GIS系統在山東黃河水文信息化的應用研究

萬 鵬，高振斌，楊 釗

GIS系統在山東黃河水文信息化的應用研究

萬 鵬，高振斌，楊 釗

（黃委山東水文水資源局，山東 濟南 250100）

隨著黃河水文信息化建設發展，尤其在地理信息系統、數據庫管理及虛擬現實等技術的應用，為水文工作帶來新的模式與發展前景。該局采用ArcGIS創建黃河下游GIS地圖，通過Web服務對水文（位）站進行分級管理和訪問，可在線對黃河下游測站的雨水情信息、水文設施工程、河道布設的矢量圖、三維模型等空間數據進行訪問。

GIS系統；黃河水文；信息化應用

1 概述

科學技術的飛速發展，使黃河管理和流域社會經濟發展對水文服務的需求與日俱增。國家防汛抗旱指揮系統項目建設后，初步構建雨水情自動采集、全國水文年鑒數據庫、水文技術檔案等多個業務系統，有效提升了水文全面服務社會的能力。隨著地理信息系統、網絡通訊和數據庫管理等技術的發展與應用，已建水文業務應用系統由于水文數據體量大、數據表單多樣且結構不一、業務系統之間缺乏統一的支撐平臺，不能滿足統一數據管理和共享交換，無法實現對海量大數據和非結構化空間數據高效管理的水文“一張圖”［1］。

將水文數據和元素模擬進GIS地圖中，可以使黃河河道高分辨率影像、河道斷面數據、岸堤及重點水文設施及建筑物等空間數據完整融合，形成一套完整的空間數據采集與更新機制，在給業務管理帶來便捷的同時，也打破了各類海量數據之間的壁壘，充分實現數據共享［2］。GIS系統的建成能夠將黃河下游較全面的、實時的水文多元化數據，通過高精度、多圖層的地圖展示，直觀方便地分析黃河水勢的演進變化，探索其內部規律，對全面動態地掌握測區凌情和汛情，快捷高效地開展水文測報質量管理，提高對突發汛情的跟蹤、分析和會商決策能力，為黃河治理、開發和管理提供技術支持。

2 系統設計

2.1 建設內容

以當前主流的瀏覽器/服務器為訪問模式，采用JAVAScriptDOJO面向對象的模塊化語言進行開發。航拍測繪的電子地圖作為底圖，分別繪制成矢量圖、地形圖和影像圖三種空間比例尺圖層，在公共模型框架下對三種比例尺下的數據進行切片。使用《山東黃河下游測站考證（2005年）》數據為基礎，以符號化矢量的空間數據進行統一描述和存儲。對水文（位）站的測驗設施進行GPS數據定位采集，滿足遠程監測、防汛決策和開展水文測驗質量管理的需要，包括：站點定位、水情查詢、基礎信息檢索、實時視頻監控、三維模型演示等。即對黃河下游19處站點的GPS坐標信息進行準確定位；讀取測站的實時雨水情信息；檢索測站的歷史特征值、歷年關系曲線圖、測站基礎信息、測站站貌等數據；通過接入視頻監控系統能夠觀測到監測斷面的測驗情況及水位變化；運用無人機技術對重點測驗斷面進行航拍，通過對二、三維數據切片的導入可清晰展示測站基地、河道斷面和灘地情況。

2.2 設計標準與原則

2.2.1 設計標準

本系統的應用與實施均嚴格執行《國家基本比例尺地形圖圖式第二部分：1∶50001∶10000地形圖圖式》（GB/T20257.2-2006）［3］； 《基礎地理信息要素分類與代碼》（GB/T13923-2006）［4］； 《水情信息編碼》（SL330-2011）［5］； 《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》（SL323-2011）［6］、 《水文自動測報系統規范》（SL61-94）［7］； 《水文基礎設施建設及技術裝備標準》（SL276-2002）［8］等規范要求。

2.2.2 設計原則

（1）標準化原則

總體符合工程系列和水利行業相關標準要求，基礎地圖數據參照現行《國家基本比例尺地形圖圖式第二部分：1∶50001∶10000地形圖圖式》GB/T 20257.2-2006［3］，進行分類整理。要素字段的設計類型、長度采用《基礎地理信息要素分類與代碼》（GB/T13923-2006）和《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》（SL323-2011）；通訊協議采用TCP/IP通用協議標準；系統開發采用主流的 Arcgis和Java開發工具編寫。

（2）技術成熟和先進性原則

系統設計采用開放的體系結構、網絡和計算機技術領域的主流技術、技術成熟的前沿產品，通過信息整合、信息傳輸、信息展示應用搭建水文成果展示平臺，建成黃河“智慧水文”，以此提升業務管理水平，具有一定的創新性和前瞻性。

