水雨情监测与预警系统的设计与实现

2021-07-03杨嘉雯任永强梁嘉熙

华北理工大学学报(自然科学版) 2021年3期

杨嘉雯，任永强，李婷，梁嘉熙

(华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210)

引言

在现今各种社会经济活动的影响下，中国的自然灾害尤其是洪涝灾害频繁出现，造成了大量群众受灾和经济损失。据有关数据显示，我国已建设自动雨量、水位站7.5万个，图像(视频)站1.9万处，简易监测站36万个，安装报警装置设备140万套；建设了县级山洪灾害监测预警平台2 058个，山洪灾害监测预警系统和群测群防体系初步建立[1]。同时，我国对于城市水雨情工作愈发重视，通过探索和建设城市的水雨情信息化系统，提供更加及时准确的水雨情信息，可以为经济社会可持续发展提供高效率服务[2]。虽然相关部门开展了一些项目建设，但面向大众的水雨情信息平台数量很少。目前，普通用户通过网络可以访问的水雨情监测预警网站有全国水雨情网站、宁波市水雨情发布系统、淳安县水雨情数据发布系统等，其相关功能并不太利于大众及时快速地了解当前水雨情信息。

如今，随着互联网的急速发展与应用普及，基于Web将GIS与各领域应用相结合成为新的发展方向，水雨情监测与预警结合的GIS技术正是应用专业化和管理精细化的重要体现。于是，将水雨情信息与WebGIS技术相结合，实现地图化的水雨情信息与预警信息查询显示功能，以科学的空间分析方法为灾害防治提供决策支撑，为广大人民群众提供及时了解水雨情信息的渠道，对有效地减少人民群众生命和财产损失具有重要意义。

1系统分析

1.1 关键技术

随着网络的发展，Web与GIS相结合成为新趋势，为用户在Web端实现空间信息检索、专题图制作、空间分析等GIS功能提供了可能。WebGIS 的核心技术主要包括以下几个方面：

(1)WebGIS空间模型服务。用户在浏览器端输入相关参数，服务器端接收这些参数，并根据相关空间分析模型，计算得出结果，再返回给用户，即B/S(浏览器/服务器)架构。

(2)WebGIS空间数据发布。GIS 的核心是数据，以图形方式展示空间数据，使用户感受更加直观，清晰地定位自己所需的数据。

(3)WebGIS空间数据检索。在浏览器端输入相关条件，对空间数据进行实时编辑处理等操作。

(4)Web 端空间数据资源的组织。信息化时代，网络上拥有大量的带有空间属性的数据，利用地图来组织和管理，可以发挥这类数据巨大作用，WebGIS技术正是该类应用的重要体现[3]。

空间分析是从空间数据中获取有关地理要素的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息的分析技术，是地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息的提取、表达和传输的功能是地理信息系统区别于一般管理信息系统的主要功能特征[4]。

1.2 系统可行性分析

数据是GIS运行的基础。SuperMap iDesktop 9D示范数据中包括中国1:400万地图，裁剪所需部分以及网上搜集相关地图数据加以处理，模拟部分水雨情监测数据以满足本次设计数据需求。利用SuperMap iServer 9D开发平台，采用ASP.NET MVC框架，利用SQL Server数据库技术、SuperMap iClient for JavaSript API采用SuperMap iServer进行系统开发，使得该系统具有良好的技术可行性。该系统方便公众及时获得水雨情相关信息，实现数据共享，充分考虑了用户操作方便等相关因素，突出专业性、科学性与服务性。因此，系统具有推广应用可行性。

2系统设计

2.1 系统组织架构

系统总体架构如图1所示，采用B/S结构，利用ASP.NET MVC设计模式构建系统，将系统分为3个主要部分，即模型Model(模型)、View(视图)、Controller(控制器)[5]。

图1 系统架构图

2.2 数据库设计

该系统数据库由空间数据库和属性数据库组成。

空间数据库中包括唐山市基本矢量数据，唐山市雨量站、水位站数据等。利用SuperMap iDesktop 9D建立工作空间，对示例数据1:400万中国行政区图进行裁剪，得到唐山市基本矢量数据部分，并将收集到的唐山市雨量站点、水位站点shape文件导入建立新的数据源。

属性数据库利用SQL Sever 2008 R2建立，包括测站基本信息表、雨情信息表、水情信息表、预警信息表等。

2.3 系统功能设计

该系统包括水雨情监测、水雨情预警、雨情信息、水情信息、监测站点5个主要功能模块，如图2所示。

图2 系统功能模块图

3系统实现

3.1 水雨情监测模块

水雨情热力图主要基于地图展示全市每日水情或水情变化情况。雨量监测数据和水位监测数据均为每小时一组，通过时间框选择具体日期和时刻，可更新地图所显示数据。时间轴显示一日24 h时间序列，点击播放按钮逐小时展示水雨情监测情况，雨量或水位数据大小以蓝色到紫色渐变表示。可切换雨量、水位图层分别查看雨情热力图和水情热力图。系统界面实现如图3所示。

图3 水雨情监测热力图

实时雨量插值功能主要对所监测的雨量数据采用普通克里金法[6]进行空间插值分析，得到雨量监测站点以外地区降雨量情况，将得到的栅格数据集制成客户端专题图进行展示，雨量大小用蓝色到紫色渐变进行地图渲染。在日期选择框选择具体日期和时刻，点击"雨量插值"按钮开始进行插值分析，所需时间为5～10 s，还可以输入等值距进行等值线提取，功能实现如图4所示。

图4 雨量插值

3.2 水雨情预警模块

预警信息模块主要展示系统内已经发布的全市范围水雨情预警信息和雨量站、水位站自动预警信息。全市预警页面以地图和列表形式显示预警信息，暴雨预警和洪水预警采用不同符号表示，蓝、黄、橙、红4种颜色代表预警的4个级别。地图上预警符号和信息列表均可以鼠标点击，进行预警信息详情查看，如图5所示为水雨情预警详情界面。

图5 水雨情预警详情

同时，管理员可根据水雨情详情对预警信息进行修改、删除等操作。如图6所示为水雨情详情具体功能实现界面。

图6 水雨情详情具体功能实现

3.3 雨情信息模块

如图7所示为面雨量概况界面，如图8所示为雨量信息查询界面。

图7 面雨量概况

图8 雨量信息查询

图7中雨量大小由蓝色到紫色渐变表示，鼠标移动到一个区县范围，该区县高亮显示，并在右侧显示小窗口，窗口内显示该区县名称和实时雨量数据。点击地图左上方按钮，支持专题图多种版式打印输出。图8中雨情详情模块可实现基于不同条件的模糊查询雨量站及监测数据，根据所输入的关键词，将查询结果以列表形式显示在页面，包括雨量监测站点编码、名称、所在河流、小时雨量、3 h雨量、所属单位等。可将查询结果中的雨量站点定位到地图，并可在地图上点击站点图标查看雨量监测数据柱状图，如图9所示。