基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理平臺

摘要：城市內(nèi)澇的提前預報是降低災害損失的有效手段。為了解決城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和用戶訪問問題，開發(fā)了基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理平臺。該平臺包含了空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)導入程序、GIS服務和WebGIS客戶端。平臺根據(jù)業(yè)務特點對時空數(shù)據(jù)庫進行了優(yōu)化設計，平臺針對靜態(tài)圖層和動態(tài)圖層分別采用瓦片地圖服務和動態(tài)地圖服務，對于包含大量數(shù)據(jù)的動態(tài)圖層采用WMS地圖服務，對于少量數(shù)據(jù)的動態(tài)圖層采取WFS地圖服務。該平臺實現(xiàn)了時間、空間、屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并且方便了用戶訪問。

關鍵詞：城市內(nèi)澇；空間數(shù)據(jù)庫；WebGIS；PostGIS；GeoServer

一、前言

城市內(nèi)澇是指由于強降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災害的現(xiàn)象。國內(nèi)的許多城市由于城市迅速擴張、天然水面銳減、地面硬化率高、城市排水管網(wǎng)建設滯后等原因造成內(nèi)澇現(xiàn)象日趨嚴重。城市內(nèi)澇會嚴重影響人民生活并帶來生命財產(chǎn)損失，治理內(nèi)澇除了城市合理規(guī)劃、加強排水管網(wǎng)建設等長期措施之外，提前預報是將災害損失降到最小的有效手段[1]。

城市內(nèi)澇的研究有三種方法：基于統(tǒng)計模型、實時監(jiān)測和水文模型，其中只有基于水文模型能夠做出精確到時間（天和小時）和范圍（社區(qū)）的提前預報[2]。近年來國內(nèi)外基于水文學、水動力學研發(fā)了許多內(nèi)澇仿真模型，能夠模擬降水、產(chǎn)匯流、排水等內(nèi)澇過程，并且能夠預測內(nèi)澇范圍和積水深度[3]。其中以國外的暴雨雨水管理模型（SWMM），國內(nèi)的天津市瀝澇仿真系統(tǒng)為代表。需要說明的是天津市城區(qū)暴雨瀝澇動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)經(jīng)過20年的研究、開發(fā)和驗證，已經(jīng)在全國北京、天津、武漢、南京、南昌、福州等多個城市試運行或者部署運行，本文接下來針對天津內(nèi)澇仿真系統(tǒng)進行討論[4-5]。

天津內(nèi)澇仿真系統(tǒng)通常包括預處理、模型計算、后處理（顯示處理）三個子系統(tǒng)。預處理子系統(tǒng)：首先準備河流水系、DEM高程、行政區(qū)、道路、排水管網(wǎng)、泵站閥門等圖層文件（Shpefile格式），然后使用ArcGIS對計算區(qū)域進行概化，生成網(wǎng)格、通道、結點等圖層，最后使用ArcGIS腳本程序對圖層文件進行處理，生成文本數(shù)據(jù)文件以供Fortran計算程序讀取。模型計算子系統(tǒng)：模型計算的輸入是氣象數(shù)據(jù)和泵站、閥門開啟規(guī)則以及河流水文數(shù)據(jù)，輸出是積水預報結果。當氣象條件（根據(jù)雨量站、雷達、數(shù)值預報等數(shù)據(jù)）滿足一定的邊界條件后啟動程序進行內(nèi)澇計算，計算程序基于二維非恒定流方程進行數(shù)值模擬，計算結果輸出文本文件。后處理子系統(tǒng)：讀取仿真計算產(chǎn)生的文本文件，以及預處理生成的圖層文件，生成某一次預報（例如某個時次的面雨量、最大積水水深預測、某一個時次積水水深、積水預警等級等）的結果（Shpefile文件格式），文件同時包括空間和屬性數(shù)據(jù)，不同時間的預報結果用不同文件名區(qū)別。用戶使用ArcGIS Desktop打開后處理生成的圖層文件進行展示。

