长春市水利信息管理GIS系统在防汛抗旱工作中的应用

秦显锋,黄红梅

(1.长春市人民政府防汛抗旱指挥部办公室,长春130022;2.吉林省吉地土地整理规划设计研究院,长春130061)

0 引言

水利是国民经济的基础设施,随着经济和社会的高速发展,洪涝灾害、干旱缺水等问题日益突出,已经严重制约着国民经济和社会的发展。水利信息管理GIS系统是一套以SuperMap地理信息系统平台为技术基础,实现水利行业信息管理标准化、网络化、空间化的整体解决方案。为了解决好新世纪的水利问题,必须实现从工程水利向资源水利,从传统水利向现代化水利、可持续发展水利方向的转变。在这一转变过程中,水利信息化是必由之路,它是实现防汛抗旱科学指挥、水资源统一管理、水资源优化配置、提高水资源利用效率、实现水利现代化的基础和前提。该系统的实施、应用有利于改进管理手段、提高工作效率。在实际应用中为应急状态下的指挥调度、快速响应、联合行动提供及时、可靠的依据,发挥了明显的效益。

长春市地处东北平原东部低山丘陵向西部台地平原的过度地带,平原面积较大,台地略有起伏,地势平坦,境内有大小河流222条,分属第二松花江、饮马河、拉林河3个水系。其中集水面积在1 000 km2以上的河流10条,受东高西低地形大势影响,境内的沐石河、饮马河、伊通河、双阳河、雾开河、新凯河等均由东向西排列、流向东北,先后注入第二松花江,构成了长春特有的南源北流的水系格局。

由于地理位置、地形结构等因素决定了长春市的大陆季风气候特点:四季分明。春季较短,干燥多风;夏季温热多雨,炎热天气不多;秋高气爽,昼夜温差较大;冬季漫长而寒冷。全市年平均气温4.8℃,最高气温39.5℃,最低气温-39.8℃,日照时间2 688 h。霜期一段在9月中下旬居多,无霜期135 d左右。多年平均降水量567 mm,多集中在6—9月份,一般占年降水总量的80%左右。

建设实时并且有效的管理信息系统和决策辅助系统,为长春市的防汛抗旱,河道行洪,灾害预测等实时管理提供科学决策的依据,将会对防汛减灾作出更大的贡献。

1 系统特点及功能

1.1 地理信息系统概述

地理信息系统(Geographic Information System)简称GIS,是国际上近些年发展起来的一门新兴边缘科学,涉及计算机科学、地理学、测量学、地图学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学等多门学科。它研究计算机技术与空间地理分布数据的结合,通过一系列空间操作和分析,为地球科学、环境科学等专业领域提供对规划、管理和决策有用的信息。

在计算机应用领域,当前应用广泛的信息管理系统(MIS)能够将各种数据文本、图表、图像等录入计算机,建立各类数据库进行有效管理,加快了信息检索、查询以及统计分析的速度,提高了信息处理的便捷性和灵活性。但是,大多专业领域的信息往往与具体的地理位置密切相关,甚至有些信息必须与地理空间位置信息结合起来才能发挥效用。所以,信息管理系统,将专业属性数据与空间地理位置信息结合起来,建立属性—地理信息数据库,表达更加综合有效的信息,才能满足专业领域的要求。地理信息系统正是利用现代计算机图形和数据库技术来输入、存储、编辑、查询、分析、显示和输出地理图形和属性数据的计算机系统。在相应的软件工具下,它能对数值和图形作各种分析处理,除了使信息本身及内在联系的表现方式更加直观外,通过各种空间操作及不同种类信息的互操作,能够输出高层次的综合表达信息,提供信息管理和辅助决策服务。

完整的地理信息系统由以下部分组成:

(1)用户。专业领域中应用GIS进行信息管理和分析决策的管理人员和业务人员。

(2)硬件。包括计算机硬件系统及专业信息的采集、传输、转换等辅助设备。

(3)软件。包括计算机系统软件、地理信息系统软件工具、专业模型及其它相关的支撑软件。

(4)数据。专业领域各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。包括专业学科的应用需求、应用模型表达及数据收集与管理,是构成GIS的核心内容,也是进行信息服务、综合决策的前提。(GIS的基本构成见图1)。

