基于GIS的广东省山洪灾害防御图册编制技术研究与应用

高仁强，张 鹏，彭海波，邓小霞，刘 智，杨志潮，钟建群，李兴汉

（广东省水利水电科学研究院，河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510630）

0 引 言

山洪灾害点多面广、突发性强、防御难度大，是我国洪涝灾害中致人伤亡的主要灾种［1，2］，是广东省自然灾害的“头号杀手”，也是制约山丘区经济社会健康可持续发展的关键因素。据应急管理部发布的全国自然灾害调查结果显示，广东省平均每年因暴雨导致的洪涝灾害造成240 多万人受灾，60 多人死亡，直接经济损失近28 亿元，近5年来山洪灾害的死亡人数占洪涝灾害死亡人数的70%以上。广东省山洪威胁地区涉及18个市、80 个县、922 个乡镇、10 454 个行政村、54 366 个自然村，覆盖面积约10.13 万km2的土地，威胁人口达1 631.56 万人。受土地资源制约，山丘区人口不断向沿河地势相对平缓地带集中，山丘区极端暴雨频发，加上山丘区技术力量薄弱、财力不足、防御设施有限，导致山洪灾害防御形势极为严峻。

近年来，广东省深入贯彻落实水利部、国家防汛抗旱总指挥部的决策部署，通过大力推进中小河流治理、隐患水库除险加固、山洪灾害防治等项目，山洪灾害防治工作逐渐取得成效。其中，广东省在2013-2015年基本完成全省80 个山洪灾害防治县的山洪灾害调查评价任务［3］。通过开展山洪灾害调查，初步查清山洪灾害防治区范围、小流域基本特征和暴雨特性、沿河村落的人员分布、社会经济和历史山洪灾害情况等基本信息；在调查成果的基础上以小流域为单元开展分析评价工作，评价防治区内沿河村落的防洪现状能力，并科学划定危险区范围、明确转移路线和安置点、确定成灾水位和预警指标，形成了山洪灾害调查评价成果大数据［3］。但是这些调查评价成果仅仅是按照国家要求填报汇总入库而已，并没有直接应用于基层干部群众防御山洪灾害，调查评价成果大数据的价值并未得到充分挖掘利用。另一方面，我省大部分县镇村基层技术力量薄弱、财力有限，因此如何在有限的财力下，尽可能充分利用调查评价成果大数据，提高基层的山洪灾害防御能力和水平，就是一个亟待解决的问题。

为使调查评价成果能及时应用于基层的防汛指挥工作，充分挖掘调查评价成果的数据价值，研究中选取广东省云浮、清远、梅州、河源、韶关、汕尾和茂名7 个地市的重点防治县、镇开展山洪灾害防御图和防御手册编制工作，同时配套开发了基于WebGIS 的防御图册信息管理系统，提供统一的数据访问和安全控制机制，实现防御图册各类数据的可视化展示、动态管理、在线更新及溯源追踪等功能，进一步提高基层水利部门的山洪灾害信息化管理能力。

1 防御图册编制技术

山洪灾害防御图是将山洪灾害调查评价成果直接运用到基层的重要举措，将调查评价的主要成果布置在一张图上，使之以直接、直观、形象、生动的形式进行展示和表达，指导基层科学防御山洪灾害。防御手册则是防御图的拓展工作，目的是对防御图进一步解释和对图上无法完整表达的防汛要素进行补充完善，同时向基层普及山洪灾害防御和自救知识，形成“一图一册”形式的防汛指挥专题图册，为及时、准确、科学、全面的防汛指挥作业提供参谋。

1.1 防御图编制方法

1.1.1 数据收集与复核

防御图所需的数据资料可归纳为基础地理信息、调查评价成果、防汛台账、隐患点以及其他数据5大类。基础地理信息主要包括各级行政区划、行政驻地、各等级道路、铁路以及河流水系等信息；调查评价成果包括防治区基本情况、沿河村落人数和户数、危险区等级与范围、预警指标、防洪能力评价、水雨情监测站点、简易监测预警设施、转移路线和横断面等信息；防汛台账包括各级防汛指挥中心、物资仓库、防汛抢险队伍、安置点、易涝点等；隐患点数据则包括隐患水利工程、地质灾害隐患点和削坡建房隐患点；其他数据则包括中小河流治理河段、防御预案、防汛责任人以及数字高程模型等。