這種方式存在兩個嚴重問題。1.雖然內(nèi)澇仿真模型三個子系統(tǒng)都涉及地理信息系統(tǒng)GIS，但是三者使用不同的軟件或者計算工具。預處理使用ArcGIS Desktop軟件（使用了ArcGIS計算腳本），仿真計算采用Fortran程序，后處理也是用ArcGIS Desktop軟件。這樣做是因為GIS軟件的數(shù)學建模和計算能力較差，無法直接建模內(nèi)澇模型。由于三個子系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，三個子系統(tǒng)之間通過文件傳遞數(shù)據(jù)，海量的數(shù)據(jù)文件難以進行有效管理，這些文件既包括地圖圖層文件也包括文本數(shù)據(jù)文件，不同格式的文件傳遞增加了系統(tǒng)的復雜性。2.內(nèi)澇計算結果的展示是通過ArcGIS Desktop打開不同的圖層文件進行，用戶端必須安裝龐大、昂貴的ArcGIS軟件。顯示需要在一個地圖文件上（MXD）疊加不同的圖層文件（Shapefile），操作很不方便并且要求用戶熟練掌握ArcGIS Desktop的技能，普通用戶難以使用。

針對以上問題汕頭大學和天津市氣象科學研究所的科研團隊聯(lián)合開發(fā)了基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真計算數(shù)據(jù)后處理平臺，通過建設該平臺一方面能夠對內(nèi)澇模型計算產(chǎn)生的時間、空間、屬性數(shù)據(jù)進行有效的管理，另一方面方便了用戶使用。

二、平臺架構

城市暴雨內(nèi)澇仿真系統(tǒng)包括預處理、模型計算、后處理（顯示處理）三個子系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)后處理子系統(tǒng)（顯示處理）包括數(shù)據(jù)庫、GIS服務、WebGIS客戶端、用戶界面四部分，下面分別對后處理平臺的每一部分進行描述。

三、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)導入程序

（一）數(shù)據(jù)庫選型

城市內(nèi)澇仿真的計算結果同時包含空間、時間、屬性數(shù)據(jù)，是時空關系數(shù)據(jù)TGIS（Spatial-Temporal GIS），并且計算結果數(shù)據(jù)量非常大。以天津氣象科研所開發(fā)的內(nèi)澇模型為例，天津主城區(qū)（不包含濱海新區(qū)等區(qū)縣）一次積水過程計算會產(chǎn)生超過10萬條記錄，整個系統(tǒng)一年會產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)3億多條。面對如此大數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)庫選型和數(shù)據(jù)庫設計至關重要。本系統(tǒng)采用帶有空間擴展的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)PostgreSQL+PostGIS作為數(shù)據(jù)存儲方案。采用上述數(shù)據(jù)存儲方案是因為PostgreSQL和PostGIS開源免費，支持OGC規(guī)范，支持多種空間數(shù)據(jù)類型和強大的空間處理函數(shù)，并且能夠和常用GIS軟件進行對接。

（二）數(shù)據(jù)結構設計

內(nèi)澇仿真系統(tǒng)需要展示不同時間、不同空間對象的屬性值，但是一般不需要針對不同空間對象進行空間關系運算以及跨時間的關聯(lián)分析，所以數(shù)據(jù)存儲采用TGIS中最常用的序列快照模型。序列快照模型是將一系列時間片段的快照保存起來，各個切片分別對應不同時刻的狀態(tài)圖層，以此來反映地理現(xiàn)象的時空演化過程。序列快照方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)模型直接在當前的GIS系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫總處于有效狀態(tài)，數(shù)據(jù)查詢快速方便，缺點是會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余。

雖然所有的內(nèi)澇計算結果都同時包含空間、屬性、時間數(shù)據(jù)，但是其數(shù)據(jù)的空間部分往往是不變的，只有時間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)（積水深度、降雨量等）是改變的。預處理把計算區(qū)域離散化為許多不規(guī)則多邊形，內(nèi)澇計算結果是每一個不規(guī)則多邊形在某一個時刻的積水深度和積水等級。因此數(shù)據(jù)庫設計可以把空間字段和時間、屬性字段放在不同的表里邊，通過視圖進行關聯(lián)。通過這樣的設計可以大大減少數(shù)據(jù)冗余，極大地加快數(shù)據(jù)加載速度。因為查詢時候需要關聯(lián)多個表，我們也想過使用物化視圖來加快關聯(lián)查詢，但是在使用過程中降低數(shù)據(jù)插入速度并且占用大量空間，經(jīng)過權衡之后沒有被采用。

