基于WebGIS的河南省水文信息管理系統設計與實現

李雅麗，魏峰遠，陳榮國，索榮遙

（1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作454000；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；3.北京博陽世通信息技術有限公司，北京 100101）

水文遙測站是水利部門采集水文信息的重要設施，隨著水利信息化的不斷完善和通信技術的不斷發展，全國76%以上的水文遙測站已經實現了自動測報［1］，所采集的水文要素值是流域管理的重要數據來源和主要參考依據，是各水利部門數據共享建設的重要目標。但目前很多已建的水情遙測系統只停留在水位、降雨量信息自動采集階段［2］，缺乏水文信息管理系統對采集水文信息的統一發布與管理，嚴重影響全省范圍內的水文信息共享以及流域的動態監測與綜合管理。

本文提出建立基于WebGIS的水文信息管理系統，采用具有空間信息和屬性信息統一存儲、管理、查詢、空間分析功能的地理信息系統（GIS）技術［3］，實現遙測站空間位置的直觀展示，水文信息的科學管理、快速查詢與統計。WebGIS是GIS在Internet上的擴展，不僅繼承了GIS的功能，而且具有更新快捷、跨平臺、訪問范圍廣泛、共享性好、維護方便等優勢［4］，完全滿足水文信息實時監測、統一管理、共享的業務需求，是水文信息管理系統建設的理想工具。

1 研究區域現狀與需求分析

河南省地處中國中東部、黃河中下游，省內流經海河、黃河、淮河、長江四大水系，境內包含1 500多條河流，流域面積100 km2以上的河流有493條。其中，黃河橫穿全省，境內干流711 km，流域面積3.62萬km2，約占全省總面積的1/5。到目前為止，河南省水利部門已形成了1個省級中心、18個地級市中心、100余個水文站以及接近500個遙測站點組成的水文信息網絡，產生了大量的歷史以及實時水文數據。

系統以河南省范圍內遙測站觀測得到的實時與歷史水文信息為基礎［5］，結合基礎地理信息數據、測站屬性數據以及各級水利單位屬性數據，設計開發出包括動態監測、水文信息查詢、水文信息統計和系統管理等功能的水文數據共享平臺，使整個系統既有動態監測功能、數據管理分析能力，又有良好的擴展性。

2 基于WebGIS的河南水文信息管理系統設計

2.1 系統體系結構設計

圖1 系統總體設計

系統采用Browser/Server（瀏覽器/服務器）結構，在邏輯上自下而上分為數據層、服務層、應用層以及用戶層（見圖1）。其中：①數據層負責存儲管理水文相關數據，同時為上層應用提供數據服務，采用博陽數據庫管理系統（BeyonDB）,實現對屬性數據、矢量數據以及柵格數據的高效存取和統一管理［6］。②服務層起到后臺數據庫與前端應用交互連接的作用，提供遙測數據接入服務、GIS服務、查詢統計服務等以響應和處理用戶的請求。③應用層負責提供具體的應用操作，采用OpenLayers 3 調用WMS，實現圖層的顯示、放大、縮小、漫游等基本地圖應用功能以及查詢、統計和輸出等功能；通過調用WFS，實現點、線、面等要素的增刪改及保存［7］。應用層提供水文信息的可視化、查詢與統計分析等各項應用，滿足各級水利部門在水文數據管理中的實際應用需求。④用戶層是本系統面向的使用單位，包括省水文局，地市級勘測中心和地方水文站。

2.2 系統數據庫設計

遙測站每5 min自動采集水文數據，水文信息數據庫需要存儲大量水文數據，既有歷史數據，也有實時數據。因此在設計水文信息數據庫時，既要使數據庫具備靈活性、可擴充性以滿足大規模數據存儲，也要保證數據的完整性和有效性，同時為子系統提供多種接口，為數據顯示、查詢、分析等提供保障［8］。

水文信息數據庫在設計上分為水文要素值數據庫、基礎地理空間數據庫以及后臺管理數據庫三大類庫。其中，水文要素值數據庫用于存儲遙測站的基本信息數據，以及遙測站所觀測的實時水文數據與按不同時間粒度統計的水文數據，包括的子數據庫有實時水文數據庫和統計水文數據庫；基礎地理信息數據庫存儲行政區劃數據、河流數據、居民地等空間基礎地理數據；后臺管理數據庫用于存儲遙測站點以及各水利單位的基本信息，包括遙測站數據庫和單位數據庫。系統數據庫的結構層次如圖2所示。

圖2 數據庫結構層次

在水文要素值數據庫中，分別存儲實時水文數據與歷史統計數據，其中實時水文數據庫用于存放近3 d每5 min生成的實時數據，時間超過3 d的視為歷史數據，自動遷移至歷史統計數據庫。水文信息數據庫中所包含的3個數據庫，通過遙測站數據的測站ID以及經緯度關聯起來，各類數據表結構嚴格按照《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》、《水資源監控管理數據庫表結構及標識符標準》設計，其中設計遙測站表結構如表1所示。

