水库三维水文监控地理信息系统.docx
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水库三维水文监控地理信息系统
水库三维水文监控地理信息系统
技术方案
一、项目概述
1建设背景
为了增强水库水文管理的直观性,利用三维地理平台软件和3DSMAX三维建模软件,通过遥感影像和数字高程模型（DEM）的叠加以及三维模型数据的加载,研制水库水文监控三维管理系统。
系统由三维浏览功能、数据监测功能、数据管理、查询及系统管理等功能模块组成。
2建设意义
水库三维管理有效地管理了水库相关信息,有助于政府部门决策及水库管理人员对水库及其周边环境的了解,提高有关部门的管理效率和科学决策水平。
3建设目标
水库水文三维管理的主要建设目的是实现以下目标：
Ø针对水库、水库设备设施、周边环境进行三维建模，；
Ø系统接入水文监测站及相关实时数据，可查询历史数据并作趋势分析；
Ø系统提供Android手机查看终端，可快速定位查看故障点。
二、系统总体设计
在充分理解需求的基础上，从长远的角度考虑，充分利用现有成熟技术和先进概念，以系统的稳定性、适用性和易用性为根本要求，强调高效性和扩充性，从技术路线、系统结构、数据库设计等方面完成系统的总体设计。
1系统目标
系统的建设具体目标由以下几个部分够成：
Ø建立规范化的数据分层、分类编码体系，实现数据的规范化和标准化；
Ø建立海量数据的空间数据库，通过GIS平台实现所有卫星或航拍地形图、DEM管理；
Ø实现水库水文监测信息的动态维护更新与应用；
Ø建立水库水文自动化监控监测设备状态检测物联网；
Ø实现设备故障及影响分析；
Ø关注行业发展趋势，预留发展空间。
2设计标准
本次项目实施技术等应符合下列最新版本的国家及地方标准/规范要求：
编号
资料名称
描述
来源
备注
1
计算机软件需求说明编制指南ANSI/IEEE829
项目开发建设的指导标准
国家标准
GB9385-1988
2
计算机软件产品开发文件编制指南
项目开发建设的指导标准
国家标准
GB8567-1988
3
信息技术软件生存期过程
项目开发建设的指导标准
国家标准
GB/T8566-1995
4
信息处理——数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定，相关国际标准
项目开发建设的指导标准
国家标准
GB1526-1989
ISO5807:
1985
5
1:
5001:
50001:
10000地形图图式
GIS行业信息化国家标准
国家标准
GBT20257.1-2007
6
基础地理信息要素分类与代码
GIS行业信息化国家标准
国家标准
GBT13923-2006
7
1:
5001:
10001:
2000地形图数字化规范
GIS行业信息化国家标准
国家标准
GBT17160-1997
3设计原则
1）系统实用性和便于操作性
使用者能以最简捷的操作步骤实现自己的目的，操作人员在工作操作中，工作窗口界面除现时的操作按键外，无其他的执行按键出现，操作界面简洁、清晰、明了，最大限度地避免因操作者的误操作造成不必要的工作失误和时间浪费。
系统的使用要考虑到大多数人群的计算机水平，要易于学习、便于操作、简单快捷、作步骤清晰，使人一看就知到如何使用该软件。
2）可靠性和安全性
地理信息数据信息繁杂、量大、涉及面广，同时又具有保密性。
实现系统的安全、稳定、高效是我们设计本系统的出发点。
3）系统标准化
系统严格遵循国家、行业现有标准，实现管线信息录入及其编码标准化、规范化。
4）完备性
主要体现在两个方面：
系统功能的完备；数据库中存储的基础数据的完备。
应能满足日常工作条件下所需的各种系统功能和基础数据信息。
5）系统的开放性与可扩充性
系统应具备良好的功能模块化设计，开放式平台函数库，标准规范的系统信息编码、系统功能和数据库结构，可方便地对系统进行扩充，并可在其基础上发展其他相关专业系统。