数据收集过程中由于防汛台账、隐患点数据资料多数是通过各地水利部门逐级上报所得，存在漏报、误报等情况，为提高数据成果质量，需要进一步复核，通过实地走访、现场交流与书面征求意见等形式，对表格数据的漏报误报项进行补充完善。根据要素的坐标信息通过GIS空间连接工具关联要素所在的区划信息，与地址比较以及时发现并修正位置错误的要素。

1.1.2 地图设计

地图设计主要包括要素符号设计、专题信息表设计和地图辅助信息表达3 个方面。防御图要素的符号设计主要根据《水利空间要素图式与表达规范》（SL 730-2015）和《防汛抗旱用图图式》（SL 73.7-2013）进行设计，镇级防御图需要将各类防汛要素信息进行详尽展示，而县级防御图则需要适当精简和概化，以突出重点。专题信息表设计主要是在防御图中补充山洪灾害调查评价的成果资料，如山洪灾害调查成果表、分析评价成果表和设计暴雨成果表。其中山洪灾害调查成果表主要内容有防治区基本概况（沿河村落人口、户数、面积等）、防治区涉水工程数量、危险区总人口与房屋信息、预警设施数量；分析评价成果表主要内容有下辖镇或村的现状防洪能力、不同危险等级区域的人口和房屋数量、预警指标等；设计暴雨成果表的主要内容信息为历史暴雨均值和不同设计频率下的雨量信息。地图辅助信息表达的设计内容主要包括图名、比例尺、图例、指北针、鹰眼等辅助元素，其主要作用是帮助读者宏观上把握整幅地图的内容。需要注意的是，县级防御图还需对各镇的关键调查成果进行统计，并以统计卡片的形式单独布置在地图上，方便县级防汛人员快速了解各镇防汛要素情况。

1.1.3 制图综合

（1）符号级别。制图过程中，原始的道路数据包含高速、国道、省道等多种等级，但是GIS软件是以无序的形式堆叠放置在地图上，会出现高等级道路被低等级道路穿插而过的不合理现象，因此需要区分各类道路的层级关系，并且使得高等级的道路具有更高的连续性［7］。图1 是原始道路数据直接渲染的显示效果，很明显在不同级别的道路交接处，道路无法平滑地融合起来。而设置符号级别后，相同层级的道路能保持连通，高等级道路不被低等级道路打断，如图2。

图1 原始道路数据渲染效果

图2 道路图层设置符号级别后的渲染效果

（2）制图表达。道路要素经过符号化处理后，为便于县镇村各级防御图的迁移与复用，采用制图表达工具将道路要素符号以制图表达的形式存储在GDB文件中，以方便道路矢量图层样式可以随图层数据的迁移而迁移，提高制图效率［7］。研究中主要对道路、水文站、水位站、水闸、桥梁和堰坝等要素设置了制图表达。

（3）符号抽稀。在制图过程中，将部分点状要素符号采用标注形式进行表达，能起到抽稀的作用。比如应急庇护点，如果直接将所有的应急庇护点都以矢量点图层进行显示，地图的某些区域会因为要素符号的重叠而显得非常紧凑，让人难以快速理解要素实际所表达的信息，因此考虑将部分点状要素符号以标注形式显示，则该点状要素的空间布局就会根据地图页面的空间剩余情况合理分布和避让，保持一定的间距，不至于地图页面空间太过紧凑，影响视觉体验。

（4）标记分散。原始数据中，有些重要的防御要素（如监测站点）由于地理位置非常接近，在大比例尺地图上（如镇级防御图）能很好地分开，但是在小比例尺地图（如县级防御图）上就会聚合成一团（如图3）。因此需要以一定的参考比例尺为基准，将不同比例尺下的要素符号转换到该参考比例尺下，并设置合适的间距，将各个要素分散到该距离范围外以避免压盖（如图4）。

