漳河水库三维仿真管理信息系统设计与实现

漳河水库三维仿真管理信息系统设计与实现
陈志明;李鹏;胡小梅;王汉东
【摘要】为有效促进漳河水库水资源管理的现代化,基于Skyline平台构建了漳河
水库三维场景,建立了交互式展示漳河水库库区地理形态及建筑物的三维可视化平台.以该平台为基础,对漳河工程管理局已有的水雨情监测系统、大坝安全监测系统、闸控监测系统、洪水预报系统、视频监控系统、防洪调度系统业务数据进行集成,
实现了三维仿真环境下的工程信息、工程图档、监测数据与运行信息管理,以及防
洪调度方案三维动态仿真、水库泄洪三维动态仿真等功能,提高了漳河水库工程运
行管理与防洪调度的信息化水平.相关信息化技术可供设计其他水库管理信息系统
时参考.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2016(047)012
【总页数】4页(P104-107)
【关键词】Skyline;三维仿真;综合数据管理;防洪调度仿真;漳河水库
【作者】陈志明;李鹏;胡小梅;王汉东
【作者单位】湖北省漳河工程管理局,湖北荆门448156;湖北省漳河工程管理局,湖北荆门448156;湖北省漳河工程管理局,湖北荆门448156;长江勘测规划设计研究
有限责任公司,湖北武汉430010
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
漳河水库位于湖北省江汉平原西部，地处荆门、宜昌、襄阳三市交界处，系拦截漳河及其支流育溪河而成，于1958年动工兴建，1966年基本建成并全面发挥效益。

水库流域面积2 980 km2，承雨面积2 212 km2，总库容21.13亿m3，相应水
域面积104 km2，设计灌溉荆州、荆门、宜昌三市两百余万亩农田，灌区自然面
积5 543.93 km2。

漳河工程管理局历来十分重视信息化建设，以水利信息化带动水利现代化，先后完成了三期信息化工程建设，在信息采集系统建设、业务应用平台的开发、通信系统及计算机广域网建设等方面取得了良好的进展，初步形成了以信息采集传输、运行监控为基础，综合数据库为纽带，优化配置、调度运行和水资源管理为核心的信息化总体框架，有力地促进了漳河水资源管理的现代化[1-2]。

漳河水库三维仿真管理信息系统是漳河水库信息化建设的一个重要组成部分，是在水雨情监测系统、大坝安全监测系统、闸控监测系统、洪水预报系统、防洪调度系统、视频监控系统、计算机广域网等信息采集及专业应用子系统与各类数据库已建立的前提下，采用三维GIS、虚拟仿真技术、数据库技术建立的与各应用子系统相互独立、信息共享、联合运用的数字化信息管理系统。

系统采用Skyline三维GIS软件平台构建漳河水库三维场景，实现基于三维场景的工程基本属性数据、工程图档、监测数据的统一管理与运行调度三维仿真。

系统总体框架如图1所示。

如图1所示，系统采用3层体系结构，分为数据层、系统平台层、仿真应用层，3层体系结构层次清晰，可扩展性强，安全性高，便于后期维护更新。

3.1 三维场景交互式漫游
包括场景漫游、三维模型对象空间定位、碰撞检测、场景环境设置、二维地图导航等。

交互式漫游提供多种漫游方式，如缩放、平移、旋转、2D/3D模式转换等。

碰撞检测用于室内漫游，防止漫游时穿墙而过。

场景环境设置包括设置天气状况、光照、光线明暗度、
线框模型、时间、天空等。

二维地图导航用于定位，标识当前所在的位置，避免用户在三维场景中迷失方向。

3.2 工程基本信息管理
工程基本属性数据库为大坝主体工程各单元工程、分部工程、辅助工程、厂房、机电设备以及副坝、溢洪道、引水涵闸等水工建筑物的基本设计参数信息，如工程名称、构造材料、尺寸、位置、各项设计指标等。

为三维模型对象设置唯一的ID标识，并建立水工建筑物三维模型与工程基本属性数据库之间的关联，实现基于三维仿真环境的工程基本属性信息管理，包括工程基本属性信息的添加、删除、修改、查询显示等功能。

