WebGIS“一张图”技术在水库调度自动化系统中的应用

欧思程，刘 帅，洪福鑫

(1.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

长江流域总面积180万km2，三峡以上控制流域面积100万km2，按照控制重点暴雨区，掌握下游控制站点的原则，三峡梯级水库调度自动化系统(以下简称“三峡梯级水调自动化系统”)随着长江流域梯级水库的滚动开发、高速发展、持续更迭，其水情遥测子系统已建成为国内水电企业覆盖面积最广、规模最大的水情遥测系统，系统测控范围从5.6万km2发展到58万km2，测站数量从65个发展到650余个。此外，通过多种合作方式实现了流域气象数据、报汛数据的融合接入。目前三峡梯级水调自动化主要用来实现遥测水雨情、流域报汛水雨情信息采集、处理、查询，梯级枢纽水库调度及水文预报等，为三峡集团六座梯级水库的联合优化调度提供基础数据支撑。

地理信息系统(GIS)是对整个或部分地球表层空间中有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，为用户的活动提供信息支持与服务[1-2]。GIS技术已广泛运用于水调、水雨情监测等领域[3-5]，但是目前多数系统应用于水调自动化系统仅支持信息查询与监视，功能较为单一，未能充分融合GIS技术[6-8]，随着GIS理论体系的不断更新完善以及互联网技术的不断融合，基于WebGIS“一张图”的理念已广泛运用于水调自动化系统[9-10]。将一个流域内的水情、气象等各种信息，基于WebGIS平台进行整合，将不同的信息或者应用按照不同的图层管理，在一张地图上叠加，为用户提供尽可能全面的信息。

在新版三峡梯级水调自动化系统升级和改造过程中，针对其在数据资源来源广、分散，业务协同困难等方面的问题，本文介绍了基于WebGIS技术，采用以地理信息、水雨情、报汛、气象等数据为基础的“一张图”全聚合展示模式，同时搭载各类专题应用，应用于水调自动化系统中，使其能完成对各类信息的快速定位查询，完成对流域水雨情的统计分析和动态展示，实现GIS地图中遥测、报汛、气象数据的融合展示，提供气象预报、流量预报以及调度计划分析等专题应用功能，从而实现对电站生产运行全过程的监控，可为流域梯级水库的智慧决策、优化调度提供强有力的技术支撑。

1 存在问题

目前，虽然GIS技术已广泛运用于水调、水雨情监测，但大多数的应用仅限于信息的查询，如图1所示，只能对不同来源的数据分页面进行二维静态展示，无法提供对于水雨情数据及报汛数据的融合分析，未能与水调自动化系统进行充分的融合。在旧版的水调自动化系统中主要集中有以下几方面的问题：① 在GIS可视化方面二三维不能一体化融合，可视化应用工具也不够丰富；② 由于系统数据来源较为分散，导致展示形式分散单一，未能充分融合，无法提供各类水雨情、气象数据的融合分析，用户的体验感较差，操作性不强；③ 在各类高级应用功能方面不能自适用调整，无法协同开展，降低了用户的各类预报制作及调度计划制作的效率。

图1 传统GIS系统展示界面Fig.1 Traditional GIS system display interface

2 WebGIS“一张图”系统架构与实现

2.1 系统架构

由于需要展示的数据涉及多种数据源，且逻辑结构复杂，为使平台的结构更加清晰、使用更加便捷，新版水调自动化系统采用B/S结构来构建GIS功能，根据分层设计原则，将平台设计为表现层、业务逻辑层和数据层的3层体系结构，总体框架如图2所示。

图2 WebGIS应用整体架构Fig.2 Overall architecture of WebGIS application

2.2 分层设计

(1) 表现层。表现层即系统的人机交互界面，可通过Web浏览器进行访问。系统使用HTML5和CSS3构建UI界面，使用JavaScript与WebGL响应用户操作、解析数据和构建二三维场景等。平台界面能够实现与用户多种方式的交互、接收用户请求以及对请求作出响应。表现层设计和开发将基于HTML5和CSS3，在主流浏览器中运行，实现GIS二三维场景构建和应用程序界面，确保用户不需要安装任何第三方插件。客户端与服务器通信基于纯粹的AJAX调用，确保客户端有良好的适应性。

(2) 业务层。业务是整个系统的核心。它按照业务逻辑，对用户的请求进行处理，同时调用后台接口，与服务器中的数据进行交互。并根据各个功能模块所需要的数据表现形式及复杂的逻辑关系，对返回结果作进一步处理，最终在表现层得到响应。同时，该层还将系统的核心功能封装为 JavaScript API，便于二次开发。系统中使用的Web服务器优先选择开源GIS服务器，同时它还作为后台地图服务器。设计采用多服务器程序部署方案，其中地图服务器基于开源软件产品GeoServer，应用服务器和瓦片数据服务器为自主开发，确保多用户并发的稳定性和性能。

(3) 数据层。数据层能够对数据进行存储并响应平台对数据的访问请求，负责空间数据的存储与管理，主要包括检索、新增、更新、删除等操作，是整个平台的基础。该层含有二三维模型数据，基础地理空间数据，长江流域水雨情、报汛、气象等专题统计数据以及影像数据等。

