基于WebGIS的河南省水文信息管理系统设计与实现

李雅丽，魏峰远，陈荣国，索荣遥

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作454000；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；3.北京博阳世通信息技术有限公司，北京 100101）

水文遥测站是水利部门采集水文信息的重要设施，随着水利信息化的不断完善和通信技术的不断发展，全国76%以上的水文遥测站已经实现了自动测报［1］，所采集的水文要素值是流域管理的重要数据来源和主要参考依据，是各水利部门数据共享建设的重要目标。但目前很多已建的水情遥测系统只停留在水位、降雨量信息自动采集阶段［2］，缺乏水文信息管理系统对采集水文信息的统一发布与管理，严重影响全省范围内的水文信息共享以及流域的动态监测与综合管理。

本文提出建立基于WebGIS的水文信息管理系统，采用具有空间信息和属性信息统一存储、管理、查询、空间分析功能的地理信息系统（GIS）技术［3］，实现遥测站空间位置的直观展示，水文信息的科学管理、快速查询与统计。WebGIS是GIS在Internet上的扩展，不仅继承了GIS的功能，而且具有更新快捷、跨平台、访问范围广泛、共享性好、维护方便等优势［4］，完全满足水文信息实时监测、统一管理、共享的业务需求，是水文信息管理系统建设的理想工具。

1 研究区域现状与需求分析

河南省地处中国中东部、黄河中下游，省内流经海河、黄河、淮河、长江四大水系，境内包含1 500多条河流，流域面积100 km2以上的河流有493条。其中，黄河横穿全省，境内干流711 km，流域面积3.62万km2，约占全省总面积的1/5。到目前为止，河南省水利部门已形成了1个省级中心、18个地级市中心、100余个水文站以及接近500个遥测站点组成的水文信息网络，产生了大量的历史以及实时水文数据。

系统以河南省范围内遥测站观测得到的实时与历史水文信息为基础［5］，结合基础地理信息数据、测站属性数据以及各级水利单位属性数据，设计开发出包括动态监测、水文信息查询、水文信息统计和系统管理等功能的水文数据共享平台，使整个系统既有动态监测功能、数据管理分析能力，又有良好的扩展性。

2 基于WebGIS的河南水文信息管理系统设计

2.1 系统体系结构设计

图1 系统总体设计

系统采用Browser/Server（浏览器/服务器）结构，在逻辑上自下而上分为数据层、服务层、应用层以及用户层（见图1）。其中：①数据层负责存储管理水文相关数据，同时为上层应用提供数据服务，采用博阳数据库管理系统（BeyonDB）,实现对属性数据、矢量数据以及栅格数据的高效存取和统一管理［6］。②服务层起到后台数据库与前端应用交互连接的作用，提供遥测数据接入服务、GIS服务、查询统计服务等以响应和处理用户的请求。③应用层负责提供具体的应用操作，采用OpenLayers 3 调用WMS，实现图层的显示、放大、缩小、漫游等基本地图应用功能以及查询、统计和输出等功能；通过调用WFS，实现点、线、面等要素的增删改及保存［7］。应用层提供水文信息的可视化、查询与统计分析等各项应用，满足各级水利部门在水文数据管理中的实际应用需求。④用户层是本系统面向的使用单位，包括省水文局，地市级勘测中心和地方水文站。

2.2 系统数据库设计

遥测站每5 min自动采集水文数据，水文信息数据库需要存储大量水文数据，既有历史数据，也有实时数据。因此在设计水文信息数据库时，既要使数据库具备灵活性、可扩充性以满足大规模数据存储，也要保证数据的完整性和有效性，同时为子系统提供多种接口，为数据显示、查询、分析等提供保障［8］。

水文信息数据库在设计上分为水文要素值数据库、基础地理空间数据库以及后台管理数据库三大类库。其中，水文要素值数据库用于存储遥测站的基本信息数据，以及遥测站所观测的实时水文数据与按不同时间粒度统计的水文数据，包括的子数据库有实时水文数据库和统计水文数据库；基础地理信息数据库存储行政区划数据、河流数据、居民地等空间基础地理数据；后台管理数据库用于存储遥测站点以及各水利单位的基本信息，包括遥测站数据库和单位数据库。系统数据库的结构层次如图2所示。

