【论文】数字水库防汛调度空间信息技术的应用研究.doc

数字水库防汛调度空间信息技术的应用研究
——以山东省莱芜市雪野水库为例——
【摘要】数字水库防汛调度空间信息系统将围绕数字水库空间信息获取、更新、管理与应用服务的需求，开展　关键技术研究、应用软件开发与系统集成，为我国数字水库科学工程的建设提供经验，促进我国水利信息化的快　速发展。本文简要介绍了数字水库防汛调度空间信息技术应用的必要性、可行性和主要技术支撑，重点分析了数　字水库防汛调度空间信息技术的应用技术框架，特别是对数字水库三维展示、信息采集、数据通讯和决策信息系　统等进行了重点研究，提出了其技术流程，为数字水利的研究和建设提供了经验借鉴。　
【关键词】数字地球；数字水库；防汛调度；数据仓库；３Ｓ技术
１　引　言　
洪涝灾害严重威胁着人类的生命和财产安全，危害着　国民经济的可持续发展。水库拦蓄洪水，一方面可削减下　游的洪峰水量，另一方面蓄洪补枯，增加水资源的综合利　用水平。建立水库的洪水预报预警系统，这是防御洪水的　前哨，可实时获得汛息，及时作好抗洪抢险的准备工作，及时作好疏散人口和财产安全，以避免或减少重大的损失。　数字化时代的到来为建立洪水预报预警信息系统提供了技　术支持。　数字水库防汛调度空间信息系统是数字水库建设的重　要内容之～，可以对防汛抢险的各种信息进行实时监控和　管理，如气象、遥感、雨水情、图像、工情、险情、语音　等信息，并对上述信息进行分类处理、存储和管理，对实时雨水情、工情、险情、图像进行实时动态监视，并根据　实时情况提前发布预警信息。同时，为专家和有关领导提供一个会商平台，并为会商决策提供充分的依据。数字水　库防汛调度空间信息工程的实施，可以提高水库的防洪能力，确保水库下游人民生命财产的安全。
雪野水库始建于１９５８年，１９６６年７月完成。枢纽工程　由主坝、副坝、溢洪道、东西放水洞和水电站五部分组成。它是一座以防洪，工农业供水为主，结合发电、水产养殖、旅游开发等综合利用的大（二）型水库。水库按百年一遇洪　水设计，二千年一遇洪水校核，控制流域面积４４４ｋｍ２，总　库容６．２１×１０８ｍ３，兴利库容１．１２×１０８ｍ３。从１９９７年至２０００年管理处连续进行了两期除险加固工程，总投资５．２２５×１０７元。两期工程竣工后，均通过省水利厅组织专　家验收，使水库达到了原设计标准。　综上所述，雪野水库是以抗旱、防洪，工、农业和生　活供水为主，结合发电、水产养殖、旅游开发等综合利用的大型水库。以雪野水库为例进行数字水库防汛调度空间　信息技术的应用研究，具有广泛的代表性和推广应用价值。对我国的水利信息化、经济发展和社会进步具有良好的推　动作用。
　２数字水库主要支撑技术
　数字水库是在数字地球的基础上提出来的，它的提出有着深刻的社会和技术背景。一方面，新的治水思路立足于可持续发展，把水库放在自然和经济协调的系统中综　合考虑，水库信息的种类和来源大大扩展了，增加了信息　加工和处理的难度和深度，迫切需要先进的技术手段来提　供支持；另一方面，信息技术的飞速发展、互联网的出现、　３Ｓ（ＧＰＳ、ＲＳ、ＧＩＳ）技术的日趋成熟，为信息采集、传输、　处理、共享、控制提供了前所未有的技术手段和解决方案，　将对水库的科研、规划、设计、施工和管理产生全方位的　影响，为水库管理的全面技术升级提供了可能。　３Ｓ技术是以处理地球表面信息为主要特征的空间信息　技术。ＲＳ和ＧＰＳ技术可以用于从外部获得记录地球性质和　状态的基础数据，其发展已经形成覆盖全球的监测运行系　统，建立起从航天观测到深度观测的多层次、立体对地观　测系统，可以快速获取和更新水库数据。它和传统的地图　数据一起，为水库信息系统的建立和共享提供数据基础。　