面向WebGIS服务的水情信息平台研究

浩庆波,牟少敏,2*,张安昌,林洪孝,孙道磊

1.山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安271018

2.山东农业大学农业大数据研究中心,山东泰安271018

3.聊城市水文局,山东聊城252000

4.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018

面向WebGIS服务的水情信息平台研究

浩庆波1,牟少敏1,2*,张安昌3,林洪孝4,孙道磊3

1.山东农业大学信息科学与工程学院,山东泰安271018

2.山东农业大学农业大数据研究中心,山东泰安271018

3.聊城市水文局,山东聊城252000

4.山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271018

水文信息化建设可以提高水文工作的质量和效率。本文针对聊城市水文局的实际情况，利用WebGIS和互联网等计算机技术，将实时水文数据与数字地图的有效结合，构建面向服务的聊城市水情信息平台。该平台完成了水文数据的跨平台整合，并针对不同河流构建相应的洪水预报模型，利用实时雨水情等信息对河流洪峰进行预报，为防汛提供辅助决策。平台具有实用性强、界面友好和灵活方便等特点，极大地提高了水文工作的效率和准确性。

水文;数据监测;WebGIS;洪水预测预报

水文是指研究自然界水的时空分布以及变化规律的一门学科[1,2]。水文行业的发展利国利民，但其发展依旧面临着巨大的挑战[3]。一方面，随着水文信息监测站点的增加，监测数据的整理和数据实效性面临着严峻的挑战。另一方面，随着国民生活水平和经济的发展，不同行业也急需水文监测数据的支持，数据的处理和需求产生严重不平衡。而借助于计算机等先进技术将水文监测数字化，则能够有效解决上述问题[4]。水文监测和分析的信息化程度，已成为衡量水文体系发展程度的重要指标[5]。

地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是指借助于计算机技术，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[6]。地理信息系统是由空间信息数据、计算机硬件、软件、过程和人员5部分组成，旨在收集、处理地理空间信息参数的信息系统。其组成结构如图1所示。

水文行业无论是在抗洪减灾还是水资源管理利用中都起着弥足轻重的作用[7,8]。随着水文监测站点的增多，给水文工作者带来了极大的工作难度。水文数据的及时有效性和准确性都难以得到保证，更无法满足普通机构和社会对水文数据的需求。而通过将水文工作信息化，既能够极大的提高数据应用和管理水平，更好的服务于社会[9]。

1 聊城市水文测报现状

聊城市现有145处雨量站，14处水位站，6处水文站，28处墒情站和306处地下水监测站，共499处监测站点。近两年规划新建20处水文站等监测站点。其中报汛水文站均安装DCT-1型与YDJ-2型报汛数传仪（如图2所示），报汛数传仪自动采集雨情信息并通过无线GSM/CDMA网络或有线公共电话网络PSTN方式传输至市水情分中心。市水情中心收到数据信息后通过VPN光缆网将水情信息传输至省水情中心。雨、水情报文需要在接到数据20 min内送达省水情信息中心，30 min传至国家防总。而面对近500处监测数据的整理和汇集，使得水文数据难以按照要求进行及时准确上传。

图1 地理信息系统的构成Fig.1 Composition of the geographic information system

图2 报汛数传仪Fig.2 Digital instrument of flood information

聊城市水文局工作流程以数据为主线分为4部分：数据无线采集、数据整理汇集、数据分析决策和数据展示4部分。数据采集部分主要借助于物联网传感器完成，采集数据包含雨情、河道水情、地下水情以及墒情等相关水文数据。传感器根据不同情况进行不同频率的数据采集。例如对于雨情数据，在非降雨时期2 h采集并传输1次数据，而在降雨时期5 min采集1次数据。由于聊城市水文局数据采集设备分为多次进行建设，传感器将传输回送的数据分别存储到2台服务器中，且两台服务器数据相互交叉。水文工作者需要将两个服务器中的数据进行汇总整理，以便于对相关数据进行分析，进而对聊城市主要河流进行洪水的预测预报。最后将整理的水文数据以及预测预报结果进行图表化整理，对上层的决策提供支持。

2 聊城市水情信息平台结构设计

2.1 平台架构设计

根据项目需求分析以及聊城市水文局的信息化程度。为使本项目能够友好的兼容聊城市水文局现有的平台和软件体系，平台技术架构设计如图3所示。

基础层：保持聊城市水文局已完成部署站点（雨情、水情、熵情和地下水情监测站点）的运行状况。传感器设备将采集到的数据分别存储到2台数据库服务器中，本项目平台将数据从2台原始服务器融合汇集到平台数据服务器中，同时构建站点的空间数据库。逻辑层：本平台使用C#语言进行逻辑层的处理工作。借助于SQL、C#语言对水文数据进行提取整理，完成需求分析中的逻辑工作，包含用户管理、数据统计等功能。使用ArcGIS Server构建支持多用户企业级的Web地图服务。视图层：视图层是平台与用户沟通的桥梁。本项目平台引入支持向量图像图层和图像无缝整合的跨平台插件Silverlight。借助于Silverlight、HTML等语言技术构建友好的交互界面，满足聊城市水文局服务大众、为政府职能部门提供决策支持的服务思想。

