基于GIS的水資源實時監控平臺設計與實現

孫莎莎

（北京中色地科測繪有限公司，北京 101300）

0.引言

人水和諧和節水型社會建設是城市管理的重要職責之一[1]。目前，全國許多城市一方面面臨地表水缺乏、降水量較少、水資源分布不平衡等水資源短缺問題；另一方面，城市人民生活水平日益提高，對水資源的需求逐年增加[2]。因此，針對上述問題，不少城市都建立相應的水資源信息化系統，解決一部分水資源管理問題。但隨著水資源信息化管理的深入，存在如下問題：（1）水資源實時監控能力差，水資源監控站點少、監控數據現勢性差、監控手段原始、信息化程度不高；（2）已建立的部分監控點采集的信息，包括水雨情、水位、流量等，因標準規范設計不統一，且數據分散于各個部門，數據共享難[3]。近年來，隨著GIS、物聯網、云計算、移動互聯等先進技術快速發展，水資源信息化和智能化建設迎來良好的契機。因此，本文借助先進技術，構建了水資源實時監控大數據資源中心，搭建了水資源實時監控平臺。通過平臺，能夠擴大和加強城市用水企業取水監控的覆蓋面和用水控制，對用水企業進行水資源的開發；利用感知設備，實現對城市地下水、水源地、取水許可和入河排污口信息化和實時監控管理，提高水資源利用的科技含量，確保水資源的合理開發、高效利用和優化配置。

1.總體設計

1.1 建設目標

城市水資源實時監控平臺建設目標是借助新一代先進的技術手段，采用松耦合架構模式，建立水資源實時感知、數據融合和智能應用三大體系。水資源實時感知，是通過各種感知設備，建立由點（水源地、用水企業、排污口等）、線（水功能區、河流、供水排水網等）、面（水資源分區、行政區劃等）構成的“一張圖”感知體系，全面實現對水資源的監控；水資源數據融合是對城市各類水資源數據進行收集、整理、處理和入庫，從而構建水資源實時監控大數據資源中心；智能應用是打造一套能展示、預警、決策的平臺，實現水資源全過程監控，為水利管理人員提供全方位的業務管理和輔助決策支持平臺。

1.2 框架設計

平臺建設基于SOA架構，采用B/S結構進行搭建，從而實現數據和功能標準化的統一管理，其內建的安全策略可以實現信息安全控制，保障服務的訪問安全與運行質量[4]。整個平臺框架設計包括五部分：基礎設施層、數據層、服務層、應用層和用戶層。平臺框架結構設計示意圖（如圖1所示）：

圖1 平臺框架結構設計

基礎設施層是平臺的軟硬件支撐，有效地保證了平臺運行效率和穩定性，主要包括智能感知設備（監測設備、視頻設備等）、基礎設施環境（機房、存儲設備、服務器等）、網絡工程（政務網、互聯網、專網）以及云平臺（省級政務云）等；數據層是數據資源中心，對數據進行標準化處理后，通過數據庫管理軟件進行入庫，構建了水資源實時監控大數據資源中心，主要包括基礎地理信息數據、水資源監控、專題和業務數據以及外部接入數據等，為水資源監控管理工作提供數據支持；服務層是利用ArcGIS云套件，將功能封裝成具有統一接口的服務，包括統一登錄服務、業務流程服務、地圖服務、模型分析服務、數據共享服務以及權限分配服務等，通過這些服務降低不同功能模塊協同的難度；應用層是平臺水資源數據成果展示以及水資源專業功能實現，包括水資源“一張圖”展示、水資源實時監控管理、水資源業務管理（地下水管理、征費管理、節約管理以及應急管理等）等功能；用戶層是平臺的主要使用人員，包括水利部門、建設工程單位、取水用戶以及公眾等；框架兩側是保障平臺運行的標準規范、管理辦法、運維和安全體系等。平臺建設涉及數據處理、共享和外部對接、公眾技術應用等問題，需建立相應標準規范和管理辦法；平臺建設過程還需要考慮網絡、平臺以及數據的安全和保密，做到有據可查、無法改動等，需建立相應的安全體系和運維管理體系。

