阜新市防汛抗旱应急信息预警系统设计与实现

胡 洋

(阜新恒泽建设工程有限公司，辽宁 阜新 123200)

1 系统建设需求

阜新市地处辽西低山丘陵区，全区呈长矩形，总面积10 445 km2。气候为北温带大陆季风气候区，年均降水量481 mm，并且时空分布不均，需要建蓄水调节工程，并处理好水沙关系，才能有效利用。境内为辽河和大凌河两大流域所控制，主要包括绕阳河、柳河、养息牧河、秀水河、细河和牤牛河等。全地区5 km长以上河流有313条，总长3 827.5 km，共建降雨站144个，河道水位站14个，河道、水位站个7个，水库站33个。

目前，阜新水文局已建立水雨情自动监测系统、水情综合服务系统、降雨量、水库河道水情、遥测数据等数据库，水利信息化建设取得一定的成就，水利信息数据化管理也有较大的成绩，但由于与GIS结合不够密切，在雨水情的图形显示、水情分析、预测等方面存在明显的不足[1]。因此，建立基于GIS的阜新水文局水情报汛值班应用系统，能够实时监测降雨、水库水情信息，通过及时监测、分析、预警等，为水利工程管理者提供高效、便捷、直观的信息管理平台，以实现水利工程的科学管理与可持续利用[2]。

2 系统设计

2.1 数据库设计

2.1.1 关系数据

阜新水情报汛值班应用系统数据主要由关系数据和地理数据两部分，其中关系数据主要是存储降雨信息、水库、河道、墒情数据信息，采用关系数据库SQL Server2008。降雨量数据表主要用于存储阜新市各测站的降雨数据信息，水库数据表主要存储水库的水位、流量等信息，河道数据表主要存储河道的流量、水位等信息，墒情数据表主要存储土壤墒情、农作物生长情况等信息，如表1。

表1 降雨量数据表

2.1.2 地理数据库

地理数据是指具有属性信息和位置坐标测站的矢量数据与地图数据。地理数据主要有降雨测站、水库站、河道站、墒情站等点图层，河流线图层，阜蒙、彰武、市内等面图层，说明相关等注记图层如图1，图层属性信息表如表2。

图1 图层数据表2 图层属性信息表结构

类型字段名称类型长度单位描述降雨测站水库站河道站墒情站站码双精度10测站编码站名字符串50测站名称行政区划双精度10所属行政区码地点字符串50地理位置降雨量双精度10mm查询时段的总降雨量乡镇字符串50乡镇流域字符串50所属流域显示PiecDes字符型mm控制在地图中是否显示降雨量水库类型字符串50大、中、小三种类型站码双精度10水库站编码站名字符串50水库站名称河名字符串50所属河名称所在地字符串50地理位置库水特征字符串50水库特征限制库水位双精度10m水库限制水位站码双精度10河道站编码站名字符串50河道站名称站型字符串50类型河名字符串50所属河名称所在地字符串50地理位置河水特征双精度10河水特征站码双精度10墒情站编码站名字符串50墒情站名称

2.1.3 数据连接设计与配置

由于阜新市水文信息存在保密性、数据量大、信息类型多、也有可能用户在某段时间内并发的访问、频繁查询、频繁提交数据的情况，考虑运用SQL Server2008管理软件来管理雨情信息[3]。采用个人地理数据库对地理数据进行存储，依靠GIS技术，将地理数据进行矢量化，按照点、线、面要素，注记要素进行划分，创建地图的空间数据库，存储为.mdb格式，更能够清晰、直观的反映底图数据之间的位置关系，利用GIS属性查询技术查询要素并定位，更方便了用户操作[4]。

关系数据与地理数据中之间各测站的站码值是唯一的，因此依靠站码字段将SQL Server2008数据库中查询到的数据与地图数据中的站点要素进行关联，方便用户进行水情数据的查询、统计、预报等。系统采用SQL语言，访问SQL Server水情数据库读取查询数据。

2.2 系统总体设计

2.2.1 结构框架设计

阜新市防汛抗旱应急信息预警系统总体设计框架遵循C/S开发过程中的相应规则，采用标准的3层体系结构，分别是用户层、中间层、数据层，如图2所示。

图2 系统结构图

(1)用户层：用于完成人机交互和成果输出，满足用户对水情信息的管理，是系统最终实现的目的所在。它主要表现为客户端显示的功能区模块，包括降雨数据、河道数据、水库数据的查询、统计、预报等功能。

(2)中间层：是系统的主体部分，完成整个系统的主要环境配置和利用编程语言c#实现系统的功能，同时作为用户层和数据层之间信息传递的工具。

(3)数据层：采用SQL Server2008和个人地理数据库高效存储和管理阜新市水情数据，为阜新市防汛抗旱应急信息预警系统的实现提供数据基础。

2.2.2 系统功能设计

阜新市防汛抗旱应急信息预警系统二维成果主要包括雨情统计、河道水情统计、水库水情统计、土壤墒情统计、预报功能等五个主要模块，功能框架图如图3所示。

图3 二维成果功能图

3 系统开发与实现

3.1 系统界面设计与实现

阜新市防汛抗旱应急信息预警系统采用传统软件界面设计模式，可划分为三大视图空间，自上而下分别为菜单栏、工作空间，图层控制栏。通过添加Arc GIS Engine控件建立系统的界面,菜单栏，使用C#菜单编译器，完成菜单栏的制作。在工作空间中加载Map Control控件，用于显示地图数据[5]。图层控制栏是加载TOC Control控件，图层信息显示，对图层开关、排列顺序等进行操作。同时采用第三方控件Dev Express，使界面设计更加美观，操作更加方便，系统界面如图4。

