萬 鵬，高振斌，楊 釗

GIS系統(tǒng)在山東黃河水文信息化的應(yīng)用研究

萬 鵬，高振斌，楊 釗

（黃委山東水文水資源局，山東 濟(jì)南 250100）

隨著黃河水文信息化建設(shè)發(fā)展，尤其在地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的應(yīng)用，為水文工作帶來新的模式與發(fā)展前景。該局采用ArcGIS創(chuàng)建黃河下游GIS地圖，通過Web服務(wù)對(duì)水文（位）站進(jìn)行分級(jí)管理和訪問，可在線對(duì)黃河下游測(cè)站的雨水情信息、水文設(shè)施工程、河道布設(shè)的矢量圖、三維模型等空間數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

GIS系統(tǒng)；黃河水文；信息化應(yīng)用

1 概述

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使黃河管理和流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水文服務(wù)的需求與日俱增。國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)后，初步構(gòu)建雨水情自動(dòng)采集、全國(guó)水文年鑒數(shù)據(jù)庫(kù)、水文技術(shù)檔案等多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，有效提升了水文全面服務(wù)社會(huì)的能力。隨著地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，已建水文業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)由于水文數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)表單多樣且結(jié)構(gòu)不一、業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間缺乏統(tǒng)一的支撐平臺(tái)，不能滿足統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和共享交換，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)海量大數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化空間數(shù)據(jù)高效管理的水文“一張圖”［1］。

將水文數(shù)據(jù)和元素模擬進(jìn)GIS地圖中，可以使黃河河道高分辨率影像、河道斷面數(shù)據(jù)、岸堤及重點(diǎn)水文設(shè)施及建筑物等空間數(shù)據(jù)完整融合，形成一套完整的空間數(shù)據(jù)采集與更新機(jī)制，在給業(yè)務(wù)管理帶來便捷的同時(shí)，也打破了各類海量數(shù)據(jù)之間的壁壘，充分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享［2］。GIS系統(tǒng)的建成能夠?qū)ⅫS河下游較全面的、實(shí)時(shí)的水文多元化數(shù)據(jù)，通過高精度、多圖層的地圖展示，直觀方便地分析黃河水勢(shì)的演進(jìn)變化，探索其內(nèi)部規(guī)律，對(duì)全面動(dòng)態(tài)地掌握測(cè)區(qū)凌情和汛情，快捷高效地開展水文測(cè)報(bào)質(zhì)量管理，提高對(duì)突發(fā)汛情的跟蹤、分析和會(huì)商決策能力，為黃河治理、開發(fā)和管理提供技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)內(nèi)容

以當(dāng)前主流的瀏覽器/服務(wù)器為訪問模式，采用JAVAScriptDOJO面向?qū)ο蟮哪K化語言進(jìn)行開發(fā)。航拍測(cè)繪的電子地圖作為底圖，分別繪制成矢量圖、地形圖和影像圖三種空間比例尺圖層，在公共模型框架下對(duì)三種比例尺下的數(shù)據(jù)進(jìn)行切片。使用《山東黃河下游測(cè)站考證（2005年）》數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以符號(hào)化矢量的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一描述和存儲(chǔ)。對(duì)水文（位）站的測(cè)驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)定位采集，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、防汛決策和開展水文測(cè)驗(yàn)質(zhì)量管理的需要，包括：站點(diǎn)定位、水情查詢、基礎(chǔ)信息檢索、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、三維模型演示等。即對(duì)黃河下游19處站點(diǎn)的GPS坐標(biāo)信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位；讀取測(cè)站的實(shí)時(shí)雨水情信息；檢索測(cè)站的歷史特征值、歷年關(guān)系曲線圖、測(cè)站基礎(chǔ)信息、測(cè)站站貌等數(shù)據(jù)；通過接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠觀測(cè)到監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)驗(yàn)情況及水位變化；運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)對(duì)重點(diǎn)測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行航拍，通過對(duì)二、三維數(shù)據(jù)切片的導(dǎo)入可清晰展示測(cè)站基地、河道斷面和灘地情況。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與原則

2.2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)施均嚴(yán)格執(zhí)行《國(guó)家基本比例尺地形圖圖式第二部分：1∶50001∶10000地形圖圖式》（GB/T20257.2-2006）［3］； 《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》（GB/T13923-2006）［4］； 《水情信息編碼》（SL330-2011）［5］； 《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL323-2011）［6］、 《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》（SL61-94）［7］； 《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)》（SL276-2002）［8］等規(guī)范要求。

