CN111125291A - 一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法、系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，包括用户交互请求、启动WebGIS引擎、流域空间数据库加载、多物理场空间数据映射以及GIS沉浸式场景再现，系统以轻量的分布式B/S架构对水资源管理决策执行响应，使用流域空间数据库驱动并映射业务功能需求，激活三维WebGIS引擎，对流域情景进行跨平台、分层次、沉浸式再现。方法涵盖流程完善的流域水资源管理决策支持系统三维场景渲染机制与WebGIS引擎驱动的系统开发模式，使得系统具备轻量级架构优势，综合了地理信息系统、计算机图形学、计算机网络技术、多媒体技术及水文水资源管理等多个技术层面，以求成为新兴互联网技术趋势下“数字流域”的重要呈现形式。

Description

一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法、 系统
技术领域
本发明属于环境保护与资源综合利用技术领域，更具体地，涉及一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法、系统。
背景技术
随着遥感(RS)、地理信息系统(GIS)及全球定位系统(GPS)三项技术的日益融合、完善和成熟，流域信息能够被情景化地提取到计算机系统中，再通过流域数据模拟、水情推演，以达到水资源决策及时响应、及时管理的目的。传统桌面级GIS应用系统可扩展性较差、数据庞杂、难以跨平台使用，因此基于高速计算机网络的高精度、高仿真度信息系统则成为了流域水资源管理的重要技术支撑，也是如今高新计算机技术在数字流域领域的有效应用。
然而现有WebGIS流域水资源管理系统复用性差、功能较为单一，且缺少完善的GIS空间数据操作、模型计算与模拟仿真流程体系，不能充分地发挥海量空间数据的作用并满足用户实际业务需求。此外，使用常规的平面及图表形式进行信息展示交互，无法实现流域模拟模型与仿真的有效契合，随着信息技术的不断发展进步，对流域水资源管理决策支持系统的开发设计提出了新的要求与挑战。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法、系统，其目的在于使用流域空间数据库驱动并映射业务功能需求，激活三维WebGIS引擎，对流域情景进行跨平台、沉浸式再现，由此解决传统空间数据以文件为存储模式的功能单一、难以跨平台使用、尤其是实时响应性能无法保证的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，包括以下步骤：
步骤1，接收用户的交互请求；
步骤2，启动WebGIS渲染引擎，对用户交互请求快速响应并向流域空间数据库发起数据请求；
步骤3，流域空间数据库驱动WebGIS引擎，WebGIS引擎通过逻辑树结构将流域空间数据库中的数据与用户交互请求中的水资源管理决策信息进行关联存储，得到三维实景模型；
步骤4，在三维实景模型中进行多物理场空间数据映射，得到数据映射链接表，由WebGIS引擎依据数据映射链接表进行数据加载和三维渲染；
步骤5，结合三维实景模型和WebGIS渲染对流域场景进行沉浸式仿真再现。
优选地，所述步骤1中用户交互请求以用户Web客户端键鼠输入决策任务为目标，利用JavaScript控制程序向水资源管理决策支持系统GIS展示发起交互请求，调用WebGIS引擎API执行GIS空间渲染程序，以面向流域三维渲染引擎对象的方式建立交互模式。
优选地，所述流域空间数据库以地理信息为基础存储流域点、线、面要素空间数据。
优选地，所述步骤3中流域空间数据库采用PostGIS构建，对GIS矢量及栅格数据预处理后，导入到流域空间数据库存储管理，统一采用流域空间数据库驱动WebGIS引擎。
优选地，所述多物理背景场数据映射基于流域多属性、多维时空、多物理场构建数据映射链接表，由WebGIS引擎表示层对在地物场景上进行同步加载，并通过地物及其边界辨识对流场流态进行数据加载和三维渲染。
优选地，所述步骤6中GIS沉浸式场景再现提供远景范围渲染和近景高精度加载下视窗分层实时渲染体验，并结合三维实景模型与WebGIS渲染API对流域场景进行沉浸式仿真再现。
