摘要：水利信息化是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，而数据库技术作为现代先进的信息技术，已经广泛应用于水利信息化建设中。阐述了水利信息化的基本涵义及重要性，并以北江水利信息数据库建设为例探讨数据库技术在水利信息化中的应用。为了实现北江水利信息数据库的建设，通过设计北江水利信息Geodatabase数据模型，收集和整理数据，利用ArcSDE和关系数据库管理系统建立了图形数据库和属性数据库，用关键字将二者连接成统一的北江水利信息空间数据库，并为了提高数据的检索、查询的能力，数据库还采用了基于空间填充曲线的空间索引。

　　关键词：水利信息化;数据库技术;应用;北江水利数据库;建设

　　目前，洪涝灾害、干旱缺水、水环境污染三大水问题已经严重制约着国民经济和社会发展。要解决好水的问题，就必须调整治水思路，转变治水方针，从工程水利向资源水利转变，从传统水利向现代水利、可持续发展水利转变。水利信息化是实现传统水利向现代和可持续发展水利转变的必要前提和保障，是实现水资源统一管理、水资源优化配置、提高水资源利用效率的基础。我国水利信息化起步于20世纪70年代，最早的仅仅是计算机技术的推广和应用，是围绕水利信息汇总和处理展开的。自1998年以来，我国水利信息化的步伐大大加快，2003年《全国水利信息化规划》正式出台，标志着我国水利信息化的全面展开。

　　现代信息技术的迅速发展使数据库技术在我国许多行业中得到了广泛应用，数据库技术具有把各类置于空间分布中的信息进行综合分析和管理的能力，而一般水利设施又是与空间地域紧密相关，因此数据库技术非常适合水利信息化的建设要求，并在水利信息化建设中得到了有效应用，解决了很多实际问题，也发挥了一定的社会效益和经济效益。笔者阐述了水利信息化的基本涵义及重要性，然后以北江水利信息数据库建设在北江水利信息化的应用为例探讨数据库技术在水利信息化中的应用及重要性。

　　1、水利信息化

　　1．1基本涵义水利信息化就是充分利用现代信息技术，深入开发和广泛利用水利信息资源，包括水利信息的采集、传输、存储和处理，从而全面提升水利事业活动的效率和效能。水利信息化包括许多内容，其基本涵义是基于国民经济和社会信息化的统一规划，在水利业务的各个方面应用现代信息技术，深入开发、广泛利用水利信息资源，为国民经济和社会发展提供全方位的水利信息服务，加速实现水利现代化的进程。通俗地讲，水利信息化就是计算机技术、通信网络技术、微电子技术、光电技术、3S技术等多项信息技术在水利上普遍而系统应用的过程。

　　1．2重要性

　　1．2．1水利信息化促进洪水与干旱缺水管理。信息是水资源管理的基础，是正确分析和判断洪水与干旱缺水态势、科学地制定水资源调度方案的依据，水利信息系统的建立，将大大提高雨情、水情、工情、旱情和灾情信息采集的准确性及传输的时效性，对其发展趋势作出及时、准确的预测和预报，同时制定合理有效的洪水与干旱缺水调度方案，为相关部门的决策提供快速、科学的依据。

　　1．2．2水利信息化加速实现水资源科学管理。从过去重点对水资源的开发、利用和治理，转变为在水资源开发、利用和治理的同时，更注重对水资源的配置、节约和保护;从过去重视水利工程建设，转变为水利工程建设与非工程措施并重;从过去对水量、水质、水能等的分别管理和对水的供、用、排、回收再利用过程的多家管理，转变为对水资源的统一配置、统一调度、统一管理。水利信息化是实现上述转变的重要技术基础和前提。

