GIS系统在山东黄河水文信息化的应用研究

万 鹏，高振斌，杨 钊

GIS系统在山东黄河水文信息化的应用研究

万 鹏，高振斌，杨 钊

（黄委山东水文水资源局，山东 济南 250100）

随着黄河水文信息化建设发展，尤其在地理信息系统、数据库管理及虚拟现实等技术的应用，为水文工作带来新的模式与发展前景。该局采用ArcGIS创建黄河下游GIS地图，通过Web服务对水文（位）站进行分级管理和访问，可在线对黄河下游测站的雨水情信息、水文设施工程、河道布设的矢量图、三维模型等空间数据进行访问。

GIS系统；黄河水文；信息化应用

1 概述

科学技术的飞速发展，使黄河管理和流域社会经济发展对水文服务的需求与日俱增。国家防汛抗旱指挥系统项目建设后，初步构建雨水情自动采集、全国水文年鉴数据库、水文技术档案等多个业务系统，有效提升了水文全面服务社会的能力。随着地理信息系统、网络通讯和数据库管理等技术的发展与应用，已建水文业务应用系统由于水文数据体量大、数据表单多样且结构不一、业务系统之间缺乏统一的支撑平台，不能满足统一数据管理和共享交换，无法实现对海量大数据和非结构化空间数据高效管理的水文“一张图”［1］。

将水文数据和元素模拟进GIS地图中，可以使黄河河道高分辨率影像、河道断面数据、岸堤及重点水文设施及建筑物等空间数据完整融合，形成一套完整的空间数据采集与更新机制，在给业务管理带来便捷的同时，也打破了各类海量数据之间的壁垒，充分实现数据共享［2］。GIS系统的建成能够将黄河下游较全面的、实时的水文多元化数据，通过高精度、多图层的地图展示，直观方便地分析黄河水势的演进变化，探索其内部规律，对全面动态地掌握测区凌情和汛情，快捷高效地开展水文测报质量管理，提高对突发汛情的跟踪、分析和会商决策能力，为黄河治理、开发和管理提供技术支持。

2 系统设计

2.1 建设内容

以当前主流的浏览器/服务器为访问模式，采用JAVAScriptDOJO面向对象的模块化语言进行开发。航拍测绘的电子地图作为底图，分别绘制成矢量图、地形图和影像图三种空间比例尺图层，在公共模型框架下对三种比例尺下的数据进行切片。使用《山东黄河下游测站考证（2005年）》数据为基础，以符号化矢量的空间数据进行统一描述和存储。对水文（位）站的测验设施进行GPS数据定位采集，满足远程监测、防汛决策和开展水文测验质量管理的需要，包括：站点定位、水情查询、基础信息检索、实时视频监控、三维模型演示等。即对黄河下游19处站点的GPS坐标信息进行准确定位；读取测站的实时雨水情信息；检索测站的历史特征值、历年关系曲线图、测站基础信息、测站站貌等数据；通过接入视频监控系统能够观测到监测断面的测验情况及水位变化；运用无人机技术对重点测验断面进行航拍，通过对二、三维数据切片的导入可清晰展示测站基地、河道断面和滩地情况。

2.2 设计标准与原则

2.2.1 设计标准

本系统的应用与实施均严格执行《国家基本比例尺地形图图式第二部分：1∶50001∶10000地形图图式》（GB/T20257.2-2006）［3］； 《基础地理信息要素分类与代码》（GB/T13923-2006）［4］； 《水情信息编码》（SL330-2011）［5］； 《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL323-2011）［6］、 《水文自动测报系统规范》（SL61-94）［7］； 《水文基础设施建设及技术装备标准》（SL276-2002）［8］等规范要求。

2.2.2 设计原则

（1）标准化原则

总体符合工程系列和水利行业相关标准要求，基础地图数据参照现行《国家基本比例尺地形图图式第二部分：1∶50001∶10000地形图图式》GB/T 20257.2-2006［3］，进行分类整理。要素字段的设计类型、长度采用《基础地理信息要素分类与代码》（GB/T13923-2006）和《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL323-2011）；通讯协议采用TCP/IP通用协议标准；系统开发采用主流的 Arcgis和Java开发工具编写。

（2）技术成熟和先进性原则

系统设计采用开放的体系结构、网络和计算机技术领域的主流技术、技术成熟的前沿产品，通过信息整合、信息传输、信息展示应用搭建水文成果展示平台，建成黄河“智慧水文”，以此提升业务管理水平，具有一定的创新性和前瞻性。

