基于GIS一體化的水情信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

文/徐會軍 陳俊 林劍龍

1 引言

為了逐步完善中小河流水文監(jiān)測站網(wǎng)，進一步增強中小河流水文監(jiān)測及預警預報能力，提升中小河流的防汛減災能力，減少人民生命財產(chǎn)損失，水利部連續(xù)出臺了多個關于全面開展中小河流水文監(jiān)測能力的文件及總體規(guī)劃。福建省積極推進中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設，在完善監(jiān)測站網(wǎng)的同時，運用先進信息技術和GIS技術，整合空間、水情、雨情等基礎，形成水文“一張圖”，建立一套服務于中小河流洪水預報、預警、信息發(fā)布的綜合水情系統(tǒng)，全面提升水文情報的科技含量，提高洪水預報的精度和預見期，為福建省中小河流防洪減災、中小水庫的安全運行提供及時、準確的決策依據(jù)和技術保障。

GIS（Geography Information System）是一種特定的空間信息技術，以計算機軟、硬件系統(tǒng)為支撐，將各類資源數(shù)據(jù)整合在一張地圖上，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)查詢、定位、統(tǒng)計和展現(xiàn)功能，直觀生動展示水雨情的空間分布及趨勢發(fā)展，為水情監(jiān)測預警、水文情報統(tǒng)計及防汛輔助決策分析等提供更為豐富的信息支撐手段，從而能夠提高水情會商、應急管理的高效性和科學性。

本文設計并實現(xiàn)了基于GIS技術的福建省中小河流水情信息系統(tǒng)(FJHIS-MSR)。系統(tǒng)基于以水文“一張圖”的理念，建立了一個面向省市縣三級水情機構(gòu)的水文業(yè)務應用系統(tǒng)和服務平臺，利用GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術匯集全省所有水雨情資源，實現(xiàn)水雨情數(shù)據(jù)實時查詢、空間分析、模型計算、洪水預警、信息交互等服務，充分挖掘利用已有數(shù)據(jù)資源和技術，提高水情預警預報的能力，為應急防汛工作提供科技保障。

圖1：系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖2：系統(tǒng)功能設計圖

2 系統(tǒng)總體構(gòu)架及分層設計

2.1 總體框架設計

系統(tǒng)總體框架是系統(tǒng)設計、實現(xiàn)的基礎。本系統(tǒng)采用分層化的設計思路，在建設架構(gòu)上分成感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應用層、表現(xiàn)層六個部分組成。其整體框架如圖1所示。

2.2 分層設計

2.2.1 感知層

作為系統(tǒng)最外在的“耳目”功能，主要是感知（接收）包括雨量、水位、流量、工情等各類傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及來自防汛、氣象等部門的共享數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接收平臺收集入庫，供系統(tǒng)調(diào)用。

2.2.2 傳輸層

將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，主要的傳輸通道為基于VPN的3G移動傳輸卡，以及通過光纖模式的政務外網(wǎng)系統(tǒng)，后者則是使用水情信息交換系統(tǒng)實時傳輸雨水情數(shù)據(jù)到上層機構(gòu)（廳（局）、部委/流域機構(gòu)）。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

圖3：實時水雨情預警監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)界面

圖4：一張圖服務效果圖

空間數(shù)據(jù)引擎（SDE）是GIS管理空間數(shù)據(jù)的核心部分，負責空間數(shù)據(jù)的存儲與管理。系統(tǒng)采用ArcGIS GeoDatabase組織和管理系統(tǒng)中所有的空間數(shù)據(jù)，使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫平臺組織和管理系統(tǒng)中所有的屬性數(shù)據(jù)，SDE一體化整合空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，構(gòu)建水情GIS時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對感知層數(shù)據(jù)的收集存儲、維護、管理以及空間索引的自動維護與更新功能。

2.2.4 支撐層

是系統(tǒng)的核心部分，負責構(gòu)建基于ArcGIS Server地圖服務器，發(fā)布可訪問的REST 服務資源，存儲、搭建功能中間件（組件），支撐系統(tǒng)功能實現(xiàn)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的處理調(diào)度和負載均衡。

2.2.5 應用層

承擔著整個系統(tǒng)的功能和邏輯處理，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)匯集、融合、空間分析以及模型計算等信息服務；根據(jù)系統(tǒng)的實際請求，分配服務資源處理業(yè)務需求。

