水文信息组织（共7篇）
水文信息组织 篇1
0 引言
要实现水利事业的可持续发展,建立国家级的水文数据中心就是其中的一个重要方面,做到水文数据的采集单位和科研单位等各方面的水文数据的规范化和一体化,成为水文信息共享的迫切需求[1]。但是,当前由于水文数据主要是为了各个部门的业务运营服务,来源不同,采集方法和加工方法也有别,缺乏统一的分类标准和信息编码方案,而且现在的信息处理主要以业务为主,数据使用完就会被丢弃,由于现在决策分析的需要,对历史数据的需求与日俱增,因此历史数据的存储和处理是目前研究的重点和难点[2]。
业务目标单一,数据源的异构,无法实现水文信息的共享,不能很好地支持综合决策分析,“数据丰富而知识贫乏”的局面已经出现[3]。然而激增的水文数据背后隐藏着许多重要的信息,人们希望能够对其进行更高层次的分析,以便更好地利用这些数据。为了达到以上要求,需合并不同类型的水文数据,建立一体化的水文数据体系,为用户提供统一的数据视图。面向分析和决策支持的新一代水利业务应用的数据仓库技术已经兴起,并开始在水文领域得到广泛运用。在水文信息数据仓库的建设中,只有在成功实现水文信息的组织和抽取之后,水文在线分析处理(OLAP)和数据挖掘(DM)才能很好地发挥作用,从而建立水文领域行之有效的分析决策环境。
1 信息组织和水文信息组织
根据一定的原则和方法,对信息进行序化和优化,实现信息从散乱到有序的改变,以此来保证用户可以对信息的高效获取和应用的过程就是信息组织。信息组织属于管理的范畴,是信息资源管理的一个组成部分和特殊形式,是在漫长的信息化过程中诞生的。在人类社会的发展过程中,信息也逐步的积累起来,随着信息量的巨增,自然而然地出现了专门研究怎么来组织信息的学科,而这门学科主要的研究目的就是运用一定的方法和手段组织这些海量信息,方便用户能够按照自己的需求快速地获得所需的信息。
根据信息组织的定义,水文信息组织即对采集的水文信息进行分类,序化和优化的过程。目前水文信息组织主要有两种不同的方式,一种是国内为方便面向特定应用的系统开发依据《水文年鉴》进行组织的,另一种是美国的“原始化”数据存储,即采集到的什么数据就存贮什么样的数据。两种方式有各自的优势,也有不足。国内的这种从工程视角进行的信息组织能很好地适应特定应用系统,但是这样的信息组织方式不可避免地会造成信息的损失,且水文数据分散于各个部门中,没有形成完整的数据体系,不利于面向多种主题的在线分析和数据挖掘应用。美国的 “原始化”的数据存储的好处是能最大限度地保留采集到的数据中所包含的水文信息[4],但是,这样的存储方式带来的弊端就是它不针对具体的主题分析组织数据,这样的数据很难适用于特定的业务分析,往往要花很大的代价提取应用分析所需的数据。近些年来,欧洲的对水文信息组织就相对合理,兼顾了两种不同的组织方式,一方面它发布类似美国的统一的数字化水文数据产品,另一方面它也提供不同主题的水文数据产品,能较好地满足特定应用分析的需求,但面对主题化的分析型应用时,仍存在信息组织比较复杂的问题。长江水利委员会水文局采用“虚拟化”技术,以支持水文信息的综合性、主题化应用为目的,设计并开发了水文信息资源统一组织平台[5]。随着水文主题化业务的增加,越来越多的水文工作者提出了面向主题的水文信息组织。李剑锋[6]对多源水文信息组织进行了研究,对水文信息的组织同样采取了面向主题的策略;牟萍[7]从水文循环过程的角度出发,研究了水文信息的组织模式。陈德清[8]利用数据仓库技术,设计了水文数据仓库的总体结构。
2 数据仓库技术
2.1 数据仓库的定义
在数据仓库的发展过程中,许多人对此做出了贡献,虽然有许多不同的说法,但公认的数据仓库之父W.H.Inmon给数据仓库下的定义为:数据仓库(Data Warehouse)是一个面向主题的(Subject Oriented)、集成的(Integrated)、相对稳定的(Non-Volatile)、反映历史变化(Time Variant)的数据集合,用于支持管理决策(Decision Making Support)。
2.2 数据仓库的特点
(1)面向主题的;(2)集成的;(3)相对稳定性;(4)反映历史变化的。
2.3 数据仓库的体系结构
从数据仓库的概念结构看,数据仓库可以分为以下几个层次:数据源、数据准备区、数据仓库数据库、数据集市、数据访问和知识决策分析。数据仓库在创建以后,首先要从数据源中抽取所需要的数据,经过抽取、清洗、转换和装载之后,再加载到数据仓库数据库中,最后根据用户的需求发布到数据集市/知识挖掘中。当用户使用数据仓库时,可以通过在线分析处理等数据仓库应用工具向数据集市、知识挖掘进行决策查询分析和知识挖掘。如图1所示。
3 水文信息组织数据仓库模型的构建
3.1 构建目标
由于面向的是水利系统用户, 除了要向单位管理者提供各部门业务流程和运营状况等需求信息外,还应该将洪水演进、水利资源配置以及各相关设备的运行状况信息提供给管理者, 以帮助他们在关键时刻能迅速做出正确决策。
数据仓库不同于以往的数据库,它是在数据库的基础上发展而来的,但是两者在许多方面都存在着相当大的差异。数据库中数据的目标是面向业务操作人员,提供事物处理的支持,而数据仓库则是面向中高层管理人员,提供决策支持。因此,支持水文信息组织的数据仓库模型必须具备以下特征:(1)水文信息数据的主题性;(2)水文信息数据的集成性;(3)水文信息数据的不可更新性;(4)水文信息数据的时变性。
3.2 水文信息数据组织模型
如图2所示,水文信息数据仓库中的数据分为四个等级:早期细节级,当前细节级,轻度综合级,高度综合级。早期的数据进入数据仓库后经过抽取,筛选和清理,使之成为高度综合级的数据。
3.2.1 概念设计
在概念上建立数据模型,确定如何组建数据及数据之间的相互关系,以满足业务应用的需要。作为建立模型的初级阶段,概念模型主要描述与业务有关的重要实体以及相互之间的关系,本文采用信息包图来设计概念模型。信息包图由粒度,维度,事实组成,采用二维表的形式反应用户使用数据仓库进行多维分析处理的需求,涉及到所要回答的基本决策问题。如图3所示,信息包图主要提供了用户要求的一下相关联的数据。
(1)不同流域,不同时间的水位,流量,降水量,含沙量大小的分析与比较。
(2)分析不同维度的最大,最小以及平均值。
(3)预测将来同一时刻的该维度的大小。
3.2.2 逻辑模型设计
逻辑模型是通用的数据模型,它的典型产品是实体关系图,用于描述现实世界中的实体和实体间的关系,在建立了完整的信息包图表后,接下来要将信息包表转换成星形图,根据转换的原则,星型图主要包括以下的三个主要实体。
(1)指标实体:
即指明用户查询活动的主题内容,它代表一系列相关的事实。
(2)维度实体:
通常把一系列相关事实的多个属性定义为多个维,使用户能对不同维上的数据进行比较。
(3)类别实体:
类别实体通常可以转化为一个数据库表,与现实世界的实体对应,图4即为转换相对应的星型图。
水文信息主要包括:
水文要素维={水文要素值,水文要素值的取值范围,水文要素维的描述}
空间维={维度、经度、海拔和地区区域}
时间维={年、月、日、时、分}
度量属性={汇总、合计、均值、方差}
经上述方法组织的水文数据是动态可变的,根据不同预报模型的分析需求,采取不同的数据分析方式。例如要做中长期水文预报,就要将数据在不同层次的时间维度上作深入分析,寻找相关的合适因子,建立相应的回归分析方程并进行分析;如果要预报河道洪水,就应对水位、流量等在空间维度上的变化情况,以及河流上下游间的水位、流量相关关系等分析;如果是预报径流过程则更为复杂,需要全面分析流域的属性等情况,并得到相关的模型计算参数,从而代入模型进行计算和验证。
4 实验验证
经过上述的主题建模分析,得到了基于星型模型的数据组织模式。本实验以“石羊河”流域为例进行说明,如表1和图5所示。在原有的水文数据库中根据水文预报的主题抽取出分析数据,以证明本文提出的数据抽取方案切实可行。
通过以上星型模型的建立,水文预报主题数据得到了很好地组织。该数据组织模式可以方便地进行各种分析和处理,在此星型数据组织结构基础上,通过Microsoft SQL Server 2005和Office Web组件可以很方便地实现水文预报主题数据的上卷、下钻、切片和数据的插补等分析应用,并为预报人员和决策者提供多角度和全方位的信息。
5 结束语
本文提出一种新的支持水文信息组织的数据模式,经过结构设计、模型构造后,初步得到了支持水文信息组织数据仓库的数据仓库模型。在建立初步的模型之后,就可以进入开发以及试运行数据仓库的阶段。在以后的工作中,会对现有的模型进行完善和修改,并尽可能地符合实际,为水利运营者提供综合的决策服务。
摘要：分散的水文数据之间交互性差的缺点造成各独立数据源成为“信息孤岛”问题,文中就水文信息本身固有的特性进行组织,探讨建立支持水文信息组织数据仓库的模型,最后以“石羊河”流域为例,验证了模型的可用性。为数据仓库的联机分析处理和数据挖掘奠定了基础。
关键词：水文信息组织,数据仓库,模型
参考文献
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[5]陈雅莉,马勤,陈春华.虚拟化自治多源异构水文信息资源组织研究[J].水文,2010,10(5):12-15.
