2022年面向对象的GIS水文水资源数据模型设计与实现 .pdf

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1、面向对象的GIS水文水资源数据模型设计与实现陈 华1,郭生练1,熊立华1,徐高洪1 ,2,李订芳1(11武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072; 21 长江水利委员会水文局,湖北 武汉 430010 )摘要:分析和总结了地理信息系统(GIS )在水文水资源应用中存在的问题与挑战。在Arc Hydro数据模型框架的基础上,对面向对象的GIS水文水资源数据模型的结构与实现进行了深入研究与探讨。面向对象的GIS水文水资源数据模型能够很好地表达水文对象的空间位置、特征属性 、时间属性以及对象间的拓扑关系,能完整地描述水文现象在地理空间的运动过程,并在江西省中部清丰山流域地

2、理信息系统建设中应用。应用结果表明,面向对象的GIS水文水资源数据模型为设计水文空间数据库提供了一个通用的结构框架,有助于推动GIS在水文学研究与水资源管理的深入应用 。关 键 词:地理信息系统;面向对象;水文水资源;数据模型中图分类号:P40718 ; TV21314文献标识码: A文章编号: 100126791(2005) 0420556208收稿日期: 2004203230 ;修订日期: 2004206224基金项目:国家自然科学基金资助项目(50179026);国家重大基础研究前期专项(2003CCA00200);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(G19990436)作者简介

3、:陈 华(1977 - ) ,男,福建建瓯人,武汉大学博士研究生。主要从事GIS在水文水资源中的应用研究。E2mail : ch97053 1631com目前 , 地理信息系统( GIS ) 已经在水文学研究与水资源管理领域中得到了广泛的应用110,例如在国内外广泛开展的“数字流域”建设11 ,12; GIS与遥感 ( RS) 结合在洪水灾情分析中的应用13 ,14; GIS在水量调度决策支持系统中的应用15 ; 应用 GIS进行水文资料整编系统设计16 ; 以及应用GIS进行无资料地区流域水文模拟研究17 等等 。在 GIS应用到水文学研究与水资源管理领域过程中, 一个核心问题是GIS水文水

4、资源数据模型设计 , GIS水文水资源数据模型是关于现实世界中水文空间实体及其相互间联系的概念, 反映了水文过程与人类自然环境之间的相互关系。它为描述水文空间数据组织和设计水文空间数据库模式提供基本方法, 是 GIS在水文学研究与水资源管理应用设计的核心, 也是推动GIS在水文学研究与水资源管理深入应用, 使之不断更新的关键 。美国环境系统研究所(EnvironmentalSystemsResearchInstitute, ESRI) 和美国德克萨斯州立大学Austin分校水资源研究中心联合开发了一种水文地理空间数据和时间序列数据模型 Arc Hydro数据模型3 , 它在 ArcGIS环境下

5、运行, 主要用于水文水资源的研究。Arc Hydro支持水文模拟, 提供一种管理各种水文信息的规范格式,有助于系统地和有效地实现复杂水文系统的模拟与分析。在国内 , GIS水文水资源数据模型的研究相对较少,目前还没有统一的数据规范格式, 这不利于GIS在水文学研究和水资源管理上的进一步推广应用。本文在 ArcHydro数据模型的基础上, 结合面向对象技术, 对 GIS的水文水资源数据模型结构设计和数据组织进行了深入的研究与探讨, 并将设计好的面向对象GIS水文水资源数据模型应用到江西省清丰山流域水文水资源管理中,取得了较好的成效, 为进一步在水文学研究和水资源管理推广应用提供参考。1GIS在水

6、文水资源应用中的挑战20 世纪 70年代起 , 美国田纳西流域管理局利用GIS技术处理和分析各种流域数据, 为流域管理和规划提供决策服务, GIS开始应用于水文学及水资源管理。进入 80 年代 , 随着计算机技术的飞速发展, GIS在水文学及水资源管理领域的发展非常迅速。90 年代 , 数字化信息技术的飞速发展, 提出了流域“数字水文”平台11 ,第16卷 第4期2005年7月 水科学进展ADVANCES IN WATER SCIE NCEVol116 ,No14Jul. , 2005? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. Al

