雄安新區(qū)水文信息可視化平臺設計與實現(xiàn)

吳堯慧

（中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083）

國家級新區(qū)雄安新區(qū)地處白洋淀流域下游，歷史洪澇災害頻發(fā)，未來災害風險仍不可忽視。雄安新區(qū)地處華北地區(qū)最大的淡水湖泊——白洋淀，水面面積約366 平方公里，占全區(qū)約1/5[1]。白洋淀承接上游潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、南北瀑河及白溝引河等九條支流的匯水，流域降雨集中在7-8 月份，約占年降雨總量的60%，是洪澇災害發(fā)生的主要時段[2]。白洋淀上游支流的山區(qū)洪水和中游平原區(qū)的集中降雨易引發(fā)洪澇災害，據(jù)史料過去700 年雄安三縣之一的雄縣每12 年發(fā)生1 次特大洪災[2]。1963 年白洋淀所處海河流域發(fā)生特大洪水,災害波及409.7 萬hm2土地，經(jīng)濟損失約60 億元，給流域社會經(jīng)濟發(fā)展帶來嚴重的災難[3]。構建一個高精度、實時動態(tài)與智能化水文信息管理平臺，強化水文信息的精細化管理，成為洪澇災害應急管理亟待解決的重要問題。本文基于WebGIS 相關的B/S 架構技術[4，5]、空間信息可視化技術[6，7]，設計開發(fā)出包括水文信息查詢、水文信息統(tǒng)計和洪水模擬信息可視化等功能的水文數(shù)據(jù)共享平臺，精細化智能化管理雄安新區(qū)水文信息。

1 基于WebGIS 的雄安水文信息可視化平臺設計

1.1 系統(tǒng)體系結構設計

平臺采用瀏覽器/服務器（Browser/Server,B/S）結構（圖1），其中數(shù)據(jù)預處理負責統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和坐標系，同時為上層數(shù)據(jù)存儲提供一致的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲采用支持PostGIS 拓展的PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)高效存取和統(tǒng)一管理。地理信息服務連接后臺數(shù)據(jù)庫與前端應用，提供數(shù)據(jù)庫接入服務、地理信息服務、查詢統(tǒng)計服務響應前端用戶的各種請求。應用層負責具體的應用操作，采用CesiumJS調(diào)用地圖服務（Web Map Service）和要素服務（Web Feature Service）,實現(xiàn)圖層的顯示、放大、縮小、漫游等基本地圖功能以及查詢、統(tǒng)計分析等各項應用，滿足用戶數(shù)據(jù)管理中的實際應用需求。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

圖1 系統(tǒng)架構

圖2 洪水情景及交互式拾取水深

白洋淀流域的水文資料為紙質(zhì)資料，既有歷史數(shù)據(jù)也有實時數(shù)據(jù)，因此在設計水文信息數(shù)據(jù)庫時，數(shù)據(jù)庫具備靈活性、可拓展性以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲，同時保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性，為上層應用提供多種接口，為數(shù)據(jù)顯示、查詢、分析提供保障。水文信息數(shù)據(jù)庫在設計上分為水文要素值數(shù)據(jù)庫、基礎地理空間數(shù)據(jù)庫以及后臺管理數(shù)據(jù)庫三大類庫。其中，水文要素值數(shù)據(jù)庫用于存儲水文站點的基本信息數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡上實時獲取的降雨數(shù)據(jù)與按不同粒度統(tǒng)計的水文數(shù)據(jù)，基礎地理信息數(shù)據(jù)庫存儲行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、河流數(shù)據(jù)、水文雨量站點數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等空間基礎地理數(shù)據(jù)；后臺管理數(shù)據(jù)庫用于存儲登錄用戶信息。

2 系統(tǒng)功能的詳細設計與實現(xiàn)

2.1 洪水動態(tài)可視化及交互式查詢

基于《河北雄安新區(qū)建設綱要》中防洪標準要求，系統(tǒng)設置了雄安新區(qū)10 年、50 年、100 年與超100 年的洪水情景模擬接口。為增強洪水演進過程動態(tài)模擬的交互性，添加了實時拾取特定空間位置水深的功能（圖2）。該功能實現(xiàn)的關鍵在于坐標轉換[8]和洪水水深插值。在瀏覽器端拾取屏幕坐標，將屏幕坐標轉換為模型坐標，根據(jù)模型坐標進行水深插值，即可獲得該點位水深。

2.2 基礎地理信息及降雨徑流數(shù)據(jù)可視化

2.2.1 基礎地理信息可視化?；诨A地理信息數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)，采用平臺完成了基礎地理數(shù)據(jù)的可視化。主要包括地形、河流、水文站點、雨量站點、水庫與土地利用等信息融合和可視化，這些信息的可視化是構建流域水文環(huán)境的基礎，有助于全面、清晰地了解流域的水文概況。

2.2.2 水文信息可視化及查詢。平臺融合了白洋淀流域降雨流量歷史數(shù)據(jù)及從網(wǎng)絡上獲取的雄安三縣實時氣象服務，從歷史和現(xiàn)狀兩個維度分析雄安地區(qū)的降雨及徑流情況。系統(tǒng)采用Echart 統(tǒng)計圖展示技術，從逐日、逐月、逐年不同時間維度，采用柱狀圖、餅狀圖、折線圖等不同表現(xiàn)形式分析歷史和現(xiàn)狀的降雨徑流信息。同時系統(tǒng)實時獲取雄安地區(qū)氣象部門的降雨信息服務，并運用WebGL 的粒子效果對雨情實時信息進行可視化展示。雄安三縣的實時降雨信息來源于網(wǎng)絡實時氣象服務（http://wthrcdn.etouch.cn/weather_mini?city= 安 新 縣；http://wthrcdn.etouch.cn/weather_mini?city= 容 城 縣 ；http://wthrcdn.etouch.cn/weather_mini?city=雄縣），采用WebGL 的粒子系統(tǒng)，根據(jù)降雨的強度，調(diào)整粒子的密度和速度，達到降雨情景實時仿真模擬。

3 結論

利用WebGIS 相關的空間數(shù)據(jù)存儲技術、地理信息服務發(fā)布技術、空間信息可視化技術設計雄安水文信息管理平臺，對白洋淀流域歷史和實時的水文信息進行統(tǒng)一管理和可視化，實現(xiàn)水文信息管理的可視化、動態(tài)化、實時化，為雄安各級水利部門提供水文信息共享平臺。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理的同時，還提供方便快捷的查詢、統(tǒng)計、輸出等功能，有效輔助于各項水利業(yè)務的實施，為推動雄安水利信息化建設起到了重大作用。