GIS 在沂沭河流域管理中的应用

李风雷，王 磊，曹小洁

（1.淮委沂沭泗局沂沭河水利管理局，山东 临沂 276004;2.淮委沂沭泗局水文局，江苏 徐州 221000；3.南京扬子水利自动化技术开发总公司，江苏 南京 210012）

1 GIS 在水利行业的应用

GIS 作为处理空间地理信息的平台技术在水利行业具有极高的应用价值和广阔的应用范围，可视化的展示和空间分析能力为水利信息化建设提供了技术平台，已经成为推动水利信息化和现代化建设的重要技术手段。

在水利行业的信息化系统建设中，GIS 的应用具体表现为工具、方法和平台，通过 GIS 把水利行业相关地理信息数字化和信息化，并与行业领域信息如工程实体、水资源、水文、防洪减灾等信息建立数据关系，实现这些信息的数字化管理和分析，形成高度集成，空间信息可视的信息管理平台，从而为水利行业的业务管理和决策支持提供现代化的技术和手段支持。

GIS 已经在水利行业的诸多领域中得到了深层的实践应用，例如：防洪减灾中的可视化决策支持、模型计算、灾情评估、洪涝灾害风险分析；水资源及水环境管理中的资源可视化和时态化表达、资源空间分析与计算；水利工程建设及规划中的可视化方案评估、大尺度空间分析与计算；水利工程管理中的工程基础信息管理、监视监测等。近年来，GIS 的应用呈现出不断深入，迅速发展的势头，一批重点项目在建设初期就把 GIS 作为系统架构的重要内容列入设计或规划内容，如国家水资源管理系统、水利普查系统、水利空间数据服务共享平台等。

2 沂沭河 GIS 系统的开发建设

2.1 基本情况及建设目标

沂、沭两河位于鲁南苏北，属淮河流域，是纵贯沂蒙山区的2条大型山洪河道，源短流急，水势凶猛，工程标准低，险工隐患多，防汛任务重。沂沭河水利管理局隶属淮河水利委员会沂沭泗水利管理局，作为流域管理机构，主要担负沂沭河在山东境内 513.4km 的河流，705.6km 的堤防及5座控制性闸涵的防汛及管理工作。直管的防洪工程主要包括：山东境内的沂河、沭河、邳苍分洪道、分沂入沭等河道工程，以及刘道口枢纽，大官庄枢纽，江风口分洪闸，黄庄穿涵等控制水闸工程。

为提高工程管理信息化水平，加强能力建设，促进水利管理现代化建设，2011年，沂沭河水利管理局组织有关技术力量，结合流域管理工作特点，开发建设了1个基础性的流域地理信息系统，利用GIS 技术提高信息化建设水平，为业务管理和决策支持提供可视化的空间工具，评估 GIS 信息化建设的可行性和效益，探索 GIS 建设、部署、管理的最佳途径及实践方式。

系统规划建设1个基于 WebGIS 的工程基础信息管理平台，为工程基础信息提供可视化的查询、管理服务，为工程、水行政管理信息系统等业务系统提供空间位置表达服务，同时具备纸质图纸的输出能力。初期确立的量化指标有：

1）建设覆盖管理范围的大比例尺数字地图，初期目标为 1:50000，数字地图能够动态缩放，并对典型比例尺（1:100000，1:200000等）的制图表达效果进行优化；

2）对河道、堤防、闸涵、桥梁、主要交通路线、行政区划、水文站点、地形等8类基础要素信息实现数字化和分类管理，分层表达；

3）提供标准化的应用接口，为其他业务应用系统提供方便调用的位置表达服务；

4）使用 Web 方式为系统访问终端服务，能够快速、方便地部署到各类客户端，避免使用插件、JAVA 等依赖客户端环境的前端技术；

5）能够开放式地调用和叠加公共数据信息；

6）具有一定扩展性，并能够为将来进一步的建设提供基础数据。

2.2 系统架构及建设过程

整个系统的建设过程划分为系统架构及软件开发、GIS 数据收集和整理、客户端开发和部署3个阶段。

2.2.1 系统架构及软件开发

当前 GIS 的开发建设模式主要有以下3类：1）从零开始的独立开发；2）依赖成熟商业架构的宿主型二次开发；3）基于开放 GIS 组件的二次开发。其中第1类开发成本高，周期长，对于业务应用类的GIS 系统建设不具备可行性；第2类具有技术成熟，开发速度快，数据处理能力强等优点，但是版权费用高，初期成本高，高度依赖宿主系统；第3类利用开放授权的各类 GIS 组件结合 GIS 工具搭建系统架构，每个组件专注于1项或几项 GIS 系统层次模块，比如数据持久层的 PostGIS，服务逻辑层的 GeoServer，MapServer，客户端表现层的 OpenLayers，用于数据处理的 QGIS，uDig 等，这些组件一般由社会化的技术团队维护，使用 GPL，BSD 等开放授权协议，符合开放技术标准，基于组件的开发方式面临的主要困难是技术支持不足、开发难度相对稍大，但是优点突出，技术授权费用低（接近于零），技术架构及细节公开，接口及技术标准公开规范，架构灵活易于扩展等。已经有越来越多的业务应用 GIS 系统采用第3类模式进行系统架构。

