地理信息數據， 后者存儲所有河流、水庫等專題地理信息數據。基礎工情信息數據庫的數據是按照具體業務需要，在基礎地理數據之上生成的， 其坐標系統和比例尺應與所對 應的基礎底圖相同。在系統運行過程中，主要由 基礎工情信息數據庫參與專題業務信息的處理，包括二維GIS專題信息查詢和三 維瀏覽時專題信息查詢。三維模型數據庫存儲所有水利工程三維模型，系統運行時調用這些模型展現三 維場景。目前，系統所需要的三維專題水利工程模型如水閘、堤防、控制站、機 電排灌站12

7、個；特殊模型如特殊涵閘、跨河大橋26個。文件格式為flt，所 有的三維水利工程模型均可使用3DMax、MultiGen Creator等三維建模工具進 行單獨建模。數據庫邏輯結構圖如下所示：4、系統功能設計目前，面向對象方法是軟件開發方法的主流方法，面向對象方法克服了傳統 的結構化分析方法的代碼復用困難、對于復雜系統功能難于擴充、不易維護等弊 端，在軟件系統日益龐大、結構日益復雜的今天得到廣泛的使用，是目前最流行 的系統分析和設計技術；UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適 用的建模語言，它溶入了軟件工程領域的新思想、新方法和新技術，它的作用域 不限于支持面向對象的分析與設計，還支持

8、從需求分析開始的軟件開發的全過程 21因此，本系統采用面向對象方法進行設計與分析，采用UML進行系統建模。湖北省河道堤防三維仿真系統系統級需求用例圖如下圖所示：主要功能簡介如下：場景控制：完成二、三維場景放大、縮小、漫游、模式切換等操作坐標定位：完成坐標的輸入及定位功能位置查找：包括地名查找和空間矢量要素查找信息查詢：查詢用戶鼠標點中的空間實體的屬性信息和專題信息工程查詢：根據工程代碼或樁號在用戶可訪問的工程中查詢工程詳細信息工程瀏覽：根據用戶相關信息和行政區劃顯示所有工程，可查詢每個工程的詳細信息并定位工程空間分析：包括二維緩沖區分析、三維斷面分析、三維通視分析路線飛行：可以選擇已經存在的路

9、線進行飛行；可以在Globe控件中繪制路 線進行飛行；可以在Globle控件中選擇已有的路線進行飛行書簽管理：實現對二維視圖或三維視圖的書簽快速定位，方便用戶進行視點跳 轉.書簽即為當前視圖視點，書簽可以被創建，刪除，修改，水文預警：當某個水位站的當前水位接近警戒水位時，提示用戶，用戶可以 對該水位站進行快速定位或查詢其水位相關詳細信息；同時，將該水位站新增到 預警水位站列表中；若已經存在的預警水位站因為水位降低而退出預警狀態，也 會提示用戶之，并將該水位站從預警水位站列表中刪除。視頻：用戶選擇某個視頻攝像頭，進行視頻觀看其它還包括：圖層控制、圖面清理、距離量算、面積量算、水位模擬、繞點 旋轉

10、等功能5、系統開發與實現本系統采用客戶機/服務器模式(Customer/Sever)，提高了系統的可擴充性和可維護性；客 戶端操作系統選擇Windows XP，服務器端操作系統采用Windows Server 2003;GIS本系統采用客戶機/服務器模式(Customer/Sever)，提高了系統的可擴充性和可維護性；客 戶端操作系統選擇Windows XP，服務器端操作系統采用Windows Server 2003;GIS開發平 臺選擇ESRI公司的ArcEngine 9.23開發語言選擇VB 6.0；采用Rational Rose作為UML 建模工具，采用VisualSouceSafe進行

11、版本控制，系統主界面如下圖所示：i: Ar H49K理肯希珞年 C7 0 FiKBlh sw即工時S*| F-M 朝 |.訕1?16互 & 株 土iff HfI trv. 匿派薩tr *幽 kJ -.u jk.-Jj 旬6、系統特點6.1數據復雜、數據量大本系統包括基礎地理信息數據、專題地理信息數據、基礎工情數據、社會經 濟數據、元數據五大類，其中，基礎地理信息數據包括全省25萬道路、居民地、 地貌、水系、境界矢量數據；分蓄洪區5萬行政村、居民點、街道、公路、居民 地、水系矢量數據；長江湖北段沿線1萬名稱注記、植被、水系、管線、道路、 植被、地貌、居民地矢量數據；長江湖北段沿岸1萬DEM數據；

12、湖北省全省5 萬DEM數據；湖北省25米分辨率衛星影像數據、長江湖北段沿岸0.5米分辨率 高清晰航片數據。專題地理信息數據包括水利工程數據，如水位站、控制站、點 狀湖泊、點狀水庫、線狀河流、跨河工程、面狀水庫、面狀湖泊；分蓄洪區及附 屬設施數據，如躲水樓、安全臺、口門、轉移道路、主要橋梁、安全區、蓄滯（行） 洪區；堤防工程數據，包括堤防、樁號、險點險段、防汛倉庫、水閘、碼頭、管 理單位、穿堤建筑物、視頻監控點、機電排灌站、采砂區、防浪林、圩垸等。基 礎工情數據包括各個水利工程詳細工情數據。系統數據復雜、種類繁多，既包括矢量數據、影像數據、高程數據，又包括 各種格式的工程圖紙數據、視頻、音像資料