优选地，所述WebGIS渲染引擎基于JavaScript三维组件库Cesium进行二次开发。
优选地，一种流域水资源管理决策支持系统，包括，流域空间数据库模块，用以存储流域及水系拓扑图、各水库地理信息与运行参数、各水库历史水文数据、河流沿程断面资料、河道地形资料、区间河网位置数据、区间径流水文数据、水文站与水电站水文数据；
三维实景模型模块，通过流域空间数据库驱动WebGIS引擎，WebGIS引擎通过逻辑树结构将流域空间数据库中的数据与用户交互请求中的水资源管理决策信息进行关联存储，得到三维实景模型；
多物理场空间数据映射模块，在三维实景模型中进行多物理场空间数据映射，得到数据映射链接表，由WebGIS引擎依据数据映射链接表进行数据加载和三维渲染；
用户操作模块，用以输入信息命令，操作GIS数据图层，并激活渲染引擎完成空间数据操作、空间分析与决策模拟，同时实时同步耦合流域空间数据库，映射到流域三维信息库，实现沉浸式仿真再现。
优选地，所述数据库模块采用PostGIS构建。
本发明提供一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法、系统，以流域空间数据库为核心，使存储模式的功能更加全面，通过构建WebGIS渲染引擎可以对流域情景进行跨平台再现，完善了B/S架构体系下WebGIS在流域全场景模拟仿真的业务应用体系，为用户提供跨平台、多场景三维环境下流域水文水资源信息管控、流域数据资源管理、梯级水库群调度水文模拟、水情灾情仿真推演等功能。
附图说明
图1是流域水资源决策支持系统引擎设计的流程图；
图2是流域水资源管理决策支持系统Cesium视图层技术结构图；
图3是流域水资源管理决策支持系统流域空间数据库耦合驱动原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，包括以下步骤：
步骤1，接收用户的交互请求；
步骤2，启动WebGIS渲染引擎，对用户交互请求快速响应并向流域空间数据库发起数据请求；
步骤3，流域空间数据库驱动WebGIS引擎，WebGIS引擎通过逻辑树结构将流域空间数据库中的数据与用户交互请求中的水资源管理决策信息进行关联存储，得到三维实景模型；
步骤4，在三维实景模型中进行多物理场空间数据映射，得到数据映射链接表，由WebGIS引擎依据数据映射链接表进行数据加载和三维渲染；
步骤5，结合三维实景模型和WebGIS渲染对流域场景进行沉浸式仿真再现。
本发明中，用户通过Web客户端将决策任务需求通过键鼠交互操作作为目标传送至系统，其中决策任务需求包括计算指定河段长度、提取控制流域、计算流域面积等。
系统收到后启动WebGIS渲染引擎，所述WebGIS渲染引擎快速向流域空间数据库发送请求指令，其中所述流域空间数据库包含流域及水系拓扑图、各水库地理信息与运行参数、各水库历史水文数据、河流沿程断面资料、河道地形资料、区间河网位置数据、区间径流水文数据、水文站与水电站水文数据等；
所述流域空间数据库驱动WebGIS引擎，其中流域空间数据库中的数据为历史数据，用户交互请求中的信息数据为决策结果数据，将二者进行关联存储，使用REST接口系统GIS环境提供数据支持，呈现出GIS图层；
所述多物理场空间数据映射，基于流域多属性、多维时空、多物理场构建数据映射链接表，对流域、水利工程、站点等空间数据以及河道水流流速、运行水位等决策数据进行统一管理，由WebGIS引擎表示层进行同步加载，并进行三维渲染。
如图1所示，本发明提供一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，包括用户交互请求，启动WebGIS引擎，流域空间数据库加载，多物理背景场数据映射和GIS沉浸式场景再现，流域GIS空间数据管理以PostGIS空间数据库、SpringBoot微服务、Cesium三维GIS场景渲染为技术流程，实现包括流域范围、水系河流、水电站、水文站、水位站等相关图层的拓扑与属性增加、修改、更新、删除功能，利用Web交互功能，用户操作GIS数据图层，并激活渲染引擎完成空间数据操作、空间分析与决策模拟，同时实时同步耦合流域空间数据库，映射到流域三维信息库，实现沉浸式仿真再现。例如，河流改道可在视图层直接调整相应位置的河流线，水电站或水文站新增可直接在视图层添加站点拓扑及属性信息、河道断面剖面地形更新，并提供空间分析功能，如计算指定河段长度、提取控制流域、计算流域面积等。渲染引擎实现的沉浸式仿真系统可多端共享，在水资源管理决策背景下灵活的呈现流域情景。
