一种水雨情实时监测系统与设计

陈 翠，胡春杰，，阮 聪，牛智星

(1.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012)

随着社会经济的不断发展以及人类生产活动的增强，洪涝灾害在以更快的速度增长，给人民群众生命财产带来巨大损失[1-2]。随着数字化、智能化的日益发展，应用计算机技术自动化、智能化监测各种水雨情信息势在必行[3- 4]。在新的历史条件下，开发一套水雨情实时监测系统，对城市与山区的中小河流进行实时监测，成为当前水情信息化建设的关键。鉴于全国各个水文监测站分布较广；因此，采用Web系统可以解决水文测站空间分布分散的问题，提高相关水文数据的更新速度，为防洪有关部门提供及时的数据分析。借助ArcGIS Server平台，该系统不仅实现地图浏览和空间分析功能，而且还具有在线编辑和放大的分析能力，在一定程度上提高了监测水雨情的工作效率，具有良好的经济效益。

ArcGIS Server是用于开发基于网络的企业级服务器端程序的组件集，将地理信息系统技术和网络技术结合在一起，综合发挥GIS的空间查询与定位以及网络的全球互联，信息共享特点。它为创建和管理基于服务器的GIS应用提供了一个高效平台，实现地理信息数据管理与处理、制图、空间分析、编辑和其他的GIS功能[5]。ArcGIS Server作为服务器端产品，不仅提供传统桌面端GIS通用功能外，而且具有高级GIS分析、在线编辑空间要素、动态管理空间数据等功能。

1 系统总体设计

水雨情实时监测系统原理是在遥测站点的遥测终端通过各种相关水文传感器获取水雨情信息，再经由无线网络传输给遥测系统中心站，中心站服务器实时接收、存储和处理水雨情信息，进而作出洪水预报和防洪调度方案[6]。本系统采用集成技术进行总体架构设计。三层架构体系结构层层支撑(见图1)，实现系统的可靠健壮运行与一体化管理。由于系统的数据类型多，数据量较大，数据计算、处理、应用和通信逻辑复杂，对系统的集成性、实时性、可靠性、安全性等方面都有较高的要求，这就要求系统具有很高的集成性和灵活性。

图1 系统结构示意

1.1 数据采集层

在山区和城市局部中小河流区域安置流速仪、视频采集器、雨量计等传感器以及水尺来获取相关水雨情数据信息；而ARM微处理器采用型号为S3C6410，其内核的低功耗、性价比较高，拥有强大的内部资源及视频处理能力，能够及时处理各种传感器采集的水雨情数据并实时传送到中心站。

(1)非接触式雷达流速仪。采用非接触式雷达流速仪，可以在线连续取得实测流速数据，是流速实时监测的一种新兴手段(见图2)。其主要原理利用多普勒雷达测速，对水流的表面流速进行探测，微波雷达不受温度梯度、压力、空气密度、风或其他气象环境条件的影响，可全天候全天时稳定工作。

图2 非接触式雷达流速仪安装示意

(2)H-ADCP。固定ADCP利用声学多普勒原理测量流速。通常安装在河流或渠道的岸边、水底，发射波束涵盖部分或整个宽度的水体，实时测量一个水层的流速分布(见图3)。由控制器或电脑接收固定ADCP提供的流速数据及水位数据采用“指标流速法”或“流速一面积法”实时计算监测河流断面或渠道的流量。

图3 H-ADCP安装与工作示意

(3)雨量测量计。采用翻斗式遥测雨量计。其工作原理是降水由环口控制面积，集水器回拢，通过进水漏斗进入翻斗，当计量达到一定水量时，就会导致翻斗翻转，磁吸合干簧管，产生一个通断信号，供遥测或记录仪器使用。

1.2 网络传输层

20世纪末，超短波和卫星基站是主要的通讯方式，主要其组网灵活、维修方便且不易受到坏境影响，因此在水中被广泛应用。随着时代的发展，高可靠、高稳定GPRS/GSM的通讯方式逐渐取代了超短波等通信方式。但是，我国局部地区架设光纤存在着造价高、工期长、维护困难等问题；因此水文数据只能通过无线网络进行数据通信[9-10]。如果通信带宽不够的话，可以采用多路复用技术，实现远程大数量信息的传输。

1.3 应用层

根据上述设计思路，采用HTML、CSS、javascript在网页开发方面的优势[11-12]，以SQL Server为后台数据库管理系统，语言采用三层架构体系和组件技术，研发了一套水雨情实时监测系统，实现了水雨情信息资源多部门共享，为用户提供了地图快速浏览、实时水雨情数据查询、站点工情信息查询等功能，提高系统的友好性与实用性，为科学分析、决策指挥提供准确的数据依据并达到快速响应的目的。

2 系统功能设计

为了充分发挥水雨情信息数据的重要价值和水雨情监测需求以及汛期防洪抢险的要求，具体实现功能如下：

(1)信息查询。首先选择指定条件，通过遥测站空间信息以及与属性数据库的关联，获得测站基本信息和实时水情、雨情等数据，集中显示各测站点的最新水位、当前降雨量、累计降雨量、电池电压等，实时展现水位、降雨量动态曲线。如图4显示，黔南水雨情监测系统，点击河道查询，输入时间、选择多站，再点击查询，出现各测站河道水情信息查询结果。

图4 信息查询界面

(2)数据分析。对查询结果直接进行实时分析(等值线绘制、等值面等，图略)。

(3)实时报警。实时监控水情信息库，在地图中标示各测站水位、流量等信息，如水位或流量超出允许范围，采取报警等措施。

(4)数据报表生成。通过图层属性查询属性数据库获得原始资料经过变换加工，生成满足需要的统计报表(见图5～7)。

图5 查询各个站点降雨量

图6 水位数据的报表

图7 过程线

(5)图形绘制、浏览。地图放大、缩放及对图层属性的添加、删除、修改等基本操作，流域图可以放大缩小，放大后相应会在站点附近显示站点水雨情信息如图8、9所示。

图8 放大前流域示意

图9 放大后流域示意

(6)实现图像的定时获取与实时获取，图像的定时获取功能主要包括日期的选择、图像的查询、图像的显示、图像的自动播放等功能；图像的实时获取功能主要实现了获取当前时间的实时图像。

3 结 语

水雨情实时监测系统可通过利用水雨情信息数据库和空间数据的有机结合，借ArcGIS Server平台，WEB集成展示了实时在线水尺图片、水位、雨量等数据信息以及地理位置空间信息。本文以黔南水文局为例，反映了云南黔南各水文站的水情、雨量数据信息，为防汛防灾、工程管理等不同层提供重要的信息技术支持。本系统的设计充分考虑了用户对数据查询、数据分析的需求以及空间位置需求，提出了基于ArcGIS的水雨情实时监测的框架乃至设计模式，为水雨情防汛监测提供了充分的数据资料和成熟的数据管理模式以及实用模式，系统软件具备通用功能，可为防汛防灾工作提供及时、准确的技术支持和信息服务。