[6]李剑锋.多源水文信息的组织及应用研究[D].南京:河海大学,2010.
[7]牟萍.基于水文循环过程的信息特征及组织模式研究[D].南京:河海大学,2012.
[8]陈德清,王问宇,杨海坤.数据仓库技术在水文数据综合分析中的应用研究[J].水利信息化,2010,6(2):18-21.
水文档案信息化建设策略探讨 篇2
水文档案主要包括四部分:水文原始观测记录、水文资料整编成果、水文资料调查评价和研究项目成果。
水文原始观测记录包括水位、水质、水温、流量、水情、地下水位、降水、蒸发等的观测记录。每个观测点以年为单位记录成卷。现在已经使用计算机采集的数据模块取代了原始的手工记录表。水文资料整编成果一般是数据报表,是水文水质观测数据经过按技术规范标准进行整编后形成的材料。水文调查评价和研究项目成果是在完成水文实验、科研、专项调查评价后整理而成的文字图报告,每个项目分别立卷。
二、目前存在的问题
目前我国对于水文档案信息化建设一方面局限在系统的内部,侧重于工程建设、重水情处理、水环境检测等方面的业务建设,忽略了服务于全局的综合档案管理的信息化建设,推进全局工作的力度也有待加强。另一方面,档案管理人员不具备现代化档案管理技能。很多管理人员并没有经受过系统的培训学习,仅仅会使用目录进行检索,并不具备网络咨询服务、电子档案归档管理等操作技能。此外还存在技术支持和统一规划的问题。
三、水文档案信息化建设策略
(一)投入足够资金和技术。
水文档案应用于各个领域,发挥着不可或缺的重要作用,相关部门更应该给予足够的重视进而提高水文档案管理水平。在水文资料信息化建设的过程中需要引进大量的计算机设备、长期的维护投资、专业的管理人员以及相关的管理软件等工作,在进行信息化建设时,应当投入大量的资金和技术,确保硬件设施可以紧跟发展的脚步,人力资源方面应该多招聘优秀的技术人才,持续性的投入资金确保管理可以有序进行。只有不断地进行档案完善,才可以让水文档案管理更好地服务于各个领域。
(二)建立合理、科学的管理。
只有建立合理、科学的档案管理,才可以加快档案的信息化建设。水文档案专业性较强,设计的范围广以及技术性要求高的特点使得其在信息化建设的过程中更加应该关注源头。首先要制定信息化建设工作的计划,好的计划可以起到领头羊的作用;其次,加强综合档案室的业务监督力度,建立科学的档案管理制度,清晰档案管理流程,还可以使用水文数据网上归档的方式对档案进行录入归并,这样就实现收集管理各类档案的工作;最后,加大电子文件归档管理。这种管理方式对于软件和硬件的要求较高,还依赖于良好的管理制度,还要确保系统的电子文件的真实性、可靠性、完整性和安全性,确保纸质档案要和电子档案一起完成。
(三)加强培养管理人员的综合素质。
水文档案管理离不开管理人员的支持。水文档案管理是一项专业性十分强的工作,这就要求管理员不断强化自己的档案知识,增强自己对于档案知识的意识,分配好档案管理人员的配备问题,让每一个工作者在管理中提升自己的业务水平并且认识到自己的责任和使命。还要健全规章制度,管理员不仅仅要学习贯彻<<中华人民共和国档案法>><<水利档案工作规定>>等法规,还要联系水文档案管理工作的实际情况,制定出适用于单位的<<档案分类方案>><<安全保密制度>>等管理规定,这样才可以确保职责明确、制度健全、分级管理的策略,更好地开展档案工作。还要加强业务建设,做好完善工作,即:根据水文档案的专业性,对其进行科学合理的分类,制定出示意图和大纲,确保分类的实用型、稳定性;还要根据档案归档的范围划分档案保管期限,制定对应的编号,对于不同地域、不同时间的档案可以按照地区、年份、流域水系进行排列,这样有助于维护水文记录之间的连续性,还可以规范的整理各类档案。最后还可以将水文档案分纸质和磁介质的形式进行保存,纸质资料可以确保档案在输出时完整、清晰并且装订成册,按卷册就可进行划分统一,磁介质水文资料通用性强,可靠性高,可以在周期内予以更新。
摘要：21世纪的今天是一个信息化的社会,我们对于水文资料的需求也越来越大,水文资料管理常使用水文档案对信息进行管理,这些档案为社会生产和水工工程提供了很好的参考价值。由于社会处于不断发展和建设中,水文档案的管理也不应该遵循传统的记录模式,应该跟随时代进步完成信息化管理,这样可以提高资料的安全性和管理的高效率性。目前我国的水文档案管理距离全面信息化还是有一定的差距,存在一些问题,在本文中先对水文档案进行描述和分类,同时说明其重要性以及存在的问题,并对如何实现水文档案管理的信息化提出了一些建议和策略。
关键词：水文档案,档案管理,信息化建设,策略
参考文献
[1]叶晓春.新形势下提高水文档案服务意识的几点思考[J].广东水利水电,2006(03):165-166.
西藏水文信息化的一些思考 篇3
水文全方位服务于水利和社会[1],关于水利信息化发展思路有着大量的研究,文献[2-4]的研究认为,推进水利信息化是时代发展的必然要求,我国水利信息化主要包括网络、重点应用系统的建设,水利信息化规范和标准,水利信息化人才培养等方面。关于水文信息化发展思路也有着大量的研究,文献[5]的研究认为,为社会提供信息服务的水文,需要利用信息化手段来实现现代化,承担支撑社会信息化的历史重任的能力。文献[6]研究了美国水文信息化的现状,并提出对我国水文信息化建设的思考和建议。由于西藏特殊的地理和气候环境,为保障人员居住生活,需要建立大量的水文自动测报系统,文献[7-8]从现状、存在问题、发展思路3个方面研究了当地的水文信息化。
西藏高原高寒地广,还有一定的无人区,水文站点少且主要分布在气候较好的一江三河流域,目前信息化程度低,技术手段落后。由于西藏特殊的地理和气候环境,今后的发展不适合人员居住生活,需要建立大量的水文自动测报系统,采用3S等现代高科技技术,补充西藏水文信息的不足。为适应飞速发展的水文信息化,只有从西藏实际出发,加大力度,跨越式地实现水文信息化,才能促进西藏水文事业的跨越式发展。研究西藏水文信息化有着重要的意义和迫切的需求。
1 西藏水文信息化现状与发展历程
1.1 计算机网络和网站
西藏自治区水文水资源勘测局,于1999年组建办公计算机局域网络,2000年进行扩建,2007年重新建设和提高档次,配备延时时间较长、功率较大的UPS系统,架设了性能较好的硬件防火墙。目前,自治区水文局有比较先进、完善的办公计算机网络系统,并有选择的联接互联网;各地市水文水资源勘测大队也先后建设了办公计算机网络系统.