6）性能要求
系统运行时要延时短，运转速度快，不能因为运算数据量大而降低运行速度。
7）功能的独立性
每个功能都有自己单独的模块形成，各个模块之间有着相互独立性，便于系统对每个功能模块进行研发或功能的升级。
4系统运行环境设计
为了保证系统的先进性、安全性、稳定性以及可扩充性，必须以发展的目光来选择合适的基础应用平台、网络设备等基础软硬件平台。
这是系统运行的最基本保证，是整个系统的骨架，在一定意义上，决定了系统应用的成功与否。
在系统建设的思路中我们提到要借鉴典型的成功案例，在基础应用平台的选择上，更是需要进行这样的比较和考虑，从各种专业的应用平台中挑选最适用的。
以下将从基础软件平台、网络运行环境两个方面来详细地提出本方案对系统软硬件环境选择的基本观点。
4.1操作系统
操作系统是构建整个系统的基础，是整个系统安全可靠的保证，目前流行的主流网络操作系统主要有Windows2012Server、Linux和Unix等。
考虑到用户后期维护及IT线状，我们选择MicrosoftWindows2012Server作为本项目服务器的操作系统。
它的易用性、灵活性以及扩展的Internet/Intranet和通讯服务能最大程度地满足各种规模的计算环境的需要。
目前Windows操作系统在中国成为了最流行的选择，除了投资小以外，最主要的是基于Windows应用平台有一整套非常成功的应用解决方案，而且，各种大型的应用软件基本都支持Windows，系统的成功应用有较大保证。
4.2GIS平台的选型
ArcGIS是美国ESRI公司（环境系统研究所公司）开发的产品，后者是世界最大的地理信息系统（GIS）技术提供商,一直引领着世界地理信息系统技术的潮流、扮演着技术领先者的角色。
ArcGIS软件从20世纪八十年代进入中国以来，得到了广大中国用户的认同，ArcGIS已经在国内70多个行业有着广泛的应用。
ArcGIS系列软件具有较强的安全性和稳定性，它包括ArcgisServer、ArcInfo、ArcSDE、ArcObjects、ArcEngine。
它具有强大的数据编辑、制图、元数据管理、数据输出、网上数据发布能力。
ArcGIS支持一种新的面向对象的空间数据模型Geodatabase，允许用户为其数据添加行为、属性和关系，使空间要素的定义更接近于现实世界，能够使用户根据具体需要进行扩展。
ArcGIS在地下管线管理中的应用具有以下特点：
1）可伸缩扩展的体系结构
由于经费、现阶段的应用需求，以及当前信息技术等各种条件的制约，使得任何一个系统在设计和规划之初，都无法做到“一步到位”。
所以系统建设也要从宏观、全局、长远的角度来统筹考虑，根据现有的条件，有计划有步骤地进行。
所以，系统建设初期，应以满足基本功能、实现常用的迫切的基础功能为主，以后再逐步进行功能扩展，使系统成为决策支持系统，为领导决策服务。
而要做到这一点，系统所依赖的GIS平台的可伸缩性、可扩展性则是关键。
2）系统功能强大
ArcGIS系列软件除支持各种数据的输入、输出、编辑、地图分层叠加显示、多种方式查询统计，还提供了大量专业的地学分析功能，例如：
动态分段分析、拓扑分析、缓冲区分析（Buffer），叠加分析（Overlay）、网络分析、三维地形建模与可视化分析、栅格分析、动态追踪分析、空间统计分析等。
3）系统的技术先进性与开放性
系统建设过程中要涉及到计算机技术、数据库技术、通信技术、GIS技术、遥感技术（RS）、GPS技术以及网络技术等，从长远、整体、可持续发展的角度看，系统的技术先进性与开放性问题十分重要。
因此要求GIS平台一定要遵循国际通用标准，结合最先进的IT技术，既保证系统的先进性，又保证系统的资源共享和开放。
ArcGIS是一个适应IT主流标准的、开放的系统，在技术标准、运行环境、开发方式等方面的先进性、通用性和标准性，可以确保基于之上构建的系统技术先进、开放，具有良好的延续性和可持续发展性。