7、l rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - GIS已经成为构建该平台和进行流域水文模拟的重要工具, 也取得了很大的成绩, 已被承认是一个非常有用的工具 。目前尽管大多数GIS对水文水资源信息具备了较强的数据存储、管理和输入输出功能, 但是主要以数据为中心 , 在表达水文地理空间、水文现象空间分析和支持决策的能力方面还远远不够, 导致这种情况的原因在于现有的GIS数据模型并不能准确地表达地理

8、空间水文对象特征, 具体存在的问题和挑战如下3:(1)描述随时间和空间而变化的地表水流运动是水文学家最重要的任务之一。那么 , 如何把描述水流运动和水质的时间序列数据与描述周围环境的地理空间数据集成或耦合在一起将是一个最重要的问题。(2)GIS在水文水资源上的应用需要水文地理空间数据库来支撑, 水务管理部门在应用GIS时 , 都构建了相应的水文地理空间数据库, 由于不同的开发单位对水文空间数据组织方式和设计空间数据库的模式不一样,造成水文地理空间数据库层次不一, 共享性 、通用性和可扩展性差, 如何设计GIS水文水资源数据模型以构建通用的地理空间数据库来支撑各种各样的水文水资源项目?(3)描述

9、陆地表面的数字高程数据变得越来越精确, 栅格尺度越来越小, 栅格数量越来越大, 以至于用一个单一完整的数字高程模型数据来研究一个大的流域变得越来越麻烦, 分析工作是非常难处理的, 而且不切实际 , 如何将流域地表信息进行单元分区处理, 然后将所有的分区结果融合到一起构成流域的整体数据库?(4)描述河道和洪泛区平原时采用的是三角形不规则网格( TriangulatedIrregularNetw ork , TIN) 数据 , 但是随着被研究的河道长度增加, 而三角网的精度不断加大, 在数据分析处理过程中带来了极大的麻烦。如何从每一个河段的不规则三角网格中建立河道形状的矢量描述, 然后将所有矢量描

10、述整合成对整条河流连续性的描述?(5)标准化的水文地理数据集主要是用来存储描绘溪流、江河 、湖泊以及海岸水体。如何将河流的水文地理信息特征与这条河流所在的流域联系在一起? 大量的空间点特征与河网水系有关, 比如测站 、水工建筑物、供水系统取水口、污水处理系统排泄孔、桥梁等等 。如何根据河网将这些信息进行地址编码, 以便很容易查找某个位置的上游河段和下游河段?(6)城市水文系统所遇到的很多问题是与农村水文系统中有很大差异。特别是城市暴雨下水道系统所对应的排水区间和同一区域地表河流对应的排水区间差别相当大。如何考虑这种差别?在面临的所有这些挑战中一个共同的主题就是数据融合: 不同类型的GIS数据和

11、水文水资源数据的集成;地理空间水文数据和水文模型的集成; 不同空间尺度水文数据的集成。随着 GIS在水文学与水资源的深入应用 , 迫切需要对水文地理空间数据和其它水资源信息规范化和标准化, 构建一个通用的水文地理空间数据库的基础框架 。2 面向对象的GIS水文水资源数据模型的设计要点对于 GIS在水文水资源中的应用, 其本质是对有关水文的客观地理世界的近似模拟, 其理想状态应是尽可能准确地反映真实的水文地理世界, 同时做到数据量最小, 又便于从中获取所需要的水文信息和规律。面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供了一个适合于人类思维模式的方法, 这是因为空间信息较之传统数据库处理的二维