2.2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）標(biāo)準(zhǔn)化原則

總體符合工程系列和水利行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)參照現(xiàn)行《國(guó)家基本比例尺地形圖圖式第二部分：1∶50001∶10000地形圖圖式》GB/T 20257.2-2006［3］，進(jìn)行分類整理。要素字段的設(shè)計(jì)類型、長(zhǎng)度采用《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》（GB/T13923-2006）和《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL323-2011）；通訊協(xié)議采用TCP/IP通用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)開發(fā)采用主流的 Arcgis和Java開發(fā)工具編寫。

（2）技術(shù)成熟和先進(jìn)性原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用開放的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的主流技術(shù)、技術(shù)成熟的前沿產(chǎn)品，通過信息整合、信息傳輸、信息展示應(yīng)用搭建水文成果展示平臺(tái)，建成黃河“智慧水文”，以此提升業(yè)務(wù)管理水平，具有一定的創(chuàng)新性和前瞻性。

（3）可擴(kuò)展和易維護(hù)原則

具有獨(dú)立的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，授權(quán)分級(jí)用戶按帳號(hào)進(jìn)行登錄和編輯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地錄入，系統(tǒng)自動(dòng)共享，操作界面友好、用戶操作簡(jiǎn)單。

平臺(tái)具有良好的兼容性，易于擴(kuò)展、修改模塊、增加功能以及重組系統(tǒng)，軟件本身能夠不斷適應(yīng)管理業(yè)務(wù)需求的提升和變化，同時(shí)在開發(fā)階段充分考慮易于維護(hù)的原則。

3 系統(tǒng)建設(shè)

該系統(tǒng)為信息采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)構(gòu)成信息綜合平臺(tái)，該系統(tǒng)架構(gòu)分為三層，表示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層。表示層在客戶端顯示地圖和數(shù)據(jù)的操作，提供系統(tǒng)管理、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)管理功能；應(yīng)用層為GIS服務(wù)和WEB服務(wù)，用于編輯空間要素信息和屬性信息，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)加載、分析和處理；數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)空間地圖數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性、完整性、一致性和并發(fā)控制，是平臺(tái)建設(shè)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

3.1 數(shù)據(jù)資源挖掘與整合

3.1.1 測(cè)繪數(shù)據(jù)資源

系統(tǒng)利用GoogleEarth衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資源進(jìn)行地理信息的檢索、分析與制圖，按照《國(guó)家基本比例尺地形圖分幅和編號(hào)》（GB/T13989-2012）［9］規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)分幅，獲取黃河下游干流山東段的30cm分辨率衛(wèi)星影像。同時(shí)使用專用軟件整合1∶10000黃河下游河勢(shì)矢量圖、山東省沿黃各地市1∶1000矢量標(biāo)注圖。

使用德國(guó)MAVinci公司的天狼星無人機(jī)GPS+RTK技術(shù)采集數(shù)據(jù)，對(duì)黃河下游重點(diǎn)河段拍攝10cm精度的航拍影像圖，生成DOM（數(shù)字正射影像圖）和DEM（數(shù)字高程模型），形成黃河山東河段的DEM高分?jǐn)?shù)據(jù)。采用ArcGISDesktop10.3對(duì)地圖進(jìn)行處理、編輯、切片和發(fā)布，為地理信息系統(tǒng)和模塊開發(fā)提供空間數(shù)據(jù)支持。

利用美國(guó)TrimbleGPS定位系統(tǒng)和CGCS2000坐標(biāo)系的山東CORS基站，對(duì)黃河下游24處站點(diǎn)的基本斷面、測(cè)流斷面、比降斷面、吊箱纜道、三等以上水準(zhǔn)點(diǎn)、永久性水尺等進(jìn)行GPS測(cè)量、定位、標(biāo)識(shí)，測(cè)出地理坐標(biāo)。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分類整合，確定點(diǎn)要素、線要素、面要素，采用水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將所有信息要素進(jìn)行分類整理入庫(kù)和地圖標(biāo)繪，實(shí)現(xiàn)水文地理信息的準(zhǔn)確性、可靠性、有效性。如圖1所示。