渲染引擎针对多视图层级进行了加载优化。远景实行概化加载，例如对流域边界折点抽稀处理，得到简化的空间数据信息；近景实行高精度加载，结合虚拟现实渲染技术实现沉浸式交互体验。
渲染引擎提供空间数据操作和流域水域渲染、站点模型加载等功能，包括以下实现方法：流域水文水资源地理要素增加、编辑、删除等传统GIS操作，同步调用空间数据库操作更新数据；卫星与地形空间数据及水文数据驱动河道及流域渲染模式，同步水资源管理决策数据并实时更新渲染效果；提供多端口多方案三维模型加载机制；配合流域空间数据库驱动多背景物理场数据映射，用户交互请求多物理场仿真模拟模式。
更进一步的说明，所述步骤1中用户交互请求以用户Web客户端键鼠输入决策任务为目标，利用JavaScript控制程序向水资源管理决策支持系统GIS展示发起交互请求，调用WebGIS引擎API执行GIS空间渲染程序，以面向流域三维渲染引擎对象的方式建立交互模式。如图2所示，本发明采用JavaScript三维组件库Cesium进行二次开发的技术方案，用于仿真系统Web前端实现。Cesium将瓦片式的卫星地图及地形数据作为载体，PostGIS空间数据库存储流域GIS数据并由后台Rest服务提供调用接口，实现几何图形、建筑模型、区域渲染以及动态数据等信息的展示与交互操作。前端操作平台以Cesium技术为核心，利用其丰富的API(应用程序接口)实现三维仿真。图2中所示WebGIS引擎中涉及到的Cesium相关技术元素及其对应渲染内容，涵盖Cesium为仿真平台提供的多数技术标准。
更进一步的说明，所述流域空间数据库以地理信息为基础存储流域点、线、面要素空间数据。避免了传统的矢量及栅格文件存储占用冗余空间、无法修改的弊端，更加便捷地对地理地形边界、水库调度实景约束设定与调度过程监控、水文预报流域气象监控、站点水情监控等进行交互操作和管理。
更进一步的说明，所述步骤3中流域空间数据库采用PostGIS构建，对GIS矢量及栅格数据预处理后，导入到空间数据库存储管理，统一采用流域空间数据库驱动WebGIS引擎。针对水资源管理中需求的GIS与水文数据资料，将其分类存储于PostGIS空间数据库中，包括流域及水系拓扑图、各水库地理信息与运行参数、各水库历史水文数据、河流沿程断面资料、河道地形资料、区间河网位置数据、区间径流水文数据、水文站与水电站水文数据等，使用Rest服务接口实现Web客户端的集中化管理与模型决策仿真。系统数据资料汇总如下表所示：
Figure BDA0002339482100000071
Figure BDA0002339482100000081
采用以上流域空间数据库存储WebGIS相关数据，可以海量存储地球表面信息、地质信息、气象信息等复杂数据体系，具备完善的数据仓库，便于集中地、层次明确地管理数据；所述流域空间数据库具备强大的信息检索与分析能力，为WebGIS引擎提供便捷的空间数据操作与空间地理信息分析；避免了传统地理数据文件式存储方案的不易修改、无法快速检索筛选及难以分层分类管理等问题；配合服务接口更适合现行跨平台的互联网运行环境，无需多余的服务代理进行服务控制。
更进一步的说明，所述多物理背景场数据映射基于流域多属性、多维时空、多物理场构建数据映射链接表，由WebGIS引擎表示层对不稳定流场在地物场景上进行同步加载，并通过地物及其边界辨识对流场流态进行数据加载和三维渲染。
更进一步的说明，所述步骤6中GIS沉浸式场景再现提供远景范围渲染和近景高精度加载下视窗分层实时渲染体验，并结合三维实景模型与WebGIS渲染API对流域场景进行沉浸式仿真再现。
更进一步的说明，所述WebGIS渲染引擎基于JavaScript三维组件库Cesium进行二次开发。Cesium是一套JavaScript库，用来渲染3D地球，不需要安装任何插件就能在支持HTML5标准的浏览器上运行，是一个跨平台、开源的、轻量级的WebGIS表现层库。
更进一步的说明，一种流域水资源管理决策支持系统，包括
流域空间数据库模块，用以存储流域及水系拓扑图、各水库地理信息与运行参数、各水库历史水文数据、河流沿程断面资料、河道地形资料、区间河网位置数据、区间径流水文数据、水文站与水电站水文数据；