（三）數(shù)據(jù)導入程序

內(nèi)澇計算結果寫到數(shù)據(jù)庫有兩種方式。第一種是內(nèi)澇計算程序直接寫數(shù)據(jù)庫，第二種是內(nèi)澇計算輸出到文本文件，后處理程序把文件數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫。由于內(nèi)澇模型涉及水動力學，需要進行大量的積分等數(shù)值計算，內(nèi)澇計算模型是使用Fortran開發(fā)，模型的開發(fā)者不熟悉關系數(shù)據(jù)庫，更習慣于輸出文本文件。在這種場景下，采用數(shù)據(jù)文件導入數(shù)據(jù)庫的方式比較合適，通過中間數(shù)據(jù)文件可以使計算程序和數(shù)據(jù)庫操作相互隔離，并且不需要引入復雜的系統(tǒng)架構和技術（例如消息隊列、中間件等）。由于每次數(shù)據(jù)導入的數(shù)據(jù)量很大，程序的運行性能至關重要，數(shù)據(jù)導入程序采用Java和JDBC開發(fā)。為了提高數(shù)據(jù)導入性能，在數(shù)據(jù)庫后臺開發(fā)了數(shù)據(jù)導入的存儲過程，數(shù)據(jù)導入程序使用了批量處理和事務處理，大大減少程序和數(shù)據(jù)庫的交互次數(shù)。

四、WebGIS

WebGIS是內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示和用戶交互操作的核心[6]，其體系結構如圖1所示。

（一）GIS服務

本系統(tǒng)采用GeoServer作為地圖服務軟件，GeoServer開源免費，支持OGC標準協(xié)議，并且內(nèi)置支持PostgreSQL，可以直接將PostgreSQL的空間表（或者視圖）發(fā)布為標準的地圖服務。

為了提升系統(tǒng)性能將圖層分為靜態(tài)圖層和動態(tài)圖層，并且采用不同的方法處理。靜態(tài)圖層采用靜態(tài)瓦片地圖服務（WMTS），動態(tài)圖層采用動態(tài)地圖服務（WMS、WFS）。靜態(tài)圖層包括基礎底圖、河流水系、DEM高層、雨量站、排水管網(wǎng)、泵站閥門、網(wǎng)格、通道、結點等，這些圖層一般不會發(fā)生變化，除了基礎底圖（采用天地圖和政務一張圖）外其他圖層都是在預處理過程中生成。靜態(tài)圖層的數(shù)據(jù)處理流程如下：在預處理階段通過GIS桌面版軟件（QGIS、ArcGIS）處理生成靜態(tài)并加載到空間數(shù)據(jù)庫，使用GeoServer自帶的GeoWebCache工具生成不同比例尺的瓦片地圖，然后在發(fā)布為WMTS（瓦片服務協(xié)議）。瓦片是預先生成并存放在服務器端的圖片文件，省去了在服務器端實時計算生成圖片帶來的服務器的負載，也避免客戶端實時渲染（WFS）所帶來的客戶端的卡頓。瓦片地圖是一種以空間換時間的策略，能夠大大提高響應速度。

動態(tài)圖層包含雨量站面雨量、雷達估算面雨量、數(shù)值預報面雨量、最大積水、積水過程等圖層，其中最重要的是積水預報圖層。其中自動雨量站的數(shù)據(jù)通過氣象接口傳遞進來，雷達估算面雨量和數(shù)值預報面雨量是氣象預報的產(chǎn)品，這些雨量數(shù)據(jù)經(jīng)過面插值到不規(guī)則網(wǎng)格（內(nèi)澇預處理生成不規(guī)則網(wǎng)格）上。最大積水、積水過程等由仿真模型計算實時生成。動態(tài)地圖服務包括空間數(shù)據(jù)庫和GIS Server兩部分。具體而言GIS Server建立到空間數(shù)據(jù)庫的鏈接，然后把空間表（或者連接了空間表的視圖）發(fā)布成WMS、WFS服務，以供WebGIS客戶端訪問。