2 0 0 0年西藏自治区水文水资源勘测局开始建设网站,租用“西藏在线”网站服务器空间1年;2001年购买了网站服务器,从“西藏在线”搬回到自己的服务器,是西藏水利行业的第1个网站。
1.2 水文数据库和业务应用系统
西藏水文局非常重视水文数据库的建设,1989年购置了VAXⅡ小型计算机,建立了西藏国家水文数据库;1993年更新购置了VAX3100小型计算机,并逐步完善西藏国家水文数据库,水文信息中心自行开发了基于VAX操作系统的数据库查询分析系统;1999年数据库移植在微型计算机上,通过了水利部水文局的验收;围绕国家水文数据库的建设,2008年,合作研发了“西藏国家水文数据库查询分析系统”,目前有待继续完善和升级。
2 0 0 1年,西藏水文局建立西藏全国实时水情库,并利用全国统一开发的水情译电转发软件,通过全国水情广域网进行水情信息的传输。
2009年,水利部水文局援藏移植研发了“西藏水情防汛会商系统”和“西藏洪水预报系统”。
1.3 水文自动测报系统
1 9 9 2年,在拉萨河流沙河流域建立了流沙河雨量自动测报系统,由1个中心站和4个遥测站组成,以超短波为通信信道,运行至今,运行情况良好,2001年进行了系统更新升级。
2000年,借助国家防汛抗旱指挥系统拉萨水情分中心的建设,以短波为主信道,有线电话为备份信道,建设了拉萨中心站和8个遥测站。随着城市建设的快速发展,短波干扰信号越来越多,导致拉萨无法接收到短波信号,加之,设备质量存在缺陷,系统集成不太成熟,导致系统瘫痪,未能成功。
2 0 0 4年,西藏阿里帕里河山体崩塌形成堰塞湖,西藏水文局建设了1个中心站、2个北斗卫星的水位自动测报站,一共传输了7 200多份数据;但是,由于交通不便,不便于维护管理,1个站的设备垮坝时被冲走,另1个站设备当场报废。
2005年,定结县冰湖开挖除险中,西藏水文局在2个冰湖处,建立了1个中心站和2个北斗卫星自动遥测站,收集了9 700多条水位信息。由于气候恶劣,交通不便,维护困难,加之系统集成存在一定问题,导致系统报废。
2006年,进行土壤含水率监测示范建设,建设了以GSM为通信信道的1个中心站和6个土壤含水率遥测站,运行情况一直良好。
2007年,建设了以北斗卫星为通信信道的1个中心站和4个遥测站的自动测报系统,其中,2个站系统运行良好,另2个站系统相继出现了一些问题。
2009年,由于墨脱山体滑坡,建立了以北斗卫星为通信信道的2个中心站和7个遥测站的应急监测系统,由于建站条件极差,维护不便等原因,运行情况不太理想。
2 西藏水文信息化问题分析
2.1 计算机网络和网站
西藏自治区水文局办公用计算机局域网络相对比较完善,各地市水文水资源勘测大队的办公计算机网络比较简易,但是,都没有建立专业内网,存在较大的安全隐患。
西藏水文网站建设相对成熟、完备,但各大队均没有自己的门户网站。
2.2 水文数据库和业务应用系统
目前的西藏国家水文数据库查询分析系统需要不断完善、升级,才能紧跟全国的步伐;目前西藏主要河段还没有水文预报方案,但需求紧迫,因此需要研发的业务应用系统相对较多。
2.3 水文自动测报系统
由于受到西藏特殊的气候、地理环境的影响,水文自动测报系统建设和应用是西藏水文信息工作的最大弱点。仪器设备需要适应低温、低压、低湿、大风、冰川等恶劣气候,且仪器设备架设处于悬崖峭壁等极其复杂的地理环境,在内地成熟的系统引进到西藏后,会遇到很多不适应的状况,因此,需要专门研制适应西藏地区的仪器设备和系统集成。
西藏水文自动测报系统建设的成功率不高,主要有以下2个原因:1)建设项目没有经过西藏地区适应性的实验研究;2)站点地处偏僻,交通不便,技术人员缺乏,维护跟不上。
3 西藏水文自动测报系统的一些思考
做好西藏水文自动测报系统,规划是前提,建设是基础,人才是关键,管理是保证,应用是核心,因此要加强5个方面的工作。
3.1 注重规划
由于西藏特殊的地理、气候环境,实践证明规划的标准要高,考虑的情况要全面,尤其是复合型人才和运行经费绝对要有保障,否则实施运行中可能会使系统建设运行维护升级得不到保障。
3.2 完善系统建设
3.2.1 系统实验研究
因西藏特殊的气候、地理、交通等条件,水文自动测报系统建设前必须要做西藏高原的适应性实验研究。以往6个墒情站的设备在南京实验室里做过模拟西藏环境的实验,目前项目运行情况较好。
在大范围的建设中,仅仅在实验室里做模拟实验还是不够的,应该在典型现场设立实验站试运行1~2 a,才能确定系统的可用性。
3.2.2 设施设备特殊要求
1)水位计的选用。根据以往应用经验来看,浮子式水位计是最稳定、精确、可靠的水位计,超声波、压力式、气泡式、雷达等水位计均存在一定缺陷,因此,应在常规建设中大力推行浮子式水位计;如条件实在不允许,可考虑雷达水位计,其余水位计基本没有适用性;在地理条件极差的应急监测中,可以考虑压力式和气泡式水位计。
2)数据终端(RTU)的设计。西藏水文自动测报系统的成败主要在于RTU。终端每个零件的设计都必须考虑在西藏地区恶劣的环境下能正常运行,并做好实验室和现场实验,才能投入使用。
3)设备的保温。影响设备不适应性最突出的因素是气温。为了完全适应西藏寒冷的气候而设计制造设备,至少需要1个昂贵的RTU,通过采取保温措施可以降低RTU等设备的成本,提高其实用性。
设备保温主要有以下2种方式:a)充分使用西藏丰富的太阳能,设备房可以采用太阳能供暖;b)为设备做1个专用的机箱,部分或全部埋在地下,周围用木屑等保暖材料进行保暖。
4)通信信道的选择。西藏水文、雨量站点大多分布在公共通信网络没有覆盖或信号不稳定的区域,因此,卫星信道是最佳选择,根据应用经验,北斗卫星通信能够适应西藏地区的恶劣环境。根据水情自动测报系统规范的要求,每个站点必须要有2个或以上通信信道,因此,没有稳定信号覆盖的站点均应采用双套卫星通信方式,有公共通信网络覆盖的地区可以考虑北斗卫星和GPRS(GSM)或PSTN或其它信道。
3.3 加强人才培养
西藏本地没有能够建设水文自动测报系统的单位,必须从其他省份寻找承建单位,这就带来系统运行维护的不便和庞大的运行成本,因此,主要运行维护任务由自身承担为佳,西藏水文需要培养一批熟练掌握水文自动测报系统技术的人才。
培训、引进人才的主要方式有以下4个方面:1)依靠自身技术力量举办培训班;2)援藏和西藏自治区少数民族专业技术人才特殊培养渠道培训;3)特别选派有基础的技术人员,到其他省份有关部门进行深层次培训;4)适当引进水文信息化方面的人才。
人才培养的最佳方案是在系统建设期选派有一定计算机基础的技术人员到承建单位实习,熟练掌握系统安装、运行维护技术。在承建单位技术人员的指导下,实习人员能完成整个系统的安装调试,保证系统的正常运行。
3.4 加强管理
水文自动测报系统是多学科的集成,综合性强,需要很多部门配合完成。因此需专门成立1个综合性、管理能力强的部门,组成西藏水文自动测报系统建设管理小组,对水文自动测报系统进行综合协调管理。小组成员由区局有关科室和分局有关人员组成,组长和副组长在区局里产生。
管理小组既要分工明确,又要紧密协助。管理小组组长、副组长全面负责系统的规划建设管理运行;水文局水文信息中心负责中心的设施设备和数据的管理,并提供对外服务,协助分局分信息中心的工作;各分局分信息中心负责各自所属的设施设备和数据的管理,并提供服务;水文局站网科和分局站网科(所属片)共同负责遥测站的建设运行维护,局站网科还要承担协助各分局相关的工作。
3.5 实现高效应用
建设完成后,各级水文部门要加强和注重水文自动测报系统的应用,并研究其实用性,使系统在西藏防汛抗旱、水利工程、地方经济建设中发挥重要作用。同时,不断完善升级整个系统,使系统愈来愈成熟、稳定、先进。
4 结语
本文详细分析西藏水文信息化的现状,紧跟飞速发展的国内外的水文信息化,从西藏实际情况出发,主要对西藏水文信息化建设中最突出的水文自动测报系统的规划、建设、人才、管理和应用5个方面进行研究思考,结论如下:
1)西藏水文信息化具有水文信息化基本特性,也有其特殊的要求和特点;
2)水文信息化建设中最突出的问题是水文自动测报系统的建设缓慢,质量不高,应用维护不完善;
3)由于特殊的地理环境、社会经济等影响,规划和建设运行具有特殊性;
4)西藏水文自动测报系统需要做到,高标准规划,加强建设质量,加强复合型人才培养,注重管理、运行、升级;
5)由于尚未找到西藏水文信息化方面的文献,完全按着笔者思考研究进行,其特殊性的认识研究比较粗浅,待进一步的研究;
对于研究空白的西藏水文信息化,本文将会解释一些存在的问题,对西藏水文信息化的建设运行起到一定的帮助,具有一定的参考价值。
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水文情报信息管理系统研究设计 篇4
关键词：水文情报,管理信息,系统,研究设计
水文情报信息作为水利行业最前沿的基础资料,也是整个水利信息中数字化程度最高的信息。它是对水的数量和质量在时间和空间上的变化状况和规律进行勘测、研究的基础。对水文情报数据研究,可掌握江河、河口、海湾水流运动规律。随着计算机、通信技术的飞速发展,对水文情报信息的采集、处理、分析与信息服务的方式产生了重要影响和变革,计算机信息技术加速向水利行业的渗透,为实现从传统水文向现代水文的转变提供了有效的途径。通过对水文数据进行系统管理,可提高水文情报信息采集、传输、处理的时效性和准确性,提高防汛抗旱指挥决策的科学性,更充分地发挥水利工程防灾、减灾效益。
1 系统设计目标和功能
1.1 设计目标
1)建立与水文情报处理有关的员工、单位、服务客户及各类水文要素等信息库。
2)将不同途径收集到的水文情报数据,进行分类处理、合理性校验、消去冗余,生成符合《水文资料整编规范》的数据文件,并将相关水文要素写入各库中。
3)将自动测报系统采集的数据进行标准化水情报文编制,也可进行手工更正或补编水情报文,并自动传送到发报系统。
4)可对各类水文要素库进行数据记录的增加、修改、插入、删除。
5)对各类水文要素对进行数据查询、信息浏览、数据统计、报表打印等工作。
1.2 功能模块结构设计
在设计系统功能时,力求功能清楚、逻辑清晰、设计合理;各功能模块相互独立,具备独立处理功能,并且具有良好的稳定性、操作可靠,数据处理方法力求科学、实用。根据系统目标分析和实现功能,将系统分为7大主要功能模块:
1)系统管理:根据信息管理系统的设计要求,设计了系统管理模块,主要用于管理文件系统、用户授权设定等。其中包括路径设置、登陆系统、修改密码、用户管理、系统日志等5个子功能。
2)数据导入:信息管理系统的中数据来源非常重要,设计了数据导入模块,就是将野外以不同方式采集到的水情信息,经过转换、筛选、分组等加工处理后传送到信息管理系统,也就是为信息管理系统提供了数据载入通道和数据源。数据导入模块包固态存储数据导入、自动测报数据导入等2个子功能。
3)报文编制:水情报文是本系统与外系统进行信息交换一种约定形式。为便于对外发送水情信息,所以设计了自动测报数据生成报文模块,手工输入编制报文模块2个子功能。
4)数据库维护:在信息管理系统中数据库的数据都是在不断更新的,为保证信息管理系统中数据的安全、可靠,必须要对系统数据库进行数据备份和数据恢复处理。所以每个数据库都应该具有浏览、添加、删除、修改、更新、数据的备份与恢复等基本的维护功能。在本模块中包括了浏览数据库表、表中数据编辑、数据备份与恢复等3个子功能。
5)信息查询:建立数据库的目的是为了让用户查询数据,查询功能是用户获取数据库信息资料的主要途径,可以说数据库查询是数据库管理系统的核心操作。该模块包括测站基本信息查询、实时水情信息查询、历史水情信息查询等3个子功能。
6)报表输出:输出功能是系统产生的结果或向用户提供的信息。对于大多数用户来说,输出是系统开发的目的和评价系统开发成功与否的标准。报表输出功能模块包括水情日报表、水情旬报表、水情月报表等3个子功能。
7)系统帮助:帮助功能模块是各种应用软件系统所必须拥有的基本功能,是系统开发者向用户提供主动交流和服务的平台。本功能模块包括:系统帮助,关于系统等2个子功能。
1.3 主要模块功能简介
1.3.1 数据导入模块
1)固态存储数据导入模块功能:固态存储仪是一种常用野外水文数据采集设备,它的基本功能就是将雨量传感器产生脉冲信号,每隔5分钟存储一次所生成的数据文件(雨量测站编码.RFD),也是本系统主要数据来源之一。固态存储数据导入模块的功能就是将该数据文件经过加工处理后导入到本信息管理系统的数据库中,为用户查寻、分析、统计提供数据源,同时生成符合《水文资料整编规范》格式的数据文件,供其它外部系统调用。用户通过固态存储数据导入模块界面,选择需要导入的数据文件(雨量测站编码RFD)、选择汛期的划分时间、选择处理段次等信息,系统根据用户输入的信息,自动对读取该数据文件进行规格化处理,将处理好的数据存储到数据库SWIM.MDB的历史雨量表SS_P中,同时生成符合《水文资料整编规范》格式的数据文件(雨量测站编码.P0G)供其它外部系统调用,建立备份文件(雨量测站编码.RFK),删除已处理的数据文件(雨量测站编码.RFD)。
2)自动测报数据导入模块的功能:就是将自动测报系统采集到的水情信息,经过加工处理传送到本信息管理系统的数据库中,为用户查寻、分析、统计提供数据源,同时生成符合《水文资料整编规范》格式的数据文件,供其它外部系统调用。它是一个自动执行功能模块,具有实时处理数据的功能。该模块运行时首先从SWZM_H.DAT或SWZM_P.DAT文件中读取已设定需要处理测站信息,然后将这些测站自动测报系统生成的数据文件(测站编号+84雨量/85-86水位_日期.TXT),每隔5分钟处理传送一次数据到信息管理系统数据库SWIM.MDB的历史雨量表SS_P和历史水位表SS_H中,为用户查寻、分析、统计提供数据源。在这个数据处理过程中,对于雨量数据处理主要是从间隔5分钟采集的数据中,剔除无效数据,例如连续的“0”等。对于水位数据处理主要是从间隔5分钟采集的数据中,保留水位过程线上的拐点和整小时的水位数据,剔除变化方向一致数据,例如连续的等值或连续斜率相等的数据。通过这个数据处理过程,使数据冗余大大减少,提高数据访问的效率。
1.3.2 报文编制模块
1)自动测报数据生成报文功能:根据用户设定,由自动测报系统所生成的数据文件,自动定时生成水情报文。在这个功能模块中用户除了要根据当时的报汛任务要求,需对报汛的段次进行初始设定外,其它过程都是自动进行的,无需用户干预,实现了水情报文编制的自动化,减轻了水情管理人员的劳动强度,提高了工作效率。用户通过自动测报数据生成报文模块界面,分别选择每天水位、雨量报汛的段次,按“运行”键,则模块自动运行,在运行时首先从SQBWZM.DAT文件中读取已设定需要编制报文的测站信息,然后根据设定段次的时间确定何时进行自动编报,自动编报时从自动测报数据生成的数据文件(测站编号+84雨量/85-86水位_日期.TXT)中,读取相关信息并且按照《水情信息编码标准》自动编报,同时将报文数据写到本信息管理系统数据库SWIM.MDB中水情报文表SQBW_HP和发送文件SEND_TEL_日期.TXT中,供其它外部系统调用访问。
2)手工输入编制报文功能:作为自动测报数据生成报文功能的补充,对于一些还没有建成自动测报系统的测站或者自动测报系统项目不全的测站,则可以通过此功能模块进行人工输入编制水情报文。用户通过手工输入编制报文模块界面输入编制各类水情要素信息报文,用户输入时可通过“站类输入提示”、“编码输入提示”、“要素输入提示”、“要素特征输入提示”来编制报文,当编制报文结束后,按“发送”键,程序自动将报文数据写到本信息管理系统数据库SWIM.MDB的水情报文表SQBW_HP和发送文件SEND_TEL_日期.TXT中。