ＧＩＳ技术实现了以空间地理坐标为单元的信息全面的整合，　促进数据转化为信息，信息转化为知识的升华。同时，它　也可以为数字水库的建设提供专业的分析算法和专业模型，　以便对各种水库数据进行深层次的分析，使系统具有辅助　影像数据库　基础数据库　决策功能，为有关部门提供科学的计算结果和决策依据。　此外，它支持Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、Ｉｎｔｒａｎｅｔ技术，支持Ｂ／Ｓ、Ｃ／Ｓ模　式，可实现网络化，达到数据资源的共享。数字水库以新　的治水思路为指导，紧密跟踪当前科技的最新技术和发展　趋势，从水库信息流人手，将以计算机为核心的信息技术　全面引入水库管理，实现了信息的可视化、形象化、实时　化、多维化，对实现中国水库现代化、信息化提供了可操作的具体内容。
信息加工和处理的难度和深度，迫切需要先进的技术手段来提　供支持；另一方面，信息技术的飞速发展、互联网的出现、　３Ｓ（ＧＰＳ、ＲＳ、ＧＩＳ）技术的日趋成熟，为信息采集、传输、　处理、共享、控制提供了前所未有的技术手段和解决方案，　将对水库的科研、规划、设计、施工和管理产生全方位的　影响，为水库管理的全面技术升级提供了可能。　３Ｓ技术是以处理地球表面信息为主要特征的空间信息　技术。ＲＳ和ＧＰＳ技术可以用于从外部获得记录地球性质和　状态的基础数据，其发展已经形成覆盖全球的监测运行系　统，建立起从航天观测到深度观测的多层次、立体对地观　测系统，可以快速获取和更新水库数据。它和传统的地图　数据一起，为水库信息系统的建立和共享提供数据基础。　ＧＩＳ技术实现了以空间地理坐标为单元的信息全面的整合，　促进数据转化为信息，信息转化为知识的升华。同时，它　也可以为数字水库的建设提供专业的分析算法和专业模型，　以便对各种水库数据进行深层次的分析，使系统具有辅助　影像数据库　基础数据库　决策功能，为有关部门提供科学的计算结果和决策依据。　此外，它支持Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、Ｉｎｔｒａｎｅｔ技术，支持Ｂ／Ｓ、Ｃ／Ｓ模　式，可实现网络化，达到数据资源的共享。数字水库以新　的治水思路为指导，紧密跟踪当前科技的最新技术和发展　趋势，从水库信息流人手，将以计算机为核心的信息技术　全面引入水库管理，实现了信息的可视化、形象化、实时　化、多维化，对实现中国水库现代化、信息化提供了可操　作的具体内容。　３数字水库主要技术流程　３．１数字水库防汛调度空间信息系统的基本框架　数字水库防汛调度空间信息系统主要有数据仓库、水　库信息模块、水系信息模块、数据通讯模块、决策支持系　统模块和帮助模块等部分组成。数据仓库中主要有影像数　据库、空间数据库、属性数据库等组成＿３　Ｊ。空间数据库　提供二维展示和查询、三维展示和空间查询、数据转换（从　ＡｕｔｏＣＡＤ等其它系统的转入）、专题制图、普通制图、图形　更新、图形修改、检索、基本的图形计算和数据叠加和分　层等。水库信息模块主要是展现库区的综合信息。水系信　息模块主要是展现水库汇水河道、溢洪道等的综合信息。　数据通讯模块主要是展现防汛水情数据自动监测、传输和　接收等综合信息，便捷的获取海量的实时信息，能够迅速　地将水闸、水阀、水泵的开启、关闭、开启度等决策命令、　各种高低限报警信号等传输给相应的硬件。决策支持系统模块主要是展现水库防汛调度决策模型，进行降雨量统计　分析、降雨径流模型构建、灾害损失分析、水量实时调度、　库区气象中长期预报、蓄水优化拦尾分析决策支持、灌溉　计划与优化调度、水库防洪预案与除险加固、浸润线分析。