（3）可擴展和易維護原則

具有獨立的后臺數據管理系統，授權分級用戶按帳號進行登錄和編輯，實現數據的異地錄入，系統自動共享，操作界面友好、用戶操作簡單。

平臺具有良好的兼容性，易于擴展、修改模塊、增加功能以及重組系統，軟件本身能夠不斷適應管理業務需求的提升和變化，同時在開發階段充分考慮易于維護的原則。

3 系統建設

該系統為信息采集系統、計算機網絡系統、業務處理系統構成信息綜合平臺，該系統架構分為三層，表示層、應用層、數據層。表示層在客戶端顯示地圖和數據的操作，提供系統管理、查詢、分析、統計管理功能；應用層為GIS服務和WEB服務，用于編輯空間要素信息和屬性信息，進行空間數據加載、分析和處理；數據層存儲空間地圖數據和業務數據，實現數據的安全性、完整性、一致性和并發控制，是平臺建設最重要的基礎設施。

3.1 數據資源挖掘與整合

3.1.1 測繪數據資源

系統利用GoogleEarth衛星影像數據資源進行地理信息的檢索、分析與制圖，按照《國家基本比例尺地形圖分幅和編號》（GB/T13989-2012）［9］規定的標準分幅，獲取黃河下游干流山東段的30cm分辨率衛星影像。同時使用專用軟件整合1∶10000黃河下游河勢矢量圖、山東省沿黃各地市1∶1000矢量標注圖。

使用德國MAVinci公司的天狼星無人機GPS+RTK技術采集數據，對黃河下游重點河段拍攝10cm精度的航拍影像圖，生成DOM（數字正射影像圖）和DEM（數字高程模型），形成黃河山東河段的DEM高分數據。采用ArcGISDesktop10.3對地圖進行處理、編輯、切片和發布，為地理信息系統和模塊開發提供空間數據支持。

利用美國TrimbleGPS定位系統和CGCS2000坐標系的山東CORS基站，對黃河下游24處站點的基本斷面、測流斷面、比降斷面、吊箱纜道、三等以上水準點、永久性水尺等進行GPS測量、定位、標識，測出地理坐標。對數據點進行分類整合，確定點要素、線要素、面要素，采用水利行業標準規定將所有信息要素進行分類整理入庫和地圖標繪，實現水文地理信息的準確性、可靠性、有效性。如圖1所示。

圖1 測驗河段高清航拍影像

3.1.2 數據庫資源

系統涉及空間地理數據和基本水文數據兩種表結構，采用Geodatabase的存儲模式進行空間數據存儲，Geodatabase是一種面向對象的空間數據模型，是建立在DBMS之上的統一的、智能的空間數據模型。以Oracle數據庫建立基本水文數據庫表結構，從實時雨水情數據庫中同步獲取數據，表結構和字段格式符合《實時雨水情數據庫表結構與標識符》（SL323-2011）規范的要求。包括各類業務數據采集、標準化整編處理、數據入庫、數據管理與共享等。即解決系統所涉及的海量數據存儲，又要整合遠程采集的實時數據，為平臺功能發揮提供有力的數據庫支持。

3.2 系統結構與模塊

3.2.1 系統模式

（1）訪問模式：以主流的 B/S（瀏覽器/服務器）為訪問模式，實現Web服務在電子地圖中的資源共享，能夠在LED觸摸屏、平板電腦上取得良好的顯示效果，可以廣泛的運用到水文業務分析與管理，尤其是水情會商、防汛決策以及水文測驗管理等方面。

（2）人機交互：充分考慮到人機交互的觸摸感受，通過鼠標操作和觸屏操作達到交互效果。平移視圖、改變地圖比例尺可通過鼠標左鍵拖動和中間滾輪來實現，觸摸屏是以單指拖動和兩指縮放為主，經測試比較符合一般人的操作習慣。

（3）坐標定位：通過鼠標點擊、觸摸屏觸摸的方式，在地圖上點選要素，通過在空間地理數據庫中查詢獲取到該要素地理坐標并定位，并可查詢該要素所包含的相關數據。

（4）分類檢索、分層加載：對采集與標繪的地理信息進行分類加載，用戶可以根據需要對相關圖層進行加載，只加載對應的空間數據和業務數據，滿足了用戶對不同數據有針對性的檢索。

3.2.2 業務模塊

將平臺功能模塊擴展到基本水文業務，包括實時水情、水文測驗設施的GIS定位、切換和檢索、視頻調用等功能，經過對業務需求的梳理，建立統一的技術標準、數據資源，完成各業務模塊的集成開發，確保模塊之間的資源共享和業務協同，提高測區的水文業務管理的信息化水平［10］。

