文/徐會(huì)軍 陳俊 林劍龍

1 引言

為了逐步完善中小河流水文監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)中小河流水文監(jiān)測(cè)及預(yù)警預(yù)報(bào)能力，提升中小河流的防汛減災(zāi)能力，減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失，水利部連續(xù)出臺(tái)了多個(gè)關(guān)于全面開(kāi)展中小河流水文監(jiān)測(cè)能力的文件及總體規(guī)劃。福建省積極推進(jìn)中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，在完善監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的同時(shí)，運(yùn)用先進(jìn)信息技術(shù)和GIS技術(shù)，整合空間、水情、雨情等基礎(chǔ)，形成水文“一張圖”，建立一套服務(wù)于中小河流洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警、信息發(fā)布的綜合水情系統(tǒng)，全面提升水文情報(bào)的科技含量，提高洪水預(yù)報(bào)的精度和預(yù)見(jiàn)期，為福建省中小河流防洪減災(zāi)、中小水庫(kù)的安全運(yùn)行提供及時(shí)、準(zhǔn)確的決策依據(jù)和技術(shù)保障。

GIS（Geography Information System）是一種特定的空間信息技術(shù)，以計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)為支撐，將各類資源數(shù)據(jù)整合在一張地圖上，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)查詢、定位、統(tǒng)計(jì)和展現(xiàn)功能，直觀生動(dòng)展示水雨情的空間分布及趨勢(shì)發(fā)展，為水情監(jiān)測(cè)預(yù)警、水文情報(bào)統(tǒng)計(jì)及防汛輔助決策分析等提供更為豐富的信息支撐手段，從而能夠提高水情會(huì)商、應(yīng)急管理的高效性和科學(xué)性。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GIS技術(shù)的福建省中小河流水情信息系統(tǒng)(FJHIS-MSR)。系統(tǒng)基于以水文“一張圖”的理念，建立了一個(gè)面向省市縣三級(jí)水情機(jī)構(gòu)的水文業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和服務(wù)平臺(tái)，利用GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)匯集全省所有水雨情資源，實(shí)現(xiàn)水雨情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、空間分析、模型計(jì)算、洪水預(yù)警、信息交互等服務(wù)，充分挖掘利用已有數(shù)據(jù)資源和技術(shù)，提高水情預(yù)警預(yù)報(bào)的能力，為應(yīng)急防汛工作提供科技保障。

圖1：系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

圖2：系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)總體構(gòu)架及分層設(shè)計(jì)

2.1 總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用分層化的設(shè)計(jì)思路，在建設(shè)架構(gòu)上分成感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層六個(gè)部分組成。其整體框架如圖1所示。

2.2 分層設(shè)計(jì)

2.2.1 感知層

作為系統(tǒng)最外在的“耳目”功能，主要是感知（接收）包括雨量、水位、流量、工情等各類傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及來(lái)自防汛、氣象等部門的共享數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)收集入庫(kù)，供系統(tǒng)調(diào)用。

2.2.2 傳輸層

將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，主要的傳輸通道為基于VPN的3G移動(dòng)傳輸卡，以及通過(guò)光纖模式的政務(wù)外網(wǎng)系統(tǒng)，后者則是使用水情信息交換系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸雨水情數(shù)據(jù)到上層機(jī)構(gòu)（廳（局）、部委/流域機(jī)構(gòu)）。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

圖3：實(shí)時(shí)水雨情預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面

圖4：一張圖服務(wù)效果圖

空間數(shù)據(jù)引擎（SDE）是GIS管理空間數(shù)據(jù)的核心部分，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。系統(tǒng)采用ArcGIS GeoDatabase組織和管理系統(tǒng)中所有的空間數(shù)據(jù)，使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)組織和管理系統(tǒng)中所有的屬性數(shù)據(jù)，SDE一體化整合空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，構(gòu)建水情GIS時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層數(shù)據(jù)的收集存儲(chǔ)、維護(hù)、管理以及空間索引的自動(dòng)維護(hù)與更新功能。

2.2.4 支撐層

是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)構(gòu)建基于ArcGIS Server地圖服務(wù)器，發(fā)布可訪問(wèn)的REST 服務(wù)資源，存儲(chǔ)、搭建功能中間件（組件），支撐系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的處理調(diào)度和負(fù)載均衡。