（3）可扩展和易维护原则

具有独立的后台数据管理系统，授权分级用户按帐号进行登录和编辑，实现数据的异地录入，系统自动共享，操作界面友好、用户操作简单。

平台具有良好的兼容性，易于扩展、修改模块、增加功能以及重组系统，软件本身能够不断适应管理业务需求的提升和变化，同时在开发阶段充分考虑易于维护的原则。

3 系统建设

该系统为信息采集系统、计算机网络系统、业务处理系统构成信息综合平台，该系统架构分为三层，表示层、应用层、数据层。表示层在客户端显示地图和数据的操作，提供系统管理、查询、分析、统计管理功能；应用层为GIS服务和WEB服务，用于编辑空间要素信息和属性信息，进行空间数据加载、分析和处理；数据层存储空间地图数据和业务数据，实现数据的安全性、完整性、一致性和并发控制，是平台建设最重要的基础设施。

3.1 数据资源挖掘与整合

3.1.1 测绘数据资源

系统利用GoogleEarth卫星影像数据资源进行地理信息的检索、分析与制图，按照《国家基本比例尺地形图分幅和编号》（GB/T13989-2012）［9］规定的标准分幅，获取黄河下游干流山东段的30cm分辨率卫星影像。同时使用专用软件整合1∶10000黄河下游河势矢量图、山东省沿黄各地市1∶1000矢量标注图。

使用德国MAVinci公司的天狼星无人机GPS+RTK技术采集数据，对黄河下游重点河段拍摄10cm精度的航拍影像图，生成DOM（数字正射影像图）和DEM（数字高程模型），形成黄河山东河段的DEM高分数据。采用ArcGISDesktop10.3对地图进行处理、编辑、切片和发布，为地理信息系统和模块开发提供空间数据支持。

利用美国TrimbleGPS定位系统和CGCS2000坐标系的山东CORS基站，对黄河下游24处站点的基本断面、测流断面、比降断面、吊箱缆道、三等以上水准点、永久性水尺等进行GPS测量、定位、标识，测出地理坐标。对数据点进行分类整合，确定点要素、线要素、面要素，采用水利行业标准规定将所有信息要素进行分类整理入库和地图标绘，实现水文地理信息的准确性、可靠性、有效性。如图1所示。

图1 测验河段高清航拍影像

3.1.2 数据库资源

系统涉及空间地理数据和基本水文数据两种表结构，采用Geodatabase的存储模式进行空间数据存储，Geodatabase是一种面向对象的空间数据模型，是建立在DBMS之上的统一的、智能的空间数据模型。以Oracle数据库建立基本水文数据库表结构，从实时雨水情数据库中同步获取数据，表结构和字段格式符合《实时雨水情数据库表结构与标识符》（SL323-2011）规范的要求。包括各类业务数据采集、标准化整编处理、数据入库、数据管理与共享等。即解决系统所涉及的海量数据存储，又要整合远程采集的实时数据，为平台功能发挥提供有力的数据库支持。

3.2 系统结构与模块

3.2.1 系统模式

（1）访问模式：以主流的 B/S（浏览器/服务器）为访问模式，实现Web服务在电子地图中的资源共享，能够在LED触摸屏、平板电脑上取得良好的显示效果，可以广泛的运用到水文业务分析与管理，尤其是水情会商、防汛决策以及水文测验管理等方面。

（2）人机交互：充分考虑到人机交互的触摸感受，通过鼠标操作和触屏操作达到交互效果。平移视图、改变地图比例尺可通过鼠标左键拖动和中间滚轮来实现，触摸屏是以单指拖动和两指缩放为主，经测试比较符合一般人的操作习惯。

（3）坐标定位：通过鼠标点击、触摸屏触摸的方式，在地图上点选要素，通过在空间地理数据库中查询获取到该要素地理坐标并定位，并可查询该要素所包含的相关数据。

（4）分类检索、分层加载：对采集与标绘的地理信息进行分类加载，用户可以根据需要对相关图层进行加载，只加载对应的空间数据和业务数据，满足了用户对不同数据有针对性的检索。