　　1．2．3水利信息化有助于实现资源共享，促进国民经济协调发展。水利信息化建设是实现流域信息资源整合，实现水资源基础信息、地理空间信息、水事管理信息共享，并为整个社会经济发展服务的主要途径;水利信息化的实现对充分发挥流域的综合优势，贯彻以优化配置、节约保护、生态建设为主线的流域水资源工作方针，建立节水型农业、节水型工业和节水型社会，对推进城镇化进程、推进国民经济协调发展安徽农业科学，都有着重要意义。

　　1．2．4水利信息化在涉及水资源管理等众多领域有广泛应用前景。水利信息化技术的应用遍及水土保持、水土流失信息、治理土壤侵蚀、环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。

　　2、数据库技术在水利信息化中的应用

　　数据库技术是实现水利信息化的重要工具之一，有效地把各种数据集成到统一的环境中，以提供决策型数据访问的各种技术和模块的总称。在水利行业，为适应水利信息化建设的要求，广泛应用数据库技术，利用数据库技术及时收集和处理大量的信息，为水资源调度、合理使用以及保护等决策提供及时准确的信息支持。数据库技术就像一座多功能水库，对信息起着集中、净化和决策支持等作用，兼容并蓄各种来源的信息，对数据进行管理、查询和检索，通过相关分析、模拟和预测等手段进行科学加工与决策，并提供多层次和多功能的信息服务。通过数据库技术，可以实现对水情信息采集、防汛抗旱信息自动接收、处理，并进行汛情分析、暴雨洪水预报、调度、灾情评估以及旱情预测等。

　　3、北江水利信息数据库建设

　　北江是珠江的第2大水系，干流长468km，流域面积4．67万km2，主要支流有滃江、连江、绥江、武水等，流经广东省韶关、清远、佛山3市，流域内支流众多，俱呈叶脉状分布排列。由于支流地处山区，河道比降较大，导致在汛期干流洪水涨落快、流速大、持续时间短，对北江流域沿江地区及广州市、珠江三角洲构成严重威胁。但在枯水期则大片河床露出水面，形成一片一片的“戈壁”，对北江的航运及沿江地区的用水都有很大的影响。要解决北江水的问题，需充分利用现代信息技术，以科学的手段采集北江的水利信息，为洪水的预测预报、防洪调度决策和指挥抢险救灾提供有力的技术支持和科学依据。

　　北江水利信息数据库就是北江水利信息化建设的基础，起着存储各种信息，供统计、查询、分析等使用的作用，而且数据库设计的合理性、规范性、适应性，数据库之间的关系及设置直接关系到水利信息服务的优劣。

　　3．1数据库建设目标采用先进的数据库技术，建设涵盖北江水利信息主要业务的基础数据库系统，构成北江水利信息的基础信息资源中心，从而快速实现水文、测验、防洪工程、档案、流域三维地理信息、社会经济、水土保持等主要历史资料和自然信息的查阅，为北江防汛指挥、水资源管理调度、水土保持、规划设计、科学研究等工作提供基础信息支持。

　　3．2数据库结构设计数据库采用了INTERGRAPH公司的MGE和ESRI公司的ArcGIS的系列软件作为建库的基础平台。由于MGE软件图形数字化性能较好，整个数字化过程均在该系统软件下进行，而最终建库是采用目前GIS行业最先进的空间数据存储技术Geodatabase来存储地理空间信息。因此数据库结构是遵从Geodatabase的DBMS数据模型规则而设计，按层次将地理数据组织成数据对象，采用面向对象技术将现实世界抽象为由若干对象类组成的数据模型，实现所有的空间数据和属性信息都可以统一地在同一数据库中存放和管理。北江水利信息Geodatabase包含两大类数据，分别为空间数据和属性数据，其中，空间数据分成了2个数据集，分别为基础和专题数据集。

　　3．3建库流程北江水利信息数据库分为图形数据库建设和属性数据库建设，图形数据库建设中使用INTERGRAPH公司的MGE和ESRI公司的ArcGIS作为图形数据采集、处理操作平台，利用空间数据库引擎ArcSDE管理空间数据库，属性数据库建设中使用Access关系数据库作为搭建平台，最后使用ArcToolbox工具建立属性数据与图形数据的连接。