三维实景模型模块，通过流域空间数据库驱动WebGIS引擎，WebGIS引擎通过逻辑树结构将流域空间数据库中的数据与用户交互请求中的水资源管理决策信息进行关联存储，得到三维实景模型；
多物理场空间数据映射模块，在三维实景模型中进行多物理场空间数据映射，得到数据映射链接表，由WebGIS引擎依据数据映射链接表进行数据加载和三维渲染；
用户操作模块，用以输入信息命令，操作GIS数据图层，并激活渲染引擎完成空间数据操作、空间分析与决策模拟，同时实时同步耦合流域空间数据库，映射到流域三维信息库，实现沉浸式仿真再现。
更进一步的说明，所述数据库模块采用PostGIS构建。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，接收用户的交互请求；
步骤2，启动WebGIS渲染引擎，对用户交互请求快速响应并向流域空间数据库发起数据请求；
步骤3，流域空间数据库驱动WebGIS引擎，WebGIS引擎通过逻辑树结构将流域空间数据库中的数据与用户交互请求中的水资源管理决策信息进行关联存储，得到三维实景模型；
步骤4，在三维实景模型中进行多物理场空间数据映射，得到数据映射链接表，由WebGIS引擎依据数据映射链接表进行数据加载和三维渲染；
步骤5，结合三维实景模型和WebGIS渲染对流域场景进行沉浸式仿真再现。
2.如权利要求1所述的一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于：所述步骤1中用户交互请求以用户Web客户端键鼠输入决策任务为目标，利用JavaScript控制程序向水资源管理决策支持系统GIS展示发起交互请求，调用WebGIS引擎API执行GIS空间渲染程序，以面向流域三维渲染引擎对象的方式建立交互模式。
3.如权利要求1所述的一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于：所述流域空间数据库以地理信息为基础存储流域点、线、面要素空间数据。
4.如权利要求1或3所述的一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于：所述步骤3中流域空间数据库采用PostGIS构建，对GIS矢量及栅格数据预处理后，导入到流域空间数据库存储管理，统一采用流域空间数据库驱动WebGIS引擎。
5.如权利要求1所述的一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于：多物理背景场数据映射基于流域多属性、多维时空、多物理场构建数据映射链接表，由WebGIS引擎表示层对在地物场景上进行同步加载，并通过地物及其边界辨识对流场流态进行数据加载和三维渲染。
6.如权利要求1所述的一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于：所述步骤6中GIS沉浸式场景再现提供远景范围渲染和近景高精度加载下视窗分层实时渲染体验，并结合三维实景模型与WebGIS渲染API对流域场景进行沉浸式仿真再现。
7.如权利要求1所述的一种流域水资源管理决策支持系统WebGIS引擎设计方法，其特征在于：所述WebGIS渲染引擎基于JavaScript三维组件库Cesium进行二次开发。
8.一种流域水资源管理决策支持系统，其特征在于：包括
流域空间数据库模块，用以存储流域及水系拓扑图、各水库地理信息与运行参数、各水库历史水文数据、河流沿程断面资料、河道地形资料、区间河网位置数据、区间径流水文数据、水文站与水电站水文数据；
三维实景模型模块，通过流域空间数据库驱动WebGIS引擎，WebGIS引擎通过逻辑树结构将流域空间数据库中的数据与用户交互请求中的水资源管理决策信息进行关联存储，得到三维实景模型；
多物理场空间数据映射模块，在三维实景模型中进行多物理场空间数据映射，得到数据映射链接表，由WebGIS引擎依据数据映射链接表进行数据加载和三维渲染；
用户操作模块，用以输入信息命令，操作GIS数据图层，并激活渲染引擎完成空间数据操作、空间分析与决策模拟，同时实时同步耦合流域空间数据库，映射到流域三维信息库，实现沉浸式仿真再现。
9.如权利要求8所述的一种流域水资源管理决策支持系统，其特征在于：所述数据库模块采用PostGIS构建。
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