12、信息更为复杂、琐碎 , 面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一个直观、结构清晰 、组织有序的方法, 因而倍受重视18 。因此可利用面向对象技术来设计GIS的水文水资源数据模型。水文地理空间是水文对象组合排列集, 每个水文对象都具有空间位置、特征属性和时间特征, 以及与其它对象之间的拓扑关系、语义关系等 。面向对象技术(聚集 、 联合 、概括 、分类和继承等) 可以将水文地理空间的复杂水文实体用对象准确地表示, 剔除一些同水文现象不相关的实体, 而不会因为技术上的限制对这个实体进行人为的分解, 同时将水文地理空间看成为一个整体, 即每一个水文实体具有空间位置、特征属性 、时间特征以及同其它水

13、文实体间的拓扑关系和语义联系。面向对象的GIS水文水资源数据模型见图1 , 其设计要点为:(1)数据模型中所有的水文数据都必须有相同的地理坐标系;(2)数据模型用来表征区域的主要结构, 必须是基于对象模型的矢量结构(点、线 、面) , 同时可以被栅格数据和不规则三角网数据支持。即将有关水文现象的对象和连续场这两种看似对立的模型统一在特征和特征集755第4期陈 华等:面向对象的GIS水文水资源数据模型设计与实现? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载

14、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图1面向对象的GIS水文水资源数据模型19 Fig11Object2oriented GIS Hydro Data Model合的概念中;(3)虽然将有关水文现象的客观世界作为整体看待 , 但并不排斥在执行具体的数据组织时对众多的有关水文现象的地理实体进行分层。数据模型中不同数据层的水文地理要素之间的联系 , 必须能够追踪通过地表从一个要素到另一个要素的水体运动, 同时能够自由地加入、删除 、修改任意类型(点 、线 、面和

15、复杂实体) 的水文要素 ;(4)数据模型除了研究有关水文现象的对象的几何位置及拓扑关系外, 还要重视研究对象间的语义关系、空间位置、特征属性和时间特征在模型中应处于同等重要的地位。通过定义时间序列对象来描述水文对象随时间变化的特性, 将水所处环境的空间信息同水的测量值的时间信息相关联, 组成一个完整的水文信息系统;(5)数据模型应能表征地理空间水文对象的三维、时变和多尺度特征。在水文水资源数据模型中, 地理空间被表达为一个具有相互关系的水文对象集。每个水文对象不仅具有空间位置 、特征属性和时间特征, 而且与其它对象之间具有拓扑关系和语义关系。所有这些信息在数据模型中都处于同等重要的地位, 其中

16、起着连接作用的是水文对象本身。在描述一个水资源系统时, 根据对象的形状特点 , 将基本的地理空间数据特征划分为5 种基本类型, 主要有 :水文边线(HydroEdge ) , 代表河流水系及水体的中心线; 水文结点( HydroJunction ) , 代表河段的端点, 以及河流水系上重要的位置;水体 (Waterbody ) ,水系统中重要的池塘、湖泊 、港湾 ;流域 (Watershed ) , 将陆地上的水汇集到河道或水体的区域;监测点(MonitoringP oint) , 代表水位 、流量 、雨量 、水质测量地点和其它一些重要水利工程的具体位置。在这些基本类型中, 水体 、流域以及监

17、测点都通过关系和水文结点发生联系。这种关系是“一对多”的,即一个水文结点可以和一个或几个类型中的对象相联系。例如 , 两个流域可汇合在河网上的同一个结点。时间序列对象主要用来表征水文地理空间中水文对象随时间变化的属性, 如雨量站的降水时间序列、河道站水位和流量的时间序列、土壤植被在不同时期的特征等, 这些信息在水资源管理中是非常重要的。在水文水资源数据模型中构建时间序列对象能克服现有的GIS软件仅局限于对空间属性的表达和分析上这一缺陷, 同时与空间属性特征结合, 能对水文现象随时间变化特征和规律的认识提供有效的手段。地理空间水文对象的三维特性及其相互间的语义关系和拓扑关系一直是GIS在水文水资