2.2.5 應(yīng)用層

承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的功能和邏輯處理，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)匯集、融合、空間分析以及模型計(jì)算等信息服務(wù)；根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際請(qǐng)求，分配服務(wù)資源處理業(yè)務(wù)需求。

2.2.6 表現(xiàn)層

系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，使用HTML/CSS/JavaScript技術(shù)編寫。對(duì)于復(fù)雜的人機(jī)界面和人機(jī)交互過(guò)程，如繪制過(guò)程線、專題地圖等，則采用圖片等方式嵌入到網(wǎng)頁(yè)中，確保提供統(tǒng)一的用戶界面，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化界面、用戶管理、單點(diǎn)登錄、信息發(fā)布等公共功能，包括實(shí)現(xiàn)面向各類終端包括手機(jī)、平板、PC電腦、大屏等的用戶體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按照功能模塊化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)中自頂而下、逐步求精的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)原則，結(jié)合水雨情數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作的實(shí)際要求，主要分成10個(gè)子系統(tǒng):站網(wǎng)管理系統(tǒng)、移動(dòng)人工報(bào)汛系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、預(yù)報(bào)成果管理系統(tǒng)、雨水情產(chǎn)品制作系統(tǒng)、水情報(bào)表制作管理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)水雨情預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)、LED汛情發(fā)布系統(tǒng)、移動(dòng)水情服務(wù)系統(tǒng)（e水文）、綜合水情辦公系統(tǒng)。其中，綜合水情辦公系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)水雨情預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。如圖2所示。

3.1.1 綜合水情辦公系統(tǒng)

通過(guò)該系統(tǒng)協(xié)助水情值班人員便捷、高效完成文件處理、數(shù)據(jù)管理、用戶管理等系統(tǒng)管理維護(hù)工作，實(shí)現(xiàn)文檔電子化管理，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)文檔的電子化存儲(chǔ)、傳送，確保數(shù)據(jù)的安全；通過(guò)協(xié)同工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)水情業(yè)務(wù)的協(xié)同、高效辦公，將水情預(yù)報(bào)人員從繁瑣的文案管理中解脫出來(lái)，更有效的開(kāi)展水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作。

3.1.2 實(shí)時(shí)水雨情預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)

建設(shè)一個(gè)全省統(tǒng)一的集雨水情產(chǎn)品展現(xiàn)、信息監(jiān)視、預(yù)警信息分析與發(fā)布等綜合業(yè)務(wù)過(guò)程于一體的監(jiān)視服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)以實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，通過(guò)WebGIS及統(tǒng)計(jì)圖表為信息展示方式，為用戶提供雨情、水情、墑情等方面直觀的信息查詢、圖形顯示、報(bào)表輸出及輔助決策分析服務(wù)，滿足用的信息查詢需求，輔助防汛決策。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是指在某一具體數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上開(kāi)展數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)、字段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程。本系統(tǒng)按照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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）》的要求，建立實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展，增加主要包括預(yù)報(bào)專用數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息圖形數(shù)據(jù)庫(kù)、雨水情產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)等庫(kù)，完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合性和通用性，提高系統(tǒng)的使用范疇。

3.2.1 實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)

按照《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）》在省中心、地市分中心建設(shè)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸及水情數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雨水情、預(yù)警預(yù)報(bào)信息的共享入庫(kù)，確保全省水雨情數(shù)據(jù)同源，便于協(xié)同會(huì)商、合成作戰(zhàn)。

3.2.2 預(yù)報(bào)專用數(shù)據(jù)庫(kù)

依據(jù)福建省中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的需求，規(guī)范預(yù)報(bào)模型庫(kù)、模型參數(shù)、預(yù)報(bào)方案、預(yù)報(bào)初始狀態(tài)等信息的存儲(chǔ)。在省中心、分中心分別建設(shè)預(yù)報(bào)專用數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)中小河流洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸及信息共享服務(wù)實(shí)現(xiàn)最終預(yù)報(bào)成果與省中心共享。

3.2.3 地理信息圖形數(shù)據(jù)庫(kù)

建設(shè)一套適合福建中小河流業(yè)務(wù)應(yīng)用的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足洪水預(yù)報(bào)、監(jiān)視服務(wù)、信息發(fā)布、地圖展現(xiàn)等業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)全省水文“一張圖”，主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)(DEM)等。

3.2.4 雨水情產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)