4.3数据库选型
系统选择网络版管理模式，水文及地形数据就不能以文件方式独立存在，必须把所有管网数据放入大型数据库中，SQLServer、Oracle等数据库在海量数据处理能力、平台稳定性、数据安全性方面在业界都具有非常大的优势。
SQLServer是业界公认的最高效、最稳定的大型数据库管理系统之一，能管理大量的空间和非空间信息数据，此外有非常强大的应用开发能力。
SQLServer2012拥有成熟的数据库技术，其广泛的客户群体已成功运用它研制各种系统，而且在数据安全性、可靠性、及可伸缩性等关键业务应用上令人满意。
经过实践证明，在性能、稳定性、易用性、适配性和价格因素综合评价下，SQLServer2012是目前最好的GIS数据库平台。
选用SQLServer2012作为数据库平台，以实现系统的先进性和数据的安全性，对客户端的GIS平台软件要求也将大为降低。
4.4部署架构
系统通过有线或无线（wifi/3g/4g/gprs）等网络将水文检测点的监测设备和检测中心软件系统连接起来。
系统用户可通过计算机软件或手机App来查看、管理系统。
三、系统功能模块设计
1水文监测数据服务子系统
该子系统完成水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等数据的数据接入工作。
1.1测点信息管理
地理位置及参数化管理：
管理测点的GPS坐标位置、测点编号、测点的传感器类型、安装时间。
采集设备分布图：
在电子图上使用符号化的方式标记全部数据采集点的分布情况，并可以按照工作状态（工作中、故障）状态显示。
1.2采集设置
设置采集间隔、保留精度、远程参数设置（测点的设备ID、协议类型、服务地址等）。
1.3采集服务
方式一：
负责通过Socket接收RTU、DTU设备传输过来的IP数据，解析为485或232流数据，并分析后，按照采集设置保存到数据库系统，并发布传感器实时更新服务。
方式二：
监控点数据通过组态软件获取，并保存到关系数据库。
1.4监测点参数阈值或测量值区间管理
维护测量点单一测量值的高、低阈值；维护测量点测量值区间（如:
0~0.25低；0.25~0.6中；0.6~0.8高；0.8以上极高）。
1.5传感器及测量设备管理
台账：
管理传感器或测量设备的技术参数及固有特性管理，例如量程、测量单位、寿命、安装条件、误差等、型号、生产厂商，还可以包括技术文档等资料。
1.6设备检修
对设备的检修记录进行管理，可以增加、修改检修记录，可以查询检修记录，并能对设备的检修记录进行统计。
可以对派工单、维修记录等信息进行管理，并且能与办公自动化系统接口。
1.7告警参数设置
设置分级告警的测量点参数范围。
1.8数据补录
对于不能自动化测量的参数，以windows用户界面的方式提供用户输入窗口。
2地形及基础设备管理子系统
2.1图形编辑
地物编辑：
系统提供修改图形样式、颜色、线形功能。
系统提供复制、剪贴、粘贴、平移、删除功能。
系统提供添加节点、编辑节点功能。
2.2属性编辑
提供图形属性修改功能，可以扩展属性，对现有的属性可以修改，可以删除。
2.3三维模型综合处理
三维建模主要包括静态环境建模和动态环境建模。
对海量的三维模型转换、入库、漫游查询，实现交互式快速三维几何实体造型工具，利用简单图元或三维矢量数据构建复杂的三维实体，对三维实体进行修改、删除、旋转、缩放、对三维实体表面贴图，设置纹理、颜色等。
2.4三维场景构建
以数字航空遥感立体像对为基础，辅以地面数字近景摄影测量的方法，建立城市三维景观模型．根据遥感像对之间的相互关系建立一个交会模型，得到地物点坐标，建立数字表面模型（DSM），然后通过纹理映射描述细部。
并将DEM、DLG地形处理和遥感图结合，展示不同尺度的全三维场景。
利用1:
25万、1：
5万、1：