图2 数据库结构层次

在水文要素值数据库中，分别存储实时水文数据与历史统计数据，其中实时水文数据库用于存放近3 d每5 min生成的实时数据，时间超过3 d的视为历史数据，自动迁移至历史统计数据库。水文信息数据库中所包含的3个数据库，通过遥测站数据的测站ID以及经纬度关联起来，各类数据表结构严格按照《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》、《水资源监控管理数据库表结构及标识符标准》设计，其中设计遥测站表结构如表1所示。

表1 遥测站表结构

3 系统功能的详细设计与实现

河南水文管理系统，数据库采用Beyondb 2.0国产数据库，Web应用服务采用GeoServer地图服务器、Tomcat7.0。选择NetBeans 8.0 作为开发平台，Java语言进行后台编译，前台使用OpenLayers 3作为客户端开发技术。该系统可以实时接入水文遥测数据，动态监测流域雨水情信息，同时提供查询、统计分析功能，满足水利部门日常工作需求。

3.1 水文信息动态监测

针对水文信息实时性的特点，本系统利用通信技术与遥测站实时联动，及时、准确地发布最新水文信息，对接入的雨水情数据基于遥测站点空间位置在地图上按照遥测站点的重要、次要程度分级别可视化。在初始化页面上显示雨水量最大值的站点、工作状态异常的站点以及河南省范围内重要水文遥测站点，并分类型赋异常符号，及时向工作人员报警提醒各类异常水文情况；地图放大后，显示全部站点信息。这种分级的可视化方式有利于用户了解重点、异常信息，减少对信息的筛选操作，并且避免显示区域站点分布密集的情况。分级可视化设计如图3、4所示。

图3 分级别可视化设计逻辑图

图4 水文信息关联查询设计

3.2 水文信息查询

水文信息查询提供相关水文信息的查询与结果输出，主要包括遥测站查询、水位查询以及降雨量查询。

1）遥测站查询。遥测站的查询包括测站编号、运行状态、管理单位等属性值的查询以及测站空间位置的查询。具体的查询方式有两种，一种是基于数据库SQL技术，选择对象的单一或多个属性信息，查询对象在地图上的空间地理位置信息并高亮显示，即属性-地图查询；另一种是基于前端OpenLayers 3技术在地图上点选、框选一个或多个对象，查询选择对象的属性信息，即地图-属性查询。

2）雨水情查询。雨水情的查询内容包括不同时间段的水位，降雨量查询以及极值查询，查询方式分为单一要素查询和多要素对比查询，查询结果以过程折线图、柱状对比图以及报表的形式展现。

遥测站查询功能模块与雨水情查询功能模块根据遥测站ID关联，能够相互调用，减少操作频次，便于全面了解同一地域的各类水文信息。功能设计与实现如图5、6所示。

图5 降雨量查询

图6 水文要素统计

3.3 水文信息统计

水文信息统计分析模块通过多种统计图表，辅助用户发现水文要素的变化趋势，进一步挖掘数据中的隐含信息，同时可结合相关水文数据模型对水文要素值进行预测。水文信息统计模块能够对任一遥测站，在指定时间范围内所监测的水文要素值进行统计，计算得出平均值、最大值（见图6）；并提供不同水文数据的对比分析，更直观地显示其变化差异。

3.4 系统管理

在系统管理模块中主要根据用户权限，实现对各类信息的录入、删除、编辑与保存的操作。系统中遥测站采集的水文数据主要供省水文局、地市级勘测局以及地方水文站等水利单位使用，其中省水文局可使用省内所有遥测站的数据；地市级勘测局使用本市下属各遥测站数据；地方水文站仅使用本站数据。依据水利业务中所需的水文局、勘测局、水文站三级节点平台层级管理模式，系统角色级别设为“水文局、勘测局、水文站”三个级别，每个级别中的每个单位均设置具有“管理员”和“普通用户”两类用户角色。用户的角色级别与权限功能设计如表2所示。

表2 用户角色设定与权限

4 结 语

利于WebGIS技术、网络通信技术与数据库技术，设计开发一套河南省水文信息管理系统，对河南省境内遥测系统采集的水文信息进行统一管理，实现水文信息管理的可视化、动态化、更新实时化，为河南省各级水利部门提供水文信息共享平台。系统在数据管理的同时，还提供便快捷的查询、统计、输出等功能，有效辅助于各项水利业务的实施，为推动河南省水利信息化建设起到了重大作用。

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