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基于WebGIS的堤防工程信息管理系统的设计与实现

中国大堤项目信息管理系统(CLPIMS)是为中国七大流域大堤项目管理而建立的信息管理平台。本系统是在VS.NET和ArcGIS服务器的基础上，结合WebGIS数据库理论和关键技术开发的，具有在浏览器/服务器模式下实时显示、查询、统计和管理空间数据的特点。此外，还可以通过预留模块进一步探索实时监控、安全评估、预警和危险预测、在线分析等应用。中国堤防工程信息管理系统不仅可以作为一种科学、系统、可视化的分析和决策管理工具，还可以作为防洪实践的技术平台。此外，该系统能够对我国七大流域的堤防工程信息进行统一管理和共享，对提高办公自动化、电子政务应用和防洪作业水平具有重要意义。

1. 介绍

随着人类生产力和生活水平的提高，水资源的开发和管理已成为全球关注的重大问题^[1,2]。目前，我国七大流域分布着各类堤防工程0.25times;106公里以上(如图1)，这些堤坝中有许多存在潜在的安全问题^[3-5]。针对日益严重的洪涝灾害和堤防工程的安全状况，迫切需要建设信息化的工程管理平台。

由于工程项目的不同需求，现有的记录和档案中仅存少量的历史危险事件中危险地段的堤防资料。数据过于分散，无法更新和共享，降低了堤坝^[6]的建设和管理效率。随着信息技术的不断发展，地理信息系统(GIS)以其海量的数据存储和强大的数据管理、分析和图形显示功能，在堤防数据管理中得到了广泛的应用^[7-13]。

近年来，随着互联网技术的快速发展，GIS逐渐从传统的平台向基于网络的平台转变^[14-21]。WebGIS (Web Geographical Information System, WebGIS)是地理信息系统与Internet技术相结合的产物，具有分布式数据管理、独立平台、低系统等优点的计算负载的成本和有效平衡。它为地理信息的开发和共享提供了一种可行的技术^[22-27]。此外，基于web的GIS促进了多源数据的共享和综合，可以使空间数据模型得到广泛的共享。因此，基于WebGIS的堤防管理信息系统可以为堤防信息管理和堤防决策提供一种有力而有效的方法^[28-31]。

针对流域管理中存在的问题，开发了多种决策支持系统和信息管理系统。Oliveira等构建了WebGIS观测台，为沿海^[32]地区的风险评估和应急准备与响应量身定制。在美国，Deng等人还开发了一个基于webgis的决策支持系统(DSS)，用于管理休闲海滩^[33]。决策支持系统由传感器辅助的水质监测系统和多元线性回归模型组成。国家堤坝数据库(NLD)是由美国陆军工程兵团(USACE)建立的。截至2012年4月，全国民主联盟包括了与USACE计划相关的超过14700英里堤坝系统的详细信息，但这只是全国堤坝总数的一小部分。NLD的数据已在其他研究^[34]中得到广泛应用。Pradhan等人基于一个支持GIS^[35]的企业系统开发了一个综合灾害管理系统(DIORAMA)。在法国，Moins等人开发了SIRS Digues软件，作为一种计算工具，使堤坝上的信息更加持久和可访问，以增强其管理^[36]。SIRS Digues依赖于面向文档的NoSQL数据库CouchDB和地理空间库，即Geotoolkit和Apache-SIS。Simeoni等人开发了一个结合WebGIS和数据库管理系统^[37]的系统。该系统已应用于意大利北部阿蒂格河堤防监测数据，为实时数据和周期性现场测量的管理和验证提供了一种合适的工具。我国也开发了类似的信息系统，如珠江堤防工程建设管理信息系统、大沽河流域防洪信息系统等^[38,39]。然而，这些信息系统都是区域性的，只包含某些河流的堤坝项目信息。这些独立的信息系统之间很难共享信息。

本研究开发了中国堤防工程信息管理系统(CLPIMS)。本系统以WebGIS为核心技术，采用基于浏览器/服务器模式(B/S)^[40]的多层架构。由于标准结构化查询语言(SQL)在空间数据处理方面的局限性，本系统结合了SQL Server数据库和ArcSDE数据存储模型，实现了对大量复杂类型数据的快速存储。应用Active Server Pages技术建立服务系统，实现工程数据的交叉管理，为堤防结构^[41]的数字化提供平台。CLPIMS是一个方便、大范围的信息系统。它满足了我国堤防工程管理日益严峻的需求，为不同地区堤防工程信息的收集和共享提供了平台，在堤防工程的防洪控制中发挥着重要作用。

