城市內澇預警系統的設計與實現

張廣鑫

（連云港市長虹防雷責任有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

近年來，城市因暴雨來襲導致的內澇問題日益凸顯。2011 年07 月，臺風“馬鞍”導致南京部分地區被淹，城市內澇嚴重，交通幾近癱瘓。2015年6月，南京市普降暴雨，城市路面積水嚴重。根據相關理論分析，導致城市內澇頻繁發生的原因主要有地形復雜、排水不暢、汛期雨量大等原因[1]。因此，有必要建立一套城市內澇預警系統，實現對城市暴雨的監測、對城市內澇的預測及預警，以提升城市應對氣象災害的能力。

國外對城市內澇的研究較早，常見的暴雨徑流管理模型有暴雨洪水管理模型（Storm Water Management Model，SWMM）、STORM（Storage Treatment Overflow Runoff Model，STORM） 等。SWMM 模型[2]主要應用于模擬城市降水地表徑流的過程，可以預測該城市的排水能力。STORM 模型[3]主要運用于城市徑流、水質模擬及水土流失等方面研究，可用于雨水管網的設計規劃等。國內城市內澇研究較晚，天津市氣象科學研究所開發了天津市城區瀝澇仿真模型，實現了從城市暴雨預報、監測到城市暴雨瀝澇的仿真模擬[4]。

南京市地處長江中下游，屬北亞熱帶濕潤氣候，雨水充沛，強降水天氣較多，易導致城市內澇災害的發生。本文結合本地特點，開發適合南京市自身的內澇預警系統，將降雨量數據、內澇災害數據等歷史資料進行規范化存儲管理，實現對內澇基礎信息的查詢；基于BP 神經網絡構建城市內澇預警系統，形成了城市內澇水深預測、預警、發布的業務流程，可高效地開展城市內澇搶險工作，減少人們的財產損失。

1 系統關鍵技術

本系統以瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）框架構建，前端采用Html5、Css3 等前端技術搭建網頁，后端以J2EE 技術為核心，框架通過Struts2，Spring，MyBatis 等技術搭建完成[5]。系統的配置信息和業務信息均采用XML 格式描述，實現業務與邏輯的分離，以提高系統的可維護性和可擴展性。

1.1 地圖服務技術

系統的開發選擇了開源GeoServer 作為GIS 中間件，將空間分析得到的積澇點等動態結果自動發布成GIS 服務[6]，并采用ArcGIS API for Javascript創建輕量級的交互式WebGIS 應用，調用相關方法訪問GeoServer 發布的GIS 服務資源，最終將空間結果展示在網頁上，提供地圖的放大縮小、瀏覽查看功能，將離散的數值數據顯示到空間化的地圖數據中。

1.2 雷達估算降水

系統后臺實時處理框架獲取雷達基數據，利用雷達解析算法，對雷達回波數據進行分解和去除雜波等操作，得到雷達回波反射率數據；采用統計權重集成法對Z-I 關系估算的雷達降雨資料進行同化[7]，通過GIS 處理得到經過渲染的面雨量圖，推送到指定目錄，供用戶從網頁中瀏覽。

1.3 城市內澇水深預測模型

城市內澇水深預測模型采用BP 神經網絡算法構建，通過向神經網絡輸入數據進行訓練，該模型具有較強的函數映射能力。BP 神經網絡是通過逆向傳播計算誤差的多層前饋網絡，由輸入層、隱含層、輸出層及若干層神經元組成，其結構如圖1所示。網絡不斷調整權值和閾值再逆向傳播，以得到最佳預期結果。