图3 原始监测点符号化显示效果

图4 原始监测点经过分散处理后的显示效果

1.1.4 图幅配置

综合考虑各图件要素需以清晰、完整、直观的方式表达，符合基层干部群众的快速识图要求，参照现行国家标准和相关水利行业的制图规范，将地图要素合理放置在图幅范围内。其中鹰眼图以及图名、指北针、比例尺的位置是固定的，而分析评价成果表、调查评价成果表、设计暴雨成果表以及图例的位置需根据地图剩余空间进行合理配置。本文针对各行政区划的形状特点，设置了横幅、方幅和纵幅3 种不同的页面布局，通过动态计算行政区划的外包矩形范围，并比较分析评价成果表、调查评价成果表、设计暴雨成果表以及图例四者与防御图图幅的高度关系，自动选择相应的页面布局以适配要素空间表达，如图5所示。

图5 图幅配置示意图

1.1.5 批量化制图

由于不同的县镇或村级防御图之间，除数据内容不同之外，符号样式、图层风格和图幅配置等方面都保持一致，根据这一特点，可采用Arcgis的“数据驱动页面”功能进行批量化制图。为提高图幅范围的自适应性，研究中采用arcgis python 技术对地图布局进行动态设计，开发了基于“数据驱动页面”的批量制图代码，通过设置页面索引图层以及索引字段，动态配置页面布局、地图符号样式和计算图表位置，实现38 个县和372 个镇的防御图批量化制作。

1.2 防御手册编制方法

1.2.1 资料收集与校核

防御手册所需的数据资料主要来源于防御图，包括水利普查基础信息、调查评价成果数据和汛期台账数据等，其中的许多数据都由各地防汛部门提供，不可避免地存在一些人工填报误差，为方便数据的维护和更新，手册的所有动态数据均按照统一的表格模版进行汇总整理，经校核无误后再将其整编入库，与防御图册信息管理系统共同建库，实现数据共享，供编制县镇村后期对防御手册数据成果进行维护和更新，保障防御手册成果的时效性和可靠性。

为减少人工填报误差，防御手册收集的数据资料必须进行检查与校核，以确保数据质量达标。资料检查主要包括空间分布合理性、数值合理性、标绘精度检查等内容，根据数据源的结构特点，可采用经验判断、异常值分析、抽样推断、地区对比等方法完成质量检查［2］。

1.2.2 数据入库

数据校核完成后，为方便防御图和防御手册的数据动态管理，研究中选用GIS 领域内常用的postgre SQL 数据库完成各类防汛要素的空间信息与属性信息的一体化存储，存储空间数据的同时建立空间索引以提高数据的查询与制图效率，采用SDE数据库引擎技术在GIS制图软件与Postgre SQL数据库间建立数据通信接口，避免数据的分散存储导致数据更新不同步问题，该数据库也是配套开发的防御图册信息管理系统的数据源。

1.2.3 手册设计

防御手册的主体内容包括山洪灾害基础知识、山洪灾害防御体系、山洪灾害调查成果、防汛应急能力和极端气候情况五部分，共计十三章：第一章介绍山洪灾害基本知识，帮助基层工作者对山洪灾害有一个简要认识；第二章介绍山洪灾害的成因，总结归纳山洪灾害的特点；第三章介绍我省山洪灾害防御体系组成要素，重点介绍山洪灾害监测预警系统，以指导基层山洪灾害防御工作者有针对性地编制山洪灾害防御预案；第四章介绍我省各级山洪灾害防御机构的职责，明确县镇村各级防御责任人的工作内容和职责要求；第五章介绍我省现有简易监测预警设施的种类、功能和使用方法；第六和第七章分别从社会层面和个人层面普及山洪灾害防御知识和技巧，帮助组织和个人有效应对山洪灾害威胁；第八章介绍群测群防体系，重点讲解基层培训与演练的任务和目标；第九章介绍山洪易发区水库防洪隐患和应急处理措施；第十章对编制县镇的山洪灾害调查成果做简要介绍；第十一章对编制县镇的山洪灾害危险点（区）情况做简要介绍；第十二章对编制县镇的山洪灾害防御设施和抗灾力量做简要介绍；第十三章对编制县镇的历年极端气候（如洪灾、旱灾）及其社会影响等做简要介绍。

1.2.4 手册批量化制作

本文首先建立好统一、标准化的防御手册模板文件，涉及动态数据的内容部分则采用占位符预先进行标记。然后基于python 脚本编程技术开发防御手册批处理程序，从数据库中按照所属区域进行查询和筛选，然后填充到模版所对应的占位符位置，所有的占位符填充完成后再更新模版文件，从而实现批量制作相关县、镇级防御手册。另外，各编制县、镇工作人员可通过配套开发的防御图册信息管理系统在线填报和修改防御手册数据内容，数据内容修改完成后，使用防御手册批处理程序即可快速批量更新防御手册。