图4 系统界面

图5 等值面图

3.2 雨情统计模块

(1)降雨数据查询。降雨数据查询主要是实现实时降雨量监测数据的查询与统计，对查询时段内雨量站雨量进行统计，展示统计结果。功能通过数据库语言SQL访问SQL Server水情数据库，获取各站点雨量统计数据，以表格方式展示站点基本信息、雨量实时监测数据 ，根据降雨量的多少在表格中进行不同颜色的展示；并在地图数据中显示雨量查询时段、降雨量数值、雨量极值信息；可以将降雨数据按照行政区域、流域导出至Excel表中。

(2)降雨等值线面生成。降雨量等值线面图根据降雨查询功能获得的数据，采用样条函数法(Spline)进行空间插值，获得等值线面图，展示阜新市降雨空间分布情况，如图5。

(3)雨量对比。SQL Server水情数据库中存储多年历史数据，可以通过数据库查询功能获取历史雨量数据，对比历年降雨情况。雨量对比，根据输入条件，查询不同年份同一时段的各站平均雨量，并按照行政区域和流域分别进行对比，导出数据并显示雨量柱状图[6]。

(4)雨量统计。雨量统计功能是统计指定时段内不同年份的降雨情况，通过饼状图展示各年份降雨总和及所占比例，分析年降雨量增减情况。

(5)降雨站异常点处理。由于测站设立时间较长造成设备损坏或其他原因导致某些测站点无法监测、发送降雨数据，在进行降雨等值面生成时出现偏差，为避免这错误，采用剔除异常点功能，将出现异常的降雨站移除到CeZhan异常点图层。再进行降雨查询、统计、等值线面功能，提高结果的准确度，可信度。在异常点恢复正常后，将站点移回，如图6。

图6 异常点处理

图7 河道水情标注

3.3 河道水情统计模块

(1)河道水情查询与标注。河道水情查询主要是实现河道水情实时数据的展示。通过核心对象访问SQL Server水情数据库查询指定时刻河道水位、流量、水势等水情信息，并以listview表格的形式展示水情数据、当前与前一时刻的水位差值，直观的反映水位变化差值是否达到预警阀值。

水情标注是将站名、时间、水位、流量、水势等属性信息以气泡式符号方式在地图上进行标注，既可以显示站点水情信息，又可以准确定位到站点的地理位置[7]，如图7。通过气泡标注颜色来区分河道站和水情站，粉色为河道站，青色为水文站。

(2)河道水情统计。河道水清统计是展示某一站点在查询时段内所有水情数据。输入具体站号和查询时段，访问水情数据库，在listview表格中显示站点、水情等信息，以折线图的方式展示流量监视过程，横轴表示时间，纵轴表示流量，这有利于水文工作者更清楚的掌握河道流量变化情况，如图8。

图8 河道水情趋势图

图9 水库水情标注

3.4 水库水情统计模块

(1)水库水情查询与标注。水库水情查询主要是实现水库水情实时数据的展示。按照输入的查询条件，通过核心对象连接SQL Server水情数据库，读取水库水情信息，按大型、中型、小型水库顺序以列表的方式展示水库水情信息。水库站基本信息包括站型、站名、河名、所在地等数据；水情信息主要是记录水库站的现时库水位、蓄水量、总库容、汛限水位、汛限库容、超限水位、出库流量、入库流量、防洪库容等信息，水库库容、水位之间的关系[8-10]。

水库水情标注是通过IFeatureCursor、IFeature等接口及其相应方法，在地图上标注水库站名、时间、库容、汛限水位等属性信息。水情标注有利于于水文局工作者查看、分析水库水情信息，提高工作效率，成果如图9所示。

(2)水库水情统计。实际上，就是展示某一水库站在查询时间内的水情信息。通过输入查询时段、水库站号，详细统计各时段该站点的汛限水位、现时库水位、蓄水量、入库流量、出库流量等数据[11]。

3.5 土壤墒情统计模块

(1)土壤墒情查询。通过访问水情数据库，查询并展示土壤的站点信息，以及土壤墒情信息。墒情是指土壤湿度的情况，即土壤的实际含水量=水分重/烘干土重*100%。土壤墒情查询以表的形式展示土壤站的站号、站名、河名、10 cm土壤含水量、20 cm土壤含水量、40 cm土壤含水量、作物种类、生长期、受害情况、受害级别、土壤类别、干图层厚度等属性信息。

(2)土壤墒情标注、将土壤墒情站的站名、时间、10 cm、20 cm、40 cm土壤含水量等信息标注在地图上，成果如图10所示。

图10 土壤墒情标注

3.6 预警功能模块

根据实时雨水情信息和水库水位、雨量预警阈值判断水库站、雨量站是否超警戒，如果超过临界值则会发布预警信息，并可以准确定位到站点位置。水文工作者可以根据预警情况查看各地区降雨情况，判断是否要采取相应的防雨措施[12,13]。

根据简报模板查询简报内容所需数据数据，并自动填充简报模板，有利于节约人工统计的时间成本，大大提高水情报讯的工作效率及精准程度。

4 结语

本研究利用互联网、GIS信息集成、数字视频等技术，构建了阜新市防汛抗旱应急信息预警系统，集汛情旱情预警、实时与历史数据查询、现场数字视频监控等功能为一体，在全景式信息资源整合技术上取得新突破，为防汛抗旱决策提供了关键技术支撑，有效提高了防汛应急监测指挥系统的时效性和准确性。