水雨情監(jiān)測與預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊嘉雯，任永強，李 婷，梁嘉熙

(華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210)

引言

在現(xiàn)今各種社會經(jīng)濟活動的影響下，中國的自然災害尤其是洪澇災害頻繁出現(xiàn)，造成了大量群眾受災和經(jīng)濟損失。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，我國已建設自動雨量、水位站7.5萬個，圖像(視頻)站1.9萬處，簡易監(jiān)測站36萬個，安裝報警裝置設備140萬套；建設了縣級山洪災害監(jiān)測預警平臺2 058個，山洪災害監(jiān)測預警系統(tǒng)和群測群防體系初步建立[1]。同時，我國對于城市水雨情工作愈發(fā)重視，通過探索和建設城市的水雨情信息化系統(tǒng)，提供更加及時準確的水雨情信息，可以為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供高效率服務[2]。雖然相關部門開展了一些項目建設，但面向大眾的水雨情信息平臺數(shù)量很少。目前，普通用戶通過網(wǎng)絡可以訪問的水雨情監(jiān)測預警網(wǎng)站有全國水雨情網(wǎng)站、寧波市水雨情發(fā)布系統(tǒng)、淳安縣水雨情數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)等，其相關功能并不太利于大眾及時快速地了解當前水雨情信息。

如今，隨著互聯(lián)網(wǎng)的急速發(fā)展與應用普及，基于Web將GIS與各領域應用相結(jié)合成為新的發(fā)展方向，水雨情監(jiān)測與預警結(jié)合的GIS技術(shù)正是應用專業(yè)化和管理精細化的重要體現(xiàn)。于是，將水雨情信息與WebGIS技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)地圖化的水雨情信息與預警信息查詢顯示功能，以科學的空間分析方法為災害防治提供決策支撐，為廣大人民群眾提供及時了解水雨情信息的渠道，對有效地減少人民群眾生命和財產(chǎn)損失具有重要意義。

1系統(tǒng)分析

1.1 關鍵技術(shù)

隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，Web與GIS相結(jié)合成為新趨勢，為用戶在Web端實現(xiàn)空間信息檢索、專題圖制作、空間分析等GIS功能提供了可能。WebGIS 的核心技術(shù)主要包括以下幾個方面：

(1)WebGIS空間模型服務。用戶在瀏覽器端輸入相關參數(shù)，服務器端接收這些參數(shù)，并根據(jù)相關空間分析模型，計算得出結(jié)果，再返回給用戶，即B/S(瀏覽器/服務器)架構(gòu)。

(2)WebGIS空間數(shù)據(jù)發(fā)布。GIS 的核心是數(shù)據(jù)，以圖形方式展示空間數(shù)據(jù)，使用戶感受更加直觀，清晰地定位自己所需的數(shù)據(jù)。

(3)WebGIS空間數(shù)據(jù)檢索。在瀏覽器端輸入相關條件，對空間數(shù)據(jù)進行實時編輯處理等操作。

(4)Web 端空間數(shù)據(jù)資源的組織。信息化時代，網(wǎng)絡上擁有大量的帶有空間屬性的數(shù)據(jù)，利用地圖來組織和管理，可以發(fā)揮這類數(shù)據(jù)巨大作用，WebGIS技術(shù)正是該類應用的重要體現(xiàn)[3]。

空間分析是從空間數(shù)據(jù)中獲取有關地理要素的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息的分析技術(shù)，是地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，它特有的對地理信息的提取、表達和傳輸?shù)墓δ苁堑乩硇畔⑾到y(tǒng)區(qū)別于一般管理信息系統(tǒng)的主要功能特征[4]。

1.2 系統(tǒng)可行性分析

數(shù)據(jù)是GIS運行的基礎。SuperMap iDesktop 9D示范數(shù)據(jù)中包括中國1:400萬地圖，裁剪所需部分以及網(wǎng)上搜集相關地圖數(shù)據(jù)加以處理，模擬部分水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)以滿足本次設計數(shù)據(jù)需求。利用SuperMap iServer 9D開發(fā)平臺，采用ASP.NET MVC框架，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)、SuperMap iClient for JavaSript API采用SuperMap iServer進行系統(tǒng)開發(fā)，使得該系統(tǒng)具有良好的技術(shù)可行性。該系統(tǒng)方便公眾及時獲得水雨情相關信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，充分考慮了用戶操作方便等相關因素，突出專業(yè)性、科學性與服務性。因此，系統(tǒng)具有推廣應用可行性。

2系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組織架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，采用B/S結(jié)構(gòu)，利用ASP.NET MVC設計模式構(gòu)建系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為3個主要部分，即模型Model(模型)、View(視圖)、Controller(控制器)[5]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫組成。

空間數(shù)據(jù)庫中包括唐山市基本矢量數(shù)據(jù)，唐山市雨量站、水位站數(shù)據(jù)等。利用SuperMap iDesktop 9D建立工作空間，對示例數(shù)據(jù)1:400萬中國行政區(qū)圖進行裁剪，得到唐山市基本矢量數(shù)據(jù)部分，并將收集到的唐山市雨量站點、水位站點shape文件導入建立新的數(shù)據(jù)源。