图1 GIS的基本构成

综上所述,GIS是在计算机软、硬件基础上,通过计算机把属性数据和空间数据组织成空间信息模型,并对空间系统和过程从度量、逻辑和功能上进行模拟和仿真,结合各种空间操作,实现对各类信息的直观表达和综合管理。

1.2 系统功能

长春市水利信息管理GIS系统充分利用计算机技术、网络技术、GIS技术、系统分析方法等以全面掌握长春市水资源、水利工程和各种必要的信息,这将对本市水利部门实现水利管理信息化、现代化、空间化产生不可替代的推进作用。有助于水利部门提高工作效率,科学地进行决策分析。

该系统具备以下功能:

(1)建立基于浏览器/服务器(Browser/Server)模式的水利管理信息系统,为全市提供一些水利的基本信息和相关的查询服务。

(2)要求页面结构合理,系统运行安全可靠,具有良好的稳定性和开发性。允许一定数量的并发访问。

(3)要求客户端实现浏览器无关性、操作系统无关性。

(4)实现水利设施的常规管理。实现水、雨、工、灾情的信息管理、查询和分析,对重要的管理设施实现三维显示,提供可视化的图形查询界面,丰富信息的表述方式。

(5)防汛抢险救灾指挥:查询当前水库水位、库容量、雨量;查询实时雨情、旱情;确定病险水库;实时地了解墒情、旱情信息,利用灾害分析模型结合GIS进行灾前分析进行防汛抗旱指挥工作。

(6)进行灾情统计与评估。对快速采集来的洪涝灾害和水淹没情况进行综合分析与评价,统计灾害情况,估计社会经济损失。

(7)水利决策分析支持功能:提供了叠加分析、量算分析、淹没分析、旱情分析等多种空间分析方法辅助用户进行水利上的决策工作。

2 系统设计原则

长春市水利信息管理GIS系统的建立是一个复杂的系统工程,其建设的好坏不仅影响系统自身的应用情况,也将对整个长春市水利地理信息系统的推广产生深远的影响。为此,在设计和建设中必须遵循以下原则。

2.1 规范化原则

长春市水利信息管理GIS系统须严格遵循国家、吉林省及长春市有关水利规划、建设与管理的法规。数据的分类编码应该严格遵循现有的国家标准、行业标准,并根据吉林省和长春市的地方特色,制订适合于本系统的分类编码方案。

2.2 先进性原则

系统的功能设计应该立足于较高的起点,在考虑性能价格比的同时必须着重考虑系统的先进性。在软硬件平台的选用上考察国内外最新技术,同时也应考虑系统的通用性及各部门现有的软硬件平台及应用水平,便于该项目的成果尽早产生效益。

2.3 完备性原则

系统的数据结构和功能体系应能充分满足用户提出的合理需求。

2.4 适用性原则

系统应具有良好的人机交互界面,易于使用,在系统的设计过程中,全面考虑各种特殊情况,使系统具有通用性。

2.5 示范性原则

长春市水利信息管理GIS系统是长春市第一家专业水利地理信息管理信息系统,该系统的建立为长春市其它水利系统的建立积累技术经验,同时也可以为其它兄弟城市建立水利设施地理信息系统提供宝贵的技术支持。

2.6 可扩充性原则

系统的要素、编码、功能和数据库结构都必须易于扩充,以满足系统进一步的发展和长春市水利设施地理信息系统建设的需要。

2.7 安全性原则

系统的数据库安全、可靠。

3 系统技术路线

3.1 以关系数据库为中心的数据管理模式

关系数据库是目前各数据库中最重要、最流行的数据库,在实际的开发应用中,关系数据库的使用最为广泛。SQL语言功能强大、书写简单,可作为交互式语言独立使用,也可作为子语句嵌入主语言中使用,有利于各种数据库之间交换数据,有利于程序的移植,有利于实施标准化。