18、源应用研究的热点 , 虽然在水文水资源数据模型中占据很重要的位置, 但本文的重点在于对水文水资源数据模型的整体设计进行探讨和研究。3 模型数据结构传统的水文水资源数据仅仅是指描述水文水资源现象, 如径流 、水质以及蒸发的时间序列数据。而随着地理信息系统在水文水资源中应用的普及, 水文水资源数据也开始包括描述陆地水文水资源特征的地理空间数据 。在这种情况下,“水文信息系统”就被定义为支持水文分析和模拟的地理空间数据以及描述水流运动过程的时间序列数据的合成。为了完整地描述“水文信息系统”, 在数据组织过程中, GIS水文水资源数据模型将水文水资源数据划分为4 个要素数据集,即水文网络( Hydro

19、 Netw ork) 、流域水系(Drainage System ) 、河道 (Chan 2nel) 、 其它水文地理信息(Hydrograph ) 和一个时间序列对象( Timer series )3 。311 模型数据结构设计为了更有效地表示水文对象之间的相互关系, GIS水文水资源数据模型的结构设计必须能够反映数据的拓855水科学进展第16卷? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - -

20、 - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 扑结构 , 同时又要有效完整地表达各种水文对象。利用面向对象技术, 可以实现上述要求, 进行 GIS水文水资源数据模型的结构设计。面向对象GIS水文水资源数据模型的结构设计基础是水文抽象数据类型的定义, 它具有很强的层次特性,其层次结构如图2 所示 。根据面向对象的GIS水文水资源数据模型的组成, 数据模型中的抽象类可定义为: 水文要素类 、水文网络类 、流域要素类 、河道要素类以及其它的水文地理信息要素类等。利用分类 、联合 、聚集和继承等方法, 能够创建各个对象数据集中的具体水文

21、对象。图2面向对象的GIS水文水资源数据模型结构Fig12Structure of the object2oriented GIS hydrology and water res ources data model水文要素类定义了两个属性:水文要素ID ( HydroID) 和水文代码(Hydrocode ) , 它们能代表和区分所有水文对象。在地理信息水文水资源数据模型中, 所有简单要素类都继承了水文要素类, 同时也继承水文要素类的属性。水文网络类、流域要素类、河道要素类以及其它水文地理信息要素类从水文要素类中继承, 它们通过水文要素类建立关联, 同时它们又表征了相应对象集的共同特征。水文水

22、资源数据模型中的所有水文对象都可以根据需要建立关系。水文抽象类的定义能够很有效地表达地理空间中各个水文对象间的相互联系, 它是面向对象GIS水文水资源数据模型结构框架的骨干。312 模型组成分析(1)水文网络 水文网络是由水文边线和水文结点所组成的几何网络, 水文边线和水文结点的拓扑联系可以用来追踪从上游到下游经过溪流、河道和水体的水流运动。因此水文网络能够描述流量穿过河流和其他水体运动的连续性。水文边线类在水文网络中通过水文结点连接边线组成边线网络, 其类对象结构如图3所示 。水文边线含有两个子类型: 流量线类和岸线类, 流量线类主要由单线河、双线河的中线和水体的中线组成, 岸线通常指的是双

23、线河的两岸、内陆水体的边线以及海岸线。如果在水文地理数据库中, 双线河和水体没有流量线, 必须重新数字化生成流量线, 否则将破坏水文网络的整体连续性。在网络中流量是沿着流量线流动, 而不是沿着岸线流动 。由于边线类是通过复杂的边属性类继承而建立的, 水文结点能够被加到水文边线类的内部, 而没有必要切断任何的水文边线。水文边线类是多边形线量度要素,即它的控制顶点有三维(x , y , m)坐标体系,其中m是沿着水文边线的量度位置。图4水文结点类Fig14Hydrojunction class图3水文边线类Fig13Hydroedgeclass955第4期陈 华等:面向对象的GIS水文水资源数据模