2 数据系统结构分析
数据是信息管理系统的基础。在对本系统进行详细调查的基础上,分析研究确定系统数据结构组成如下:1个内部数据库、1个系统配置文件、3个报表模板文件及若干个由自动测报系统生成的“测站编号+84雨量/85-86水位_日期.TXT”和固态存储导入的“测站编号.RFD文件”。
2.1 数据库系统设计
数据库是信息管理系统的核心,管理系统所有功能实现与操作,完全依赖于数据库。该数据库由Access系统创建,文件名:SWIM.MDB,数据库中共有11项数据表,各数据表名、含义、主要字段、主要作用及关系,详见表1。
2.2 系统配置文件及用途
CONFIG.INF用于系统初始设置。存放数据库的路径、固态存储数据路径、自动测报数据路径、发送报文数据路径。
2.3 报表模板文件及用途
1)SB_STHD.XLT文件,供水情日报文模块生成“水情日报表”时调用。
2)XUN.XLT文件,供水情旬报文模块生成“水情旬报表”时调用。
3)MONTH.XLT文件,供水情月报文模块生成“水情月报表”时调用。
3 开发环境与控件技术
Visual Basic在国内外各个领域中应用非常广泛,许多计算机专业和非计算机专业的人员常利用它来编制开发应用程序和软件。该系统采用Visual Basic6.0为开发工具,使用Microsoft Access创建数据库及相应的水情信息要素数据表,应用控件技术进行数据访问与操作。
3.1 Data控件
VB提供了一个简单、方便、快捷的数据库访问对象即Data控件,利用它只需少量的代码即可访问多种数据库中的数据。它是VB是访问数据库的重要控件,支持大多数与数据库有关的操作,通过使用data控件可以开发非常复杂的数据库应用程序。在系统管理的系统日志、报文编制中的手工输入编制报文功能、数据库维护中浏览数据库表、表中数据编辑功能和信息查询中测站基本信息查询等功能模块中使用了此控件。
3.2 DBGrid控件
利用数据绑定控件来显示、编辑和查询数据库中的数据,数据绑定控件也叫数据识别控件,可通过它访问数据库的信息。用DBGrid控件通过设置属性被绑定到Data控件时,VB会把从当前数据库记录取出的相应字段值引用于该控件,控件显示数据并接受更改。在系统管理的系统日志、报文编制中的手工输入编制报文功能、数据库维护中浏览数据库表、表中数据编辑功能和信息查询中测站基本信息查询等功能模块中使用了此控件。
3.3 ADO Data控件
ADO控件与固有的Data控件相似。使用ADO Data控件,可以快速建立数据绑定控件和数据提供者之间的连接。数据绑定控件是任何具有“数据源”属性的控件。数据提供者可以是任何符合OLE DB规范的数据源。在系统管理的信息查询中的实时水情信息查询、历史水情信息查询子功能的报表输出中的水情日报表,水情旬报表,水情月报表等子功能模块中使用了此控件。
3.4 结构化查询语言(SQL)
结构化查询语言(SQL)是目前各种关系数据库管理系统广泛采用的数据库语言,很多数据库和软件系统都支持SQL语言接口。在系统管理的登陆系统,修改密码功能;数据导入中的自动测报数据导入子功能;报文编制中的自动测报数据生成报文,手工输入编制报文等子功能;信息查询中测站基本信息查询,实时水情信息查询,历史水情信息查询子功能;报表输出中的水情日报表,水情旬报表,水情月报表等功能模块中应用SQL技术。
4 结束语
开发实用的“水文情报管理信息系统”,应用先进的计算机信息技术,及时、准确地采集和处理文情报信息,以达到提高工作效率,提高水文情报处理的时效性,降低现场水文勘测人员、水文情报信息中心管理人员的工作强度,拓展了水文情报信息服务的时间和空间。
参考文献
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水文档案管理信息化建设研究 篇5
一、水文档案管理信息化的必要性分析
水文档案管理信息化也就是以现代化的信息手段开展水文档案资料的记录、存储、检索以及应用等工作, 通过更加便捷、高效的手段来提高水文档案管理工作质效。水文档案管理信息化的必要性主要体现在以下几方面:
(一) 水文档案管理信息化是适应档案管理工作创新发展的需要。目前, 在档案管理领域, 各种新的管理理念以及新的管理手段, 在档案管理工作中的应用逐步普及开来, 对于档案管理工作也提出了新的要求。在水文档案资料的管理过程中, 也同样应该顺应新的管理形势变化, 在水文档案资料的收集整理、归档保存、应用传输等方面采取信息化、数字化、智能化的管理模式, 彻底改变传统的纸质存档、人工查阅的陈旧管理模式, 促进水文档案管理的现代化。
(二) 水文档案管理信息化是进一步提高水文服务的实际需求。水文服务在当前国民经济建设发展中的作用越发重要, 水文服务的职能也已经由传统的服务国民经济建设拓展到了服务社会各方面, 而且水文档案资料作为信息资源, 服务领域也由以往的防汛抗旱拓展到了工程、水利、水资源等方面, 对于通过水文档案资料来预测水文等情况的要求更高, 在这种新情况下, 传统的档案管理模式已经难以满足对于水文档案服务的新要求, 迫切需要采取各种信息化的手段, 来提高水文档案整体管理水平。
(三) 水文档案管理信息化是进一步推动水文档案资料开发利用的前提。水文档案资料是一种非常重要的信息资源, 不仅是防范抵御自然灾害需要, 对于工程设计、生态保护等等同样具有重要的作用, 而深入挖掘水文档案资料中所蕴含的丰富信息资源, 需要有着更为高效的信息化管理平台。这也要求必须进一步改进提高水文档案资料管理模式, 依靠信息化的管理手段促进水文档案资料的开发利用。
二、现阶段我国水文档案资料信息化建设中存在的问题分析
(一) 水文档案管理信息化基础较为薄弱。现阶段, 一些水文部门虽然认识到了水文档案管理信息化的重要性, 并着手开展了水文档案信息化建设, 但是由于人员资金等投入不足, 导致水文档案管理信息化的整体基础较为薄弱, 特别是水文数据库建设落后, 往往是简单的水文数据存储, 还存在着水文档案管理信息化层次较低、领域较窄的问题。
(二) 水文档案管理信息化的针对性不强。在水文档案管理信息化建设过程中, 一些档案管理部门对于水文档案管理信息平台的建设缺少侧重, 特别是在水文档案管理软件的选择方面, 没有结合水文档案资料的实际情况对软件系统以及信息平台进行开发应用, 影响了水文档案资料管理水平的提升。
(三) 水文档案管理信息化的系统性不强。水文档案资料包含的信息资料较多, 诸如水情、水资源以及水质等信息, 存在着档案资料较为分散的问题, 这些都需要制定规范、系统的水文档案管理制度措施, 目前水文档案管理信息的系统化水平不高, 影响了对水文档案资料的进一步开发利用。
三、水文档案资料信息化建设应用措施研究
实施水文档案管理服务的信息化建设, 既要遵循档案管理信息化的一般规律, 又兼顾水文信息生成和储存的特殊性, 才能确保水文档案管理的科学发展, 不断提高水文信息服务水平。在水文档案管理工作的具体开展过程中, 应当重点在以下几方面采取措施, 开展信息化的管理。
(一) 提高水文档案资料管理基础工作水平。在水文档案管理信息化的建设过程中, 管理部门应该重视档案管理服务信息化的重要作用, 首先应该完善水文部门数字档案馆的建设, 增加相关的人力物力投入及经费保障, 建设数字档案平台, 并按照水文档案管理工作的实际需要, 配备档案管理信息化所必需的各种信息和技术设备以及服务软件, 为水文档案管理工作的实施开展提供必要的基础条件。其次, 应该完善水文部门的档案管理信息化网络建设, 在水文档案管理信息化网络的具体建设过程中, 应该按照数字化归档的相关要求, 一方面要完善单位内部各个科室部门之间的档案资料的对接传递, 形成健全完善的内部局域网, 以便于开展档案资料的收集整理归档以及检索应用。同时, 还应该与基层水文站点之间建立自动化与数字化的连接网络, 确保将各基层水文站点的水文信息等及时传递至水文处理信息。此外, 还应该综合考虑安全及保密要求, 完善互联网联通建设, 实现与外界的档案资料信息的互通。