3.2 组件技术

系统基于面向对象的建模方法和三层模型(Three Tiers)的方式进行设计,编程实现在面向对象技术基础上,采用组件(Component Based Development)开发技术,将应用对象封装为应用组件,通过应用组件的组合搭建系统,以实现软件模块的重用和软件的共享。应用组件主要基于COM/DCOM技术。GIS应用模块的开发也基于组件技术,采用北京超图的SuperMap Objects软件进行开发,这样可以方便地实现系统集成。

3.3 B/S体系结构

整个系统采用Browse/Server体系结构,在逻辑上分为3层,这3层包括客户机、应用服务器与Web服务器、数据库服务器。这种方式又称瘦客户机系统。瘦客户机系统是指在客户机端没有或者有很少的应用代码。在以往的终端和主机的体系结构中,所有系统都是瘦客户机系统。现在随着Internet技术以及Java、ActiveX技术的出现,瘦客户机系统又重新出现。客户机负责数据结果的显示和用户请求的提交;地图应用服务器和Web服务器负责响应和处理用户的请求;而数据库服务器负责数据的管理工作。所有的地图数据和应用程序都放在服务器端,客户端只是提出请求,所有的响应都在服务器端完成,只需在服务器端进行系统维护即可,因此可大大降低系统的工作量。

在开发时主要是做服务器端的开发,浏览器端不用作任何的开发和维护。以下是对服务器端简单的介绍:

(1)地图应用服务器。地图服务器主要提供电子地图的发布、查询、分析等图形服务,它基于WebGis构建,相关的属性数据可以从数据库服务器获取。

(2)Web服务器。Web服务器以主页的方式向用户提供信息。由于动态主页技术和Java编程技术的采用,用户可通过浏览器实现灵活的交互,以获得各种有用的信息。

(3)数据库服务器。数据库服务器主要用来管理所有水质监测站动态监测数据,并提供用户查询与检索。

这里需要提出的是地图服务器、Web服务器以及数据库服务器三者可以放在一台服务器上,并不一定要求它们分别占用3台机器。

3.4 数据库组成

整个数据库采用1∶250 000、1∶10 000等几种不同比例尺的空间数据来描述,实现逐细化显示信息,达到用户要求。

整个数据库由基本地理信息数据库(包括行政区划、村以上城镇、交通线、地名等信息),地形数据库(高程模型数据),河流、水库属性数据库,水利工程设施数据库(包括河系水利工程的分布、水利工程设施情况),防洪设施、滞洪区、行洪障碍数据库,旱情数据库,雨情数据库等7个主要数据库组成。

3.5 数据建库实现方法

在水利信息系统中,数据库的数据可以分成二类:基础地理数据、水利数据。根据系统对海量数据以及空间数据的存储与管理需求,我们选择Window s SQL Server 2000作为数据库管理系统,实现对空间数据与非空间数据的统一存储,两者通过ID标识建立连接关系。由于水利数据来源多样,形式复杂,格式不一,因此对数据收集与整理入库必须统一规划、分步实施。对于现有的已电子化的数据优先入库;已整理好的,以硬拷贝的形式存在的,需要以手工方式进行输入的在数据输入软件开发完成后进行入库;需要进行整理、测量的数据,需要花费大量的时间、财力的数据,根据情况进行收集、整理、录入、入库;系统运行急需的数据优先整理、录入、入库。

4 系统在防汛抗旱工作中的应用

4.1 防汛抗旱指挥决策

防汛抗旱指挥决策主要针对突发情况下或超标准情况下的水旱灾害而提出的应对措施和解决方案,伴随水旱灾害发生、发展、出现灾情、形成灾害、指挥调度、抢险救援、转移避险、灾后安置的整个过程。具有实时性、动态性的显著特征,需要各种实地信息、数据、图像的实时采集和传输作为支撑。科学、快速的指挥决策还依赖于信息综合分析、处理的自动化和智能化。

利用防汛抗旱属性——空间数据库及GIS环境,指挥员可以方便查询实地信息,通过实时监控和信息采集系统,可以了解最新情况,运用GIS工具进行空间分析和模拟运算等,可以获得专题信息,从而提供有效的辅助决策。