　　3．4空间数据库建设北江水利信息空间数据库是由基础数据库和专题数据库组成，2个数据库之间有多种联系，为了方便数据的查询、检索、交换、传输与共享，要求数据库建设之前首先建立统一的空间参照系，并要求建立一个规范化的信息标准，这一标准包括空间数据各要素分类和数据编码标准化2个方面。

　　3．4．1统一空间参照系。空间数据的主要来源是各种传统地图，如地形图、各类专题图等，这些图件均有其各自的比例尺、地图投影和专题内容。基础数据库是使用1∶5万地形图，图件的坐标系为1954年北京坐标系，其投影是6度带的高斯－克吕格投影，正好跨2个6度带，即49带(108°～114°，中央经线111°)和50带(114°～120°，中央经线117°)。专题数据库是使用有关北江的各类专题图。为了解决跨带问题，设定正轴等面积割圆锥投影(即Albers投影)为数据库的基础参照系，在数字化时，必须按照不同来源的地形图和专题图上的投影确定输入投影和坐标系，然后再将它们统一转换为Albers投影。

　　3．4．2数据库的分类和数据编码。数据库建库是参照国标《1∶5千、1∶1万、1∶2．5万、1∶5万、1∶10万地形图要素分类与代码》(GB/T15660－95)，并根据建库的需要进行相应的扩充。

　　3．4．3数据矢量化、编辑。数据采集使用MGE软件的数字化模块对地形图和专题图进行分幅半自动化扫描矢量化，然后进行图幅接边、数据清理、合理性编辑等数据编辑、检查和修改。

　　3．4．4数据的无缝转换并建库。在完成图形数据的检查和修改后，需进行MGE与ArcGIS软件间的数据转换，以便建立数据库。数据的无缝转换是采用间接转换法，首先把dgn文件转换为shape文件格式，然后再把shape文件格式无缝转换为ArcGIS软件的Coverage文件格式，转换后建立拓朴关系，然后把数据按照图层的属性进行编辑整合，按照数据库的数据分类组织数据，通过ArcCatalog导入ArcSDE中，以要素分类来细化分成各特征类，最终生成北江水利信息空间数据库。

　　3．5属性数据库内容属性数据库是对北江相关水利信息的收集、整合、加工和管理，是北江水利信息数据库的主要数据源，数据主要包括北江的水情、工情和灾情方面的数据，水情数据包括实时水情数据、历史水情数据等，工情信息包括河道、水闸、泵站、排水管线、水文测站、险工险段分布等，灾情数据包括市区易积水点、近年来历次暴雨积水情况、重要台风灾情等。属性数据库是采用Access关系数据库。

　　3．6空间数据库与属性数据库的连接属性数据是以文本的形式来表示研究对象的属性特征，图形数据表示了研究对象的几何特征，属性数据库和图形数据库是通过关键字联系在一起的。因此，需在相关数据的属性表中添加一个关键字字段，该字段内容为连接数据的唯一标识码，通过该标识码来完成数据库之间的连接。

　　3．7数据库的空间索引与查询北江水利信息数据库是个海量数据库，存放了近100幅地形图矢量数据、各类的水利专题矢量数据和水利属性数据，为了提高检索、查询数据的能力，数据库引入了索引机制。该数据库采用了基于空间填充曲线的空间索引，基本思想是利用Hilbert曲线描述的多维空间与一维空间映射的方法，使用一维的数值对多维的空间目标进行排序。由于该数据库采用了Geodatabase的ArcSDE关系数据库模型，ArcSDE可在要素类上创建空间索引，目的就是减少磁盘的I/O，从而提高空间查询速度。因此需要利用空间类系约束条件和空间索引配合起来，避免对数据库表的完全扫描。

