江 波,丁國(guó)章,張沈陽(yáng)

(1.浙江省河海測(cè)繪院,浙江 杭州 310008;2.南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,江蘇 南京 210009)

1 問題的提出

我國(guó)是世界上洪旱災(zāi)害極為頻繁的國(guó)家,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與防汛抗旱關(guān)系密切。地形復(fù)雜,東西部、南北方的自然地理?xiàng)l件差異很大,這種特殊的水資源狀況決定了我國(guó)是一個(gè)水旱災(zāi)害頻繁而嚴(yán)重的國(guó)家。洪旱災(zāi)害成為了我國(guó)基本國(guó)情之一[1]。本文以錢塘江為研究對(duì)象,錢塘江年平均降水量1 600 mm,其中4—6月多雨,占50%,易發(fā)洪、澇災(zāi)害;7—9月占20%,旱災(zāi)頻繁。河川徑流年內(nèi)、年際變化較大,近10 a來(lái),錢塘江屢次“卷人”事件也引起社會(huì)的極大關(guān)注。針對(duì)這一嚴(yán)峻形勢(shì),迫切地需要建設(shè)一套先進(jìn)的、實(shí)用的水位預(yù)警系統(tǒng)。

近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者都提出針對(duì)水文災(zāi)害的預(yù)警計(jì)劃。文獻(xiàn)[2]利用流域面雨量預(yù)報(bào)技術(shù),結(jié)合水文關(guān)于流量、水位的洪澇預(yù)報(bào)模式,開發(fā)了湄江河流域洪澇監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng);文獻(xiàn)[3]利用虛擬仿真技術(shù),提出一套災(zāi)害預(yù)測(cè)仿真系統(tǒng),但是結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,實(shí)際操作性不強(qiáng);文獻(xiàn) [4]提出建設(shè)預(yù)報(bào)決策支持系統(tǒng)和預(yù)警信息發(fā)布平臺(tái),由災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息平臺(tái)、水雨情監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)3部分構(gòu)成,為水文預(yù)警提出建設(shè)性的意見。本文利用ArcGIS Server技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了基于GPRS和ArcGIS Server的水文預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)一方面可以解決水利相關(guān)單位及部門間數(shù)據(jù)共享的問題,實(shí)現(xiàn)水位信息的數(shù)字化、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化;另一方面又可將水位預(yù)警信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)媒介(Internet、電臺(tái)、電視、手機(jī)短消息、戶外電子公告欄等等)將水位預(yù)警信息及時(shí)、有效地公布給廣大群眾。

2 工作原理

ArcGIS Server是一個(gè)基于WEB的企業(yè)級(jí)GIS解決方案,將2項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)GIS和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集合在一起。優(yōu)點(diǎn)如下:集中式管理帶來(lái)成本的降低;客戶端可以有高級(jí)的GIS服務(wù);使WEBGIS具備了靈活的數(shù)據(jù)編輯和高級(jí)分析能力[5]。其網(wǎng)絡(luò)工作模式如圖1所示:

圖1 網(wǎng)絡(luò)工作模式圖

水文預(yù)警系統(tǒng)的具體工作流程為:①將傳感器接到RTU設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位參數(shù);②通過(guò)移動(dòng)GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái),將水文采集信息無(wú)線傳輸?shù)剿谋O(jiān)測(cè)服務(wù)中心;③水文監(jiān)測(cè)中心依據(jù)傳回的數(shù)據(jù),在ArcGIS Server平臺(tái)上做出實(shí)時(shí)分析和發(fā)布;④水文監(jiān)測(cè)中心根據(jù)分析報(bào)告響應(yīng)對(duì)應(yīng)的流程或者預(yù)警方案。

3 數(shù)據(jù)傳輸及組織模型

3.1 GPRS數(shù)據(jù)傳輸

傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)站與各采集點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信主要采用手工抄錄或PSTN電話線傳輸。采用電話線傳輸數(shù)據(jù)時(shí),由于每次撥號(hào)都需要等待,速度慢,而且費(fèi)用較高。同時(shí),由于各監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn),個(gè)別點(diǎn)地處偏僻,因此需申請(qǐng)很多電話線,而且有些監(jiān)控點(diǎn)有線線路難以到達(dá)。