（1）實時水情監測分析

通過調用實時雨水情數據庫接口信息，讀取黃河下游測站的雨水情數據，可實時查詢測站水位流量變化過程及實測情況，便于及時指導測站的水文測報工作，見圖2所示，同時可實時接收遙測水位計的水位數據，出現異常水位變化時及時預警，便于測站人員及時做好水文應急監測的應對。

（2）實時視頻監控

圖2 實時水情監測信息

調取遠程視頻監控信息，對視頻接入模塊進行實時轉碼，將不同格式的視頻流轉換為HLS/H264格式，實時監控測站的水尺斷面、測驗斷面、過河纜道及水文設施等視頻資料。目前濼口水文站、利津水文站、清河鎮水位站、張肖堂水位站、麻灣水位站、西河口水位站等11處已安裝云臺式激光攝像頭，采用光纖傳輸技術實現網絡接入，達到高清級的斷面視頻監控效果。利用VPN技術、ONVIF協議將視頻監控傳輸到該系統，實現遠程實時監控和云臺控制功能。

（3）三維地圖建模及數據服務

為用戶提供預先編制的線劃地圖、地形暈渲、影像地圖的瀏覽服務。采用無人機傾斜地理測量技術對基本斷面和周邊灘地情況進行了航拍，航拍比例尺精確最高達到5cm。運用俄羅斯Agisoft的Photoscan后處理軟件進行數據處理，通過對最終數據的切片導入和發布，將三維地圖數據發布為 WMS（WebMapService）服務。使各類矢量服務、影像服務動態立體地呈現在三維模型中，并實現當前地圖的二、三維地圖聯動。為下一步實現黃河河道與河口演變分析，不同流量的洪水演進模擬做好數據加載工作。

3.3 系統集成

3.3.1 硬件部署

系統需要硬件包括：地圖信息服務器2臺、數據庫和業務管理系統服務器各1臺、網絡發布服務器1臺。地圖服務器部署 ArcGISServer10.1軟件，主要是負責地圖服務，當網絡發布服務器接收到客戶端地圖服務請求時，網絡發布服務器就會將地圖服務請求轉發給GIS服務器，GIS將對地圖服務請求進行處理，并將處理結果返回網絡發布服務器，再由網絡發布服務器返回給客戶端。數據庫服務器部署Oracle軟件，完成對系統數據的存儲。網絡發布發布服務器提供系統的門戶功能。

3.3.2 軟件部署

軟件部署包括：基礎軟件、項目建設數據和軟件，其中基礎軟件包括：二維地理信息軟件（Arc-GISServer10.1標準版）、數據庫管理系統（Oracle10g）、 Web中間件 （Tomcat5.0 或以上、WebLogic10.0等）。系統建設數據和軟件主要包括：空間數據庫、專題數據庫、河道監測數據庫、電子地圖、電子地圖切片數據、三維場景數據、三維模型數據、二維地理信息服務、三維地理信息服務、二維地理信息開發接口、二維地理信息門戶網站。這些軟件和數據部署在上述4臺服務器上。

4 結語

將GIS技術運用在水文信息化管理在本行業中尚屬首例，該項目的實施為黃河下游水文（位）站提供地理數據服務和空間分析服務，實現對水文（位）站水文測驗設施的 GPS定位和查詢，水位、流量過程等水文情勢的實時在線監測和分析，進一步提升水文測報質量管理水平，拓寬防汛、防凌決策活動的視野，提高黃河下游防凌、防汛的決策效率和響應能力，為黃河防汛抗旱和水資源統一調度提供及時高效的信息服務，將產生重大的經濟效益和社會效益。

［1］高露雄，肖志遠，王立海.基于大數據環境的水文GIS應用發展初探［C］.2015（第三屆）中國水利信息化與數字水利技術論壇論文集，2015.

［2］芮孝芳.水文學與“大數據”［J］.水利水電科技進展，2016（03）： 1-4.

［3］GB/T20257.2-2006.國家基本比例尺地形圖圖式第二部分：1∶50001∶10000地形圖圖式［S］.

［4］GB/T13923-2006.基礎地理信息要素分類與代碼［S］.

［5］ SL330-2011.水情信息編碼［S］.

［6］SL323-2005.實時雨水情數據庫表結構與標識符標準［S］.

［7］SL61-2015.水文自動測報系統技術規范［S］.

［8］SL276-2002.水文基礎設施建設及技術裝備標準［S］.

［9］GB/T13989-2012.國家基本比例尺地形圖分幅和編號［S］.

［10］王永亮.新時期3S技術在水文監測中的作用初探［J］.水利技術監督，2017（01）：30-31.

P208 TV877

A

1008-1305（2017）05-0034-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.012

2017-03-24

萬 鵬（1979年—），女，高級工程師。