圖1 BP 神經網絡結構圖

系統基于歷史降雨過程的時序數據、內澇特征因子等數據作為城市內澇水深預測模型的輸入數據，內澇水深作為輸出數據，采用BP 神經網絡對輸入數據Xn和輸出數據Yn的樣本進行監督學習。監督學習過程有正向傳播和誤差逆向傳播兩個過程，通過隱含層對輸入層n個節點逐層處理，得到輸出層m個節點輸出結果。若輸出結果誤差較大，則進行誤差逆向傳播，不斷調整各神經元的權值和閾值，直至誤差在確定允許范圍內，從而構建降水量與內澇水深之間的關系，得到城市內澇水深預測模型[8]。

2 系統功能設計

城市內澇預警系統為城市內澇的快速響應提供科學決策支持，構建了雷達基數據實時處理框架，建立了城市內澇歷史資料庫和內澇預警服務。如圖2 所示，本系統主要分為5 個功能模塊，分別為首頁、雷達估算降水、歷史資料庫、城市內澇預警以及系統設置。

圖2 南京市城市內澇預警系統功能圖

2.1 首 頁

城市內澇預警系統需對登錄用戶進行身份驗證，才允許其進入系統首頁。網站密碼使用MD5 加密技術。從系統核心業務和管理效率出發，系統首頁聚合常用的數據信息顯示和常用功能操作，分別為實時預警信號、實時雷達產品、南京天氣情況以及菜單欄，實現業務管理的高效執行。

2.2 雷達估算降水

雷達估算降水模塊基于雷達基數據實時處理程序生成降水產品，存儲于指定路徑下，為內澇預警平臺提供數據支撐。產品以圖片的形式展示，產品的名稱和路徑保存在數據庫中，并提供時間查詢、時次查詢、產品類型查詢以及產品圖片播放等功能，方便用戶快速地定位以及直觀地查看內容。

2.3 歷史資料庫

歷史資料庫收集了南京市歷史強降水過程的積水點、積水深度以及災情數據，建立南京市城市內澇資料數據庫。業務人員可通過點擊導入按鈕，將新的災情數據提交到歷史資料庫。系統提供數據庫查詢功能，將查詢的結果以表格的形式展示到網頁中。用戶點擊導出按鈕，可將查詢結果導出為xls格式文件。

2.4 城市內澇預警

城市內澇預警模塊包含實時降雨、內澇報警及預警發布三個功能，如圖3 所示。圖3 為城市內澇預警平臺的可視化操作界面。業務人員通過操作訪問后臺實時降雨數據庫，查看相應時次的降雨。系統利用ArcGIS API for Javascript 等技術，將降雨數據庫以空間點的形式顯示在地圖中，方便用戶直觀地瀏覽。系統根據城市內澇水深預測模型所得到的模擬結果進行分級，若達到自動報警的內澇級別，則會觸發自動報警，頁面上將會出現報警的圖標，用戶點擊圖標可進入報警頁面查看詳情。基于預警發布的要求，城市內澇的報警結果可及時發布預警告知相關業務人員。同時，系統支持一鍵生成預警內容模版，可手動訂正內澇點的水深和內澇預警級別，預警內容表現形式支持文檔、文本、pdf 文件、圖片等格式進行預警發布。

圖3 南京市城市內澇預警系統界面

2.5 系統管理

系統管理模塊主要實現對系統的配置和對用戶進行管理。使用系統時，業務人員可以對雷達估算降水、城市內澇預警等功能模塊的相關產品進行路徑配置，為數據的遷移與改動提供便利。管理員可以管理網站的登錄用戶，實現對用戶的添加、修改、刪除等操作，方便管理員操作、管理此系統。

3 結 語

本文結合南京市本地特點開發城市內澇預警系統，采用BP 神經網絡構建城市內澇水深預測模型，結合ArcGIS API for Javascript 技術創建輕量級的交互式WebGIS 應用。系統集成了雷達估算降水、歷史資料庫、城市內澇預警等功能于一體，操作方便快捷。通過對系統的使用與測試發現，系統穩定可靠，能夠及時、有效地提供城市內澇預警服務，實現內澇隱患的及早發現，能夠為城市內澇的快速響應和防洪減災提供決策支持。