2 防御图册成果信息化管控

2.1 系统总体设计

防御图册信息管理系统的总体架构由物理层、数据层、业务层和表现层四部分组成，整体设计符合相关技术标准和法律规范，同时满足高内聚低耦合的设计理念。物理层的主要作用是提供系统正常运作所需的硬件设施，数据层主要是为提供系统正常运作所必要的数据源，该系统所使用的数据源包括地图数据、空间数据和业务数据三大类。业务层是系统架构的核心部分，由于该系统是对防御图册的各类数据源进行动态管理，为各级部门在图册成果共享、更新与下载方面提供便利，各类数据均存储在关系型数据库中，系统对各类数据的操作主要是通过ArcSDE 数据库引擎来实现，而地图发布、要素编辑和空间分析则主要依赖ArcGIS Server 来完成。表现层则是为客户端提供的应用程序界面，系统用户主要包括各级水利管理部门和基层群众。系统总体架构如图6所示。

图6 系统总体架构图

2.2 关键技术

2.2.1 WebGIS技术

WebGIS 是Internet 与GIS 结合的产物，是通过互联网技术来扩展和完善传统GIS 的一项新技术，其核心是利用互联网协议实现网络环境下的空间信息管理及服务，以满足空间数据共享以及GIS 业务的分布式处理需求［9-11］。与传统GIS 相比，Web GIS具有跨平台性好、轻量级、易部署、拓展性强等诸多优点［12］。WebGIS 的工作原理是：客户端采用Web 浏览器向服务器端发送空间数据请求，服务器端主要负责空间数据的分析和查询操作，并将结果返回至客户端进行可视化展示，服务器端与客户端之间的应用交互主要通过互联网实现。

2.2.2 地图缓存技术

由于省级影像地图的数据容量非常之大，普通的网络带宽无法做到实时访问与快速渲染，导致地图的加载速度不能满足正常的GIS 应用需求，而地图缓存则可以很好地解决该问题。地图缓存又称地图瓦片，是一个包含多个不同比例尺下整个地图范围的地图切片目录，采用静态地图切片技术实现地图快速访问［13］。在客户端发出访问地图的请求时，服务器根据当前的比例尺信息以及所需空间范围获取相应级别下的地图瓦片并拼接成地图，取代通过服务器动态创建地图的方式，从而实现局部地图的高效快速访问。

2.2.3 空间数据引擎SDE

SDE 是Spatial Database Engine 的缩写，是一种介于GIS 应用程序与空间数据库之间的中间件技术，它为用户提供了访问空间数据库的统一接口。ArcSDE 是SDE 技术的一种，由世界著名的GIS 软件生产商ESRI公司推出的一种空间数据引擎，它同时支持空间与非空间数据的操作处理，在分布式GIS 系统构建方面具有广泛应用［14］。ArcSDE 将地理空间数据与属性数据统一存储在数据库管理系统中，如Oracle、Postgre SQL 等，利用从关系型数据库中继承的强大数据管理功能对空间数据和属性数据进行统一管理，从而实现海量空间信息的动态存储与管理，保证了更高的存储效率和数据完整性，尤其适用多用户、大数据量的应用场景。

SDE的工作原理是：SDE客户端发出请求，由SDE服务器端处理这个请求，通过SDE 应用程序将该请求转换成为关系型数据库（DBMS）能处理的事务请求，DBMS 完成相应的请求处理，SDE服务器端再将处理的结果实时反馈给GIS应用程序。

2.2.4 统一数据访问与安全控制

系统实现了地图数据、空间数据与水利业务数据的统一访问机制，避免了对这几类数据的独立操作带来的数据不同步问题，有利于对地图数据、空间数据和业务数据的一体化控制。地图数据存储在Arcgis Server 服务器中，并以网络地图服务（Web Map Service，WMS）的形式发布，发布过程中利用地图缓存技术在Arcgis Server 服务器本地创建地图缓存，进而提供网络访问途径。空间数据和业务数据则存储在关系型数据库中，其中空间数据以发布要素服务（Web Feature Service，WFS）的形式提供对外访问途径。此外，系统增加了一个统一的日志表，用户对于数据的任何操作信息都会自动记录到日志表中，以实现数据的溯源追踪，方便错误数据的检查，为保障数据的安全性和可靠性提供支撑。

