城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張廣鑫

（連云港市長(zhǎng)虹防雷責(zé)任有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

近年來(lái)，城市因暴雨來(lái)襲導(dǎo)致的內(nèi)澇問(wèn)題日益凸顯。2011 年07 月，臺(tái)風(fēng)“馬鞍”導(dǎo)致南京部分地區(qū)被淹，城市內(nèi)澇嚴(yán)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(yán)重。根據(jù)相關(guān)理論分析，導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻繁發(fā)生的原因主要有地形復(fù)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(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市暴雨的監(jiān)測(cè)、對(duì)城市內(nèi)澇的預(yù)測(cè)及預(yù)警，以提升城市應(yīng)對(duì)氣象災(zāi)害的能力。

國(guó)外對(duì)城市內(nèi)澇的研究較早，常見(jiàn)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(yīng)用于模擬城市降水地表徑流的過(guò)程，可以預(yù)測(cè)該城市的排水能力。STORM 模型[3]主要運(yùn)用于城市徑流、水質(zhì)模擬及水土流失等方面研究，可用于雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃等。國(guó)內(nèi)城市內(nèi)澇研究較晚，天津市氣象科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)了天津市城區(qū)瀝澇仿真模型，實(shí)現(xiàn)了從城市暴雨預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)到城市暴雨瀝澇的仿真模擬[4]。

南京市地處長(zhǎng)江中下游，屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，雨水充沛，強(qiáng)降水天氣較多，易導(dǎo)致城市內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生。本文結(jié)合本地特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適合南京市自身的內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)，將降雨量數(shù)據(jù)、內(nèi)澇災(zāi)害數(shù)據(jù)等歷史資料進(jìn)行規(guī)范化存儲(chǔ)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)澇基礎(chǔ)信息的查詢；基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)，形成了城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)、預(yù)警、發(fā)布的業(yè)務(wù)流程，可高效地開(kāi)展城市內(nèi)澇搶險(xiǎn)工作，減少人們的財(cái)產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)以瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）框架構(gòu)建，前端采用Html5、Css3 等前端技術(shù)搭建網(wǎng)頁(yè)，后端以J2EE 技術(shù)為核心，框架通過(guò)Struts2，Spring，MyBatis 等技術(shù)搭建完成[5]。系統(tǒng)的配置信息和業(yè)務(wù)信息均采用XML 格式描述，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與邏輯的分離，以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

1.1 地圖服務(wù)技術(shù)

系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)選擇了開(kāi)源GeoServer 作為GIS 中間件，將空間分析得到的積澇點(diǎn)等動(dòng)態(tài)結(jié)果自動(dòng)發(fā)布成GIS 服務(wù)[6]，并采用ArcGIS API for Javascript創(chuàng)建輕量級(jí)的交互式WebGIS 應(yīng)用，調(diào)用相關(guān)方法訪問(wèn)GeoServer 發(fā)布的GIS 服務(wù)資源，最終將空間結(jié)果展示在網(wǎng)頁(yè)上，提供地圖的放大縮小、瀏覽查看功能，將離散的數(shù)值數(shù)據(jù)顯示到空間化的地圖數(shù)據(jù)中。

1.2 雷達(dá)估算降水

系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)時(shí)處理框架獲取雷達(dá)基數(shù)據(jù)，利用雷達(dá)解析算法，對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和去除雜波等操作，得到雷達(dá)回波反射率數(shù)據(jù)；采用統(tǒng)計(jì)權(quán)重集成法對(duì)Z-I 關(guān)系估算的雷達(dá)降雨資料進(jìn)行同化[7]，通過(guò)GIS 處理得到經(jīng)過(guò)渲染的面雨量圖，推送到指定目錄，供用戶從網(wǎng)頁(yè)中瀏覽。

1.3 城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)模型

城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)模型采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建，通過(guò)向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，該模型具有較強(qiáng)的函數(shù)映射能力。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)逆向傳播計(jì)算誤差的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層、輸出層及若干層神經(jīng)元組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)不斷調(diào)整權(quán)值和閾值再逆向傳播，以得到最佳預(yù)期結(jié)果。

圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)基于歷史降雨過(guò)程的時(shí)序數(shù)據(jù)、內(nèi)澇特征因子等數(shù)據(jù)作為城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)模型的輸入數(shù)據(jù)，內(nèi)澇水深作為輸出數(shù)據(jù)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)Xn和輸出數(shù)據(jù)Yn的樣本進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程有正向傳播和誤差逆向傳播兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)隱含層對(duì)輸入層n個(gè)節(jié)點(diǎn)逐層處理，得到輸出層m個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出結(jié)果。若輸出結(jié)果誤差較大，則進(jìn)行誤差逆向傳播，不斷調(diào)整各神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，直至誤差在確定允許范圍內(nèi)，從而構(gòu)建降水量與內(nèi)澇水深之間的關(guān)系，得到城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)模型[8]。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)為城市內(nèi)澇的快速響應(yīng)提供科學(xué)決策支持，構(gòu)建了雷達(dá)基數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理框架，建立了城市內(nèi)澇歷史資料庫(kù)和內(nèi)澇預(yù)警服務(wù)。如圖2 所示，本系統(tǒng)主要分為5 個(gè)功能模塊，分別為首頁(yè)、雷達(dá)估算降水、歷史資料庫(kù)、城市內(nèi)澇預(yù)警以及系統(tǒng)設(shè)置。

