玉树州三江源区水资源三维电子沙盘技术与架构

闫 莉 ，彭 勃 ，余真真 ，姜仁贵

（1.黄河水资源保护科学研究院，450004，郑州；2.水利部黄河水利委员会，450003，郑州；3.西安理工大学土木建筑工程学院，710048，西安）

玉树州三江源区水资源三维电子沙盘技术与架构

闫 莉1，彭 勃2，余真真1，姜仁贵3

（1.黄河水资源保护科学研究院，450004，郑州；2.水利部黄河水利委员会，450003，郑州；3.西安理工大学土木建筑工程学院，710048，西安）

三江源是我国重要江河源头的汇水区，是国家生态安全、水源涵养、世界高海拔生物多样性保护的关键区域。基于现代信息处理及软件平台构建技术，建设了玉树州三江源区水资源三维电子沙盘系统。系统集数据管理、信息展示、空间分析、可视化模拟仿真、业务管理、辅助决策等功能于一体，实现了水资源的数字化管理。成果可为三江源区水生态文明建设提供技术支撑。

水资源；三维电子沙盘；信息化；地理信息系统；三江源

一、三维电子沙盘系统建立背景

玉树州三江源区位于我国西部，地处世界屋脊青藏高原的腹地，为长江、黄河和澜沧江的源头汇水区，是我国生态安全、水源涵养、世界高海拔生物多样性保护的关键地区，战略地位十分重要。三江源区供给黄河径流49%，雅鲁藏布江、澜沧江和怒江每年出境水量约5000亿m3，是我国水资源的战略储备区。

在气候变化影响、人类活动加剧双重作用下，三江源区水资源和生态环境问题日益凸显，不断恶化的生态环境已经成为区域可持续发展的重要制约。当前，三江源区开发保护得到了国家和地方的高度重视，但是玉树州水资源保护措施较为薄弱，实地调查、监控难度大，缺乏对水资源管理相关监测数据的系统整合，远不能满足水资源保护的要求。尤其是当地水利信息化还处于基础设施完善和业务应用初步建立的阶段，水资源信息化支撑能力亟待提高。为此，玉树州水利局提出建立三江源区水资源三维电子沙盘系统，实现信息化与水利现代化相结合，为三江源区水资源管理和水生态文明建设提供技术手段支撑。

二、三维电子沙盘内容概况

三维电子沙盘又称三维数字地图，是遥感、地理信息系统、三维仿真等技术的结合，能实时动态地查找每一点的地理位置及其属性并提供信息、计算和决策服务支持。基于现代信息处理及软件平台构建技术，建设玉树州三江源区水资源三维电子沙盘系统，通过整合实时监测数据、历史水文数据、GIS、GPS、RS等， 建立三江源电子沙盘数据库和三维数字地球服务平台，为三江源区水文、水资源业务提供信息服务、计算服务和决策服务。

①建立多源数据融合与电子沙盘数据库。对玉树州三江源区的历史水文数据、实时监测数据、空间地理信息数据、遥感影像数据等多源数据进行整理和分析，实现多源数据融合。建设水文数据库、实时监测数据库、空间地理信息数据库、遥感影像数据库等，实现资源的整合与共享。

②设计三维数字地球服务平台，整合GIS、GPS及RS数据，为电子沙盘平台建设提供基础平台。

③开发水资源电子沙盘业务应用。基于三维数字地球平台开发面向玉树州三江源区水资源电子沙盘业务服务，采用三维建模软件进行三维实体建模，为三江源区水文及水资源管理提供三维模型展示、信息服务、空间分析及辅助决策等功能。

三、三维电子沙盘架构设计

基于现代信息处理及软件平台构建技术，建设玉树州三江源区水资源三维电子沙盘系统，项目实施时将系统设计建设成基于数字地球的信息服务平台。平台设计具备兼容性、可扩展性、部署灵活性和可维护性，系统总体框架采用成熟的J2EE多层技术架构，存储、服务器系统在玉树藏族自治州水利局相对集中部署，采用C/S模式，在多源数据库基础上提供数据管理、应用功能以及信息服务，系统总体框架如图1所示。另外，平台中的业务应用应与数据保持相对独立，减少应用系统各功能模块间的依赖关系，通过定义良好的接口与协议形成松散耦合型系统，在保证系统间信息交换的同时，尽量保持系统相对独立运行。