24、型设计与实现? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 水文结点类包括了水文边线间的结点和其它一些对于水文网络分析至关重要的点, 例如排水区域的出口、河道测站的位置以及其它要素, 其类对象结构如图4 所示 。水文结点可用来代表水源、排水口 、河道测站和其它相应的用户自定义位置。由于

25、在水文网络中每一要素都同排水口相关, 所以在所有的结点中, 排水口在网络结点中具有十分重要的地位。(2)流域水系 水和陆地表面相互影响, 陆地表面决定了水流通过地表的流向, 而水流的侵蚀改变了地表的形状 。溪流 、河道和水体一般位于地表的峡谷和凹地上, 水流从地表的边缘和地势高的地方往下流形成了流域水系 。流域水系对象数据集含有流域点、集水面积和流域线3 个对象类, 其对象模型如图5 所示 。流域要素类用来表征流域水系中各对象共同特征, 是从水文要素类继承的一个抽象类, 为流域水系的点、线 、面要素之间提供关联, 并且允许在分析数字高程模型时, 水文水资源数据模型中的矢量要素与用于创建它们的流

26、域栅格要素相关联, 来支持流域的水文分析与模拟。流域点主要是指流域上河网的出口, 流域线是指流域河网上的线条。在水文模型研究和使用数字高程模型分析地形中, 精确的流域点和线是不可缺少的一部分。流域线可从一个地形图中手工描绘、也可从一个栅格化的数字地图中数字化得到、或者通过使用数字高程模型的栅格数据来决定。流域线同水文网络中的水文边线之间有很密切的关联, 但是没有必要在空间位置上一致。事实上在数字化地图过程中, 如果得不到一个合适的河网 , 利用流域线也能够构成一个很好的水文网络。集水面积是用来描述任何关于流域面积的要素总称, 根据不同定义和划分流域方式, 它可被划分不同级别的子类, 用于描述特

27、殊类型的流域。(3)河道 由于河流对于人类活动和生活质量都具有非常重要的意义, 人们一直在致力于提高对河流的自然属性和活动的认识, 关于河流的大量数据已经被收集, 如河流的生态、 水量、 水质、 周围的居民地和洪水的潜在资源等。 在面向对象的GIS水文水资源数据模型中, 河道对象数据集能有效地存储、管理和提取河流的重要数据,并提供了标准的方法去表征河道剖面线和河道断面, 使得在 GIS中更容易提取河道信息和实现可视化。河道对象数据集能对河道的形态进行三维表示, 常用于洪灾、河流生态和形态的研究上。河道对象数据集含有剖面线类、断面类和断面点对象类, 对象模型如图6 所示 。河道要素类是从水文要素

28、类继承得到的抽象类 , 用来表示河道水文对象的共同特征。剖面线一般与和河道流量平行的线, 比如河谷底线和河岸线等; 断面线一般是同流量方向垂直的一条线。某一区域河道的相关信息可通过使用现代的测量技术获得, 也可从数字高程模型或不规则三角网状的数字地表模型中提取数据获得。图6河道模型图Fig16Channel data model图5流域水系模型图Fig15Drainage data model065水科学进展第16卷? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢

29、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 河道断面线是一个三维的多边形线量度要素, 在该要素中, 线上的每个顶点都有坐标(x , y , z , m)。坐标( x , y)给出了顶点在地平面上的具体位置, z代表垂直基准面上的高程,m是指断面尺寸。剖面线是对河道纵向的剖视, 通常是水流方向的平行线。几种常见的剖面线: 河谷底线 、河岸线 、洪水线和流量线等, 河谷底线是指通过河道每一断面最低点的剖面线; 河岸线是河道每一边水面同陆面的交线; 洪水线是当河漫