圖1 測(cè)驗(yàn)河段高清航拍影像

3.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)資源

系統(tǒng)涉及空間地理數(shù)據(jù)和基本水文數(shù)據(jù)兩種表結(jié)構(gòu)，采用Geodatabase的存儲(chǔ)模式進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Geodatabase是一種面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型，是建立在DBMS之上的統(tǒng)一的、智能的空間數(shù)據(jù)模型。以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫(kù)建立基本水文數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)，從實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)中同步獲取數(shù)據(jù)，表結(jié)構(gòu)和字段格式符合《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》（SL323-2011）規(guī)范的要求。包括各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集、標(biāo)準(zhǔn)化整編處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)管理與共享等。即解決系統(tǒng)所涉及的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，又要整合遠(yuǎn)程采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為平臺(tái)功能發(fā)揮提供有力的數(shù)據(jù)庫(kù)支持。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊

3.2.1 系統(tǒng)模式

（1）訪問模式：以主流的 B/S（瀏覽器/服務(wù)器）為訪問模式，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)在電子地圖中的資源共享，能夠在LED觸摸屏、平板電腦上取得良好的顯示效果，可以廣泛的運(yùn)用到水文業(yè)務(wù)分析與管理，尤其是水情會(huì)商、防汛決策以及水文測(cè)驗(yàn)管理等方面。

（2）人機(jī)交互：充分考慮到人機(jī)交互的觸摸感受，通過鼠標(biāo)操作和觸屏操作達(dá)到交互效果。平移視圖、改變地圖比例尺可通過鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)和中間滾輪來實(shí)現(xiàn)，觸摸屏是以單指拖動(dòng)和兩指縮放為主，經(jīng)測(cè)試比較符合一般人的操作習(xí)慣。

（3）坐標(biāo)定位：通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、觸摸屏觸摸的方式，在地圖上點(diǎn)選要素，通過在空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢獲取到該要素地理坐標(biāo)并定位，并可查詢?cè)撘厮南嚓P(guān)數(shù)據(jù)。

（4）分類檢索、分層加載：對(duì)采集與標(biāo)繪的地理信息進(jìn)行分類加載，用戶可以根據(jù)需要對(duì)相關(guān)圖層進(jìn)行加載，只加載對(duì)應(yīng)的空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，滿足了用戶對(duì)不同數(shù)據(jù)有針對(duì)性的檢索。

3.2.2 業(yè)務(wù)模塊

將平臺(tái)功能模塊擴(kuò)展到基本水文業(yè)務(wù)，包括實(shí)時(shí)水情、水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施的GIS定位、切換和檢索、視頻調(diào)用等功能，經(jīng)過對(duì)業(yè)務(wù)需求的梳理，建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)資源，完成各業(yè)務(wù)模塊的集成開發(fā)，確保模塊之間的資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，提高測(cè)區(qū)的水文業(yè)務(wù)管理的信息化水平［10］。

（1）實(shí)時(shí)水情監(jiān)測(cè)分析

通過調(diào)用實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)接口信息，讀取黃河下游測(cè)站的雨水情數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)查詢測(cè)站水位流量變化過程及實(shí)測(cè)情況，便于及時(shí)指導(dǎo)測(cè)站的水文測(cè)報(bào)工作，見圖2所示，同時(shí)可實(shí)時(shí)接收遙測(cè)水位計(jì)的水位數(shù)據(jù)，出現(xiàn)異常水位變化時(shí)及時(shí)預(yù)警，便于測(cè)站人員及時(shí)做好水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)的應(yīng)對(duì)。

（2）實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控

圖2 實(shí)時(shí)水情監(jiān)測(cè)信息

調(diào)取遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控信息，對(duì)視頻接入模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼，將不同格式的視頻流轉(zhuǎn)換為HLS/H264格式，實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)站的水尺斷面、測(cè)驗(yàn)斷面、過河纜道及水文設(shè)施等視頻資料。目前濼口水文站、利津水文站、清河鎮(zhèn)水位站、張肖堂水位站、麻灣水位站、西河口水位站等11處已安裝云臺(tái)式激光攝像頭，采用光纖傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，達(dá)到高清級(jí)的斷面視頻監(jiān)控效果。利用VPN技術(shù)、ONVIF協(xié)議將視頻監(jiān)控傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和云臺(tái)控制功能。

（3）三維地圖建模及數(shù)據(jù)服務(wù)