2.2.6 表現(xiàn)層

系統(tǒng)的人機交互界面，使用HTML/CSS/JavaScript技術編寫。對于復雜的人機界面和人機交互過程，如繪制過程線、專題地圖等，則采用圖片等方式嵌入到網(wǎng)頁中，確保提供統(tǒng)一的用戶界面，實現(xiàn)個性化界面、用戶管理、單點登錄、信息發(fā)布等公共功能，包括實現(xiàn)面向各類終端包括手機、平板、PC電腦、大屏等的用戶體驗。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)按照功能模塊化原則進行設計，遵循系統(tǒng)工程開發(fā)中自頂而下、逐步求精的結(jié)構(gòu)化設計原則，結(jié)合水雨情數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點和水文情報預報工作的實際要求，主要分成10個子系統(tǒng):站網(wǎng)管理系統(tǒng)、移動人工報汛系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、預報成果管理系統(tǒng)、雨水情產(chǎn)品制作系統(tǒng)、水情報表制作管理系統(tǒng)、實時水雨情預警監(jiān)視系統(tǒng)、LED汛情發(fā)布系統(tǒng)、移動水情服務系統(tǒng)（e水文）、綜合水情辦公系統(tǒng)。其中，綜合水情辦公系統(tǒng)以及實時水雨情預警監(jiān)視系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心模塊。如圖2所示。

3.1.1 綜合水情辦公系統(tǒng)

通過該系統(tǒng)協(xié)助水情值班人員便捷、高效完成文件處理、數(shù)據(jù)管理、用戶管理等系統(tǒng)管理維護工作，實現(xiàn)文檔電子化管理，實現(xiàn)各類業(yè)務文檔的電子化存儲、傳送，確保數(shù)據(jù)的安全；通過協(xié)同工作機制，實現(xiàn)水情業(yè)務的協(xié)同、高效辦公，將水情預報人員從繁瑣的文案管理中解脫出來，更有效的開展水文情報預報工作。

3.1.2 實時水雨情預警監(jiān)視系統(tǒng)

建設一個全省統(tǒng)一的集雨水情產(chǎn)品展現(xiàn)、信息監(jiān)視、預警信息分析與發(fā)布等綜合業(yè)務過程于一體的監(jiān)視服務系統(tǒng)。系統(tǒng)以實時水雨情數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫為支撐，通過WebGIS及統(tǒng)計圖表為信息展示方式，為用戶提供雨情、水情、墑情等方面直觀的信息查詢、圖形顯示、報表輸出及輔助決策分析服務，滿足用的信息查詢需求，輔助防汛決策。

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計是指在某一具體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上開展數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)、字段結(jié)構(gòu)設計的過程。本系統(tǒng)按照水利行業(yè)標準《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符標準（SL323-2011）》的要求，建立實時水雨情數(shù)據(jù)庫，同時對標準庫進行擴展，增加主要包括預報專用數(shù)據(jù)庫、地理信息圖形數(shù)據(jù)庫、雨水情產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫等庫，完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合性和通用性，提高系統(tǒng)的使用范疇。

3.2.1 實時雨水情數(shù)據(jù)庫

按照《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符標準（SL323-2011）》在省中心、地市分中心建設實時雨水情數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)傳輸及水情數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)實現(xiàn)實時雨水情、預警預報信息的共享入庫，確保全省水雨情數(shù)據(jù)同源，便于協(xié)同會商、合成作戰(zhàn)。

3.2.2 預報專用數(shù)據(jù)庫

依據(jù)福建省中小河流洪水預報系統(tǒng)的需求，規(guī)范預報模型庫、模型參數(shù)、預報方案、預報初始狀態(tài)等信息的存儲。在省中心、分中心分別建設預報專用數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)中小河流洪水預報系統(tǒng)在各節(jié)點獨立運行，通過數(shù)據(jù)傳輸及信息共享服務實現(xiàn)最終預報成果與省中心共享。

3.2.3 地理信息圖形數(shù)據(jù)庫

建設一套適合福建中小河流業(yè)務應用的GIS數(shù)據(jù)庫，滿足洪水預報、監(jiān)視服務、信息發(fā)布、地圖展現(xiàn)等業(yè)務需求，實現(xiàn)全省水文“一張圖”，主要包括基礎地理信息數(shù)據(jù)、專業(yè)基礎數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)(DEM)等。