三江源区水资源三维电子沙盘系统总体框架由数据层、核心层、应用服务层和客户层四层构成。此系统框架充分利用了J2EE架构、Swing组件以及3S结合等技术，通过地理数据、历史水文与地形数据的集成与融合，构建关系数据库、空间数据库、历史水文数据库和地形数据库等，为管理软件提供应用基础数据；发挥3S技术特点和优势，为上层提供独特的三维可视化以及3S系列等应用功能；通过Swing界面编程组件技术提供基于C/S客户端的数据管理及应用等功能；通过数据互操作环境。其中，数据层建设是三江源区水资源三维电子沙盘系统多源数据管理服务的基础环境，通过搭建各类数据库，实现基础数据、影像数据、空间数据、水文与地形数据的融合。

图1 玉树州三江源区水资源电子沙盘总体框架

四、三维电子沙盘关键技术

1.3S技术集成

3S是地理信息系统、遥感和全球定位系统3个名称的英文缩写，是GIS、RS、GPS 这 3 项相互独立而在应用上又密切关联的高新技术的简称。3S技术的集成是当前测绘技术、摄影测量和遥感技术、地图制图技术、图形图像技术、地理信息技术、计算机技术、专家系统和定位技术及数据通信技术的结合与综合应用。就在集成体中的作用及地位而言，GIS相当于人的大脑，对所得的信息加以管理和分析，RS和GPS相当于人的两只眼睛，负责获取海量信息及其空间定位。RS、GPS和GIS三者的有机结合，构成了整体上的实时动态对地观测、分析和应用的运行系统，为科学研究、政府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。目前3S技术的结合与集成研究已经有了一定发展，正在经历从低级向高级发展和完善的过程。在3S系统的低级阶段，系统之间是通过互相调用一些功能来实现的；在3S集成的高级阶段，三者之间不只是相互调用功能，而是直接共同作用，形成有机的一体化系统，从而快速准确地获取定位的现势信息，对数据进行动态更新，实现实时实地现场查询和分析判断。

2.数字地球

数字地球可以理解成对现实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。其核心思想是运用数字化手段来处理整个地球的自然和社会活动等方面问题，最大限度地利用资源，并使普通民众能够通过一定方式方便地获得他们所想了解有关地球的信息。其特点是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、三维地球的描述，即“虚拟地球”。通俗地讲，就是在计算机上用数字化的方法对地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化进行模拟，使之最大限度地为人类生存及可持续发展和日常工作、生活、娱乐服务。严格地讲，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和海量数据存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用海量地理信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用其作为工具来支持和改善人类活动、生活质量。

3.水利GIS与数字地球融合

通过影像金字塔及数据融合技术，实现地球模型的构建，采用地图服务器，通过构建遵循美国“开放式地理空间协会”（OpenGIS Consortium，简称OGC）规范的网络地图服务，实现水利GIS数据与数字地球信息的融合。采用遵循OGC标准的开源WMS和WFS.T地图服务器，并兼容两者特性，支持PostGIS、Shapefile及MapInfo等多种数据格式，能够将网络 地 图 输 出 为 OpenLayers、KML、PDF、SVG及GeoRSS等格式。地图服务器采用纯Java编写，基于J2EE架构及Selvlet框架，可以被部署在Web应用服务器中，本身包含完整的管理配置组件，通过固定URL访问，用户安全登录后可以实现对管理、配置和样例3个组件的操作，其中配置组件能够实现网络地图服务的设置和生成。

地图样式表（SLD）是地图服务器实现网络地图服务的关键技术，它是OGC制定的一种基于XML语言的文本文件，用来描绘特征数据表现形式，可以跨平台使用，能够精确控制图层上每一个特征要素的表现形式，灵活地显示不同状态下的空间要素。

