長春市水利信息管理GIS系統(tǒng)在防汛抗旱工作中的應用

秦顯鋒,黃紅梅

(1.長春市人民政府防汛抗旱指揮部辦公室,長春130022;2.吉林省吉地土地整理規(guī)劃設計研究院,長春130061)

0 引言

水利是國民經(jīng)濟的基礎設施,隨著經(jīng)濟和社會的高速發(fā)展,洪澇災害、干旱缺水等問題日益突出,已經(jīng)嚴重制約著國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展。水利信息管理GIS系統(tǒng)是一套以SuperMap地理信息系統(tǒng)平臺為技術(shù)基礎,實現(xiàn)水利行業(yè)信息管理標準化、網(wǎng)絡化、空間化的整體解決方案。為了解決好新世紀的水利問題,必須實現(xiàn)從工程水利向資源水利,從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利、可持續(xù)發(fā)展水利方向的轉(zhuǎn)變。在這一轉(zhuǎn)變過程中,水利信息化是必由之路,它是實現(xiàn)防汛抗旱科學指揮、水資源統(tǒng)一管理、水資源優(yōu)化配置、提高水資源利用效率、實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的基礎和前提。該系統(tǒng)的實施、應用有利于改進管理手段、提高工作效率。在實際應用中為應急狀態(tài)下的指揮調(diào)度、快速響應、聯(lián)合行動提供及時、可靠的依據(jù),發(fā)揮了明顯的效益。

長春市地處東北平原東部低山丘陵向西部臺地平原的過度地帶,平原面積較大,臺地略有起伏,地勢平坦,境內(nèi)有大小河流222條,分屬第二松花江、飲馬河、拉林河3個水系。其中集水面積在1 000 km2以上的河流10條,受東高西低地形大勢影響,境內(nèi)的沐石河、飲馬河、伊通河、雙陽河、霧開河、新凱河等均由東向西排列、流向東北,先后注入第二松花江,構(gòu)成了長春特有的南源北流的水系格局。

由于地理位置、地形結(jié)構(gòu)等因素決定了長春市的大陸季風氣候特點:四季分明。春季較短,干燥多風;夏季溫熱多雨,炎熱天氣不多;秋高氣爽,晝夜溫差較大;冬季漫長而寒冷。全市年平均氣溫4.8℃,最高氣溫39.5℃,最低氣溫-39.8℃,日照時間2 688 h。霜期一段在9月中下旬居多,無霜期135 d左右。多年平均降水量567 mm,多集中在6—9月份,一般占年降水總量的80%左右。

建設實時并且有效的管理信息系統(tǒng)和決策輔助系統(tǒng),為長春市的防汛抗旱,河道行洪,災害預測等實時管理提供科學決策的依據(jù),將會對防汛減災作出更大的貢獻。

1 系統(tǒng)特點及功能

1.1 地理信息系統(tǒng)概述

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)簡稱GIS,是國際上近些年發(fā)展起來的一門新興邊緣科學,涉及計算機科學、地理學、測量學、地圖學、環(huán)境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學等多門學科。它研究計算機技術(shù)與空間地理分布數(shù)據(jù)的結(jié)合,通過一系列空間操作和分析,為地球科學、環(huán)境科學等專業(yè)領(lǐng)域提供對規(guī)劃、管理和決策有用的信息。