4.2 系统应用于防汛抗旱信息管理与指挥决策服务

防汛抗旱工作在信息的表达、管理和分析等方面,具有实时性、空间性、动态性、定量性和综合性等特点。

4.2.1 实时性

水旱灾害的发生一般具有明显的历时过程,从初始状态逐渐发展形成险情和灾情,需要对相关信息进行实时监控。特别对于暴雨洪水引发的灾害,从发布预警到应急响应,进行指挥、调度、抢险、救灾等都需要对各类防汛信息的实时监测,以确保指挥决策的科学有效。

4.2.2 空间性

水旱灾害的发生、发展、影响都是在空间上分布的,快速响应如指挥、调度、抢险、救灾也是在一定的空间范围内进行。因此,空间特征是防汛抗旱工作的重要方面,当应用GIS参与防汛抗旱的信息定位、队伍调集、物资调运和转移避险等辅助决策时,应急指挥调度水平将会有很大改善。

4.2.3 动态性

防汛抗旱工作的快速发展要求各种信息、规划、预案、措施和对策等不断地变化和趋于完善。在我国,目前大多数省市还没有建立所辖区域的防汛抗旱基本信息库,数据、图表、图像等信息往往以文档、报告和报表形式给出,不能实现信息数据的动态管理,一方面使用不便,另一方面不能有效发挥作用。GIS的应用,可以建立数据库系统,实现数据的及时更新、存储和预测。

4.2.4 定量性

在防汛抗旱指挥决策过程中需要大量的定量数据(如水位、流量、流速、产流系数等),需要对突发暴雨洪水的空间区域进行仿真演算,由于区域面积及属性的变化,以往大多通过人工估算,而应用GIS建立每个空间网格的空间和属性信息数据库,划定不同的区域就可以进行相关分析和预测,大大提高了决策的科学性。

4.2.5 综合性

防汛抗旱与空间地域、人文景观密切相关,涉及到城乡建设的许多方面,灾害发生往往波及的范围广、影响面大,并经常伴有各种次生灾害,给水旱灾害的防护抢救工作带来更大的困难。应用GIS中的一些空间拓扑分析等方法,可以很好地解决这些问题。

5 前景及展望

现代化管理需要现代化技术的支持。信息技术的飞速发展和水利信息管理的完善,立足于实际运行管理的需要,深层次地开发已有信息的利用,加上丰富的实时信息,一定能大大提高我们的管理能力和管理效率。

目前,空间信息技术的发展,已经大大丰富了GIS的功能,遥感技术、全球定位技术、三维技术、专家系统等与GIS的结合使得在数据管理和数据共享、空间模型构造和分析、仿真模拟和智能演算等方面的研究逐步深入,将防汛抗旱信息与空间信息有机地结合在一起,以计算机网络为支撑、以数据仓库和数据挖掘技术为手段,以水文、气象、通信、社会经济和空间地理信息为基础构成的防汛抗旱指挥系统将开创防汛抗旱信息化和现代化建设的新局面。

[1]韩军.GIS技术在水利系统的应用[J].科技资讯,2009,22:119.

[2]赵巨伟,孟晓路.基于GIS平台的辽阳市水资源管理信息系统设计[J].吉林水利,2008(5):25-26.

[3]丁斌.基于WebGIS的黄河下游工情和险情会商系统[J].华北水利水电学院学报,2008(5):15-18.

[4]吴晖,姚保顺.GIS在黄河防汛业务中的应用[J].地理信息世界,2007(1):19-27.

[5]宋眉平.地理信息系统在防汛水情系统中的应用[J].科技情报开发与经济,2007,32:249-250.

[6]慕富强.GIS在甘肃省抗旱防汛指挥系统中的应用[J].甘肃科技,2006(8):119-120.

[7]吴富宁.防汛抗旱工作中地理信息系统的应用[J].北京水利,2005(5):46-48.

[8]苗作华,刘耀林.基于GIS的咸宁市防汛信息系统关键技术探讨[J].长江科学院院报,2005(4):34-37.