GPRS具有速度快、使用費(fèi)用低的特點(diǎn),其傳輸速度可達(dá)171.2 kb/s。與有線通訊方式相比,采用GPR S無(wú)線通信方式則顯得非常靈活,它具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、運(yùn)行費(fèi)用低,維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。水文測(cè)報(bào)機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理,轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式,通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,最終傳送到監(jiān)控中心IP地址[6]。

由于水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊性,系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無(wú)意的破環(huán),網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24 h不間斷運(yùn)行,即使出現(xiàn)硬件和軟件故障,系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心可通過(guò)公網(wǎng)接入,或者到移動(dòng)專網(wǎng)接入,采用公網(wǎng)接入方式成本比較低,企業(yè)不用租用專線,而使用數(shù)據(jù)專線接入時(shí),GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過(guò)Radius服務(wù)器的認(rèn)證,整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程得到了加密保護(hù),安全性比較高,可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)組織

該系統(tǒng)的水位信息數(shù)據(jù)都是通過(guò)ArcSDE保存在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中,ArcSDE是一種中間件技術(shù),它在GIS應(yīng)用程序和基于RDBMS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)間提供了一個(gè)開發(fā)的接口。用戶可以通過(guò)ArcSDE將空間數(shù)據(jù)提交給RDBMS,由RDBMS統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理;同樣客戶也可以通過(guò)它從RDBMS中獲取空間數(shù)據(jù)。通過(guò)使用ArcSDE擴(kuò)展了RDBMS的空間數(shù)據(jù)處理功能,將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)集成到RDBMS中,由RDBMS統(tǒng)一管理,充分利用了RDBMS的安全性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)一致性等特點(diǎn)。

該水文預(yù)警空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的3層體系結(jié)構(gòu)[7],如圖2所示:

圖2 系統(tǒng) 3層體系圖

數(shù)據(jù)層采用SQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和管理。

邏輯層通過(guò)ArcSDE API接口處理ArcSDE空間數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn),如空間數(shù)據(jù)的存取、表現(xiàn)和操作等。

應(yīng)用層基于業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)核心業(yè)務(wù)的支持,利用ArcGIS Server開發(fā),實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的具體應(yīng)用。

3.3 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)預(yù)警的判斷依據(jù)主要是水位的DEM數(shù)據(jù),因此,主數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)自定義字段為 “Point ID” (點(diǎn)號(hào))、“height”(高程)、“Point Info”(點(diǎn)位信息),如表1所示。

表1 水位數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)表

水位點(diǎn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以點(diǎn)要素的形式存在,即point feature class(點(diǎn)要素類),高程值以 “1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”為起算面,忽略地球曲率的影響,將某段江面高程值分為7個(gè)等級(jí),如表2所示。

表2 預(yù)警等級(jí)表

4 系統(tǒng)的關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

4.1 地圖發(fā)布

發(fā)布成地圖服務(wù)是移動(dòng)開發(fā)的最重要關(guān)鍵技術(shù)之一,它是一切移動(dòng)開發(fā)和使用的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)只有被發(fā)布成服務(wù),才能被在線瀏覽、查詢和編輯。移動(dòng)服務(wù)種類有很多,最常見的有MS(地圖服務(wù)),WMS(包括feature類和coverage類的地圖服務(wù)),WFS(feature類的地圖服務(wù)),WCS(coverage類的地圖服務(wù)),KML(Google地圖服務(wù)),Mobile Data Access(移動(dòng)使用服務(wù)),Network Analysis(網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)),Geodata Service(地理編碼服務(wù)),Geoprocessing Service(地理處理服務(wù))。MS為基礎(chǔ)地圖服務(wù)功能,本地圖數(shù)據(jù)的發(fā)布只需勾選這項(xiàng)。試驗(yàn)地圖服務(wù)的發(fā)布如圖3所示。

4.2 水位預(yù)警

水位預(yù)警的重要手段是采用水位分析技術(shù)。水位高程是水位分析的根本依據(jù),無(wú)論干旱或者汛洪,直接表現(xiàn)形式是高程值的變化情況。每次傳回的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析,在地圖上都有完整顯示,因?yàn)樗那闆r有急有緩,實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)是水文分析處理的重點(diǎn),也是難點(diǎn)。水位每天都在不斷變化,每天的變化、每周的變化、每月的變化,都應(yīng)該以專題圖和趨勢(shì)表的分析形式表現(xiàn)出來(lái),持續(xù)的水位下沉或者上升,應(yīng)當(dāng)立刻引起監(jiān)測(cè)工作人員的關(guān)注。