在計算機應用領(lǐng)域,當前應用廣泛的信息管理系統(tǒng)(MIS)能夠?qū)⒏鞣N數(shù)據(jù)文本、圖表、圖像等錄入計算機,建立各類數(shù)據(jù)庫進行有效管理,加快了信息檢索、查詢以及統(tǒng)計分析的速度,提高了信息處理的便捷性和靈活性。但是,大多專業(yè)領(lǐng)域的信息往往與具體的地理位置密切相關(guān),甚至有些信息必須與地理空間位置信息結(jié)合起來才能發(fā)揮效用。所以,信息管理系統(tǒng),將專業(yè)屬性數(shù)據(jù)與空間地理位置信息結(jié)合起來,建立屬性—地理信息數(shù)據(jù)庫,表達更加綜合有效的信息,才能滿足專業(yè)領(lǐng)域的要求。地理信息系統(tǒng)正是利用現(xiàn)代計算機圖形和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來輸入、存儲、編輯、查詢、分析、顯示和輸出地理圖形和屬性數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。在相應的軟件工具下,它能對數(shù)值和圖形作各種分析處理,除了使信息本身及內(nèi)在聯(lián)系的表現(xiàn)方式更加直觀外,通過各種空間操作及不同種類信息的互操作,能夠輸出高層次的綜合表達信息,提供信息管理和輔助決策服務。

完整的地理信息系統(tǒng)由以下部分組成:

(1)用戶。專業(yè)領(lǐng)域中應用GIS進行信息管理和分析決策的管理人員和業(yè)務人員。

(2)硬件。包括計算機硬件系統(tǒng)及專業(yè)信息的采集、傳輸、轉(zhuǎn)換等輔助設備。

(3)軟件。包括計算機系統(tǒng)軟件、地理信息系統(tǒng)軟件工具、專業(yè)模型及其它相關(guān)的支撐軟件。

(4)數(shù)據(jù)。專業(yè)領(lǐng)域各種與空間和地理分布有關(guān)的圖形和屬性數(shù)據(jù)。包括專業(yè)學科的應用需求、應用模型表達及數(shù)據(jù)收集與管理,是構(gòu)成GIS的核心內(nèi)容,也是進行信息服務、綜合決策的前提。(GIS的基本構(gòu)成見圖1)。

圖1 GIS的基本構(gòu)成

綜上所述,GIS是在計算機軟、硬件基礎上,通過計算機把屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)組織成空間信息模型,并對空間系統(tǒng)和過程從度量、邏輯和功能上進行模擬和仿真,結(jié)合各種空間操作,實現(xiàn)對各類信息的直觀表達和綜合管理。

1.2 系統(tǒng)功能

長春市水利信息管理GIS系統(tǒng)充分利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、GIS技術(shù)、系統(tǒng)分析方法等以全面掌握長春市水資源、水利工程和各種必要的信息,這將對本市水利部門實現(xiàn)水利管理信息化、現(xiàn)代化、空間化產(chǎn)生不可替代的推進作用。有助于水利部門提高工作效率,科學地進行決策分析。

該系統(tǒng)具備以下功能:

(1)建立基于瀏覽器/服務器(Browser/Server)模式的水利管理信息系統(tǒng),為全市提供一些水利的基本信息和相關(guān)的查詢服務。

(2)要求頁面結(jié)構(gòu)合理,系統(tǒng)運行安全可靠,具有良好的穩(wěn)定性和開發(fā)性。允許一定數(shù)量的并發(fā)訪問。

(3)要求客戶端實現(xiàn)瀏覽器無關(guān)性、操作系統(tǒng)無關(guān)性。

(4)實現(xiàn)水利設施的常規(guī)管理。實現(xiàn)水、雨、工、災情的信息管理、查詢和分析,對重要的管理設施實現(xiàn)三維顯示,提供可視化的圖形查詢界面,豐富信息的表述方式。

(5)防汛搶險救災指揮:查詢當前水庫水位、庫容量、雨量;查詢實時雨情、旱情;確定病險水庫;實時地了解墑情、旱情信息,利用災害分析模型結(jié)合GIS進行災前分析進行防汛抗旱指揮工作。

(6)進行災情統(tǒng)計與評估。對快速采集來的洪澇災害和水淹沒情況進行綜合分析與評價,統(tǒng)計災害情況,估計社會經(jīng)濟損失。

(7)水利決策分析支持功能:提供了疊加分析、量算分析、淹沒分析、旱情分析等多種空間分析方法輔助用戶進行水利上的決策工作。

2 系統(tǒng)設計原則

長春市水利信息管理GIS系統(tǒng)的建立是一個復雜的系統(tǒng)工程,其建設的好壞不僅影響系統(tǒng)自身的應用情況,也將對整個長春市水利地理信息系統(tǒng)的推廣產(chǎn)生深遠的影響。為此,在設計和建設中必須遵循以下原則。