　数字水库防汛调度空间信息系统的基本框架结构见图ｌ所示；水库三维展示和查询系统如图２所示。

３．２数字水库防汛调度空间信息系统的数据采集和传输技　术流程　防汛水情数据自动监测和运行控制是数字水库防汛调　度智能化管理的基础，它对于及时准确掌握库区防汛水情，　提高防汛能力具有重要意义。数字水库防汛调度需要采集　的数据主要有：库区水位数据、河渠流速流量数据、降雨　量数据等。图３为库区的雨情、水情监测数据采集系统。　水库数据采集系统中，远程终端设备是智能化的数据　采集装置，是数据通讯的起点。在远程终端设备下安装可　编程逻辑控制器，具有通信功能，通过接收指令和现场的　电器设备对泵、闸、涵进行起、闭控制。传输媒质为微波。　前端接口设备与主机相连，具有接受和发射功能。水位、　流量、雨情等为相应的传感器和变送器，是监测实时数据　的仪表。用于库区水位测量的传感器有：浮子式、跟踪式、　超声波式、压力式水位传感器等。流速数据采用超声波流　速仪。流量数据采用超声波流量计。降雨量数据采用翻斗　式遥测雨量传感器。　水库的雨情、水情通讯系统主要有三部分组成。　（１）ＤＴＥ（Ｄａｔａ　Ｔｅｒｍｉｎａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）为数据终端设备，　通常指计算机终端，它是数据通讯的起点或终点。　（２）ＤＣＥ（Ｄａｔａ　Ｃｉｒｃｕｉｔ—Ｔｅｒｍｉｎａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）为数据电路　终端接口设备。将来自ＤＴＥ的数据信号通过ＤＣＥ进行适　当的变换，使之能在传输信道上进行传输。对于模拟信道，　ＤＣＥ就是调制解调器（Ｍｏｄｅｍ）。对于数字信道，ＤＣＥ就是　数据服务单元或信道服务单元。　（３）传输信道是指在数据通讯中，通信双方之间必须建　立一条物理或逻辑的通道来传输数据。传输信道包括通信　线路和通信设备。通信线路有无线信道和有线信道之分，　无线信道主要包括地面微波、卫星线路、短波等，水利防　汛有专用微波通道。有线信道主要包括双胶线、线、光纤等。
　３．３数字水库防汛调度决策支持系统技术流程
　数字水库防汛调度决策支持系统的建设主要有三部分　组成。一是信息采集部分；二是信息处理部分；三是最终　方案的确定与成果输出。详细情况如图３所示。
　３．４系统的软硬件和开发平台
　网络体系结构的确立。目前应用较为广泛的计算机网　络体系结构有Ｃ／Ｓ和Ｂ／Ｓ两种，综合利弊，考虑到本系应选择Ｃ／Ｓ和Ｂ／Ｓ两种体系结构，网络带宽为１００Ｍ以上，工作站和　服务器采用当前流行配置，操作系统可用Ｗｉｎｄｏｗｓ２，０００，　Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＸＰ。数据库采用Ｏｒａｃｌｅ数据库，开发工具可用　ＶＢ、ＶＪ、Ｇｅ０Ｓｔａｒ（ＧｅｏｌｍａｇｅＤＢ４．０，ＧｅｏＭａｐ，ＧｅｏＴＩＮ，　ＧｅｏＤＥＭ４．０）等。　４结论　我国幅员辽阔，自然条件复杂，是一个洪水灾害十分　严重的国家，据估计每年因洪水造成的粮食损失在１．０×　１０ｕ　左右，直接经济损失在２．０×１０ｕ元。有史以来，人　类都在和自然灾害进行着斗争，水库是防汛抗旱、洪水预　警快速反应的前沿阵地。利用现有的科学和技术，用数字　化技术全面提升水库的管理水平，推动我国抗洪防灾、兴　利除灾事业的顺利进行。数字水库防汛调度空间信息系统　将围绕数字水库空间信息获取、更新、管理与应用服务的　需求，开展关键技术研究、应用软件开发与系统集成，，为我国数字水库科学工程的建设提供经验借鉴供经验借鉴，促进我国水利信息化的快速发展，促进我国创新机制的形成，使我国　水利科技的发展赶超世界领先水平。