基于GIS城市雨量实时监控系统的建设

张建廷 ，杜明义，尚利堃，鲍庆雪

(1.北京建筑工程学院“现代城市测绘”国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044;2.中国人民银行沈阳分行，辽宁沈阳 110001)

1 引言

随着城市化进程的发展，暴雨洪灾对城市的压力日趋严重，国内外大城市暴雨水灾事件频繁发生［1］。城市防汛体系建设是个复杂的系统工程，涉及城市防汛规划、工程建设、防汛工程设施的日常管理维护及暴雨等条件下的城市防汛的应急响应、灾后恢复重建及公众参与等等各个方面。其中最基本、也是相当重要的工作就是对城市雨情的监测。加强城市雨情关键技术的研究，对于减轻城市洪涝灾害损失和人员伤亡，保障经济和社会的和谐发展有重要意义。本文以北京市西城区降雨量实时监控系统工程为例，阐述该系统的各项功能，并对关键技术做了详细的介绍。

2 系统功能设计

北京市西城区降雨量实时监控系统是集成电子地图、实时雨量监测、雨情预警分析等的数字城市防汛综合应用平台。如图1所示，该平台核心功能可分为5个主要部分，分别为:实时雨情监视、雨情信息查询、降雨曲线绘制、城区积水模拟和系统管理与设置。

图1 系统总体功能

(1)实时雨情监视

主要功能为:设置接收系统IP地址，端口号，存储数据库相关参数;自动保存数据接收日志;保存接收的信息并将信息存储到数据库中。

(2)雨情信息查询

主要功能为:查看各个站点的实时雨量;按照街道或站点对雨量值进行查询;按月对西城区各街道的降雨进行统计。

(3)降雨曲线绘制

主要功能为:根据各个站点的雨量值绘制等降雨线。用以分析城区内的降雨量分布。

(4)城区积水模拟

主要功能为:根据等降雨线对区域降水进行模拟分析。用以模拟出城区内最有可能被淹没的地区，及早进行相关的防范措施。

(5)系统管理与设置

主要功能为:划分不同的权限，对不同登陆人员赋予不同的权限。

3 系统关键技术

3.1 基于GPRS的雨量值传输系统

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称。GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的，使得用户能在端到端分组方式下发送和接收数据。北京市西城区降雨量实时监控系统中雨量数据是由均匀布设在北京市西城区的34个雨量监测点通过GPRS实时传送的。依据雨量监测器的工作原理和监测数据的传输机制［2］，在降雨时每5 min传输一次数据，晴天时处于休眠状态。基于GPRS的雨量值传输系统的组成如图2所示。

图2 基于GPRS的雨量值传输系统

3.2 基于DEM的城市暴雨积水模型的建立

DEM是地形表面的一个数学(或数字)模型。对地形表面进行表达的各种处理称为表面重建或表面建模，重建的表面通常可认为是DEM表面。因此，地形表面重建实际上就是DEM表面重建或DEM表面生成。当DEM表面重建后，模型上任一点的高程信息就可从DEM表面获得［3］。由于本文研究的区域处于城市，在进行地表重建时应当充分考虑人工建筑对于DEM的影响，建立城市DEM的过程如图3所示。

城市暴雨积水，即指降雨下落城市区域形成径流后由于地势低洼、排水不及时等原因造成的一定径流深度地面积水［4］。近年来，由于城市化进程的加快，城市不透水区域面积大幅增多，导致地表径流增大及地表汇流速度大幅加快，同时由于气候变化，暴雨频率增加，高强度暴雨对城市化地区产生的威胁和带来的损失愈来愈大。本文以城市DEM和雨量数据为基础建立城市暴雨积水模型如图4所示。

图3 建立城市DEM

图4 城市暴雨积水模型

4 系统实现及实例应用

4.1 系统实现

北京市西城区降雨量实时监控系统采用B/S(浏览器/服务器)软件系统结构，采用Flex框架以及Java编程语言，以SQL Server 2005作为后台数据库服务器并利用ArcGIS Server 9.3提供地图服务，实现了数据从后台传输到前台页面展现的整个流程。系统实现效果如图5～图8所示。

图5 系统查询界面

图6 系统统计界面

图7 实时雨情专题图

图8 降雨积水区模拟图

4.2 实例应用

2012年7月21日北京城遭遇61年来最大暴雨，在此次降雨过程中，西城区实时雨量监控系统发布了及时准确的降雨监测信息，在市级气象预报的基础上，为西城区防汛应急工作积极开展提供了更加精准而有力的支持。7月21日14时～7月22日2时，西城区全区平均降雨228.5 mm，降雨量最大点出现在成方街站，雨量值331.5 mm，本系统共发布预警短信192条。以降雨量最大的成方街站为例，降雨过程集中在7月21日下午16点到21点，其降雨量随时间变化具体如图9所示。

5 结语

目前城市防汛监测和预警中数据现势性差、准确性低，在城市实时雨量监测方面，大都还停留在单点监测，雨量监测点之间的距离相隔太远，不能够统筹分析;在预警方面也缺乏运用GIS对全局进行把握。本文结合GIS的优势与GPRS无线传输技术，利用网络地理信息系统新技术实现数据的丰富展示。以西城区实时雨量监控系统为背景，简要阐述了系统的构建。该系统运用的相关技术先进可靠、运行效率高，系统稳定性强，符合用户要求，满足业务需要，较好地实现了城市降雨监测与预警。

图9 成方街站降雨趋势图

［1］刘秋锋，赵建，康慕谊.济南市城市扩展与城市暴雨洪灾［J］.灾害学，2005，12(4):40～42.

［2］黄克磊，闫小珍，王媛等.GPRS自动雨量站状态监控和数据应用系统［J］.气象与环境科学，2008，5(2):73～76.

［3］刘仁义，刘南.基于GIS技术的淹没区确定方法及虚拟现实表达［J］.浙江大学学报·理学版，2002，9(5):573～577.

［4］杨弋，吴升.城市暴雨积水模拟方法分析及研究［J］.测绘信息与工程，2009，34(1):35 ～37.