1万等不同比例尺的矢量及ALOS、QuickBird等不同分辨率遥感影像，实现远景和近景的平滑过渡。
2.5设施及设备管理
提供基础设备的平面图形建立、位置绘制。
属性包括设备名称、编号、描述等。
2.6管线管理
提供基础管线数据管理，包括管点、管线数据导入，管线及管点附属设备管理。
3实时在线监测系统
3.1电子地图显示
显示监测系统的总貌、监测布置和传感器分布图。
主界面以水库测点分布图为背景，直观显示各测点位置情况、水位、雨量及警戒状态，并以各种不同颜色表示警戒状态。
点击某个测点时，可弹出单个测点详细信息显示。
3.2单个测点详细信息显示
该功能分成3个分页栏目显示。
基本信息显示测点的地理位置及参数化、显示测点的远程设置；实时状态当前测点的实时测值变化及24小时内的过程曲线及高低阈值图表及相关图；历史分析显示当前测点的长期曲线。
3.3监控面板
在一个界面上，按照传感器监控目标分类或工艺分类显示全部传感器的当前值。
并按照传感器的高低阈值或数值区间以不同颜色显示。
3.4工艺流程面板
建立监控生产运行活动的工艺流程图，并按照监控点在工艺流程图中显示监控数值。
3.5告警
水位、降雨量等数据超过告警上限时，监测点主动向上级告警；传感器故障时，也会主动告警。
告警方式为计算机图形、声音告警，或者以短信方式通知主管。
3.6实时视频连接
系统通过网络技术与已建视频监视系统进行连接，系统中建立了视频站点列表及检索功能，可以对视频监控区域方便的检索定位。
在三维地图中选中地物在属性对话框中建立了视频播放连接，用户可以根据需要设置播放或手动播放。
可与应急指挥系统建立数据接口，通过应急指挥系统传回的灾情现场图形能在三维系统中显示。
4地图视图
4.1分层管理
可以任意关闭各管类及背景图层。
图层控制灵活，可以关闭管线，只看地形；也可以在显示地形的基础上，查看管线。
可以统改某一层管线的颜色。
4.2视图操作
可以对打开的图形进行无级放大、缩小、漫游等操作，也可以查看上一个视图。
可以通过多种方式选择图面对象，单选、矩形选择、多边形选择，SQL选择等。
4.3鹰眼导航
图形导航作用，鹰眼图显示整个测区的概图，用红色方框标识用户正在查看的范围，及在整个测区中的方位。
通过在鹰眼区域中点击，可以使主窗体快速定位到用户感兴趣的区域。
4.4动态标注
灵活的标注功能，用户可自选要标注的图层，要标注的内容、标注字体样式，以及标注的位置。
4.5定位功能
系统提供地名、设备名称定位功能，帮助用户快速定位到地图位置。
4.6自由量算
提供多种量算方式：
点坐标测量：
测量某点的坐标。
直线测量：
可以用来测量直线的距离，显示这条直线的距离和角度。
中点测量：
可以用来测量一直线段的中点。
折线测量：
用来测量折线距离。
矩形测量：
用来测量矩形的周长和矩形的面积。
多边形测量：
用来测量多边形的周长和面积。
4.7三维地图展示与操作
利于GIS成果，在完成三维模型的基础上，可实现建模区域内三维地图的全方位展示。
三维地图地图在设计中参考了GoogleMap、YahooMap等WebGIS的界面风格和操作习惯，在交互性、灵敏性、可靠性方面具有良好的用户体验。
4.8地图标绘
系统支持点、线、面元素的信息标绘，提供动态标绘和信息标准功能。
能够在地图上进行点、线、面以及文字的标注，并且标注时可以移屏标注。
4.9飞行路线定制
用户可以通过根据指定要素或绘制图形作为飞行线路，在导航状态下，用户通过鼠标操作，进行进退、旋转、保持高度、加速、减速等操作，调整飞行速度、高度及角度；保存任意视点并存储，方便调用并随时截图存储；可以按照顺序输入视点保存成漫游路径，设定速度播放，自动浏览；并且可以将漫游路径输出为序列图片，以便制作动画录像使用，并对定制的飞行路线配置位置和语音解说，与飞行同步播放。
4.10三维场景的变换、漫游、飞行导航
可以实现三维地图缩放、旋转、指北、全屏、俯视、平视、快照等操作。
5查询统计子系统