2.1 規(guī)范化原則

長春市水利信息管理GIS系統(tǒng)須嚴格遵循國家、吉林省及長春市有關(guān)水利規(guī)劃、建設與管理的法規(guī)。數(shù)據(jù)的分類編碼應該嚴格遵循現(xiàn)有的國家標準、行業(yè)標準,并根據(jù)吉林省和長春市的地方特色,制訂適合于本系統(tǒng)的分類編碼方案。

2.2 先進性原則

系統(tǒng)的功能設計應該立足于較高的起點,在考慮性能價格比的同時必須著重考慮系統(tǒng)的先進性。在軟硬件平臺的選用上考察國內(nèi)外最新技術(shù),同時也應考慮系統(tǒng)的通用性及各部門現(xiàn)有的軟硬件平臺及應用水平,便于該項目的成果盡早產(chǎn)生效益。

2.3 完備性原則

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能體系應能充分滿足用戶提出的合理需求。

2.4 適用性原則

系統(tǒng)應具有良好的人機交互界面,易于使用,在系統(tǒng)的設計過程中,全面考慮各種特殊情況,使系統(tǒng)具有通用性。

2.5 示范性原則

長春市水利信息管理GIS系統(tǒng)是長春市第一家專業(yè)水利地理信息管理信息系統(tǒng),該系統(tǒng)的建立為長春市其它水利系統(tǒng)的建立積累技術(shù)經(jīng)驗,同時也可以為其它兄弟城市建立水利設施地理信息系統(tǒng)提供寶貴的技術(shù)支持。

2.6 可擴充性原則

系統(tǒng)的要素、編碼、功能和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)都必須易于擴充,以滿足系統(tǒng)進一步的發(fā)展和長春市水利設施地理信息系統(tǒng)建設的需要。

2.7 安全性原則

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫安全、可靠。

3 系統(tǒng)技術(shù)路線

3.1 以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為中心的數(shù)據(jù)管理模式

關(guān)系數(shù)據(jù)庫是目前各數(shù)據(jù)庫中最重要、最流行的數(shù)據(jù)庫,在實際的開發(fā)應用中,關(guān)系數(shù)據(jù)庫的使用最為廣泛。SQL語言功能強大、書寫簡單,可作為交互式語言獨立使用,也可作為子語句嵌入主語言中使用,有利于各種數(shù)據(jù)庫之間交換數(shù)據(jù),有利于程序的移植,有利于實施標準化。

3.2 組件技術(shù)

系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮慕７椒ê腿龑幽Ｐ?Three Tiers)的方式進行設計,編程實現(xiàn)在面向?qū)ο蠹夹g(shù)基礎上,采用組件(Component Based Development)開發(fā)技術(shù),將應用對象封裝為應用組件,通過應用組件的組合搭建系統(tǒng),以實現(xiàn)軟件模塊的重用和軟件的共享。應用組件主要基于COM/DCOM技術(shù)。GIS應用模塊的開發(fā)也基于組件技術(shù),采用北京超圖的SuperMap Objects軟件進行開發(fā),這樣可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

3.3 B/S體系結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)采用Browse/Server體系結(jié)構(gòu),在邏輯上分為3層,這3層包括客戶機、應用服務器與Web服務器、數(shù)據(jù)庫服務器。這種方式又稱瘦客戶機系統(tǒng)。瘦客戶機系統(tǒng)是指在客戶機端沒有或者有很少的應用代碼。在以往的終端和主機的體系結(jié)構(gòu)中,所有系統(tǒng)都是瘦客戶機系統(tǒng)?，F(xiàn)在隨著Internet技術(shù)以及Java、ActiveX技術(shù)的出現(xiàn),瘦客戶機系統(tǒng)又重新出現(xiàn)。客戶機負責數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示和用戶請求的提交;地圖應用服務器和Web服務器負責響應和處理用戶的請求;而數(shù)據(jù)庫服務器負責數(shù)據(jù)的管理工作。所有的地圖數(shù)據(jù)和應用程序都放在服務器端,客戶端只是提出請求,所有的響應都在服務器端完成,只需在服務器端進行系統(tǒng)維護即可,因此可大大降低系統(tǒng)的工作量。