建設(shè)一套適合福建省中小河流監(jiān)視服務(wù)、信息發(fā)布的雨水情產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)信息展現(xiàn)的一致性。該數(shù)據(jù)庫(kù)為空間數(shù)據(jù)庫(kù)，由雨水情產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)將各類產(chǎn)品寫入到此空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，各應(yīng)用通過(guò)SDE獲取產(chǎn)品并展現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)從軟件的跨平臺(tái)應(yīng)用、擴(kuò)展性、兼容性、易用性等方面進(jìn)行考慮，采用基于兼容性和擴(kuò)展性較強(qiáng)的.NET平臺(tái)編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，以B/S和C/S混合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部功能模塊則采用組件集成方式開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)封裝技術(shù)進(jìn)行，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性、靈活性和兼容性。

3.3.1 前后端分離技術(shù)

系統(tǒng)采用前、后端分離技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。前端基于AJAX技術(shù)通過(guò)HTTP發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)端接收到前端數(shù)據(jù)請(qǐng)求后進(jìn)行權(quán)限過(guò)濾，將合法權(quán)限信息提交給對(duì)象關(guān)系映射（ORM）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析生成的SQL請(qǐng)求向數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并將所獲的結(jié)果向服務(wù)端應(yīng)用反饋，最終編譯成JSON格式發(fā)送給前端，并在瀏覽器展示。如圖3所示。

3.3.2 水文“一張圖”理念

面對(duì)水情預(yù)報(bào)、防汛會(huì)商等緊急情況時(shí)，需要綜合分析各類信息，如水情、雨情、基礎(chǔ)信息、氣象信息以及當(dāng)前或歷史信息的合成對(duì)比，為此引入了水文“一張圖”的理念，在系統(tǒng)中將需要的各業(yè)務(wù)信息統(tǒng)一展現(xiàn)在一張圖上，形成一站式地圖服務(wù)，在實(shí)戰(zhàn)中精確的搭建各類綜合信息庫(kù)，快速的開(kāi)展協(xié)同會(huì)商、綜合預(yù)報(bào)工作，完成水情服務(wù)、防汛專題業(yè)務(wù)的特征數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分布圖的定制。如圖4所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

福建省中小河流水情信息系統(tǒng)是一個(gè)基于GIS技術(shù)的水雨情信息管理、預(yù)警預(yù)報(bào)發(fā)布及水情會(huì)商等功能的一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水文“一張圖”理念，使得數(shù)據(jù)從源頭感知、傳輸、整合、流轉(zhuǎn)一體化，實(shí)現(xiàn)水文情報(bào)預(yù)報(bào)的各個(gè)環(huán)節(jié)無(wú)縫集成，為全省水情協(xié)同會(huì)商、合成作戰(zhàn)的全新模式提供了技術(shù)支撐平臺(tái)。

經(jīng)過(guò)近2年的運(yùn)行證明，福建省中小河流水情信息系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面簡(jiǎn)潔美觀，功能齊全，互操作性強(qiáng)，能夠滿足各類水文情報(bào)預(yù)報(bào)工作，能夠及時(shí)有效開(kāi)展預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)，提升福建省水文的服務(wù)能力和服務(wù)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將信息化技術(shù)、GIS技術(shù)以及水文預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)等應(yīng)用于社會(huì)創(chuàng)新管理業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水文“一張圖”水情信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)的投入使用一定程度的減輕水情值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，能夠較好的滿足了水情會(huì)商的工作需求，為開(kāi)展洪水預(yù)報(bào)、防汛減災(zāi)以及應(yīng)急管理等工作的協(xié)同會(huì)商、合成作戰(zhàn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

中小河流水情信息系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，如何使系統(tǒng)能夠融合和充分利用已有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，集成相關(guān)信息資源，同時(shí)便于各系統(tǒng)快速地開(kāi)發(fā)和易于擴(kuò)展，另一方面，現(xiàn)有的建設(shè)成果與未來(lái)的建設(shè)相互銜接，提供系統(tǒng)的適用性和先進(jìn)性，是系統(tǒng)建設(shè)必須要處理的兩個(gè)問(wèn)題。

在今后的開(kāi)發(fā)研究中，將進(jìn)一步對(duì)水情信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充優(yōu)化，擴(kuò)展歷史時(shí)期，為用戶提供更加廣泛的適用范圍，同時(shí)也將對(duì)系統(tǒng)的操作界面進(jìn)行優(yōu)化，為用戶提供更好的操作體驗(yàn)。