1.3 數據庫設計

根據平臺建設的目標，對水資源相關的數據進行全面梳理和分析，構建水資源實時監控大數據資源中心，實現數據的統一管理[5]。水資源實時監控大數據資源中心主要包括五大核心數據庫，數據庫設計示意圖（如圖2所示）。基礎地理信息數據庫包括1∶5000電子地圖，高分率航空影像數據，水系數據，排水和污水管網數據等；水資源監控數據庫包括水源地監控數據、取水監控數據、用水監控數據以及地下水監控數據；水資源專題數據庫包括水源地數據、地下水取水井數據、監控站數據以及用水大戶數據等；外部接入數據庫包括氣象數據、公安數據以及交通數據等。

圖2 數據庫建設內容

1.4 功能設計

水資源實時監控平臺是基于SOA架構設計，采用.Net平臺框架進行開發。開發語言是Silverlight；數據處理采用ArcGIS desktop10.5；GIS相關功能開發采用ArcGIS API for Silverlight。平臺的功能結構圖（如圖3所示）：

圖3 平臺功能結構

2.關鍵技術

2.1 水資源實時監控平臺感知網絡設計

水資源實時監控平臺利用物聯網技術設計感知網絡，從而實現對水資源的實時監控，是平臺建設的重要一環。通過在地下水口、入河排污口、取水用戶以及水源地等區域安裝感知設備，平臺實時接收其監控信息，并在“一張圖”上進行展示。感知網絡設計流程：（1）感知網絡采用無線傳感器網絡，通過無線網關分段接入骨干網；（2）平臺控制中心將以太網設計為I/O服務器和數據服務器集群，接入各個感知設備，從而獲得其感知數據；（3）利用無線節點的特點、無線網絡覆蓋廣的優勢，將感知數據傳輸到平臺控制中心，從而實現以地圖為底圖，各類感知數據直觀展示的目的[6]。

2.2 水資源多源異構數據建庫

水資源數據庫存在數據量大、數據質量參差不齊且多源異構等問題，為了確保數據規范性、現勢性、準確性以及完整性，需對數據進行整理建庫[7]。具體思路：（1）對數據進行整合建庫準備工作，實現對數據和資料的收集、數據處理標準制定以及技術方案設計；（2）數據標準化處理，主要包括數據空間化、統一坐標系、數據格式轉換、屬性信息完善等；（3）對數據進行最終質檢，主要包括數據拓撲檢查和數據核實；（4）數據入庫，最終形成水資源實時監控大數據資源中心成果。多源異構數據建庫流程示意圖（如圖4所示）：

圖4 多源異構數據建庫流程

2.3 基于GIS的We b Se rvice

GIS的Web Service實現了地理空間信息的查詢、統計、分析以及輸出等多方面的處理功能。它是基于互聯網，為客戶端提供GIS網絡功能服務的組件[8]，具有統一GIS應用服務API。GIS Web Service利用XML標準通信協議，實現地理空間數據的發布服務和管理服務，具有以下特點：（1）封裝性良好，它是一種部署于Web上的對象，天然具備良好的封裝性；（2）松散耦合性，在服務調用過程中，只要服務調用的界面不改變，Web服務的實現都是透明的；（3）協議規范標準性，作為一種Web服務，其使用的協議都是開放的標準協議，通過這些協議進行數據和功能描述、傳輸以及交換，與此同時協議都是免費的，可以為任意方進行應用；（4）集成能力強，Web服務采用最為簡單和易為理解的Web協議進行協同描述規范以及組件界面描述，可以跨軟件平臺進行互操作，具有較高的集成性。

2.4 基于WCF技術的面向服務架構

WCF是.NET框架的重要一部分，是新一代Windows操作系統中重要的應用程序開發類庫，它整合了.NET Remoting、WebService以及Socket機制，在此基礎上融合了Http和Ftp技術，為數據通訊提供支持[9]。WCF具有以下特點：（1）統一性，WCF采用托管代碼編寫，因此，利用WCF開發面向對象應用程序和開發其他.NET面向對象應用程序一致；（2）互操作性，WCF采用SOAP作為基本的通信機制，保證了平臺間的互操作性；（3）安全性，WCF支持將WS-Secure Conver Sation、WS-Trust以及WS-Security添加到SOAP消息，具有數據完整性、數據隱私和用戶認證等安全因素。