30、滩或者是洪泛区发生洪灾的时候, 在河漫滩或者洪泛区上能够代表洪水水流方向的洪水过程线; 流量线是与流量的方向相同的线。河谷底线和河岸线可以从高分辨率的正投影数字图片或地图数字化得到, 或者通过人工测量得到。同河道断面一样, 剖面线也是三维的多边形线量度要素, 线上的每个顶点都有坐标( x , y , z , m) , m坐标是剖面量度,或者说是河流长度的测量值。断面点对象类存储断面点数据, 并且通过属性断面代码同河道断面相关联。虽然一个简单的断面线表征了一个断面的位置, 但是几个断面点也能够对河道进行几何描述。如果断面的几何特征被存储为断面点, 断面要素的高程 (z)坐标和量度( m)坐标就不

31、应该被赋值, 以避免产生混淆。(4)其它水文地理信息 其它水文地理信息包括水文地理信息地图上点、线、面数据图层、从数据详细目录列表中获得的点要素以及用来说明陆地表面水文循环中水垂直变化过程的水文响应单元。点要素可能包括测站、取水点 、排水点 、坝 、桥 、建筑物 、自定义点等; 线要素有自然河流、人工运河 、沟渠 、输送地下水的管道、表征湖泊及其它水体的人工绘制的路线等, 当然 , 在实际水文网络中还有更多种类型的水文线要素, 如废弃的水池、不属于河网的湖泊、海岸线 、岛屿的边线、公路 、城镇边界线、流域机构管辖区域的边界线、城市界线等; 水文面要素是一个多边形要素, 表征地图上的具有面积属性

32、的对象, 常见的水文面要素有县辖区、其它管辖区域、洪泛区 、水体 、水体中的岛屿等。另外值得一提的面要素还有水文响应单元 , 水文响应单元用来表征进行地表水量平衡核算的特征面积, 通常由土壤和陆地覆盖的多边形交叉组成, 也可以由气候网格、行政区划和流域的边界线以及地下蓄水层的边界线组成。一般认为 , 每一个响应单元有相同的属性 , 这些属性可以用来描述将陆地表面降雨划分为地表径流、蒸发和渗透的整个过程。上述各种水文地理信息要素是对面向对象的GIS水文水资源数据模型完整地表达水文地理空间的补充, 是面向对象的GIS水文水资源数据模型不可缺少的一部分, 所有这些要素都以相应的形式被标注在地图上,

33、为观察者提供一个空间参考。图7 时间序列对象模型Fig17Time seriesobject model(5)时间序列对象 地理信息水文水资源数据模型的地理空间要素主要描述了水体的运行环境, 即水流运动所经过的一个自然环境 。在任何空间位置, 对水流的特性(如流量 、 水质等 ) 的描述是非常需要和重要的, 而对于水流特性所对应的时间坐标来说, 也是一个很重要的特征, 数据模型中的时间序列对象就是专门用来存储含有时间序列的水文要素, 时间序列对象的核心模块包含有两个对象类 : 时间序列类和序列类型对象类, 对象模型如图7 所示 。时间序列对象类中水文要素ID 值为描述时间序列值的水文对象的水文

34、要素ID , 序列类型ID 用来确定时间序列对象的类型, 如降水量序列 、流量序列 、蒸发量序列等, 同序列类型对象类有一一对应关系 。序列类型对象描述序列类型ID 的时间序列的详细信息,如变量 、单位 、时段是否规则、时段长 、数据类型和数据来源等。每一个要素在时间序列表中都有一个时间标志, 这个标志存储在时间序列表中的时间字段, 该字段是标准的时间类型, 包含了日期和时间信息。由水文要素ID , 序列类型ID 和时间可以共同确定水文要素的数据值。313 模型组成之间关联分析水文网络的拓扑结构只是点和线的连接, 而在水文水资源应用中, 集水面积也往往起到很重要的作用, 因165第4期陈 华等

35、:面向对象的GIS水文水资源数据模型设计与实现? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 此非常有必要将集水面积和水文网络联系在一起。建立集水面积和网络联系的最简单的一种方式就是建立集水面积和位于该水体下游出口的水文结点之间的某种关系, 具体的做法就是将水文结点的水文要素ID 属性