在開發(fā)時主要是做服務器端的開發(fā),瀏覽器端不用作任何的開發(fā)和維護。以下是對服務器端簡單的介紹:

(1)地圖應用服務器。地圖服務器主要提供電子地圖的發(fā)布、查詢、分析等圖形服務,它基于WebGis構(gòu)建,相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)可以從數(shù)據(jù)庫服務器獲取。

(2)Web服務器。Web服務器以主頁的方式向用戶提供信息。由于動態(tài)主頁技術(shù)和Java編程技術(shù)的采用,用戶可通過瀏覽器實現(xiàn)靈活的交互,以獲得各種有用的信息。

(3)數(shù)據(jù)庫服務器。數(shù)據(jù)庫服務器主要用來管理所有水質(zhì)監(jiān)測站動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),并提供用戶查詢與檢索。

這里需要提出的是地圖服務器、Web服務器以及數(shù)據(jù)庫服務器三者可以放在一臺服務器上,并不一定要求它們分別占用3臺機器。

3.4 數(shù)據(jù)庫組成

整個數(shù)據(jù)庫采用1∶250 000、1∶10 000等幾種不同比例尺的空間數(shù)據(jù)來描述,實現(xiàn)逐細化顯示信息,達到用戶要求。

整個數(shù)據(jù)庫由基本地理信息數(shù)據(jù)庫(包括行政區(qū)劃、村以上城鎮(zhèn)、交通線、地名等信息),地形數(shù)據(jù)庫(高程模型數(shù)據(jù)),河流、水庫屬性數(shù)據(jù)庫,水利工程設施數(shù)據(jù)庫(包括河系水利工程的分布、水利工程設施情況),防洪設施、滯洪區(qū)、行洪障礙數(shù)據(jù)庫,旱情數(shù)據(jù)庫,雨情數(shù)據(jù)庫等7個主要數(shù)據(jù)庫組成。

3.5 數(shù)據(jù)建庫實現(xiàn)方法

在水利信息系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)可以分成二類:基礎地理數(shù)據(jù)、水利數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)的存儲與管理需求,我們選擇Window s SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲,兩者通過ID標識建立連接關(guān)系。由于水利數(shù)據(jù)來源多樣,形式復雜,格式不一,因此對數(shù)據(jù)收集與整理入庫必須統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施。對于現(xiàn)有的已電子化的數(shù)據(jù)優(yōu)先入庫;已整理好的,以硬拷貝的形式存在的,需要以手工方式進行輸入的在數(shù)據(jù)輸入軟件開發(fā)完成后進行入庫;需要進行整理、測量的數(shù)據(jù),需要花費大量的時間、財力的數(shù)據(jù),根據(jù)情況進行收集、整理、錄入、入庫;系統(tǒng)運行急需的數(shù)據(jù)優(yōu)先整理、錄入、入庫。

4 系統(tǒng)在防汛抗旱工作中的應用

4.1 防汛抗旱指揮決策

防汛抗旱指揮決策主要針對突發(fā)情況下或超標準情況下的水旱災害而提出的應對措施和解決方案,伴隨水旱災害發(fā)生、發(fā)展、出現(xiàn)災情、形成災害、指揮調(diào)度、搶險救援、轉(zhuǎn)移避險、災后安置的整個過程。具有實時性、動態(tài)性的顯著特征,需要各種實地信息、數(shù)據(jù)、圖像的實時采集和傳輸作為支撐?？茖W、快速的指揮決策還依賴于信息綜合分析、處理的自動化和智能化。