2.中国堤防工程信息管理系统的设计

2.1系统开发的目标

中国堤防工程信息管理系统是基于中国七大流域数据信息的综合系统。中国堤防工程信息管理系统以WebGIS为核心技术，结合数据库技术和互联网技术。该系统的目的是为中国七大流域的堤防建设和项目管理提供科学、系统、可视化的分析和决策管理工具，为防洪减灾提供技术平台。

2.2系统框架

中国堤防工程信息管理系统主要由客户端系统、数据库服务器、设备服务器和网络服务器四部分组成。为了简化逻辑结构设计中的系统部署和管理，集中管理数据和服务，系统采用了基于B/S的多层体系结构。系统可分为四层，即交互层、Web层、逻辑层和数据层。系统的总体框架如图2所示。

2.2.1交互层

作为用户的公共接口来访问系统,交互层的主要特点是使用输入设备或互联网用户的请求发送到Web服务器通过Web浏览器或软件系统接口和显示来自服务器的反馈用户通过输出设备在一定逻辑操作。真正的逻辑处理并没有在这一层实现，因为它只起到转发用户请求的作用。网络结构的示意图如图3所示。

2.2.2网络层

网络层从交互层接收用户的请求，并使用防火墙阻止非法用户的请求，以确保系统操作的安全性。利用Asp开发的网络应用系统。为了实现除GIS分析之外的非空间数据处理功能，在网络层部署了NET。此外，在逻辑层还采用了GIS服务器的AO组件，通过远程对象访问技术完成GIS的处理功能。

2.2.3逻辑层

逻辑层是基于ArcGIS服务器平台的GIS服务器的中心。所有内部GIS分析和处理，包括空间数据调用，都在GIS服务器中实现。与其他GIS平台相比，ArcGIS具有很多技术优势，尤其是在面向对象的数据模型、长事务管理和版本管理方面。服务器对象管理器通过负载平衡和计算机集群技术将复杂且计算开销大的GIS操作分配给其管理下的每个服务器。单个服务器只负责调用空间数据和相关操作，然后将结果返回给网络层。

2.2.4数据层

数据层主要负责对中国堤防工程信息管理系统中的所有数据进行集中管理。空间数据以空间数据库的形式存储在数据中心中。空间数据通过空间信息元数据库进行索引和描述，属性数据分布在各个部门之间，通过建立属性数据元数据实现对分布式数据的集中管理和无缝共享。

综上所述，数据层对数据库进行操作，并为逻辑层提供数据服务;逻辑层处理数据层提供的数据的业务逻辑处理，并通过网络层发送给交互层;网络层接受并传递交互层的请求和逻辑层的反馈，通过防火墙保证系统的安全性;交互层直接接受用户的请求并显示结果。

在系统的开发过程中，不同的层被设计得尽可能的独立。与其他结构相比，这种多层结构具有一些明显的优点。层次结构和分工更加清晰，不同的功能在不同的层次实现，开发人员可以一次专注于其中一个层次。这可以很好地利用系统资源。此外,系统易于维护和更新，提高了系统的稳定性。它还减少了GIS数据操作的大而复杂对系统性能的瓶颈影响，提高了系统处理大量并发用户访问系统的处理能力^[42,43]。

多层体系结构也使系统具有很高的可移植性。交互层可以作为移植中间层到其他新的类似系统的一部分来替换。此外，由于所有主要的关系数据库管理系统都支持SQL语言，所以用SQL编写的程序也具有很高的可移植性。同时，该系统适用于全国七大流域的堤防工程;范围很大。随着系统的在线运行，必然会涉及到堤防工程信息的添加和修改。在这种结构下增加的项目主要与底层数据层的变化有关，这是比较容易实现的。然而，一个可能的问题是，随着系统数据量的增加，系统的效率会受到影响。

3.中国堤防工程信息管理系统的实现

3.1系统数据

该系统充分利用了GIS在空间数据存储和分析方面的优势，完成了多年来我国多个堤防工程基础数据的集成和处理。满足了信息共享的要求，减少了重复工作，大大提高了水利管理部门在水利工程建设中的工作效率。堤防工程基础数据是信息管理系统开发的核心。此外，该系统还为堤防工程的信息化、系统化管理提供了基本保障。