　　3．7．1格网空间索引基本元素。ArcSDE自身提供二进制格式的存储模式，可以在SQLServer和Oracle中实现。在这种存储模式中，要素类在DBMS用一组表来存储，属性存储于业务表中，而要素的几何坐标存储在要素表中的一个二进制列中，要素表和业务表通过空间列中的唯一标识码一一对应。ArcSDE将层从逻辑上分成一个个小块，称为“cell”，层中的要素则分解到各cell中加以描述，并将该描述信息写到索引表中。落到多个cell上的要素，将在每个cell对应的索引记录中加以描述。没有数据的cell不包括在索引表中。

　　格网空间索引基本元素包括格网单元、要素封装边界和要素ID。格网单元是覆盖在图层空间范围上的一个个正方形，主要是用来初始化要素的选取。在图层中的每个要素都有一个封装边界，由最小外包矩形(MBR)的左下角坐标和右上角坐标确定。要素的封装边界要根据其边界所跨的格网单元组织到空间索引表中。要素ID是和格网单元以及要素边界一起存储的。因为每个空间查询最终将执行二进制的几何比较运算;而实际上要素的几何信息是存储在一个二进制列中，是一个BLOB(大型二进制对象)，它并不是空间索引的一部分，所以要素ID的作用在相关表中快速找到该要素的几何信息。

　　3．7．2空间索引表。实现索引主要是利用空间索引表(SpatialIndextable)，简称s表，主要用于存储要素类的索引格网(GridTiles)代码、要素的封装边界(Enve1ope)以及要素的标识码。ArcSDE确定空间过滤器所跨格网单元，DBMS利用s表可以确定这些格网单元，以及格网单元所索引的要素和它的封装边界。主要步骤:①DBMS接收ArcSDE提交的SQL语句，从WHERE从句中获得所跨的格网单元以及该过滤器的封装边界(左下点和右上点坐标)及所跨格网单元，然后到空间索引表中检索出相应的格网单元以及这些网格单元所索引的要素;②利用空间过滤器的封装边界与上一步检索出的要素的封装边界进行重叠(Overlap)比较，只要有重叠，DBMS便可以确定其进入初始的要素结合;③利用空间过滤器的几何坐标与要素的封装边界进行几何比较运算，如果两者没有重叠，则要素被排除，否则要素进入下一阶段继续进行比较运算;④利用空间过滤器的几何坐标和要素的几何坐标进行二进制的比较运算，只有两者坐标存在真正的重叠，才满足空间查询要求的结果。格网单元的大小是影响格网空间索引效率的重要因素，与空间要素的MBR大小相比，网格单元很大时，会导致每个网格单元内包含有很多空间要素。第一阶段选择的网格虽少，但导致第二阶段将不得不处理大量网格内的空间要素的边界比较，增加了查询的时间。

　　如果网格单元太小，小于空间要素外包络矩形的平均大小，将会导致空间索引表产生大量的网格单元，并且很多网格单元都索引出相同的空间要素。当大量的空间要素外包络矩形被网格单元切割时，空间索引表变大，因而查询网格单元时间增长。

　　通常而言，网格单元的大小取空间要素外包络矩形平均大小的3倍时，可极大地减少每个网格单元包含多个空间要素外包络矩形的可能性，获得较好的查询效率。

　　4、结语

　　水利管理实现信息化就要充分利用现代信息技术，建立水利信息数据库，以信息与知识为基础、以先进的数据获取和处理高新技术为手段，建立三维电子江河，把流域地形地貌、河流情况和防洪工程体系直观展示在眼前，对目标地域的水情、工情进行综合分析，有利于提高政府和水利部门决策的科学化、规范化和民主化水平，对于水利信息化有积极的意义。北江作为广东省北部重要河流，建立北江水利信息数据库为北江防汛指挥、水资源管理调度、水土保持、规划设计、科学研究等工作提供基础信息支持。随着北江水利信息数据库的不断完善及在北江水利部门中的应用，它将会在广东省水利信息化管理中发挥重要的作用。