4.标准化互操作环境

数字地球信息服务平台数据量大，而且很多来自异构平台，高效整合不同格式的数据需要提供一个标准化的数据互操作环境。本项目结合WW的特点以及应用需求，采用开放式地理数据互操作规范作为数据互操作标准。开放式地理数据互操作规范（简称 OpenGIS），由 OGC 提出，目标是提供一套具有开放界面规范的通用组件，开发者根据规范开发出交互式组件，这些组件可以实现不同种类地理数据和地理处理方法间的透明访问，基于OpenGIS规范的数据操作具有更好的可扩展性、可移植性、开放性、互操作性和易用性。OpenGIS是在网络环境中增强空间信息和位置技术的互操作性，陈述空间界面规范，开发者根据这些规范开发出交互式组件，实现不同种类地理数据和地理处理方法间的透明访问。

在本项目中将实施的标准化互操作主要包括 WMS、WFS、WPS、GML等规范。WMS主要提供地图数据的图像发布、叠加和渲染；WFS主要对OpenGIS简单要素的数据编辑进行规范，从而使服务器端和客户端能够在要素层面进行通信；WPS是一种提供空间算法和处理的服务，采用Web Service的方式来实现GIS的业务逻辑，并可以在此基础上扩展空间算法；GML是基于XML的地理信息编码规范，主要用于地理信息的建模、传输和存储。

五、应用实例

1.信息服务

基于电子沙盘的信息服务功能主要包括区域信息、测站信息、河道信息、生态文明、三江源头、河流湖泊、冰川雪山、人饮工程、水闸工程、水库工程、堤防工程、水电站工程、机电井工程、取水口工程。

2.统计服务

统计服务功能主要包括气象信息服务、地下水服务、径流量统计、输沙量统计、水资源量统计、供用水量统计、水功能区服务、水源地服务功能。

3.辅助决策服务

决策服务功能主要包括空间巡视、预案管理、应急响应、空间分析、地图操作、地理信息服务、应用截屏等功能，这些功能都是基于数字地球基础上实现的。

六、建设成果

①搭建了玉树州三江源区水资源电子沙盘基础软硬件环境，基于数字地球平台融合影像数据、GIS数据等，建立了水资源电子沙盘基础平台。

②收录了基础地理信息、水利普查、气象水文和水资源数据，后续可以增补实时水资源、水生态监测数据，为水资源保护提供资源整合及可视化展示环境。

③首次研究建立三江源区水资源电子沙盘，开发了信息服务、计算服务、决策服务3大类共30余项业务主题服务功能，为玉树州三江源水资源管理和水生态文明建设提供信息化支撑。

④沙盘系统集数据管理、信息展示、空间分析、可视化模拟、业务管理、辅助决策等功能于一体，实现了玉树州三江源区水资源的信息化管理。■

[1]韦晶，郭亚敏，孙林，等.三江源地区生态环境脆弱性评价 [J].生态学杂志，2015（7）.

[2]黄河水资源保护科学研究院.青海省玉树州水生态文明试点城市建设实施方案[R].2016.

[3]姜仁贵，解建仓，李建勋.面向防汛的三维预警监视平台研究与应用[J].水利学报，2012（6）.

[4]黄俊铭，刘暾东，解建仓.基于综合集成平台的水质动态分区管理[J].厦门大学学报（自然科学版），2012（5）.

[5]杨树文，杨亮洁，程耀东.3S集成技术在地图数据库建设中的应用[J].地理空间信息，2007（6）.

[6]王金鑫，郑亚圣，李耀辉，等.利用球体剖分瓦块构建真三维数字地球平台[J].测绘学报，2015（6）.

Technologies and framework for three-dimensional electronic sand table of Three-River-Source Region in Yushu Prefecture

Yan Li,Peng Bo,Yu Zhenzhen,Jiang Rengui

Three-River-Source,the headstream of three major rivers in China,is crucial for national ecological security,conservation and protection of river sources and biodiversity in high-altitude region.A three-dimensional electronic sand table for Three-River-Source Region in Yushu Prefecture was created based on modernized technologies of data treatment and software platform.The system integrates data management,information display,spatial analysis,visual simulation,business management and decision making supporting systems,so as to realize digitalized management of water resources.This achievement has provided a technical base for ecological civilization in Three-River-Source Region.

water resources;three-dimensional electronic sand table;informatization;geological information system;Three-River-Source

TV+X171.4

B

1000-1123（2017）17-0033-03

2017-05-17

闫莉，高级工程师，主要研究方向为水资源保护。

国家自然科学基金（项目编号：51709126）。

责任编辑 董明锐