3 WebGIS“一张图”在水调自动化系统中的应用

本系统基于WebGIS的方式，采用以地理信息、水雨情、报汛、气象等数据为基础的“一张图”的理念，并通过接口调用搭载了各类核心业务高级应用功能，将其应用于三峡水调自动化系统中，支持各类基础信息展示、查询、计算、分析以及气象、流量预报以及调度计划等功能，主要从以下几个方面提升。

3.1 二三维GIS一体化

为了在WebGIS“一张图”中实现二三维一体化，本文通过一体化的空间数据管理和存储的方式，使数据在二三维都可以使用，将二三维GIS集成在一个统一的应用程序框架中，实现了二三维GIS交互界面可以在一个网页集成，也可一键切换，具有相同的主题管理机制。如图3所示，在三峡水调系统中，流域水雨情模块选择全流域GIS，通过二维场景/三维场景按键即可一键进行切换，方便用户进行查询，在美观、易用、动态效果方面给用户提供全新的视觉体验。

图3 全流域GIS二三维切换示意Fig.3 2D/3D switching map of the whole river basin GIS

3.2 二三维GIS可视化细节更丰富

在GIS可视化细节功能方面，为了使流域“一张图”可视化细节更加形象、丰富，可视化工具更加丰富，在二维GIS可视化方面，系统基于WebGIS的方式提供地图量测(距离、面积)、行政图、卫星地图切换、动静态图层显示控制等功能，能够预先或程序控制确定分析，实现定位和二维动态、静态几何要素拾取回调等。例如，在全流域GIS图中通过面雨量测量工具选取测量面积，即可测量相应区域的平均雨量，见图4。在三维GIS可视化方面，采用开源工具包WorldWind和WebGL技术，增强三维可视化展示效果。例如通过载入三维模型以及大规模场景渲染技术来提高真实感，并引入过程动画，对应用分析结果进行动态展示，在WebGIS流域“一张图”中使其二三维可视化效果更加丰富，用户体验感得到提升。

图4 面雨量工具测量展示Fig.4 Area rainfall measurement display

3.3 多源数据融合

目前三峡水调自动化系统中，流域水雨情系统包含了多种数据来源，包括自建的遥测站、气象站还有共享站、报汛站等，相较于以前报汛数据与遥测数据只能利用分页面静态展示的方式，目前基于WebGIS的流域“一张图”通过数据结构转换的方式，将报汛数据、气象数据格式规整为遥测数据格式，并加上数据标签，在以长江流域为基础的“一张图”上实现站点融合展示以及各数据源单独展示，从而实现了报汛、遥测、气象的多源数据融合，如图5所示，在雨情检索模块可选择遥测站、报汛站、共享站、气象站等不同类型的站点查询水雨情数据，同时在数据查询的GIS画面中还融合了气象雷达降雨、降雨预报等产品。

图5 新一代GIS多源数据融合展示Fig.5 New generation GIS multi-source data fusion display

另外，通过选择站点的详情信息展示选项可丰富地展示出各站点当前的水位流量信息，与同期、多站点、相似年份等多数据对比统计见图6，并且能提供水情动态演示，为水雨情数据的过程分析提供方便快捷的工具，为入库流量预报、流量合成演算以及短期调度计划方案提供可靠的数据及技术支撑，从而在水调自动化系统中通过“一张图”实现数字智慧化运用。

图6 站点水雨情信息展示Fig.6 Site water and rain information display map

3.4 多业务协同展示

在梯级水库调度的过程中，需通过水文气象预报、水库运行、调度计划预报等一系列应用，最终实现梯级调度，而旧版的水调自动化系统中各业务模块分离，无法协同开展。本文在流域WebGIS“一张图”中，搭载了各类高级应用功能，根据业务需求设计展示主题和内容，以水调业务的整理分类，通过选用不同的图元控件、表达形式、使用布局、向导或切换等手段，形成1套完整的专题查询组合。例如目前开发出的流域水雨情监视专题、水库运行监视专题、电站发电生产专题、预报调度计划专题。最后利用接口技术即可将各类高级应用聚合在WebGIS流域“一张图”中，方便业务人员在“一张图”中完成一系列的业务应用操作，大大提高业务人员的工作效率，另外系统提供后台接口，以供用户进行第二次应用开发，从而满足水调自动化系统智慧化管理需求。

4 结 语

本文介绍了基于WebGIS方式，将以地理信息、水雨情、报汛、气象数据为基础的WebGIS“一张图”应用于新版水调自动化系统中，实现了多源数据融合、二三维GIS一体化，并在“一张图”中丰富了可视化应用工具，搭载了各类的高级应用功能，从而实现了水雨情数据实时查询、分析、信息交互、可视化展示、气象流量预报及调度制作等一系列功能，使水调自动化系统具有高效性、灵活性和兼容性。未来随着GIS技术的不断发展，基于大数据、人工智能的GIS技术也将进一步运用于水调自动化系统中，为水调自动化系统智慧化提供强有力的技术支撑。