客户端查询地图∕空间数据时，ArcSDE 会从数据库中查询要素图层所对应的服务地址，服务器对查询到的服务地址进行解析，将地址头部、地址路径等信息进行拼接组成完整的访问地址，并返回给客户端，客户端携带此地址访问ArcGIS Server服务端并获得查询结果，进而对图层要素进行编辑操作，在统一的数据访问技术支持下实现了防御图册的联动更新。

3 成果与应用

3.1 防御图成果与应用

基于研发的防御图编制方法，高效完成了广东省7 个地市的38 个防治县和382 个防治镇的山洪灾害防御图编制工作，县级和镇级防御图制作效果分别如图7 和图8 所示。县级防御图重点表达各个镇的防御要素统计信息，同时对水雨情监测点、危险区、隐患点、水利工程等关键要素详细展示；而镇级防御图则突出细节信息，充分体现山洪灾害调查评价成果。相比于传统的纯手工制图方法而言，批量化制图技术可以大幅压缩编制时间。目前防御图成果已全面交付各编制县、镇基层防汛部门使用，在山洪灾害的分析研判、安全巡查、避险转移、人员安置、抢险救灾等环节中都发挥重要作用，有力改变基层应对山洪灾害的被动局面。

图7 县级山洪灾害防御图

图8 镇级山洪灾害防御图

3.2 防御手册成果与应用

基于本文研发的防御手册编制方法，高效完成了广东省7个地市的38 个防治县和382 个防治镇的山洪灾害防御手册编制工作，防御手册制作效果如图9 所示。目前防御手册成果已全面交付各编制县、镇基层防汛部门使用，在山洪灾害的分析研判、避险转移、人员安置、隐患处置、群测群防体系建设和普及防御常识等方面具有重要价值，并与防御图共同形成“一图一册”的基层防汛指挥体系，进一步增强了基层的山洪灾害防御和决策能力。

图9 山洪灾害防御手册

3.3 系统实现及应用

为满足防御图册成果的安全、动态、一体管控以及在线浏览更新等实际业务需求，基于WebGIS 框架，研发了山洪灾害防御图册信息管理系统，提供统一的数据访问和安全控制机制，实现防御图册各类数据的可视化展示、动态管理、在线更新以及溯源追踪等功能，有力保障数据成果的可靠性、准确性和时效性。

该系统已集成了所有编制县镇的山洪灾害防御图册成果，目前为县镇基层防汛部门提供了100 余次下载浏览服务、5 000余次数据更新与在线制图服务，用户量近1 000 人，同时该系统与广东省的山洪灾害监测预警平台进行了对接，相关的监测站点、防汛预案等信息会动态更新至监测预警系统平台，实现山洪灾害防御业务的协同联动，为山洪灾害防御业务的高效运转提供重要支撑作用。

4 结 语

研究针对广东省基层技术力量薄弱、防御设施有限的现实情况，基于GIS 和Python 技术，探索了高效、美观、实用、批量的防御图和防御手册编制技术方法，大幅提高了防御图册的编制效率，适应山洪灾害防御要素持续动态变化带来的快速更新需求。以防御图和防御手册为抓手，推动构建“一图一册”的基层山洪灾害防御指挥新模式。编制成果能有效打通信息传递的末梢堵塞，有力扭转了基层的山洪灾害防御被动局面。

图10 防御图数据可视化展示

图11 数据编辑功能

图12 防御图册下载与更新

为满足防御图册基础数据资料信息的真实性、准确性和实时性以及数据共享需求，基于WebGIS 框架，研发了山洪灾害防御图册信息管理系统，系统提供统一的数据访问和安全控制机制，实现防御图册各类数据的可视化展示、动态管理、在线更新以及溯源追踪等功能，在保障系统安全性的同时，为基层防汛指挥部门分析研判、避险转移、人员安置、抢险救灾提供决策依据，进一步增强基层的山洪灾害防御能力。 □

图13 基于日志的溯源追踪管理