通过综合分析系统需求和业务特点，该项目最终采用基于开放 GIS 组件的二次开发模式，采取组件化分层建设的策略，各组件优先选择符合现阶段先进技术标准及规范的产品。系统基本架构分为数据持久层、领域模型层、应用层、表现层4个层次；使用 PostGIS 数据库作为数据持久层，处理数据存储；使用 GeoServer 作为 GIS 逻辑服务层，提供制图表达等地理逻辑服务，以 PHP 作为程序语言开发业务逻辑模块；在应用层实现数字地图、工程基础数据库2大功能模块，同时集成改造原有的工程和水行政管理业务模块；选择 OpenLayers 用于前端交互处理；同时利用 QGIS 和 uDig 等开源客户端作为地理数据编辑和管理的桌面工具，具体架构图如图1所示。

图1 系统架构

整个系统架构保持清晰灵活的层次化，功能模块上采取结构化设计和开发，确保系统架构的稳健性、灵活性及技术上的先进性。

2.2.2 地理信息数据采集及整理

地理信息数据的采集和整理是一项繁杂的工作，同时也是 GIS 系统建设过程中的关键工作，为节约投资，缩短建设周期，该项目建设过程中主要依靠历史和共享数据进行地理信息整合，通过各种渠道，获取和整合了大量数据，主要数据源和方式有：

1）国家基础地理信息中心发布的 1:1000000基础数据，包括行政区划、主要公路和铁路、5级以上河流；

2）沂沭河大断面测量原始资料，基础比例尺1:10000；

3）沂沭河 1:240000流域图；

4）沂沭河 1:50000带状图；

5）中科院信息中心国际科学数据服务平台发布的30m 分辨率 DEM 数据；

6）NASA（美国国家航空航天局）发布的90m分辨率卫星影像数据；

7）高精度 GPS 测量设备实地采集；

8）开放地名数据库发布的乡村级以上地名地理数据。

在综合了各类数据来源后，对数据进行了统一配准和整理，对栅格数据使用 QGIS 的georeferencer工具进行多项式配准，参考栅格数据对一些关键地物要素进行提取；利用 DEM 数据进行地形渲染，结合自动等高线提取技术提取了等高距为10m 的等高线；对一些配准存在困难的数据，综合其他来源信息，结合 GPS 测量结果进行配准。经过综合配准和系统整理后的数据基本满足了设计内容和应用精度要求。

2.2.3 系统部署

系统使用分布式部署方式，服务端由3台服务器组成，分别负责 PostGIS，GeoServer 和业务逻辑3大构件运行服务；客户端直接使用浏览器，通过Web 方式访问系统，无需安装任何软件，同时提供移动版的 WebGIS 服务，以便手机、PDA 等移动设备通过公共移动网络访问系统；系统管理人员在专用工作站上使用 QGIS 和 uDig 等桌面工具实现地理数据的添加、查询、编辑等维护工作。

2.3 系统建设成果

流域地理信息系统经过6个月的建设，基本实现了设计内容，进行试运行。通过试运行，系统表现出较好的应用效果，极大地提高了管理工作的直观可视性，对管理决策起到了辅助作用，改善了纸质地图查询不便、更新不及时、数据不统一的状况，对提高沂沭河局水利工程管理水平和能力具有一定的推动作用。系统目前实现的主要成果有：

1）1:10000～1:2000000动态缩放的基础电子地图，行政区划精确到自然村，交通道路精度到市级干道，水工信息包括5级以上或干道河流的堤防、桥梁、拦河建筑物、中型以上水闸和重要管理设施等；

2）为工程管理基础数据库和水行政管理系统等业务系统提供了可视化的位置表达；

3）具备纸质地图的排版输出能力，能够方便地输出各种比例尺的、任意指定区域的纸质地图；

4）能够方便地叠加 Google 卫星等公共地图服务平台的图层，通过专用管理终端对数据进行添加、编辑、修改等操作。

3 结语

沂沭河流域地理信息系统的建设、管理和使用，取得了一定的成果，也存在一些不足，主要表现在：地理信息要素数据量不丰富，数据检索功能不完善，需要加快数据更新、规范管理方式和加快系统响应速度等，这些问题要通过以后的建设和开发逐步完善。同时，通过系统建设及应用实践，对于 GIS 在水利业务工作中的应用有以下体会：

1）相比传统的地理信息处理方式，GIS 表现出强大的优势，是提高工作效率，提升管理水平和建设能力的有效工具。

2）公共地理数据的利用是降低 GIS 系统建设门槛的重要措施，通过充分利用获取到的公共数据，完成基础地理信息数据的采集和整理，能够极大降低系统建设成本。

3）水利行业急需建立基础地理信息的共享平台，GIS 数据源是建设 GIS 系统的关键内容，建设成本高，周期长，如果能建立共享平台和机制，将能极大地促进 GIS 在水利行业的应用发展。

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