36、值赋给集水面积的结点ID 属性值 。事实上 , 建立其他对象和水文网络的联系都可以采用“HydroID2to2JunctionID”这种方式 。例如 , 将网络上某个水文连接点的水文要素ID 属性值赋给距离最近的监测点的结点ID 属性 , 这样来建立监测点和网络的联系。流域水系通过分析陆地表面地形来定义集水区域, 通常利用数字高程模型(DEM) 来分析地表的水流方式和到出口断面的集水区域。一般来说 , 使用高精度数字高程模型的栅格分析实际上只适用于区域性的水文水资源研究 , 但是可以将流域水系集水区域栅格分析的结果同水文网络的矢量分析相结合, 共同实现整个流域的水文水资源研究 ; 同样将河道三

37、角形不规则网格数据同水文网络的矢量分析相结合, 能实现对整条河流连续性的描述。时间序列对象主要通过水文要素ID 同数据模型其它组成部分建立关联。通过所建立的关联, 水文对象的时间序列可以看成是该对象随时间变化的一个动态属性。4 应用实现清丰山流域位于东经115 30 116 00 与北纬 27 40 28 20 之间 , 地处江西省中部腹地, 属亚热带湿润季风气候区 。清丰山流域包括芗水、丰水 、富水 、秀水 、槎水 、白水和株水等支流, 流域面积约2300km2。流域内水利工程多, 有两座大型水库, 一座重点中型水库和9座中型水库, 以及圩垸 、堤防 、水闸 、蓄滞洪区 、灌区等许多防洪、灌

38、溉工程 。应用面向对象的GIS水文水资源数据模型, 来构建清丰山流域的水文地理空间数据库 , 相对于以前的GIS数据模型而言, 面向对象的GIS水文水资源数据模型完全以面向水文地理实体的方式组织 , 不仅存贮有水文地理实体的位置与属性信息, 而且能够方便地存取水文实体之间的拓扑关系、语义关系 、水文时间序列数据; 在支持水文分析模拟方面, 能获得水文网络拓扑关系和实现不同类型数据融合, 如局部与整体之间的数据融合、时空数据融合; 在图层的组织方面, 不仅符合用户对地理世界的直接感知模式, 而且支持用户根据自己的需要对水文地理数据进行理性地思考、组织 、存贮 、管理与显示。5 结 语本文着重讨论

39、了面向对象的GIS水文水资源数据模型及其实现, 面向对象的GIS水文水资源数据模型描述的水文地理世界是一个整体, 而不是一个个数据层, 而且是随时间动态变化和处于三维空间中, 完整地体现了地理世界中的各种水文实体之间具有的拓扑关系和语义关系19 。它为 GIS在水文水资源上应用提供一种管理各种水文信息的规范格式, 为构建水文空间数据库提供了一个结构框架, 采用面向对象的GIS水文水资源数据模型具有以下优点:(1)所有有关水文的空间地物以水文对象的形式封装。(2)可用一系列简单水文对象构成水文复杂对象, 这是 GIS模型的基本要求, 也是区别于传统模型的主要特点之一 。(3)类型的体系结构有很强

40、的继承性和传播性, 通过它们很容易得到空间目标间的关系。(4)强调拓扑关系、语义关系和特定对象的三维结构与时间属性, 其中通过对象的属性来标识地理实体之间的语义关系。通过在清丰山流域的应用表明, 面向对象的GIS水文水资源数据模型较好地支持水文水资源空间信息管理和水文分析模拟。随着 GIS在水文学研究和水资源管理上的进一步深入应用, 面向对象的GIS水文水资源数据模型在实现技术和系统性能方面还有许多问题有待研究解决。265水科学进展第16卷? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总

41、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 参考文献 :1 周成虎 1 地理信息系统概要M1 北京:中国科学技术出版社, 199212 - 3.2 魏文秋,于建营 1 地理信息系统在水文学和水资源管理中的应用J 1 水科学进展, 1997 , 8(3) :296 - 300.3 David R , Maidment1Arc Hydro GISfor Water Res ourcesM1California : ESRI Press,