3.平臺實現

3.1 水資源“一張圖”展示

“一張圖”展示包括基本的地圖操作、圖層控制、坐標定位、空間查詢和輔助工具等。地圖基本操作，主要功能有全圖、放大、縮小、漫游、長度測量、面積測量、地圖輸出、痕跡清理等，實現了水資源實時監控大數據資源中心的各類數據疊加展示；圖層控制中，用戶可以控制圖層的顯示與隱藏，通過對圖層的上下移動調整各個圖層之間的疊放順序，而且可以設置圖層的透明度，以更好地在地圖上展現用戶所需要的信息；坐標定位中，地圖瀏覽過程中能夠實時顯示用戶鼠標停留位置的坐標信息；空間查詢包括點查詢和面查詢，點查詢中，用戶可在地圖中選擇或手動輸入所需坐標點，并輸入半徑，查詢以該坐標點為圓心的圓形區域范圍內的水井點、監控站等數據的詳細信息，面查詢中，用戶可在地圖中相應位置繪制多邊形，平臺即可顯示在該多邊形區域范圍內水資源各類數據相關詳細信息。輔助工具包括地圖標繪和外部數據疊加功能，地圖標繪，用戶一方面可以加載標繪信息文件，另一方面可以根據需要自己繪制點、線、面以及文本，并可以將標注結果保存下來。外部數據導入，用戶可以導入含幾何圖形的excel模板文件，動態加載幾何要素。“一張圖”展示示意圖（如圖5所示）：

圖5 “一張圖”展示

3.2 水資源實時監控管理

水資源實時監控管理是通過感知網絡，獲取實時監控數據，從而實現自備水源井、地表水取水口、用水大戶、用水/排水渠道或管道、河流控制斷面、水庫、湖泊、地下水等的遠程監控與管理。監控的主要內容包括渠道和管道流量、河流、水庫、湖泊水位和降雨量、河流控制斷面、水庫和湖泊水質、地下水觀測井的水位、水溫和水質以及用水大戶用水量和費用等。

3.3 水資源地下水管理

水資源地下水管理主要包括用戶取水管理、水位管理以及水井管理等。用戶取水管理實現了對用戶信息、取水量以及取水費用等管理，在地圖上，一方面，可以直接定位到用戶位置，直觀展現某取水大戶每日、每月的取水量和取水費用，另一方面，可以通過圖表直接統計某個行政區劃的取水量和取水費用等；水位管理通過報表和圖形的方式，展示地下水位月、年時間序列的變化情況。水井管理實現了對監控水井、開采井和廢井的管理，可以查看相關井的屬性信息和統計信息。

3.4 水資源征費管理

水資源征費管理是根據水資源征費標準，實現對取水用戶水費征收管理，主要包括征費管理和水費管理兩個核心內容。征費管理包括水費收繳管理、水費欠費管理以及水費緩繳管理，水資源征費管理流程示意圖（如圖6所示）。水費管理包括水費信息管理和收費標準管理，水費信息管理可以查看取水用戶的用水量和歷史水費繳納情況，收費標準管理是根據用水量和用水類型，制定階梯水費標準。

圖6 水資源征費管理流程

3.5 水資源應急管理

水資源應急管理包括水資源應急事件、預案以及會商三大主要管理內容。水資源應急事件管理，一方面是事件基本信息管理，如，突發事件、水污染事件以及干旱枯水事件等，另一方面是應急事件預警管理。水資源應急預案管理是對預案的編輯、查詢和統計，并根據應急事件等級，快速為領導提供應急預案；應急會商管理通過視頻會議的方式，專家們可以遠程對應急事件進行會商，并確定應急事件的調度指揮方案。

4.結束語

基于GIS的水資源實時監控平臺的建設和研究，在水資源實時監控、水資源資源優化配置、水資源征費、水資源專題數據數字化展示等方面發揮極大的作用，通過將水資源監控站、水井點、水源點、取水用戶與電子地圖數據進行疊加，直觀和高效地對水資源進行管理。目前平臺運行良好，但也存在一定問題，如，水資源數據多源異構，標準不統一，數據整合難度大；實時監控的感知設備存在網絡不穩定且設備本身容易故障，導致數據接收存在延遲；水費征收時，存在數據改動隱患。因此，下一步，平臺將進一步利用物聯網技術和區塊鏈技術，對數據安全、網絡安全等進行完善，促進城市水資源信息化發展，推動“智慧水利”的建設。