3.1.1数据范围

本研究涉及中国七大流域，包括长江流域、黄河流域、淮河流域、珠江流域、松辽盆地、海河流域和太湖流域。上述7个流域的分布情况如图1所示。该数据库的主要内容包括:

1. 七个流域的堤坝项目概况。
2. 主流的特征。
3. 河流流域的地质学。
4. 重大工程地质问题。
5. 重要堤防的工程地质条件。
6. 濒危堤坝段的工程地质条件。

3.1.2数据源

数据来源于具有独立法人资格的堤防项目管理机构的综合调查。

调查中收集到的典型工程信息主要包括工程概况、综合信息、风险和危险统计、工程地质、工程概况和涵洞。流域和堤防工程的基本信息由主管部门、数字信息开发管理部门和项目管理部门提供，专用数据主要由项目管理部门和工程设计部门提供。利用这些典型堤段的资料，为堤防的建设、管理和科研提供技术支持。

3.1.3典型堤防工程的选择

根据数据库设计和系统开发的需要，选取了中国七大流域典型堤防工程的工程数据作为系统的基础数据。选定的典型堤防工程符合下列条件:

1. 属于国家堤防标准一级、二级、三级的堤防工程。
2. 有完整的基础数据和一定数量的专用数据，包括土壤物理力学性质和渗透系数的堤坝项目。
3. 有潜在危险的堤坝项目。
4. 所选堤段的典型长度约为10公里。

3.2数据库设计

3.2.1数据库结构

3.2.1.1数据库类别

中国堤防工程信息管理系统数据库信息包括:历史数据、实时数据、工程信息、水文数据、水环境数据、GIS数据、灾害信息、气象数据、多媒体数据、防洪减灾信息、DEM数据^[44]。为了便于对综合数据库中大量的信息进行有效的组织和管理，综合数据库分为基础地理数据库、项目管理数据库和危险数据库。表2列出了中国堤防工程信息管理系统中堤坝项目的典型信息。图4显示了数据库的类别。

3.2.1.2数据库逻辑结构

数据库的总体设计逻辑是从数据库用户的角度来确定海量数据的组织形式^[45,46]。中国堤防工程信息管理系统的数据组织采用“基于主题的空间划分和分层”的方法进行规划和设计。数据库按空间划分为7个部分，即7个主要流域。每个流域独立成一个完整的地理数据库，如黄河流域地理数据库。每个地理数据库根据不同的主题方面被划分为不同的特征数据集。特征数据集存储不同主题方面的矢量地图层数据，即不同的特征类。例如，工程特征数据集存储了堤防工程分布图层、排水泵站分布图层等。所有的特征数据集被组织成子数据库，如基础地理数据库、水文数据库、气象数据库、工程数据库、人口、社会经济数据库、土地利用数据库和关系信息数据库等。所有数据表都严格按照有关的国家标准和规范设计，以便能够共享和有效使用数据。不同的空间数据可以用不同的空间索引来表示，空间元数据可以作为一个单独的逻辑单元来描述和管理整个空间数据库。

3.2.2数据组织与管理

数据库是地理信息系统的基础，也是中国堤防工程信息管理系统的基础。数据质量直接影响整个系统分析的准确性，数据结构的合理性直接影响整个操作系统的维护和更新过程。因此，数据库的建设严格按照数据需求分析、数据库设计、数据集成与输入、质量控制和数据集成技术的流程进行。中国堤防工程信息管理系统数据库采用Geodatabase数据模型来组织数据，图5显示了Geodatabase模型中对象的简化视图。为了便于设计，所有属性数据都以关联表的形式存在，而不是直接放入空间数据的属性表中。只有空间项存储在空间数据的属性表中;其他属性存储在关联表中。数据导入数据库有手工输入和文件导入两种方式。手动输入只适用于数据量较小的情况，但在大多数情况下，数据量较大，只能通过将Excel文件数据以特定格式转换为SQL数据直接导入。用户可以通过Web服务器下载指定的Excel数据模板文件，然后在本地输入后将其导入数据库。

1.Geodatabase数据模型中的工作区对应于一个Geodatabase。

2.数据集是数据的最高级容器。

3.geodataset是一个包含地理数据的数

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