图3 项目技术架构图Fig.3 Project technical architecture diagram

图4 项目技术路线图Fig.4 Project technology route

由于传感器将水文数据传送到不同服务器中。为了既保证现有的传输模式，同时又能够完成数据随时整合的需求。我们将两台服务器的数据实时汇集到项目平台数据库中。平台借助于SQL语句和触发器对底层数据进行数据的存储和预处理等操作；对于逻辑的判断修改以及数据的进一步处理借助于C#语言完成；构建的聊城市主要河流洪水预测预报模型使用整合整理后的相应数据进行预测；借助于WebGIS、C#语言以及洪水预报模型对不同用户提供地图展示、绘制等值线和洪水预测预报等相应功能。平台采用的技术路线如图4所示。

2.2 平台模块设计

聊城市水情信息平台共包含6个模块，分别为雨情模块、水情模块、墒情模块、地下水情模块、河流水情预测预报模块和系统管理模块，如图5所示。其中，雨情、水情、墒情和地下水情的站点借助于WebGIS与图表相结合的形式进行相关数据的直观展示。河流水情预测预报模块主要完成河道洪水的预测预报工作。系统管理提模块供用户角色权限管理功能。

图5 平台功能模块Fig.5 The platform function module

雨情模块借助于Web地图直观的表现各点、面的实时和累计降雨情况，自动绘制降雨等值线，并实现暴雨预警。针对降雨状况生成降雨报表并进行发布。雨情站点信息展示包括站名、位置、降雨量、降雨起止时间等数据。针对监测站点的不同降雨量使用不同颜色进行标识，并对暴雨站点进行报警。按照不同行政区对站点降雨量进行统计，并以柱状图形式展示站点降雨过程。柱状图展示包括站名、降雨起止时间、雨量值等相关信息。按照降雨等级绘制等值线，以反映聊城市降雨面的分布规律。生成包括监测站点、县市区平均降雨量以及全市平均降雨量、全市降雨量的极大值和极小值、降雨起止时间等相关信息的降雨量报表。

水情模块主要包括在地图上显示各站点河道水情，闸坝站点的水位流量关系以及生成水情信息表格，实现水情信息发布、上传等功能。借助于河道实时断面图，展示河道的当前水位、时间、位置、警戒水位、河底高程、堤顶高程、水深等数据信息。针对不同河道，通过河道水位过程线展示河道水位的变化趋势。生成河道信息报表，生成的报表包含河名、站名、当前（闸上、闸下）水位、流量、时间、堤顶高程、警戒水位等相关信息。

地下水情站点展示井名、位置、当前水位（埋深）以及时间等相关信息，并能够绘制地下水埋深等值线。以折线图形式展示单井或者区域不同时段地下水水位（埋深）变化过程，包含时间、水位（埋深）过程线等信息。对于地下水情等数据自动生成报表，生成的报表包括站名、水位、埋深、最大埋深、面平均埋深、位置等相关信息。

墒情模块与地下水情模块类似，实现各站点不同埋深土壤含水率的直观显示以及数据的修改等功能。墒情站点展示的信息包括站名、位置、土壤含水率(10 cm/20 cm/40 cm)、时间等相关数据。平台具有分别对10 cm/20 cm/40 cm的土壤含水率进行修改保存等功能，以及墒情变化折线图的展示。

河流水情预测预报模块通过分析各站点不同数据，使用相应的预报方案进行预测预报。与雨情、水情模块相结合，以实时雨水情等信息作为输入，通过预报模型对洪峰水位（流量）、洪水过程、洪量等要素进行实时预报，为各级防汛指挥部门提供决策依据。

3 关键技术及解决问题

3.1 平台服务器部署方案

针对聊城市水文局的现有状况，我们对聊城市水文局服务器（数据服务器、应用服务器）按照如图6所示的方案进行部署。

如图6所示，数据服务器A、B、C为聊城市原有的数据服务器，其中数据服务器A、B分别接收监测站点回送的数据。服务器D为本项目平台服务器。服务器D担负着数据服务器和Web应用服务器的角色。