(二) 实现水文档案资料管理业务流程的信息化。在水文档案管理信息化系统建设的具体过程中, 首先应该按照国家档案管理相关标准要求以及实际需要等, 对档案资料的类别、年度、密级等进行数字化的归档处理, 同时将整理的信息资料置于档案管理信息平台数据库中, 并进行必要的备份处理。需要注意的是, 为了提高大量水文档案资料信息数据处理的速度和准确性, 应该选用适当的档案管理服务软件, 并结合水文部门的实际情况对软件进行有效的开发, 完成档案管理信息系统建设。在水文档案资料的检索利用方面, 重点应该是建设高效的检索查询系统, 通过与专业软件公司合作开发, 达到通过使用日期、类别、主体、关键字等内容就可以完成水文档案资料的检索使用, 提高水文档案资料的查阅效率。
(三) 加强水文档案资料的开发利用管理。对水文档案资料进行信息化管理的重要目的之一就是提高水文档案资料的开发利用效率, 因此在水文档案资料的信息化管理过程中, 同样应该注重水文档案资料的实际开发利用, 最重要的是完善水文档案资料信息发布平台的建设。水文档案管理部门应该结合自身单位的实际职能情况, 完善公共服务网站的建设, 并与相关的政务网站联合, 确保各类可以公开并且有实用价值的档案信息资源可以被检索查阅。其次, 在水文档案资料管理利用过程中, 还应该结合新的传播媒介, 积极采用手机等载体, 向社会公众发布有关防汛抗旱、河道水位流量、降雨等相关的服务信息。需要注意的是, 在水文档案管理信息化的推进过程中, 应该格外关注整个信息平台的安全, 对于需要保密的内容, 应该通过物理或者是逻辑隔离等手段做好隔离。同时, 针对信息平台还应该对系统的访问、病毒防护、信息传输等相关的内容做好必要的安全防护处理。
四、结语
水文档案管理服务信息化作为水文档案管理工作的主要发展趋势, 对于提升水文档案管理服务水平也具有非常重要的作用。在水文档案管理服务信息化工作的推进过程中, 应该遵循安全高效、快速便捷的要求, 完善档案管理信息化的软硬件设施建设, 同时规范档案资料的采集、整理、归档以及传输利用效率, 尽可能地提高水文档案资料信息化管理的规范化水平。
摘要：加快水文档案资料管理信息化建设, 对于提高水文档案部门的整体工作效率具有非常重要的作用。本文针对水文档案资料管理信息化工作的开展实施, 首先概述了实现水文档案资料管理信息化的必要性, 并分析了目前制约水文档案资料管理信息化的主要问题及原因, 进而详细介绍了水文档案资料信息化管理具体推进措施。
关键词：水文档案资料,管理,信息化
参考文献
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水文信息组织 篇6
虚拟实验是真实空间的一种映射[1],与真实环境中的实验相比,有以下几个方面的特点:
1)实验设备的虚拟性
在虚拟实验中操作的设备虽然能看到感觉到,但它们事实上并不存在,是由计算机所模拟的,是虚拟的。虚拟实验设备能减少设备与空间,节约资金,改善实验条件。追求真实性是科学实验的首要条件,因此,虚拟实验本身就要创建一种虚拟的“真实性”,为科学认识提供一条途径[2]。
2)实验环节的多目标、多层次性
在虚拟实验环境中,教师的辅导作用主要通过软件自身实现,另外,考虑到实验者客观存在的水平差异性,因此所提供的实验应该满足各个层次的实验者的要求。虚拟实验环节的多目标、多层次性有助于学生把科学的理性与逻辑、自我想象力与创造性相结合起来,有效地发挥自身的能动性。
3)实验过程的灵活性
实验过程的灵活性主要表现为:在虚拟实验的过程中,学生能方便地改变事物的条件以观察所发生的变化,有利于学生获得丰富的感性认识,便于学生根据自己的假设分析实验数据[3]。在此环节中并不一定需要一种理论或假设做指导,但却可能会为某一理论提出某些观点或意见。实验过程的灵活性使得学生能从实验过程中学习,不仅知道实验的结果,而且能体验知识的发现过程,激发学生进一步提出问题与寻求解决问题的兴趣。另外,在虚拟实验中,评价的侧重点不仅仅是实验数据的处理和结果,更重要的是学生是否掌握了相关领域的概念、解决问题的基本技能及从虚拟向真实情境迁移的能力。
虚拟实验的出现有助于培养学生的学习兴趣,拓宽学生的知识面,有效地支持理论学习。在虚拟实验中如果学生能把虚拟环境与真实的相比较、在合作的基础上进行探究,必将产生很大的教育价值。
2 虚拟实验教学的过程模型
虚拟实验教学的过程是建立在一般实验教学活动过程、学生的认知过程和实践活动,以及教学的基本规律的基础之上的[4]。因此,可将虚拟实验教学过程概括为用户界面、情境设置、过程模拟、总结评价4个步骤。
2.1 用户界面
虚拟实验系统不同于真实的实验室环境,实验者是通过用户界面与之交互作用的。因此,界面的设计既要方便友好、易于操作,又要使实验者感觉处于一种解决实际问题的情境中,即使面对的可能是科学家们早已熟知的资料或已有确定答案的问题,随着问题的逐步进展,学生仍然会体验到发现知识、寻求解决问题方案过程的成就感。虚拟实验系统的真实性可以丰富学生在虚拟情境中的体验,智能化主要表现在实验过程中跟踪学生的实验进度,并适时地为其提出指导性建议。
2.2 情境设置
实验辅导员(教师或系统Agent等)依据学生的经验、知识背景及需求,提出具体的实验目标,呈现融于模拟过程中的概念。另外,在利用虚拟实验教学的过程中,应有意识地安排一些省略(这种省略可以是1个实验的计划,可以是某一实验中控制某一因素的方法,可以是从所给资料中得出的结论,也可以是用来解释所给资料的1个假设)、空白或者令人感到奇怪之处,让学生把它们填补出来,以激发学生的兴趣。
2.3 过程模拟
虚拟实验过程模拟阶段,通过观察、分析实验现象,处理实验数据,并根据反馈调整策略、澄清错误概念,检验自己的假设和实验设计方案,这有助于提高对反馈的反应能力及对因果关系的敏感性。另一方面,在虚拟实验过程中,学生必须有意识地关注自己的经验,明确地叙述实验结果并用现有的思想综合它们,通过这种方式,使自己的想法被重新组合成新的、更强有力的形式。
2.4 总结评价
分析虚拟实验的进程,描述自己的感觉和反应,以判断自己概念掌握及问题分析、解决能力,意识到自己存在的问题和不足,并寻求新的解决问题的方法;同时,把虚拟情境与真实世界相比较,把虚拟实验和实际应用联系起来,使得在虚拟情境中掌握的概念和解决问题的方法运用于实际中,提高学生的自信心和灵活性。
另外,虚拟实验教学的数据共享也存在一定问题[5],在使用虚拟实验教学时还要注意以下几个因素:注重培养学生的独立能动性;尽可能地采用课题探索策略;在团体合作过程中学习;虚拟实验环境的丰富性程度对学生能力的影响。
虚拟实验环境并不能完全代替真实环境,因此,我们需要认识虚拟与真实2者之间的共同之处,并研究我们能做些什么来帮助学生很好地处理虚实2者间的关系。虚拟实验教学的过程模型如图1所示。
3 虚拟实验室开发平台
构建虚拟现实系统的目的是为了开发虚拟现实应用,所以任何一个完整的虚拟现实系统都需要有一套功能完备的虚拟现实应用开发平台,一般包括2个部分:1)硬件开发平台,即高性能图像生成及处理系统,通常为高性能的图形计算机或虚拟现实工作站;2)软件开发平台,即面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台[6]。这其中面向应用对象的虚拟现实应用软件开发平台是最主要的,它在虚拟现实应用开发过程中承担着三维图形场景驱动的建立和应用功能的2次开发,是虚拟现实应用开发的高层API,同时也是连接VR外设、建立数学模型和应用数据库的基础平台,没有它将无法开发出功能完善的虚拟现实应用程序。因此,开发平台部分是整个虚拟现实系统的核心部分,负责整个VR场景的开发、运算、生成,是整个虚拟现实系统最基本的物理平台,同时连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转,并与它们共同组成完整的虚拟现实系统。