圖3 試驗(yàn)地圖發(fā)布圖

江面各段有布設(shè)好的水位點(diǎn),根據(jù)各點(diǎn)歷史水位信息,將預(yù)警等級(jí)分成7級(jí)預(yù)警機(jī)制,在ArcCatalog中,依據(jù)點(diǎn)位的字段“Height”,將7個(gè)等級(jí)以不同的顏色分級(jí)顯示,如圖4所示,比如當(dāng)水位點(diǎn)的Height值為32時(shí),點(diǎn)的顏色以紅色顯示,此時(shí)的預(yù)警等級(jí)就是5級(jí)汛情預(yù)警,預(yù)警信息 為汛3,為汛情的最高級(jí)別。

圖4 水位分析結(jié)果圖

4.3 應(yīng)急預(yù)案

應(yīng)急預(yù)案是在水文預(yù)警分析基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際預(yù)警等級(jí),響應(yīng)相應(yīng)級(jí)別的預(yù)警程序,應(yīng)急預(yù)案的制定是經(jīng)過(guò)實(shí)際考察,以及對(duì)比相關(guān)防災(zāi)減災(zāi)體系的預(yù)案體系,充分考慮到事發(fā)之后的決策反映速度和措施質(zhì)量,針對(duì)旱情或者汛情的具體情況,采取的第一時(shí)間處理工作,避免因?yàn)?zāi)情發(fā)生導(dǎo)致工作的混亂無(wú)序狀態(tài)。應(yīng)急預(yù)案的特點(diǎn)如下:①及時(shí)性。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸和ArcGIS Server技術(shù)相結(jié)合,縮小了數(shù)據(jù)傳輸和處理的時(shí)間,能在首要時(shí)間內(nèi)發(fā)布災(zāi)情預(yù)警;②有序性。將歷史水文相關(guān)信息整合成等級(jí)明確、分工協(xié)作的應(yīng)急響應(yīng)流程,避免人為失誤而導(dǎo)致災(zāi)害的擴(kuò)大;③可操作性。從數(shù)據(jù)的傳輸、整理、入庫(kù)、分析,到應(yīng)急程序的響應(yīng),都是完全智能化控制,避免事件后的緊急編制而延誤最佳防洪抗災(zāi)的時(shí)機(jī)。

通過(guò)對(duì)應(yīng)急預(yù)案的分析,一個(gè)完整的應(yīng)急預(yù)案應(yīng)該包括報(bào)警、應(yīng)急響應(yīng)、善后處理3部分,在本文研究中,將水文應(yīng)急預(yù)案按照事件的響應(yīng)級(jí)別分成5個(gè)部分:一等旱情、二等旱情、較大汛情、大汛情、重大汛情。根據(jù)水文事件響應(yīng)級(jí)別,系統(tǒng)啟動(dòng)相應(yīng)級(jí)別的應(yīng)急響應(yīng)內(nèi)容,如表3所示。

表3 響應(yīng)程序表

當(dāng)傳回服務(wù)端的0001點(diǎn)水位數(shù)據(jù)分析為預(yù)警等級(jí)3時(shí),響應(yīng)程序自動(dòng)調(diào)出文件C,依據(jù)0001號(hào)點(diǎn)所在位置,自動(dòng)生成水文工作簡(jiǎn)報(bào)和供媒體使用的水文信息內(nèi)容,如圖5所示:

圖5 應(yīng)急文件圖

5 結(jié) 語(yǔ)

水文預(yù)警的建設(shè)工作任重而道遠(yuǎn)。本文首次嘗試將網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)應(yīng)用到水位預(yù)警領(lǐng)域,從時(shí)效性、可操作性等多個(gè)角度分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。針對(duì)水文監(jiān)測(cè)工作的特殊性,設(shè)計(jì)出實(shí)用的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)傳輸方式,充分發(fā)揮GIS分析處理功能,并且能夠根據(jù)不同級(jí)別的預(yù)警等級(jí)響應(yīng)不同的應(yīng)急預(yù)案、智能生成工作簡(jiǎn)報(bào)和信息內(nèi)容等。目前,系統(tǒng)仍處于設(shè)計(jì)開發(fā)測(cè)試階段,但從調(diào)試中系統(tǒng)所體現(xiàn)的靈活性和便捷性可知,該系統(tǒng)可以提高水文預(yù)警服務(wù)的工作效率。

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