13、。系統數據圖層總計59個、數據庫 表總計97個。0.5分辨率高清晰DOM數據179G、2.5米高精度DEM數據4.6G、 25 米 DEM 數據 1.4G。6.2數據處理復雜、繁瑣為了收集長江沿岸各個堤防工程信息資料，滿足系統建設需要，湖北省基 礎地理信息中心先后多次到湖北省各市堤防管理局、總段進行資料收集整理，對 各種工程記錄信息進行檢查整理，對所有工程圖紙進行掃描分類并形成電子文 檔，對各種照片進行掃描，對相關視頻進行切割，對所有工程進行分類和行政區 劃確認，對所有工程 進行空間定位，在此基礎上，采用國家水利工程相關標準， 對各工程進行工程編碼，然后入庫。資料收集整理、現場踏勘、掃描、編碼

14、的過 程繁瑣、麻煩、工作量 大，需要投入大量人力物力，同時，資料入庫需要編制 專門的數據入庫程序和數據質量檢查程序。高分辨率DOM影像需要進行拼接、裁切、色調統調以及接邊處理，180G 的DOM影像需要耗費大量的人力資源；當前，DEM生成過程中，由于各種誤 差的存在及生產條件和技術限制，生產出的DEM不能滿足河道堤防三維建模的 需要，必須編制專門程序對DEM進行特殊處理。三維場景中，三維模型有14類，高達7000個。對各類模型均需依據其所 代表的堤防工程分別建模，模型的樣式應能反應相應水利工程的基本特征，特殊 模型如北閘、三峽大壩還應到現場拍攝真實紋理。對通用模型，在能反應相應 水利工程的基本

15、特征的基礎上，還應合理選擇適當的模型精細度，以降低系統顯 示模型時的資源消耗。模型完成后，需編制專門的模型數據處理程序對模型進 行屬性編輯處理，包括：模型坐標、模型所代表的水利工程的工程代碼、模型大 小等，最后，在三維場景中，對所有模型進行朝向人工處理，形成最終的 三維 模型數據庫。鑒于湖北省長江河道堤防三維仿真系統數據量大這一基本特點，要保持系統 具有較高的運行速度，必須對各種數據進行優化處理，所有基礎地理信息矢量數 據必須設置適當顯示比例尺；所有數據庫中記錄必須建立索引；各種DLG, DEM,DOM數據均應實施金字塔優化；系統DEM, DOM數據一次優化需要5天，優 化周期長。6.3三維場

16、景可視化要求高建成后的、湖北省長江河道堤防三維仿真系統是一個具有海量數據信息，表現直觀、形象、系統的可交互的動態數字平臺。它管理和表現了整個長江湖北段 1000多公里的河道場景，三維場景影像數據高達180GB，三維場景數字高程模型 數據高達5.9GB，三維模型高達7000個，三維場景影像數據量是在2004年全國 水利廳局長會議上獲得一直好評的、黃河下游交互式三維視景系統影像數據量 的14倍。海量高清晰的影像數據、海量高精度的數字高程模型、種類繁多、數 量巨大的三維模型對系統三維場景海量數據有效管理、大場景的無縫拼接顯示、 動態載入等能力提出了很高的要求。6.4展現內容豐富、功能強大湖北省長江河

17、道堤防三維仿真系統可以展現豐富的水利工程信息，在系統 提供的大場景三維虛擬環境下，遠可以從宏觀上研究考察長江湖北段整體布局， 直觀了解每處堤防工程的作用及各類堤防工程之間的相互關系，近可以對工程進 行全方位、交互式地控制瀏覽察看，方便快捷地查詢工程的各種工情信息，包括 工程文字信息、工程圖紙信息、照片信息、音視頻信息等。系統還可以實時顯示 長江湖北段各水利控制站實時信息如實時水位等。湖北省長江河道堤防三維仿 真系統既包括三維場景，還具有二維場景，并可實現二三維場景聯動。二維場景 就是一個二維地理信息系統，既包括放大、縮小、漫游、距離面積量算等基本功 能，還包括緩沖區分析等高級GIS功能，二維場

18、景包括59個數據圖層，涵蓋從 基礎地理到專題地理的絕大部分信息，內容豐富，數據翔實。二維場景及其相應 功能極大的彌補了三維場景在空間分析、信息顯示上的不足，二三維場景聯合使 用為長江湖北段的治理開發與管理提供了強大的可視化決策支持。7、結語21世紀，與“數字地球”相關的研究與應用在全世界范圍內受到了廣泛的關 注，作為“數字地球”重要支撐技術之一的三維地理信息系統也相應得到了快速 發展。本文以湖北省長江河道堤防工程管理三維仿真系統建設為背景，重點從數 據結構設計、功能結構設計、數據處理、三維可視化、信息展示等多方面，對長 江河道堤防工程管理三維地理信息系統的設計及實現進行了探討。本系統克服了以往單純的數據庫管理或二維平面管理模式，是對河道堤防工 程信息化管理方式的一種新的有益嘗試4、5，系統具有數據量大、數據處理復雜、 三維可視化能力強、二三維GIS結合、內容展現豐富、功能強大等諸多特點， 其數據量之大、數據精度之高、內容展現之豐富，迄今為止在國內水利界三維地 理信息系統中尚屬首次。湖北省長江河道堤防工程管理三維仿真系統為我們提供了一個認識長江、 了解長江、研究長江的數字平臺；為堤防管理部門進行長江防汛提供一個可視化 的決策支持平臺；為長江堤防工程規劃、建設、管理提供了一個工作及應用服 務平臺。湖北省長江河道堤防工程管理三維仿真系統是“數字地球