3.1 显示系统
虚拟三维投影显示系统是整个虚拟实验室系统中最重要的3D/VR图形显示输出系统,其核心部分是立体版的高亮度投影机及相关组件,它将VR工作站生成的高分辨率3D/VR场景以大幅立体投影的方式显示出来,让要交互的三维虚拟世界高度逼真地浮现于参与者的眼前,从而为VR用户提供一个团体式参与,集体观看,具有高度临场感的投入型虚拟现实环境,并结合必要的虚拟外设(如数据手套、6自由度位置跟踪系统或其他交互设备),参与者可从不同的角度和方位自由地进行交互、操纵,实现三维虚拟世界的实时交互和漫游。在虚拟现实应用系统中,通常有多种显示系统或设备,比如:大屏幕监视器、头盔显示器、立体显示器和虚拟三维投影显示系统,而虚拟三维投影显示系统则是目前应用最为广泛的系统,因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性,而在这些所有的显示系统或设备中,虚拟三维投影显示系统是最能满足这项功能要求的系统,因此,该种系统也最受广大专业仿真用户的欢迎。虚拟三维投影显示系统是目前国际上普遍采用的虚拟现实和视景仿真实现手段和方式,也是一种最典型、实用、高级别的投入型虚拟现实显示系统。
3.2 交互系统
6自由度实时交互是虚拟现实技术最本质的特征和要求之一,也是虚拟现实技术的精髓,离开实时交互,虚拟现实应用将失去其存在的价值和意义,这也是虚拟现实技术与三维动画和多媒体应用的最根本的区别。在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设,它们主要是6自由度虚拟交互系统,比如:力或触觉反馈系统、数据手套、位置跟踪器或6自由度空间鼠标、操纵杆等。
3.3 集成控制系统
一个大型的虚拟现实系统包括很多组成部分,比如多台投影机、音响系统及多路视频的输入和切换系统,甚至是辅助的灯光和窗帘,这些都需要方便的控制和管理,每个部分又包括很多产品和设备,这些产品设备之间需要相互连接、依赖,彼此之间协同工作。然而,这样一个复杂的系统要顺利地运行并能够协同工作,就需要进行管理,集成控制系统便是承担该项工作的载体,它是整个虚拟现实系统有效管理和运行的基本保障。虚拟实验室集成控制系统如图2所示。
3.4 技术应用方案
虚拟现实应用的研究与开发是一项技术要求比较高的工作,它需要有相应的系统环境和完善的技术解决方案配套进行。虚拟实验室技术的应用如图3所示。
一个完善的虚拟现实系统通常需要解决的技术问题包括:数字图像边缘融合与无缝拼接;通道间的色彩与亮度平衡;数字几何矫正(即非线性失真矫正)、多通道视景同步控制;新一代立体成像与显示、虚拟现实集成控制等技术。
4 虚拟水文实验应用研究
充分认识虚拟技术在水文教学中的重要性、研究网络虚拟技术的特点及其应用规律,从而进一步促进水文教学的发展,是本研究的重要目标。
4.1 实现水文预报教学
用QuickTime VR实现对水文预报教学内容的表达(举例观察1次暴雨洪水形成过程)。
教学要点:通过全方位仔细观察产流、汇流过程,加深理解和认识蓄满、超渗产流的形成过程。
教学设计:根据此暴雨须观察的时空分布特点,在实施网络教学时应可使用学生在360°全方位转动、缩放和移动感受器,实现如同直接观察暴雨的教学效果。
VR数据开发[7]:根据教学设计的要求,采用QuickTime VR技术开发此项VR数据,可使VR效果最为逼真。开发过程要点是:
1)用数码照相机每隔10°拍摄1张暴雨图像;
2)用Photoshop对摄取的图像进行处理;
3)在VR ToolBox中导入经处理的36幅图像,根据网络带宽将压缩率设定为JPEG的80%,最后导出VR影视的*.mov文件。
实施网络教学:将VR数据文件嵌入到相应的网页中,并设计其在网络课程中的链接,将相关网页和VR数据文件上传至服务器,在机浏览器上安装QuickTime播放插件(3.0以上版本)。学生即可上网浏览相应的VR内容并通过交互控制VR影视中的各种运动,达到仔细观察暴雨各部位的目的。
由于此例VR表达的是暴雨,其整全角状极不规则,因此不宜采用基于几何模型的VR技术[8]。采用基于图像的QuickTime VR技术可非常好地满足教学设计的要求,并可逼真地表达教学内容。
4.2 实现水文模型教学
用Cult3D[9]实现对水文模型教学内容的表达。
教学内容:水文模型结构。主要内容包括降水、产流和汇流等。
教学要点:对研究流域大体结构中的各部位的认识、掌握各部位的相互关系。
教学设计:在网络教学中,可对流域进行3D空间任意角度的变换,并可依据其大体结构将流域从外至内逐层打开进行仔细观察,所有部位均可任意旋转、缩放和移动。
VR数据开发:采用Cult3D技术开发此例VR数据,可高质量的实现教学设计的要求。
开发过程要点是:
1)在3DS MAX中分别对研究流域各层结构进行建模并赋予相应材质,按照流域各层结构将建立的物体链接在一起。通过Cult3D在3DS MAX中的插件Cult3D Exporter导出模型文件(*.c3d)。
2)在Cult3D Designer中导入模型文件,在其中加入交互功能和运动控制,最后导出经压缩的VR数据文件(*.co)。
实施网络教学:将VR数据文件嵌入到相应的网页中,并设计其在网络课程中的链接,将相关网页和VR数据文件上传至服务器,在浏览器上安装Cult3D播放插件。通过上网在浏览器中观察此VR内容并可通过交互逐层打开此虚拟的流域研究,仔细观察研究相应教学内容。
由于此例教学设计要求流域大体结构的各层可分别打开并能在任意角度旋转,而流域外形及内壁各层结构造型相对规则,可在3DS MAX中建模实现,因此可采用Cult3D技术开发VR数据文件[10]。Cult3D是基于几何模型进行动态显示的,其VR文件数据量小,显示效果也非常好,其中的交互控制可设计得非常细致,所以此例VR应用的网络教学效果很好。
5 结语
通过教学实践和相关研究可以看到,针对不同的教学内容和设计,应采用相适应的网络VR技术,才能够充分发挥出其技术特点,实现预期的教学目标。尽管网络VR技术对于提高网络教学质量有很大的作用,但目前网络VR技术的应用还远不如流式视频的矢量动画那样普及,从事网络教学的教育工作者应充分认识网络VR技术的优势及其在网络教学中的作用,虽然目前离理想的VR境界仍有较大差距,但交互性强、触发事件种类多、动态渲染及显示质量高、可任意链接URL或其它3D空间、适宜网上应用、VR数据文件共享性强、开发效率高等技术特征使成为网络VR技术发展的趋势。
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水文信息组织 篇7
随着“大水文”战略思路的提出和水文服务模式的转变,基于不同类型水文数据的联合信息资源在防洪决策、涉水问题的科学研究及工程建设中将显得更加重要,因此对水文信息服务提出了新的要求。这些要求不仅表现在对水文信息的时效性要求更高,而且要求能提供多时空、多要素和动态主题化的信息服务。
水文信息主要有地表水、地下水和水质信息,河、湖地形等相关属性信息,以及服务于防汛抗旱的水文气象信息,包括原始监测、整汇编和统计分析成果及应用支撑等信息。由于不同类型水文信息的采集、处理、存贮和应用的模式及技术条件存在较大的差异,在水文行业和各级水文部门内部,实际存在着数据源分散,标准不一致,管理模式不同等问题,将其按常规方式整合为适应动态需求目标的水文信息资源并不容易,从而制约了水文信息资源开发利用的水平和水文行业服务能力的提升。