圖2 南京市城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)功能圖

2.1 首 頁(yè)

城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)需對(duì)登錄用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，才允許其進(jìn)入系統(tǒng)首頁(yè)。網(wǎng)站密碼使用MD5 加密技術(shù)。從系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)和管理效率出發(fā)，系統(tǒng)首頁(yè)聚合常用的數(shù)據(jù)信息顯示和常用功能操作，分別為實(shí)時(shí)預(yù)警信號(hào)、實(shí)時(shí)雷達(dá)產(chǎn)品、南京天氣情況以及菜單欄，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理的高效執(zhí)行。

2.2 雷達(dá)估算降水

雷達(dá)估算降水模塊基于雷達(dá)基數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理程序生成降水產(chǎn)品，存儲(chǔ)于指定路徑下，為內(nèi)澇預(yù)警平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。產(chǎn)品以圖片的形式展示，產(chǎn)品的名稱和路徑保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供時(shí)間查詢、時(shí)次查詢、產(chǎn)品類型查詢以及產(chǎn)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(nèi)容。

2.3 歷史資料庫(kù)

歷史資料庫(kù)收集了南京市歷史強(qiáng)降水過(guò)程的積水點(diǎn)、積水深度以及災(zāi)情數(shù)據(jù)，建立南京市城市內(nèi)澇資料數(shù)據(jù)庫(kù)。業(yè)務(wù)人員可通過(guò)點(diǎn)擊導(dǎo)入按鈕，將新的災(zāi)情數(shù)據(jù)提交到歷史資料庫(kù)。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能，將查詢的結(jié)果以表格的形式展示到網(wǎng)頁(yè)中。用戶點(diǎn)擊導(dǎo)出按鈕，可將查詢結(jié)果導(dǎo)出為xls格式文件。

2.4 城市內(nèi)澇預(yù)警

城市內(nèi)澇預(yù)警模塊包含實(shí)時(shí)降雨、內(nèi)澇報(bào)警及預(yù)警發(fā)布三個(gè)功能，如圖3 所示。圖3 為城市內(nèi)澇預(yù)警平臺(tái)的可視化操作界面。業(yè)務(wù)人員通過(guò)操作訪問(wèn)后臺(tái)實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)庫(kù)，查看相應(yīng)時(shí)次的降雨。系統(tǒng)利用ArcGIS API for Javascript 等技術(shù)，將降雨數(shù)據(jù)庫(kù)以空間點(diǎn)的形式顯示在地圖中，方便用戶直觀地瀏覽。系統(tǒng)根據(jù)城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)模型所得到的模擬結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，若達(dá)到自動(dòng)報(bào)警的內(nèi)澇級(jí)別，則會(huì)觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警，頁(yè)面上將會(huì)出現(xiàn)報(bào)警的圖標(biāo)，用戶點(diǎn)擊圖標(biāo)可進(jìn)入報(bào)警頁(yè)面查看詳情。基于預(yù)警發(fā)布的要求，城市內(nèi)澇的報(bào)警結(jié)果可及時(shí)發(fā)布預(yù)警告知相關(guān)業(yè)務(wù)人員。同時(shí)，系統(tǒng)支持一鍵生成預(yù)警內(nèi)容模版，可手動(dòng)訂正內(nèi)澇點(diǎn)的水深和內(nèi)澇預(yù)警級(jí)別，預(yù)警內(nèi)容表現(xiàn)形式支持文檔、文本、pdf 文件、圖片等格式進(jìn)行預(yù)警發(fā)布。

圖3 南京市城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)界面

2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的配置和對(duì)用戶進(jìn)行管理。使用系統(tǒng)時(shí)，業(yè)務(wù)人員可以對(duì)雷達(dá)估算降水、城市內(nèi)澇預(yù)警等功能模塊的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行路徑配置，為數(shù)據(jù)的遷移與改動(dòng)提供便利。管理員可以管理網(wǎng)站的登錄用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的添加、修改、刪除等操作，方便管理員操作、管理此系統(tǒng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合南京市本地特點(diǎn)開(kāi)發(fā)城市內(nèi)澇預(yù)警系統(tǒng)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建城市內(nèi)澇水深預(yù)測(cè)模型，結(jié)合ArcGIS API for Javascript 技術(shù)創(chuàng)建輕量級(jí)的交互式WebGIS 應(yīng)用。系統(tǒng)集成了雷達(dá)估算降水、歷史資料庫(kù)、城市內(nèi)澇預(yù)警等功能于一體，操作方便快捷。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的使用與測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠及時(shí)、有效地提供城市內(nèi)澇預(yù)警服務(wù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇隱患的及早發(fā)現(xiàn)，能夠?yàn)槌鞘袃?nèi)澇的快速響應(yīng)和防洪減災(zāi)提供決策支持。