為用戶提供預(yù)先編制的線劃地圖、地形暈渲、影像地圖的瀏覽服務(wù)。采用無人機(jī)傾斜地理測(cè)量技術(shù)對(duì)基本斷面和周邊灘地情況進(jìn)行了航拍，航拍比例尺精確最高達(dá)到5cm。運(yùn)用俄羅斯Agisoft的Photoscan后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過對(duì)最終數(shù)據(jù)的切片導(dǎo)入和發(fā)布，將三維地圖數(shù)據(jù)發(fā)布為 WMS（WebMapService）服務(wù)。使各類矢量服務(wù)、影像服務(wù)動(dòng)態(tài)立體地呈現(xiàn)在三維模型中，并實(shí)現(xiàn)當(dāng)前地圖的二、三維地圖聯(lián)動(dòng)。為下一步實(shí)現(xiàn)黃河河道與河口演變分析，不同流量的洪水演進(jìn)模擬做好數(shù)據(jù)加載工作。

3.3 系統(tǒng)集成

3.3.1 硬件部署

系統(tǒng)需要硬件包括：地圖信息服務(wù)器2臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)服務(wù)器各1臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器1臺(tái)。地圖服務(wù)器部署 ArcGISServer10.1軟件，主要是負(fù)責(zé)地圖服務(wù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器接收到客戶端地圖服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器就會(huì)將地圖服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給GIS服務(wù)器，GIS將對(duì)地圖服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果返回網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器，再由網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器返回給客戶端。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器部署Oracle軟件，完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布發(fā)布服務(wù)器提供系統(tǒng)的門戶功能。

3.3.2 軟件部署

軟件部署包括：基礎(chǔ)軟件、項(xiàng)目建設(shè)數(shù)據(jù)和軟件，其中基礎(chǔ)軟件包括：二維地理信息軟件（Arc-GISServer10.1標(biāo)準(zhǔn)版）、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（Oracle10g）、 Web中間件 （Tomcat5.0 或以上、WebLogic10.0等）。系統(tǒng)建設(shè)數(shù)據(jù)和軟件主要包括：空間數(shù)據(jù)庫(kù)、專題數(shù)據(jù)庫(kù)、河道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、電子地圖、電子地圖切片數(shù)據(jù)、三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、二維地理信息服務(wù)、三維地理信息服務(wù)、二維地理信息開發(fā)接口、二維地理信息門戶網(wǎng)站。這些軟件和數(shù)據(jù)部署在上述4臺(tái)服務(wù)器上。

4 結(jié)語

將GIS技術(shù)運(yùn)用在水文信息化管理在本行業(yè)中尚屬首例，該項(xiàng)目的實(shí)施為黃河下游水文（位）站提供地理數(shù)據(jù)服務(wù)和空間分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文（位）站水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施的 GPS定位和查詢，水位、流量過程等水文情勢(shì)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)一步提升水文測(cè)報(bào)質(zhì)量管理水平，拓寬防汛、防凌決策活動(dòng)的視野，提高黃河下游防凌、防汛的決策效率和響應(yīng)能力，為黃河防汛抗旱和水資源統(tǒng)一調(diào)度提供及時(shí)高效的信息服務(wù)，將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］高露雄，肖志遠(yuǎn)，王立海.基于大數(shù)據(jù)環(huán)境的水文GIS應(yīng)用發(fā)展初探［C］.2015（第三屆）中國(guó)水利信息化與數(shù)字水利技術(shù)論壇論文集，2015.

［2］芮孝芳.水文學(xué)與“大數(shù)據(jù)”［J］.水利水電科技進(jìn)展，2016（03）： 1-4.

［3］GB/T20257.2-2006.國(guó)家基本比例尺地形圖圖式第二部分：1∶50001∶10000地形圖圖式［S］.

［4］GB/T13923-2006.基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼［S］.

［5］ SL330-2011.水情信息編碼［S］.

［6］SL323-2005.實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］SL61-2015.水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］SL276-2002.水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［9］GB/T13989-2012.國(guó)家基本比例尺地形圖分幅和編號(hào)［S］.

［10］王永亮.新時(shí)期3S技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)中的作用初探［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2017（01）：30-31.

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1008-1305（2017）05-0034-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.012

2017-03-24

萬 鵬（1979年—），女，高級(jí)工程師。