表1 遙測站表結構

3 系統功能的詳細設計與實現

河南水文管理系統，數據庫采用Beyondb 2.0國產數據庫，Web應用服務采用GeoServer地圖服務器、Tomcat7.0。選擇NetBeans 8.0 作為開發平臺，Java語言進行后臺編譯，前臺使用OpenLayers 3作為客戶端開發技術。該系統可以實時接入水文遙測數據，動態監測流域雨水情信息，同時提供查詢、統計分析功能，滿足水利部門日常工作需求。

3.1 水文信息動態監測

針對水文信息實時性的特點，本系統利用通信技術與遙測站實時聯動，及時、準確地發布最新水文信息，對接入的雨水情數據基于遙測站點空間位置在地圖上按照遙測站點的重要、次要程度分級別可視化。在初始化頁面上顯示雨水量最大值的站點、工作狀態異常的站點以及河南省范圍內重要水文遙測站點，并分類型賦異常符號，及時向工作人員報警提醒各類異常水文情況；地圖放大后，顯示全部站點信息。這種分級的可視化方式有利于用戶了解重點、異常信息，減少對信息的篩選操作，并且避免顯示區域站點分布密集的情況。分級可視化設計如圖3、4所示。

圖3 分級別可視化設計邏輯圖

圖4 水文信息關聯查詢設計

3.2 水文信息查詢

水文信息查詢提供相關水文信息的查詢與結果輸出，主要包括遙測站查詢、水位查詢以及降雨量查詢。

1）遙測站查詢。遙測站的查詢包括測站編號、運行狀態、管理單位等屬性值的查詢以及測站空間位置的查詢。具體的查詢方式有兩種，一種是基于數據庫SQL技術，選擇對象的單一或多個屬性信息，查詢對象在地圖上的空間地理位置信息并高亮顯示，即屬性-地圖查詢；另一種是基于前端OpenLayers 3技術在地圖上點選、框選一個或多個對象，查詢選擇對象的屬性信息，即地圖-屬性查詢。

2）雨水情查詢。雨水情的查詢內容包括不同時間段的水位，降雨量查詢以及極值查詢，查詢方式分為單一要素查詢和多要素對比查詢，查詢結果以過程折線圖、柱狀對比圖以及報表的形式展現。

遙測站查詢功能模塊與雨水情查詢功能模塊根據遙測站ID關聯，能夠相互調用，減少操作頻次，便于全面了解同一地域的各類水文信息。功能設計與實現如圖5、6所示。

圖5 降雨量查詢

圖6 水文要素統計

3.3 水文信息統計

水文信息統計分析模塊通過多種統計圖表，輔助用戶發現水文要素的變化趨勢，進一步挖掘數據中的隱含信息，同時可結合相關水文數據模型對水文要素值進行預測。水文信息統計模塊能夠對任一遙測站，在指定時間范圍內所監測的水文要素值進行統計，計算得出平均值、最大值（見圖6）；并提供不同水文數據的對比分析，更直觀地顯示其變化差異。

3.4 系統管理

在系統管理模塊中主要根據用戶權限，實現對各類信息的錄入、刪除、編輯與保存的操作。系統中遙測站采集的水文數據主要供省水文局、地市級勘測局以及地方水文站等水利單位使用，其中省水文局可使用省內所有遙測站的數據；地市級勘測局使用本市下屬各遙測站數據；地方水文站僅使用本站數據。依據水利業務中所需的水文局、勘測局、水文站三級節點平臺層級管理模式，系統角色級別設為“水文局、勘測局、水文站”三個級別，每個級別中的每個單位均設置具有“管理員”和“普通用戶”兩類用戶角色。用戶的角色級別與權限功能設計如表2所示。

表2 用戶角色設定與權限

4 結 語

利于WebGIS技術、網絡通信技術與數據庫技術，設計開發一套河南省水文信息管理系統，對河南省境內遙測系統采集的水文信息進行統一管理，實現水文信息管理的可視化、動態化、更新實時化，為河南省各級水利部門提供水文信息共享平臺。系統在數據管理的同時，還提供便快捷的查詢、統計、輸出等功能，有效輔助于各項水利業務的實施，為推動河南省水利信息化建設起到了重大作用。

[1] 王美玲,丁強． 基于統一標準和統一平臺的水文自動測報系統集成與整合[J]．水文,2016(3):70-74

[2] 胡健偉．基于PDA的雨水情查詢系統設計與應用[J]．水文,2016(6):60-63

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[4] 劉家宏,王光謙,王開． 數字流域研究綜述[J]．水利學報,2006(2):240-246

[5] 甘宸伊,陳向寧,張韶華,等． 基于BeyonDB數據庫海量數據三維顯示平臺研究[J]．測繪科學,2011(6):189-191

[6] 索榮遙,陳榮國,張碩． 基于WebGIS的水產資源信息服務系統設計與實現[J]．測繪與空間地理信息,2013(12):160-162

[7] 年雁云,李新,周劍． 黑河流域水文信息系統設計與實現[J]．冰川凍土,2013(2):420-429

[8] 吳小芳,胡月明,徐智勇,等． 基于GIS的水文信息系統的設計與實現[J]．水文,2007(4):71-74