5.1空间查询
按照用户选择的空间范围，查询所有或指定监测点的信息情况。
在查询结果中可以双击定位到地图上位置。
5.2监测记录查询
通过监控位置、监控指标及日期范围查询监测记录，并提供数据导出功能。
5.3数据图表统计功能
5.3.1传感器工作状态统计
按照传感器类型及单个测点传感器汇总在指定时间段内工作状态时间。
5.3.2单一测点极值统计
按照传感器类型及单个传感器统计每个传感器在指定时间段内的最大、最小值、平均值、中位数、方差等。
5.3.3单一测点历史数据曲线及趋势分析
针对单个传感器的监测历史数据做出过程曲线，并按照已有数据采取拟合算法推算2到3个周期后的趋势。
5.3.5其他分析及统计功能
累计流量、累计降雨量等统计功能。
5.4传感器统计
按类别、生产厂商、设备型号等统计设备，统计结果以图表的形式显示。
5.5三维分析
5.5.1断面分析
在三维地图上，任意选择两点或大多点，进行地形剖面分析，则沿地表某一直线方向上的垂直剖面图，以显示剖面线上断面地势起伏状况。
地形剖面图是在等高线地形图的基础上绘制的。
它在平整土地、修筑渠道、建筑铁路、公路和其他工程时，可作为计算土石方量的依据。
地形剖面图有水平比例尺和垂直比例尺。
5.5.2点透视
在平面图中，要判断一点的可视范围几乎是不可能的；但在三维GIS中，由于知道各点的海拔，用户可以直观地显示观测点的真实影像。
在三维视图中，任意选择两点，系统将自动分析起点高度、终点高度、视点高程、通视分析等半径等内容，并具有导出断面、导出轨迹等功能。
在视图中两点之间不能相互可视采用红色表示，两点之间相互可视采用绿色表示。
5.5.3等高线分析
在三维地图中可以方便的对等高线进行分析，选定一块区域，系统自动分析等高线种类，显示地貌形态、海拔高度、坡度大小等信息，并分析计算地面坡度、估算水库容量、平整土地、设计道路及水利基础设施等。
5.5.4土方计算
系统采用方格网法计算土方，布置方格网，自动采集地形标高（包括地形等高线和标高离散点）， 输入或计算（采用最小二乘法优化）设计标高，求得填挖方量；在满足设计要求的基础上，力求土方平衡、土方总量最小。
5.5.5高度测算
在三维视图中选中地物某点之后，可以测量其高度值，并在视图中，用户可将测量结果标绘到系统中。
5.5.6浮土埋深检查
提供察看管段上任意一点的近似埋深。
5.5.7碰撞分析
用来在进行管线设计时检查将要设计的管线是否跟其他段线碰撞的。
首先模拟输入一条管线，然后输入管线的埋深，选中绘制的管线，就可进行分析。
6数据输出
6.1地形图输出
提供基础地形图的输出功能。
6.2专题图、成果表输出
系统运行中产生的各类专题图，管线点成果表均可以打印输出。
6.3图形打印
可以根据区域或者其他范围设置，连接到打印设备，输出图纸。
6.4数据导出
可将系统数据转换为其他系统格式，比如Excel、MDB等。
6.5图形裁剪
提供矩形、多边形裁剪功能。
剪裁地图，可以打印输出。
7系统安全管理
7.1用户权限管理
提供管理员设定系统用户权限的功能：
管理员可根据用户类型设定客户端系统界面，有多种风格界面供选择，还可设定特色的欢迎语；
可设定用户所在单位、所在部门、所任职务；
设定用户登录名和登录口令；
设定用户可浏览的图层；
根据可浏览图层，设定用户可执行的功能。
系统会自动屏蔽用户不可用的功能，使得每个客户端都各有特色，避免雷同。
7.2数据加密
客户端实现在线打开图形，不在本地机器上存临时文件。
保证了地形数据不会外流。
7.3日志管理
记录系统使用的情况，每一个用户登录系统的时间，操作的大体内容，退出的时间。
方便以后维护。
7.4网络监控
能够监控到客户端登录的人员，可以对进行删除操作。
7.5备份管理
对数据库定期进行备份，避免灾难事故的发生。
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