李远青
(广东省水文局佛山水文分局，广东 佛山 528000)
摘 要：为了更好地管理和使用佛山市属河道地形资料，全面提升河道管理水平，研制了佛山市河道数字水下地形管理系统。该管理系统基于java与SQL Server组件的方式构件，既实现了GIS的基本功能，又实现了地图数字化管理功能，大大提高了工作效率，并将河床变化定性描述进一步提高到定量表达的水平，为河道管理决策、规划、治理提供了有力的技术支撑，具有一定的实践意义和推广价值。
关键词：GIS;河道数字化；水下地形;管理系统；设计与实现
佛山市位于珠江三角洲网河区腹地，河流众多，多年来，投入了大量的人力物力对市管河堤险段进行了综合整治，积累了大量的河道治理经验和多年的河道水下地形基础数据成果，但由于各种河道测量成果坐标系统不统一，且未能较好的形成数字化统一管理成果，为更好地管理和使用佛山市属河道地形资料，为防灾减灾提供重要的基础信息。开展基于GIS佛山市河道地形数字管理研究，利用地理信息系统软件强大的数据管理和空间数据分析功能，将河道地形数字化并建立专业的数据库，实现网络远程管理，并通过数据对比和挖掘，使用多元查询方式，分析河道平面、断面变化、河槽容积变化，并可得到河床冲淤变化图，直观地显示河道冲刷淤积部位，从而分析河道演变规律和演变趋势。
目前国内开展此方面研究的主要是集中在长江河段，如河道数字地形信息系统与长江镇扬河段GIS研制[1]，且部分研究主要内容是针对河道地形数字管理[2]、河床断面演变变化以及冲淤时空等宏观面上的分析[3-5]，如本项目综合研究河道数字一体化[6]并深入挖掘针对水行政主管部门水安全管理需求开展险工险段、边坡局部重点以及实现河道3D模拟分析比较的并不多见，因此，本项目的研制对于加强河道地形数字化和应用具有重要的现实意义。
自2008年以来，佛山水文部门协助地方水行政主管部门采用较为先进的多波束水下测深系统，主要开展了佛山市重要堤围险段监测，顺德、南海区历史险段监测以及佛山市西北江干流河道水下地形监测普查等工作，基本上实现了佛山市市属主要河道水下地形以及重要险工险段1∶1 000、1∶500乃至更高精度的大小比例尺成果，这也为项目的开展提供了重要的支撑。
佛山市河道数字水下地形管理系统建设有以下几个方面的目标和原则：①建立基于GIS的河道数字水下地形数据库，能够实现背景图、地形数据实时更新、网络远程及多用户授权管理、查询功能；②在建立的数据库基础上，实现分析河道平面、断面变化、河槽容积变化等模块功能，并可得到河床冲淤变化图，直观地显示河道冲刷淤积部位，能够分析河道演变规律和演变趋势，分析计算结果须符合相关技术规范要求；③具有强大三维表达和空间分析能力，包括地图数字化、三维表面生成、槽蓄量计算、冲淤变化分析、断面分析在一个系统内完成，并将河床变化定性描述进一步提高到定量表达的水平；④自动生成测绘、水文相关规范要求的报表成果形式。
3.1 系统结构
整个系统建在基于Web为基础的J2EE系统，开发基于GIS系统的SQL Server空间数据和属性数据的一体化的多源、海量数据管理和数据安全性的管理。系统采用多层(前端展现层、应用服务层、数据存储层、支撑系统)式模式设计开发，前端表现层主要是用户界面，包含GIS地图、数据和系统管理等；应用服务层主要有GIS计算，河道三维处理，坐标投影转换，数据存储、查询和维护；数据层主要是操作系统、数据库系统、GIS及中间构件等，各层间通讯采用标准规范或参考标准规范，利于不同产品整合，层内部采用模块化设计，减低耦合，实现功能重用执行效率高效。系统的总体结构拓扑图见图1所示。
图1 系统结构拓扑示意
3.2 系统功能
系统主要实现以下功能：查询历史险段成果、水文站点信息、险段水下三维图、局部险段历史对比，生成平面地形图、河道断面图、断面变化对比、冲淤对比分析以及边坡安全预警分析等，共包括通用GIS系统、河道数字化、站点管理、系统管理4大块以及GIS系统建库等14个功能模块(见图2)。
3.3 技术路线
为实现系统功能的可扩展、可伸缩、灵活布设、强大组合，系统总体设计框架将采用一个B/S的3层体系结构，包括数据库层、应用服务器层、Web客户端应用层，同时系统自数据库、应用服务器到客户端浏览器实现3层安全策略与用户认证体系。
系统涉及数据库技术、空间数据引擎技术、Web技术、WebGIS技术统计图表技术、多媒体技术、系统集成技术等，为实现系统的总体目标和主要功能，针对应用有效的组织起来，根据对系统的功能技术的适用性和系统用户群分析，系统采用B/S构架的模式；实现网点信息快速索引、查询、统计、汇总、报表等功能；同时实现河道地形数据地理空间信息的管理与维护。
图2 系统功能结构示意
根据总体设计要求，将系统设计的结果转化为用具体程序设计语言编写的程序代码，进行了软件系统功能开发，并整合各个功能模块，实现系统的集成运行，满足需求分析阶段提出的性能要求。具体描述如下。
1) GIS系统建库：建立以佛山市城市GIS地图数据格式的GIS图层结构信息，并建立数据库。
2) 地图基本操作模块：实现地图的放大，缩小，平移，测距等基本地图操作功能，为其他功能提供支持。
3) 地图测量模块：实现地图上连续多点距离长度测量；任意多边形面积测量；角度测量等功能。
4) 数据管理模块：提供用户导入原始文本河道测量点数据，允许用户根据需要调整坐标转换参数，设置数据属性、测量时间等信息，并可根据这些信息查询到相关数据，增删管理这些河道数据。
5) 河道建模模块：根据原始测量点数据，构建河道三维模型，为其他模块提供底层服务。DEM建模过程通过内插生成DEM的方法，DEM内插常用的算法是TIN，然后再TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM。将TIN转成栅格后，使用Extract by mask工具提取河道面，最后得到DEM影像图。
6) 坡比测量模块：用户在GIS界面里，用鼠标在河道上据需要选择某河道坡面(线段选择)，系统计算该坡面的坡比值以及历年坡比值对比。