對于動態(tài)圖層也分為兩種情況，對于數(shù)據(jù)量很大的圖層（例如最大積水、積水過程），采用GIS服務器動態(tài)生成圖片的方式發(fā)布地圖服務，地圖服務采用WMS協(xié)議。這樣做是因為當前瀏覽器的JavaScript引擎在渲染顯示大量地圖要素時候性能很差。對于數(shù)據(jù)量比較小的圖層（例如積水片區(qū)、社區(qū)）采用WFS發(fā)布地圖服務，WFS根據(jù)查詢條件動態(tài)輸出Json格式的數(shù)據(jù)文件，相對于傳輸圖片可以大大減少客戶端和服務器數(shù)據(jù)傳輸量，此外在瀏覽器客戶端渲染地圖有更好的用戶交互性。

（二） WebGIS客戶端

WebGIS客戶端基于HTML+Javascript，使用OpenLayers作為地圖開發(fā)的API類庫。OpenLayers很好地支持動態(tài)地圖服務WMS、WFS和WMTS（瓦片地圖服務），并內(nèi)置實現(xiàn)了地圖顯示和地圖交互（放大、縮小等）。WebGIS的程序流程如下：瀏覽器加載HTML5的Web頁面，執(zhí)行JavaScript程序，JS程序向GIS Server發(fā)起WMS、WFS、WMTS請求，然后把地圖顯示在瀏覽器頁面上。JJS發(fā)起WMS的GetMap請求到GIS Server，GIS Server連接數(shù)據(jù)庫發(fā)起查詢請求，然后根據(jù)查詢結果動態(tài)生成地圖圖片，JS對返回的圖片經(jīng)過拼接處理后在瀏覽器上顯示。對于數(shù)據(jù)量比較小的圖層（例如積水片區(qū)、社區(qū)），Openlayers調(diào)用WFS服務獲取Json然后在客戶端渲染。采用客戶端渲染會有更好的用戶體驗，例如當用戶更改地圖縮放比例和顯示范圍的時候不需要重新從服務器獲取數(shù)據(jù)，能夠實現(xiàn)鼠標移動到某個地圖要素上面動態(tài)更改要素的顯示樣式等交互性功能。WebGIS客戶端發(fā)起WMS請求的UML序列圖如圖2所示，WFS請求流程除了服務協(xié)議不同外，其流程和WMS一樣。

五、用戶界面

城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)的顯示界面包括圖層選擇區(qū)、日期時間選擇區(qū)、地圖、地圖縮放工具、色標組成。圖層選擇區(qū)包括一些選擇框，可以控制某個圖層（或者圖層組）的顯示和隱藏，并支持多個圖層的動態(tài)疊加。日期時間選擇區(qū)：手工輸入或者用日期時間選擇控件選擇時間， JavaScript會發(fā)起WMS或者WFS請求，把時間作為參數(shù)傳遞給后臺GIS Server，后臺返回該時刻（或者時間范圍）的地圖圖片（WMS的GetMap）或者要素集合（WMS的GetFeatureInfo或者WFS），客戶端經(jīng)過渲染處理后在瀏覽器上顯示。最大積水只有一個啟報時間而積水過程有兩個時間，一個是啟報時間（也就是內(nèi)澇計算的時間），一個是預報的時間。

六、結語

基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理平臺作為天津內(nèi)澇仿真系統(tǒng)的重要組成部分于2015年3月開發(fā)成功，并且在天津市主城區(qū)、天津市濱海新區(qū)、天津市氣象臺等多個應用系統(tǒng)成功部署。該系統(tǒng)實現(xiàn)了時間、空間、屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，該系統(tǒng)方便了用戶訪問，用戶只需要使用瀏覽器就可以瀏覽和查詢面雨量、積水預測、積水預警等預測結果。經(jīng)過多年的實際使用，該系統(tǒng)達到了預期設計目標，并且為后續(xù)其他功能的實現(xiàn)（包括復雜數(shù)據(jù)查詢、自動存圖等）提供了良好的平臺支撐。

參考文獻

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[5]陳靖，李大鳴，郝瑩，等.分區(qū)層化立體多重天津城市暴雨內(nèi)澇模型研究[J].水動力學研究與進展（A輯），2019，34（03）：367-376.

[6]吉杰，朱展浩.基于WebGIS的交互式緩沖區(qū)分析查詢[J].計算機應用與軟件，2012，29（03）：235-238.

作者單位：汕頭大學

責任編輯：王穎振、鄭凱津