屬性數(shù)據(jù)庫利用SQL Sever 2008 R2建立，包括測站基本信息表、雨情信息表、水情信息表、預警信息表等。

2.3 系統(tǒng)功能設計

該系統(tǒng)包括水雨情監(jiān)測、水雨情預警、雨情信息、水情信息、監(jiān)測站點5個主要功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 水雨情監(jiān)測模塊

水雨情熱力圖主要基于地圖展示全市每日水情或水情變化情況。雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)均為每小時一組，通過時間框選擇具體日期和時刻，可更新地圖所顯示數(shù)據(jù)。時間軸顯示一日24 h時間序列，點擊播放按鈕逐小時展示水雨情監(jiān)測情況，雨量或水位數(shù)據(jù)大小以藍色到紫色漸變表示?？汕袚Q雨量、水位圖層分別查看雨情熱力圖和水情熱力圖。系統(tǒng)界面實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 水雨情監(jiān)測熱力圖

實時雨量插值功能主要對所監(jiān)測的雨量數(shù)據(jù)采用普通克里金法[6]進行空間插值分析，得到雨量監(jiān)測站點以外地區(qū)降雨量情況，將得到的柵格數(shù)據(jù)集制成客戶端專題圖進行展示，雨量大小用藍色到紫色漸變進行地圖渲染。在日期選擇框選擇具體日期和時刻，點擊"雨量插值"按鈕開始進行插值分析，所需時間為5～10 s，還可以輸入等值距進行等值線提取，功能實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 雨量插值

3.2 水雨情預警模塊

預警信息模塊主要展示系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)發(fā)布的全市范圍水雨情預警信息和雨量站、水位站自動預警信息。全市預警頁面以地圖和列表形式顯示預警信息，暴雨預警和洪水預警采用不同符號表示，藍、黃、橙、紅4種顏色代表預警的4個級別。地圖上預警符號和信息列表均可以鼠標點擊，進行預警信息詳情查看，如圖5所示為水雨情預警詳情界面。

圖5 水雨情預警詳情

同時，管理員可根據(jù)水雨情詳情對預警信息進行修改、刪除等操作。如圖6所示為水雨情詳情具體功能實現(xiàn)界面。

圖6 水雨情詳情具體功能實現(xiàn)

3.3 雨情信息模塊

如圖7所示為面雨量概況界面，如圖8所示為雨量信息查詢界面。

圖7 面雨量概況

圖8 雨量信息查詢

圖7中雨量大小由藍色到紫色漸變表示，鼠標移動到一個區(qū)縣范圍，該區(qū)縣高亮顯示，并在右側(cè)顯示小窗口，窗口內(nèi)顯示該區(qū)縣名稱和實時雨量數(shù)據(jù)。點擊地圖左上方按鈕，支持專題圖多種版式打印輸出。圖8中雨情詳情模塊可實現(xiàn)基于不同條件的模糊查詢雨量站及監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)所輸入的關鍵詞，將查詢結(jié)果以列表形式顯示在頁面，包括雨量監(jiān)測站點編碼、名稱、所在河流、小時雨量、3 h雨量、所屬單位等?？蓪⒉樵兘Y(jié)果中的雨量站點定位到地圖，并可在地圖上點擊站點圖標查看雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)柱狀圖，如圖9所示。

圖9 雨情信息詳情

雨情一張圖頁面展示所有雨量站點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)標簽專題圖，標簽顏色根據(jù)實時雨量數(shù)據(jù)由藍色到紫色漸變，鼠標移動到某站點可懸浮窗顯示該站具體信息；通過日期選擇框可切換時間更新專題圖數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 雨情一張圖

3.4 水情信息模塊

水情監(jiān)測按站點類型分為河道站和水庫站，監(jiān)測數(shù)據(jù)稍有不同，與水情信息模塊一樣，都可以使用表格加地圖形式展示監(jiān)測情況；監(jiān)測數(shù)據(jù)以列表加柱狀圖形式表示；支持表格數(shù)據(jù)打印輸出。

3.5 監(jiān)測站點模塊

基于地圖對監(jiān)測站點進行模糊查詢，查詢結(jié)果定位顯示，并顯示站點詳情；分為雨量站和水位站2個圖層進行查詢定位；可以執(zhí)行地圖放大與縮小、測距、測面積等基本操作。

4結(jié)論

基于WebGIS的水雨情監(jiān)測與預警系統(tǒng)是一個以水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容的GIS信息系統(tǒng)，不僅可滿足普通用戶快速了解水雨情監(jiān)測與預警信息，而且可有利于管理員對監(jiān)測數(shù)據(jù)與預警信息進行管理，實現(xiàn)了基于WebGIS技術(shù)對水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化展示以及空間分析的目標。