張建廷 ，杜明義，尚利堃，鮑慶雪

(1.北京建筑工程學(xué)院“現(xiàn)代城市測(cè)繪”國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044;2.中國人民銀行沈陽分行，遼寧沈陽 110001)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，暴雨洪災(zāi)對(duì)城市的壓力日趨嚴(yán)重，國內(nèi)外大城市暴雨水災(zāi)事件頻繁發(fā)生［1］。城市防汛體系建設(shè)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及城市防汛規(guī)劃、工程建設(shè)、防汛工程設(shè)施的日常管理維護(hù)及暴雨等條件下的城市防汛的應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后恢復(fù)重建及公眾參與等等各個(gè)方面。其中最基本、也是相當(dāng)重要的工作就是對(duì)城市雨情的監(jiān)測(cè)。加強(qiáng)城市雨情關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)于減輕城市洪澇災(zāi)害損失和人員傷亡，保障經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的和諧發(fā)展有重要意義。本文以北京市西城區(qū)降雨量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工程為例，闡述該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)的介紹。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

北京市西城區(qū)降雨量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是集成電子地圖、實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)、雨情預(yù)警分析等的數(shù)字城市防汛綜合應(yīng)用平臺(tái)。如圖1所示，該平臺(tái)核心功能可分為5個(gè)主要部分，分別為:實(shí)時(shí)雨情監(jiān)視、雨情信息查詢、降雨曲線繪制、城區(qū)積水模擬和系統(tǒng)管理與設(shè)置。

圖1 系統(tǒng)總體功能

(1)實(shí)時(shí)雨情監(jiān)視

主要功能為:設(shè)置接收系統(tǒng)IP地址，端口號(hào)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫相關(guān)參數(shù);自動(dòng)保存數(shù)據(jù)接收日志;保存接收的信息并將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

(2)雨情信息查詢

主要功能為:查看各個(gè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)雨量;按照街道或站點(diǎn)對(duì)雨量值進(jìn)行查詢;按月對(duì)西城區(qū)各街道的降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(3)降雨曲線繪制

主要功能為:根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的雨量值繪制等降雨線。用以分析城區(qū)內(nèi)的降雨量分布。

(4)城區(qū)積水模擬

主要功能為:根據(jù)等降雨線對(duì)區(qū)域降水進(jìn)行模擬分析。用以模擬出城區(qū)內(nèi)最有可能被淹沒的地區(qū)，及早進(jìn)行相關(guān)的防范措施。

(5)系統(tǒng)管理與設(shè)置

主要功能為:劃分不同的權(quán)限，對(duì)不同登陸人員賦予不同的權(quán)限。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于GPRS的雨量值傳輸系統(tǒng)

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN和SGSN來實(shí)現(xiàn)的，使得用戶能在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。北京市西城區(qū)降雨量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中雨量數(shù)據(jù)是由均勻布設(shè)在北京市西城區(qū)的34個(gè)雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過GPRS實(shí)時(shí)傳送的。依據(jù)雨量監(jiān)測(cè)器的工作原理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制［2］，在降雨時(shí)每5 min傳輸一次數(shù)據(jù)，晴天時(shí)處于休眠狀態(tài)?；贕PRS的雨量值傳輸系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 基于GPRS的雨量值傳輸系統(tǒng)

3.2 基于DEM的城市暴雨積水模型的建立

DEM是地形表面的一個(gè)數(shù)學(xué)(或數(shù)字)模型。對(duì)地形表面進(jìn)行表達(dá)的各種處理稱為表面重建或表面建模，重建的表面通常可認(rèn)為是DEM表面。因此，地形表面重建實(shí)際上就是DEM表面重建或DEM表面生成。當(dāng)DEM表面重建后，模型上任一點(diǎn)的高程信息就可從DEM表面獲得［3］。由于本文研究的區(qū)域處于城市，在進(jìn)行地表重建時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮人工建筑對(duì)于DEM的影響，建立城市DEM的過程如圖3所示。

城市暴雨積水，即指降雨下落城市區(qū)域形成徑流后由于地勢(shì)低洼、排水不及時(shí)等原因造成的一定徑流深度地面積水［4］。近年來，由于城市化進(jìn)程的加快，城市不透水區(qū)域面積大幅增多，導(dǎo)致地表徑流增大及地表匯流速度大幅加快，同時(shí)由于氣候變化，暴雨頻率增加，高強(qiáng)度暴雨對(duì)城市化地區(qū)產(chǎn)生的威脅和帶來的損失愈來愈大。本文以城市DEM和雨量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立城市暴雨積水模型如圖4所示。

圖3 建立城市DEM

圖4 城市暴雨積水模型

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)例應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

北京市西城區(qū)降雨量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用Flex框架以及Java編程語言，以SQL Server 2005作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器并利用ArcGIS Server 9.3提供地圖服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從后臺(tái)傳輸?shù)角芭_(tái)頁面展現(xiàn)的整個(gè)流程。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖5～圖8所示。

圖5 系統(tǒng)查詢界面

圖6 系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)界面

圖7 實(shí)時(shí)雨情專題圖

圖8 降雨積水區(qū)模擬圖

4.2 實(shí)例應(yīng)用

2012年7月21日北京城遭遇61年來最大暴雨，在此次降雨過程中，西城區(qū)實(shí)時(shí)雨量監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布了及時(shí)準(zhǔn)確的降雨監(jiān)測(cè)信息，在市級(jí)氣象預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，為西城區(qū)防汛應(yīng)急工作積極開展提供了更加精準(zhǔn)而有力的支持。7月21日14時(shí)～7月22日2時(shí)，西城區(qū)全區(qū)平均降雨228.5 mm，降雨量最大點(diǎn)出現(xiàn)在成方街站，雨量值331.5 mm，本系統(tǒng)共發(fā)布預(yù)警短信192條。以降雨量最大的成方街站為例，降雨過程集中在7月21日下午16點(diǎn)到21點(diǎn)，其降雨量隨時(shí)間變化具體如圖9所示。

5 結(jié)語

目前城市防汛監(jiān)測(cè)和預(yù)警中數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性差、準(zhǔn)確性低，在城市實(shí)時(shí)雨量監(jiān)測(cè)方面，大都還停留在單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離相隔太遠(yuǎn)，不能夠統(tǒng)籌分析;在預(yù)警方面也缺乏運(yùn)用GIS對(duì)全局進(jìn)行把握。本文結(jié)合GIS的優(yōu)勢(shì)與GPRS無線傳輸技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的豐富展示。以西城區(qū)實(shí)時(shí)雨量監(jiān)控系統(tǒng)為背景，簡(jiǎn)要闡述了系統(tǒng)的構(gòu)建。該系統(tǒng)運(yùn)用的相關(guān)技術(shù)先進(jìn)可靠、運(yùn)行效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，符合用戶要求，滿足業(yè)務(wù)需要，較好地實(shí)現(xiàn)了城市降雨監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

圖9 成方街站降雨趨勢(shì)圖

［1］劉秋鋒，趙建，康慕誼.濟(jì)南市城市擴(kuò)展與城市暴雨洪災(zāi)［J］.災(zāi)害學(xué)，2005，12(4):40～42.

［2］黃克磊，閆小珍，王媛等.GPRS自動(dòng)雨量站狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，5(2):73～76.

［3］劉仁義，劉南.基于GIS技術(shù)的淹沒區(qū)確定方法及虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)·理學(xué)版，2002，9(5):573～577.

［4］楊弋，吳升.城市暴雨積水模擬方法分析及研究［J］.測(cè)繪信息與工程，2009，34(1):35 ～37.