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43、ources Planningand Man2agement, 1993 , 119(2) :246 - 261.6 Jain S K,Singh R D , Seth S M1Design flood estimation using GIS supported GIUH approachJ .Water Res ources Management, 2000 ,14( 5) :369 - 376.7 彭盛华,赵俊玲,袁宏任 1GIS技术在水资源和水环境领域中的应用J 1 水科学进展, 2001 , 12(2) :264 - 269.8 Xu Z X ,Ito K,SchultzGA ,Li

44、 J Y1Integrated hydrologic modeling and GISin water res ources managementJ . Journal of Computing in CivilEngineering, 2001 , 15( 3) :217 - 223.9 周买春,黎子浩, JayawardenaA W1 数值地形图的生成及其水文地貌特征评价J 1水利学报, 2002(2) :71 - 74110 张宏斌,张 普 1 地理信息系统及其在水文水资源方面的应用J 1 西北水资源与水工程, 2001 , 12(2) :58 - 59.11 刘新仁 1 数字水文系统建

45、设J 1 水文, 2000 , 20(4) :5 - 8.12 任立良,刘新仁 1 数字时代水文模拟技术的变革J 1 河海大学学报, 2000 , 28(5) :1 - 6.13 葛小平,许有鹏,张 琪,等 1GIS支持下的洪水淹没范围模拟J 1 水科学进展, 2002 , 13(4):456 - 460.14 陈秀万 1 遥感与GIS在洪水灾情分析中的应用J 1 水利学报, 1997(3) :70 - 73.15 王 煜,王道席,王军良,等 1GIS在水量调度决策支持系统中的应用J 1 水科学进展, 2003 , 14(1) :114 - 117.16 宋立松,虞开森 1 基于地理信息系统的

46、水文资料整编系统设计J 1 水科学进展, 2001 , 12(4) :542 - 546.17 张建云,何 惠 1 应用地理信息进行无资料地区流域水文模拟研究J 1 水科学进展, 1998 , 9(4) :345 - 350.18 张家庆,张 军 1 九十年代GIS软件系统设计的思考J 1 测绘学报, 1994 , 23(2) :127 - 134.19 肖乐斌,钟耳顺,刘纪远,等 1 面向对象整体GIS数据模型的设计与实现J 1 地理研究, 2002 , 21(1) :34 - 44.Design and implementationof the object2orientedGIS hyd

47、rologyand water resource data modelCHEN Hua1, G UO Sheng 2lian1, XIONGLi 2hua1, XU G ao 2hong1 ,2, LI Ding2 fang1(11State KeyLaboratory o f Water Resources and HydropowerEngineeringScience, Wuhan University , Wuhan 430072, China;21Bureau o f Hydrology, Changjiang Water ResourceCommittee, Wuhan 43001

48、0, China)Abstract : Theproblemandchallengeof the GISappliedin the hydrologyareanalyzedanddiscussed 1On the basisof the datastructureof the Arc hydro, the dataorganizationandimplementationof the spatialhydro 2datamodel arediscussedand studiedwith respectto the object2 oriented technology 1 The hydrol

49、ogicobject s spatiallocations, feature attribute, temporal attributeandtheir topologicalrelationshipscould bewell represented in theobject 2oriented GIShydro 2datam odel1 Finally , the object 2oriented GIShydro 2datamodel is appliedto the QingfengshanBasin 1 The applicationresult showsthat theobject

50、2 oriented GIShydro 2datam odel providesa comm on structureframefor the hydrologicalspatialdataandis helpful to prom ote the wide appli2cationof GISto the hydrology 1Key words : GIS; object2oriented; hydrologyandwater res ources; datamodel365第4期陈 华等:面向对象的GIS水文水资源数据模型设计与实现 The study is financially su