3.3 监测数据管理
与漳河工程管理局已有的水雨情自动监测系统、大坝安全监测系统、闸控监测系统、洪水预报系统、视频监控系统、防洪调度系统进行数据集成，实现三维仿真环境下的监测数据及运行调度信息查询，以三维模型、颜色、图表等可视化方式显示信息。

3.4 工程图档管理
图档数据主要是大坝、副坝、溢洪道、引水涵闸等水工建筑物的各单元工程、辅助工程相应的设计图、文档、工程实施计划信息、工程具体实施情况报表、工程建设过程中的现场照片、质量监控数据、大事记以及除险加固设计图档与信息等。

建立水工建筑物三维模型与工程图档之间的关联，实现三维仿真环境下的工程图档管理，包括图档的添加、修改、删除、浏览、查询等功能。

3.5 防洪调度仿真
根据防洪调度方案数据，对水库水位、库容变化、泄洪过程进行动态模拟。

采用水位时间序列动态曲线、剖面图等方式对水库水位、库容变化进行动态仿真；采用粒子系统模拟防洪调度泄洪闸门开启过程及状态，可以开启或关闭闸门，也可以交互式调节闸门开度，模拟溢洪道泄洪的动态效果。

3.6 监测数据安全预警
设置和管理库区监测站的雨量、水位、流量以及大坝安全监测预警值，如果实时监测值超过预警值，系统会高亮显示超出预警值的监测数据，并在三维场景中定位到对应的监测站点。

4.1 基于Skyline平台的三维场景构建
4.1.1 Skyline三维平台
Skyline是集三维空间建模、分析与海量数据管理于一体的三维地理信息系统平台[3-4]，该软件利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其他2D或3D信息源，集成创建交互式三维仿真环境，快速进行数据融合以及数据库更新。

常用的Skyline产品主要包括TerraBuilder、TerraExplorer Pro、TerraGate，其中TerraBuilder负责三维地形模型数据和空间对象模型数据的构建；TerraExplorer
主要是实现三维数据操作分析等功能；TerraGate 主要用于在服务器端将数据服务发布到Internet，客户端用户可以通过互联网登录访问提供的数据服务。

4.1.2 Skyline三维模型构建
漳河水库三维场景包括地形三维模型和建筑物三维模型。

地形三维模型是利用大比例尺的数字高程模型(DEM)以及高分辨率的遥感影像，通过TerraBuilder构建。

DEM反映水库地形起伏特征，遥感影像作为地表纹理，逼真反映地表的纹理特征。

Skyline地形三维建模流程如图2所示。

对于简单的建筑物模型，可以在TerraExplorer Pro中直接通过创建三维对象的方式构建。

水工建筑物三维模型往往比较复杂，通常采用3ds Max等专业的建模软件建模，然后再将模型文件导入到TerraExplorer Pro工程文件。

水工建筑物模型数量较多时，可以采用批量导入的方式更为方便快捷。

批量导入模型时，首先需要获取模型中心点坐标、模型名称或ID等信息，并生成点状矢量图层文件，先将该矢量图层文件作为特征图层加载到Skyline工程文件中，并设置投影坐标系统使其
与地形模型一致，然后通过模型名称或ID关联，实现批量模型文件导入。

建筑物模型批量导入处理流程如图3所示。

一般是通过2种手段来实现地形与建筑物模型的无缝连接。

一种方式是局部修改
地形，使地形适应模型，另一种方式是在不影响模型外观的情况下，适当修改模型，使模型适应地形。

在漳河水库三维场景构建过程中分别用到了上述两种处理方式，使水工建筑物模型与地形尽量保持自然、无缝拼接。

4.2 面向服务的防洪调度多源数据集成
漳河水库防洪调度相关的业务数据包括水雨情监测数据、大坝安全监测数据、防洪调度数据，这些数据由各自独立的信息系统采集或生成，存储在独立的数据库系统中。