利用防汛抗旱屬性——空間數(shù)據(jù)庫及GIS環(huán)境,指揮員可以方便查詢實地信息,通過實時監(jiān)控和信息采集系統(tǒng),可以了解最新情況,運用GIS工具進行空間分析和模擬運算等,可以獲得專題信息,從而提供有效的輔助決策。

4.2 系統(tǒng)應用于防汛抗旱信息管理與指揮決策服務

防汛抗旱工作在信息的表達、管理和分析等方面,具有實時性、空間性、動態(tài)性、定量性和綜合性等特點。

4.2.1 實時性

水旱災害的發(fā)生一般具有明顯的歷時過程,從初始狀態(tài)逐漸發(fā)展形成險情和災情,需要對相關(guān)信息進行實時監(jiān)控。特別對于暴雨洪水引發(fā)的災害,從發(fā)布預警到應急響應,進行指揮、調(diào)度、搶險、救災等都需要對各類防汛信息的實時監(jiān)測,以確保指揮決策的科學有效。

4.2.2 空間性

水旱災害的發(fā)生、發(fā)展、影響都是在空間上分布的,快速響應如指揮、調(diào)度、搶險、救災也是在一定的空間范圍內(nèi)進行。因此,空間特征是防汛抗旱工作的重要方面,當應用GIS參與防汛抗旱的信息定位、隊伍調(diào)集、物資調(diào)運和轉(zhuǎn)移避險等輔助決策時,應急指揮調(diào)度水平將會有很大改善。

4.2.3 動態(tài)性

防汛抗旱工作的快速發(fā)展要求各種信息、規(guī)劃、預案、措施和對策等不斷地變化和趨于完善。在我國,目前大多數(shù)省市還沒有建立所轄區(qū)域的防汛抗旱基本信息庫,數(shù)據(jù)、圖表、圖像等信息往往以文檔、報告和報表形式給出,不能實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的動態(tài)管理,一方面使用不便,另一方面不能有效發(fā)揮作用。GIS的應用,可以建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時更新、存儲和預測。

4.2.4 定量性

在防汛抗旱指揮決策過程中需要大量的定量數(shù)據(jù)(如水位、流量、流速、產(chǎn)流系數(shù)等),需要對突發(fā)暴雨洪水的空間區(qū)域進行仿真演算,由于區(qū)域面積及屬性的變化,以往大多通過人工估算,而應用GIS建立每個空間網(wǎng)格的空間和屬性信息數(shù)據(jù)庫,劃定不同的區(qū)域就可以進行相關(guān)分析和預測,大大提高了決策的科學性。

4.2.5 綜合性

防汛抗旱與空間地域、人文景觀密切相關(guān),涉及到城鄉(xiāng)建設的許多方面,災害發(fā)生往往波及的范圍廣、影響面大,并經(jīng)常伴有各種次生災害,給水旱災害的防護搶救工作帶來更大的困難。應用GIS中的一些空間拓撲分析等方法,可以很好地解決這些問題。

5 前景及展望

現(xiàn)代化管理需要現(xiàn)代化技術(shù)的支持。信息技術(shù)的飛速發(fā)展和水利信息管理的完善,立足于實際運行管理的需要,深層次地開發(fā)已有信息的利用,加上豐富的實時信息,一定能大大提高我們的管理能力和管理效率。

目前,空間信息技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)大大豐富了GIS的功能,遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、三維技術(shù)、專家系統(tǒng)等與GIS的結(jié)合使得在數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)共享、空間模型構(gòu)造和分析、仿真模擬和智能演算等方面的研究逐步深入,將防汛抗旱信息與空間信息有機地結(jié)合在一起,以計算機網(wǎng)絡為支撐、以數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為手段,以水文、氣象、通信、社會經(jīng)濟和空間地理信息為基礎構(gòu)成的防汛抗旱指揮系統(tǒng)將開創(chuàng)防汛抗旱信息化和現(xiàn)代化建設的新局面。

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