所有服务器的系统平台均为Windows server 2003，使用SQL server 2000数据库。服务器A、B接收到由监测站点回送的电文，解码后将数据存储到本地数据服务器（A或B）并抄送一份至本项目的平台服务器D，D服务器收到数据后存储数据并借助于触发器进行去重复处理。

服务器D通过网络对用户提供数据和服务支持，用户与原始数据服务器无直接联系。对于更正或修改的数据，D服务器可以将数据或操作回送到数据库服务器A和B中，保证数据的相对一致性。

3.2 角色权限分配管理

基于WebGIS的聊城市水情信息平台采用角色与权限相对应的方式对用户进行管理。用户等级分为4级，对于4种用户等级，使用0到3进行标识。0级用户即以游客身份登录，无需账号密码。3级用户为超级管理员。各种用户角色权限如表1所示。将用户角色等级与权限相对应，能够更为有效的对服务对象进行管理。防止非专业人士对监测数据进行修改，从而保证了数据的有效性、真实性和安全性。

表1 用户权限分配表Table1 The allocation of user rights

3.3 预测预报模型

通过分析聊城市各河道监测站点的不同情况，平台针对不同河流建立了相应的洪水预报模型。以实时雨水情等信息作为输入，对洪峰水位（流量）、洪水过程、洪量等要素进行预测预报，为各级防汛指挥部门提供决策依据。洪水预测预报模型流程图如图7所示。

图7 洪水预测预报模型流程图Fig.7 The flow chart of the flood forecast model

图7中，P为降雨量，由雨量站监测站点监测得出。E为蒸发量，A为预测该河流的流域面积，Pa为河流的流域前期影响雨量。Rs为径流量，Qm为净峰流量，Tp为洪水滞时，Tm为洪峰水位。W为洪水总量，使用W=0.1×Rs×A进行计算得出。降雨径流关系、风量关系、水位流量关系以及径流分配关系均根据不同的河道，使用往年数据进行拟合而成。

4 平台实现

结合聊城市现有的设备软件环境，本项目平台采用Microsoft Visual Studio开发平台进行研发。平台网站发布运行在Windows Server IIS上，ArcGIS负责对地图进行发布和展示。平台使用SQL Server 2000数据库，采用B/S架构进行设计开发。Web端借助于Silverlight进行展示。本平台具备较高的实用性、灵活可扩展性、安全可靠性以及具有跨平台支持多数据库等优势。平台河道断面图等部分界面如图8所示。

图8 平台部分界面图Fig.8 Part of the interface diagram in the platform

5 结论

聊城市水情信息平台借助于WebGIS等计算机技术实现了将水文工作由传统的人工、封闭式向可视化、信息化管理模式的转变。平台实现了聊城市水文局数据存储由分布式向统一存储的整合，并对数据进行清洗融合，减轻了工作者向不同数据库提取所需数据的压力。平台实现了水文数据与站点空间数据的有效结合，借助于地图对聊城市水文监测数据进行实时监测和共享。及时准确的对站点和数据进行定位，能够极大的提高水文日常数据和站点的管理效率。平台提供数据报表、地图打印等便捷功能，支持聊城市主要河流的洪水预测预报。平台的研发和使用为聊城市水文防汛工作起到数据支持和辅助决策的作用。

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Study on Hydrologic Information Platform for WebGIS Service

HAO Qing-bo1,MU Shao-min1,2*,ZHANG An-chang3,LIN Hong-xiao4,SUN Dao-lei3
1.College of Information Science and Engineering/Shandong Agricultural University,Taian271018,China
2.Agricultural Big-data Research Center/Shandong Agricultural University,Taian271018,China
3.Liaocheng's Hydrologic Bureau,Liaocheng252000,China
4.College of Water Conservancy Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Taian271018,China

The information construction of hydrology can improve the quality and efficiency of hydrologic work.This paper constructed the hydrologic information platform servicing for Liaocheng City to use WebGIS and internet in combination with real-time hydrologic data and digital map in Liaocheng.This platform completed the cross-platform integration of hydrological data and established the corresponding models of flood forecast for different rivers to forecast the real-time information of rainfall so as to provide auxiliary decision for flood control.The platform has the strong practicality,friendly interface and flexibility.It greatly improves the efficiency and accuracy of the hydrologic work.

Hydrology;data monitoring;WebGIS;flood prediction and forecast

TP399

:A

:1000-2324(2015)06-0913-05

2014-05-12

:2014-05-30

山东省自然科学基金(ZR2012FM024);2013年山东省农业重大应用技术创新课题;聊城市水情信息系统平台建设研究

浩庆波(1988-),男,山东泰安人,硕士研究生,研究方向:机器学习、图像识别.E-mail:haoqingbo4546@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:msm@sdau.edu.cn