多源数据集成方式有多种，如联邦数据库系统、数据仓库、中间件等[5]。

采
用基于中间件法的数据集成方式，其数据源的位置、模式及访问对用户来说是透明的，而且数据源的加入操作实现方便灵活，具有很好的扩展性。

Web 服务(Web Service)技术能使运行在不同机器上的各种应用无需借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成[6-7]。

数据集成中间件采用Web服务实现，通过Web服务获取来自各数据源的数据，并响应用户访问请求，通过数据集成模块处理成统一的数据格式返回给用户。

数据集成处理体系结构如图4所示。

Web服务以SOAP作为基本通信协议，可以实现不同应用程序与在不同系统平台上开发出来的应用程序之间的通信，具有开放、标准化接口等特点。

漳河工程管理局已有的各自动化应用系统底层的数据源具有各自不同的数据结构，通过为每个数据源设计相应的Web服务，可把不同数据结构的源数据集成起来。

Web服务接
收查询处理器发送过来的SQL查询参数，对应到相应的源数据库执行SQL查询操作，并将获取的源数据格式结果集封装成XML文档格式返回给数据集成处理模块。

Web服务通过标准的数据接口获取不同数据源的数据，接口设计形式如下：[WebMethod]
Public DataSet GetData(string sql)
{
DataSet ds;
string strcnn; //数据库连接字符串
…… //数据查询操作
return ds;
}
GetData方法可获得Web服务所在数据库数据，通过调用Web服务对外提供的GetData接口，便可获得远端数据源数据。

利用Web服务进行数据集成，不但降低了数据集成的难度，而且还提高了数据集成系统的灵活性，可以方便加入新的数据源，便于系统扩展。

4.3 水库泄洪过程动态仿真技术
水库防洪调度过程中溢洪道泄流的动态模拟可通
过粒子系统来实现。

粒子系统模拟效果由一系列控制参数调节，如粒子数量、生命周期、运动方向等，建立水库洪水水位、闸门开度、泄洪流量等防洪调度参数与粒子系统控制参数之间的关联，通过交互式开启或关闭闸门、调节闸门开度等参数，控制粒子系统模拟效果，实现防洪调度动态仿真。

该系统基于Skyline三维地理信息系统平台，构建了漳河水库库区三维地形模型及水工建筑物三维模型，并实现了建筑物三维模型与地形三维模型的无缝拼接，共同构成漳河库区三维场景。

系统选用.Net Framwork开发平台，采用基于Web 服务的中间件技术实现了与漳河管理局现有的自动化应用系统的数据集成，构建综合数据管理平台，实现了在三维仿真场景下
的数据综合管理、可视化展示与查询、水库泄洪动态仿真等功能。

系统功能实用，性能稳定，界面友好，运行流畅。

图5是系统运行界面的截图。

该系统采用当前主流的高新信息技术，为水库管理人员搭建了基于三维仿真环境的水库运行综合数据管理平台，实现了三维仿真环境下的工程基本信息、工程图档、监测数据、防洪调度等信息的查询、维护、分析统计以及可视化展示等综合数据管理。

多源数据集成使得管理人员在同一平台下便可查看、分析、管理各种业务数据，高效便捷，提高了漳河水库工程运行管理与防洪调度的信息化水平。

【相关文献】
[1] 杨平富,丁俊芝,李赵琴.漳河灌区信息化建设管理现状与对策[J].人民长江,2012,43(8):112-115.
[2] 张穗,谭德宝,崔远来,等.空间信息技术在灌区信息化中的应用探讨[J].长江科学院院
报,2010,27(1):52-56.
[3] 徐爱峰,徐俊,龚健雅.基于Skyline的三维管线系统的设计与实现[J].测绘通报,2013，(6):75-77.
[4] 史少维,姚鹏君,林巨超.基于Skyline的地下洞库三维系统设计与开发[J].测绘通报,2014，(12):101-104.
[5] 姚崇东.基于XML的多源异构数据集成的实现方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2007，
(6).
[6] 苏琪,刘西林,王军.基于Web Service的数据集成研究及应用[J].计算机技术与发
展,2014,24(8):51-54.
[7] 郭文越,陈虹,刘万军.基于SOA的数据共享与交换平台[J].计算机工程,2010,36(19):280-282.。