因此,针对水文信息多源、异构、管理自治、标准不一致等特点,研究并实现基于动态演化的水文信息抽取与重构机理及实现技术,对提高水文信息服务的水平与能力具有十分重要的意义。
1 水文信息资源统一组织架构
水文信息资源统一组织的基本思路是认同各类水文信息可以具有自己独立的信息组织模式,为了将这些分散异构的信息,组织成统一的、整体的信息资源,又保持各类水文信息各自的独立性,根据“虚拟化”的基本原理,通过构造相应的水文信息资源统一组织架构,为用户提供虚拟化的水文信息资源开发利用条件。
水文信息资源统一组织架构主要由存贮、描述和资源持久性与安全控制3个体系,以及数据源注册、数据抽取与转换、数据源动态配置、虚拟化信息资源组成和资源开发应用支撑5层处理构成[1]。
这3个体系和5个处理层次,有效保证了各类水文数据源的原有形态,并可充分利用各类数据源的计算和网络资源,形成逻辑上完整的水文信息全集,为充分利用分散的、异构的水文数据集,提供基本参考模型。根据这个架构,依托反射形成动态配置机制[2],实现支持动态演化的水文信息组织及开发应用支撑软件平台。
2 反射机制对动态需求演化的支持
水文信息资源对决策支持具有“就一事论一事”的特点。服务对象的变化或服务需求的改变,都将会对相应信息服务功能提出新的需求,一般性“救火式”的软件局部维护很难适应这种频繁的动态需求变化。
为支持动态的需求变化,通过引入反射机制,支持动态演化,通过演化适应动态需求变化,是解决问题的基本思路。
反射的概念是由Smith在1982年首次提出的,是程序可以访问、检测和修改它本身状态或行为的一种能力。而反射系统被认为是一种可通过因果相连的途径来推理其自身的计算系统,反射则是反射系统所展示的行为。
在反射系统的实现上,一般采用“关注分离”的原则,即系统分为基层和元层。基层一般用于对具体问题领域的抽象,元层则是对基层及系统内部的表示,并且与其因果相连。元层处于系统的高层,可以不止1层,基层和元层的集合统称为反射塔(如图1所示)。在元层和基层的相互关系中涉及到具体化和反射的过程。这里的具体化是指将基层的结构行为、系统内部状态表述成可获取元数据的过程,而反射是指通过这样的可获取元数据来观察和调整系统内部及基层相关部分结构行为的过程[3,4]。
水文信息资源统一组织平台采用基于运行时体系结构的软件描述方法LJ-RAML,并为符合LJ-RSABM模型的应用提供开发、部署、演化及运行环境。水文信息资源统一组织平台具备构造和运行应用2个基本服务。构造应用是指支持用户在软件体系结构层次表达需求,然后把用户设计的体系结构描述部署到运行环境中,形成系统元层中的配置文件,通过反射机制,在元层和基层之间建立基本的因果相连的关系,基层把元构件绑定到物理构件,最终构造出遵循LJ-RSABM模型标准的应用[5]。这些应用能够在水文信息资源统一组织平台上运行,以支持水文信息服务的动态需求。
3 基于描述的水文信息抽取与重构
水文信息抽取与重构服务是基于水文信息资源统一组织架构的特殊服务之一,它以资源描述为核心,应用反射机制,支持动态演化,基本结构如图2所示。
图2中,水文信息抽取与重构服务是由注册到水文信息资源统一组织平台中的组件、数据、映射等资源通过“服务描述”构造而成的,通过“业务描述”实现从自治、多源、异构的水文信息资源中按规则抽取信息,形成虚拟的信息资源,再根据“需求描述”重构生成服务成果或新的信息资源。其中“服务管理”为平台上的应用服务提供服务创建、修改、注销等管理功能,“个性化支撑环境”为平台上的应用服务提供个性化设置支撑。
通过动态改变“服务描述”、“业务描述”及“需求描述”等描述信息,可以改变水文信息抽取与重构服务的执行流程,实现对新需求的支持,从而实现水文信息抽取与重构服务的动态演化。改变“服务描述”中数据源连接描述,即可实现按用户需求动态配置不同数据源,改变“服务描述”中服务组件组装描述可以改变水文信息抽取与重构的处理流程;改变“业务描述”,即可改变相应的数据抽取和重构规则序列,从而实现注册资源到虚拟资源的处理过程;改变“需求描述”,可以实现对最终重构信息资源的输出控制,还可以将最终的重构信息继续注册到平台中,作为新的信息资源共享使用。
图3和4是基于水文信息资源统一组织平台,进行信息抽取与重构服务的实现方式的示例。这个例子实现了水文气象水位雨量信息抽取与重构服务。
从水文基础数据库(h y_n e w)(简称水文库)和气象数据库(qx)(简称气象库)2个异构的数据库中抽取并重构,由2007年1月前15天的水文库中日平均水位(表HY_DZ_C)、水文库中日雨量(表Q B_S D P R)、气象库中日雨量(表QB_QDPR)构成虚拟信息资源,并显示在1张表中。操作过程如下:
1)注册资源。在水文信息资源统一组织平台中注册水文库和气象库,及数据映射重构等规则组件,水文和气象库界面如图3所示,映射规则组件界面如图4所示。
2)通过创建抽取与重构服务描述,构建水文气象水位雨量信息抽取与重构服务,具体界面如图5所示。“数据源描述”指定该服务使用水文库hy_new的水位表HY_DZ_C、气象库qx的水文站日雨量表QB_SDPR及气象站日雨量表QB_QDPR;“抽取条件描述”指定服务的信息抽取初始条件;“业务描述”指定该服务通过映射规则“QX_STCD”和“QX_DATETIME”,在数据源之间进行关联,抽取出具有相同站码和时间序列的要素信息;“需求描述”指定该服务需要将抽取出的要素信息重构成具有新的时间序列的联合信息,并输出到页面。
3)执行基于描述构建的水文气象水位雨量信息抽取与重构服务。描述信息通过平台部署到运行环境中成为系统元层中的配置文件,通过反射机制,把元构件映射到物理构件,把逻辑数据定位到物理数据源,并通过数据源描述信息访问数据源,最终在水文信息资源统一组织平台上运行。水文气象水位雨量信息抽取与重构服务的执行结果如图6所示。
4)需求演化。当有新的需求时,不必重新修改系统的源代码,不必重新部署和编译,在不停止服务运行的情况下,通过改变水文气象水位雨量关系信息抽取与重构服务的描述信息,如改变“抽取条件描述”中的抽取初始条件、“业务描述”中的映射规则等描述信息,就可以改变水文气象水位雨量信息抽取与重构服务的执行流程,以适应新的需求,产生新的服务成果。
4 结语
多维多尺度异构水文信息的融合和主题化应用,是当前水文学科发展和生产应用的主要技术难题之一。本文根据水文信息资源的特点,综合应用多种计算机软件新技术,成功实现了可动态演化的水文信息抽取与重构服务,为推进复杂条件下水文信息资源的集成应用,提供了可行的技术思路、方案和软件支撑平台,经生产实际应用,效果良好。
由于水文信息综合开发应用问题比较复杂,特别是水文信息结构、过程认知的不确定度等许多基础理论还不够完善,研究开发相应的信息系统时,缺少水信息学理论的系统指导,使仅依靠水文信息抽取重构服务及其演化还难以全面解决问题。因此,必须从信息技术应用的视角,加强对整个水文循环过程描述的研究,才可能指导研发出更加有效的软件平台系统。
参考文献
[1]陈雅莉,马勤,陈春华.虚拟化自治多源异构水文信息资源组织研究[J].水文,2010(5):12-15.
[2]陈雅莉,艾萍,姚成霞.动态配置机制及其在水利信息系统中的应用[J].水利信息化,2010(3):13-27,40.
[3]Wand,M.,Friedman D.P.The mystery of the tower revealed:a non-reflective description of the reflection tower[C]//P.Maes editors,Meta-Level architectures and reflection.New York:Elsevier Science Publishers Co.Inc.,1988:111-134.
[4]尹松强,傅鹂.Java反射机制探究[J].软件导刊,2008(11):85-87.