3.2.4 雨水情產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫

建設一套適合福建省中小河流監(jiān)視服務、信息發(fā)布的雨水情產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)信息展現(xiàn)的一致性。該數(shù)據(jù)庫為空間數(shù)據(jù)庫，由雨水情產(chǎn)品服務平臺將各類產(chǎn)品寫入到此空間數(shù)據(jù)庫中，各應用通過SDE獲取產(chǎn)品并展現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)從軟件的跨平臺應用、擴展性、兼容性、易用性等方面進行考慮，采用基于兼容性和擴展性較強的.NET平臺編程語言開發(fā)實現(xiàn)，以B/S和C/S混合架構(gòu)實現(xiàn)，內(nèi)部功能模塊則采用組件集成方式開發(fā)，數(shù)據(jù)庫訪問采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫訪問封裝技術進行，系統(tǒng)具有較強的擴展性、靈活性和兼容性。

3.3.1 前后端分離技術

系統(tǒng)采用前、后端分離技術進行開發(fā)。前端基于AJAX技術通過HTTP發(fā)送請求數(shù)據(jù)，服務端接收到前端數(shù)據(jù)請求后進行權(quán)限過濾，將合法權(quán)限信息提交給對象關系映射（ORM）進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析生成的SQL請求向數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并將所獲的結(jié)果向服務端應用反饋，最終編譯成JSON格式發(fā)送給前端，并在瀏覽器展示。如圖3所示。

3.3.2 水文“一張圖”理念

面對水情預報、防汛會商等緊急情況時，需要綜合分析各類信息，如水情、雨情、基礎信息、氣象信息以及當前或歷史信息的合成對比，為此引入了水文“一張圖”的理念，在系統(tǒng)中將需要的各業(yè)務信息統(tǒng)一展現(xiàn)在一張圖上，形成一站式地圖服務，在實戰(zhàn)中精確的搭建各類綜合信息庫，快速的開展協(xié)同會商、綜合預報工作，完成水情服務、防汛專題業(yè)務的特征數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計分析、趨勢分布圖的定制。如圖4所示。

4 系統(tǒng)應用

福建省中小河流水情信息系統(tǒng)是一個基于GIS技術的水雨情信息管理、預警預報發(fā)布及水情會商等功能的一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了水文“一張圖”理念，使得數(shù)據(jù)從源頭感知、傳輸、整合、流轉(zhuǎn)一體化，實現(xiàn)水文情報預報的各個環(huán)節(jié)無縫集成，為全省水情協(xié)同會商、合成作戰(zhàn)的全新模式提供了技術支撐平臺。

經(jīng)過近2年的運行證明，福建省中小河流水情信息系統(tǒng)操作簡單，界面簡潔美觀，功能齊全，互操作性強，能夠滿足各類水文情報預報工作，能夠及時有效開展預警預報服務，提升福建省水文的服務能力和服務水平。

5 結(jié)語

本文將信息化技術、GIS技術以及水文預警預報技術等應用于社會創(chuàng)新管理業(yè)務，設計實現(xiàn)了水文“一張圖”水情信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)的投入使用一定程度的減輕水情值班人員的勞動強度，提高了工作效率，能夠較好的滿足了水情會商的工作需求，為開展洪水預報、防汛減災以及應急管理等工作的協(xié)同會商、合成作戰(zhàn)提供強有力的技術手段。

中小河流水情信息系統(tǒng)是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，如何使系統(tǒng)能夠融合和充分利用已有的業(yè)務系統(tǒng)，集成相關信息資源，同時便于各系統(tǒng)快速地開發(fā)和易于擴展，另一方面，現(xiàn)有的建設成果與未來的建設相互銜接，提供系統(tǒng)的適用性和先進性，是系統(tǒng)建設必須要處理的兩個問題。

在今后的開發(fā)研究中，將進一步對水情信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行擴充優(yōu)化，擴展歷史時期，為用戶提供更加廣泛的適用范圍，同時也將對系統(tǒng)的操作界面進行優(yōu)化，為用戶提供更好的操作體驗。