7) 剖面图模块：用户在GIS界面里，用鼠标在河道上需要选择某河道剖面(线段)，系统计算该剖面连续采样点高程(河道)，以图形方式展现，并提供历年河道对比图。
8) 冲淤分析模块：用户在GIS界面里，用鼠标选择任意多边形河道区域，系统计算该多边形区域水立方量以及冲淤量等，并在界面里用颜色加以区分显示。
9) 河道3D模拟模块：用户在GIS界面里，用鼠标选择河道区域，系统将展现该区域河道的3D效果图，提供旋转远近移动视点、河道等高线显示、不同高程区域用不同颜色着色等。
10) 站点显示以及图例提示模块：在GIS界面里显示用户定义的各种站点信息，并可用不同图标对这些站点不同类型加以区分，提供图例提示。
11) 站点属性数据管理模块：站点各种属性数据的管理(增修删)，例如，站点空间坐标、站点名称地址等、站点各种相关文件(图片音像文字等)上传下载。
12) 站点查询检索模块：根据多组合条件查询呈现站点，条件包括名称，地址，站点类型，所在地市乡界等。
13) 用户安全管理模块：增加，修改，删除用户信息，为系统提供用户身份验证功能。
14) 系统日志管理模块：查看下载系统日志信息，为系统维护和bug追踪提供信息。
本系统以河床演变分析基本方法为基础，应用坐标系转换，坐标系校准，DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型，TIN(Triangulated Irregular Network)不规则三角网，矢量数据分层分片，河道特征地形提取，空间插值分析，空间叠加分析等空间分析技术，实现了佛山市市属河道多年历史海量水下地形数据的管理与建模(图3)，再配合通用GIS系统自动、快捷、可靠的分析和高并发性能力，可同时为多用户呈现直观、具体的河道水下地形剖面图(图4)、平面图、冲淤分析(图5)以及3D模拟图(图6)等，实现险段边坡预警功能等(图7)，从而更加科学和有效率地分析河床演变过程和演变趋势，大大提高了水行政主管部门的河道监管效率。
图3 佛山市GIS河道数字水下地形管理系统界面示意
图4 河道水下地形剖面示意
图5 任意区域冲淤分析示意
河道冲淤的研究对河流的防洪、航道的开发、港口的布局等更具有实践意义。 利用GIS地理信息系统软件强大的数据输入和空间数据分析功能，将河道地形图数字化，在此基础上，实现地图数字化、三维图形生成、槽蓄量计算、冲淤变化分析、断面以及边坡分析可在一个系统内一体化完成，大大提高了工作效率，并将河床变化定性描述进一步提高到定量表达的水平。随着河道数字化测图技术的发展和推广、河道数据库管理系统的建立，大量的河流地图矢量化工作将得以减轻，基于GIS的河道冲淤及河床演变分析方法将更具潜力。
图6 河道3D模拟示意
图7 边坡对比成果输出示意
参考文献：
[1] 丁贤荣,王文,杨涛,等.河道数字地形信息系统与长江镇扬河段GIS研制[J].河海大学学报(自然科学版),2001,29(4)：116-119.
[2] 姜贤瑞，梅军亚.河道地理信息管理系统的研制[J].人民长江,2002,33(11)：43-44.
[3] 贺巧宁,丁贤荣.基于GIS的河床演变断面分析方法研究[J].人民长江,2008,39(24)：99-100，105.
[4] 李晓敏,丁贤荣.基于GIS的河道冲淤时空分析方法研究[J].水利与建筑工程学报,2008,6(2)：44-46.
[5] 张岳.基于GIS技术的河道变化监测研究[J].测绘与空间地理信息,2013,9(9)：90-93.
[6] 郑亚慧.基于GIS内外业一体化河道成图系统开发研究[J].人民长江,2009,40(13)：73-75.
(本文责任编辑 马克俊)
LI Yuanqing
(Hydrology Bureau of Foshan, Guangdong Province, Foshan 528000, China)
Abstract：In order to better manage and use the river topography information in Foshan, and improve the level of river management, a digital underwater terrain management system is constructed in Foshan City. The management system is based on the way components of Java and SQL Server, not only realizing the basic function of GIS, but also realizing the function of digital map management, which greatly improves the working efficiency and the qualitative description of the riverbed to quantitative expression. It provides a powerful technical support for river management planning and management, and has certain practical significance and popularization value.
Keywords：GIS; digital river; underwater terrain；management system；design and implementation.
收稿日期：2017-03-20;
修回日期：2017-04-07
作者简介：李远青 (1979)，男，本科，高级工程师，主要从事水文与水资源勘测及评价工作。
中图分类号：P208.2；TV8
文献标识码：A
文章编号：1008-0112(2017)007-0061-04
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