3.2.2 业务模块

将平台功能模块扩展到基本水文业务，包括实时水情、水文测验设施的GIS定位、切换和检索、视频调用等功能，经过对业务需求的梳理，建立统一的技术标准、数据资源，完成各业务模块的集成开发，确保模块之间的资源共享和业务协同，提高测区的水文业务管理的信息化水平［10］。

（1）实时水情监测分析

通过调用实时雨水情数据库接口信息，读取黄河下游测站的雨水情数据，可实时查询测站水位流量变化过程及实测情况，便于及时指导测站的水文测报工作，见图2所示，同时可实时接收遥测水位计的水位数据，出现异常水位变化时及时预警，便于测站人员及时做好水文应急监测的应对。

（2）实时视频监控

图2 实时水情监测信息

调取远程视频监控信息，对视频接入模块进行实时转码，将不同格式的视频流转换为HLS/H264格式，实时监控测站的水尺断面、测验断面、过河缆道及水文设施等视频资料。目前泺口水文站、利津水文站、清河镇水位站、张肖堂水位站、麻湾水位站、西河口水位站等11处已安装云台式激光摄像头，采用光纤传输技术实现网络接入，达到高清级的断面视频监控效果。利用VPN技术、ONVIF协议将视频监控传输到该系统，实现远程实时监控和云台控制功能。

（3）三维地图建模及数据服务

为用户提供预先编制的线划地图、地形晕渲、影像地图的浏览服务。采用无人机倾斜地理测量技术对基本断面和周边滩地情况进行了航拍，航拍比例尺精确最高达到5cm。运用俄罗斯Agisoft的Photoscan后处理软件进行数据处理，通过对最终数据的切片导入和发布，将三维地图数据发布为 WMS（WebMapService）服务。使各类矢量服务、影像服务动态立体地呈现在三维模型中，并实现当前地图的二、三维地图联动。为下一步实现黄河河道与河口演变分析，不同流量的洪水演进模拟做好数据加载工作。

3.3 系统集成

3.3.1 硬件部署

系统需要硬件包括：地图信息服务器2台、数据库和业务管理系统服务器各1台、网络发布服务器1台。地图服务器部署 ArcGISServer10.1软件，主要是负责地图服务，当网络发布服务器接收到客户端地图服务请求时，网络发布服务器就会将地图服务请求转发给GIS服务器，GIS将对地图服务请求进行处理，并将处理结果返回网络发布服务器，再由网络发布服务器返回给客户端。数据库服务器部署Oracle软件，完成对系统数据的存储。网络发布发布服务器提供系统的门户功能。

3.3.2 软件部署

软件部署包括：基础软件、项目建设数据和软件，其中基础软件包括：二维地理信息软件（Arc-GISServer10.1标准版）、数据库管理系统（Oracle10g）、 Web中间件 （Tomcat5.0 或以上、WebLogic10.0等）。系统建设数据和软件主要包括：空间数据库、专题数据库、河道监测数据库、电子地图、电子地图切片数据、三维场景数据、三维模型数据、二维地理信息服务、三维地理信息服务、二维地理信息开发接口、二维地理信息门户网站。这些软件和数据部署在上述4台服务器上。

4 结语

将GIS技术运用在水文信息化管理在本行业中尚属首例，该项目的实施为黄河下游水文（位）站提供地理数据服务和空间分析服务，实现对水文（位）站水文测验设施的 GPS定位和查询，水位、流量过程等水文情势的实时在线监测和分析，进一步提升水文测报质量管理水平，拓宽防汛、防凌决策活动的视野，提高黄河下游防凌、防汛的决策效率和响应能力，为黄河防汛抗旱和水资源统一调度提供及时高效的信息服务，将产生重大的经济效益和社会效益。

［1］高露雄，肖志远，王立海.基于大数据环境的水文GIS应用发展初探［C］.2015（第三届）中国水利信息化与数字水利技术论坛论文集，2015.

［2］芮孝芳.水文学与“大数据”［J］.水利水电科技进展，2016（03）： 1-4.

［3］GB/T20257.2-2006.国家基本比例尺地形图图式第二部分：1∶50001∶10000地形图图式［S］.

［4］GB/T13923-2006.基础地理信息要素分类与代码［S］.

［5］ SL330-2011.水情信息编码［S］.

［6］SL323-2005.实时雨水情数据库表结构与标识符标准［S］.

［7］SL61-2015.水文自动测报系统技术规范［S］.

［8］SL276-2002.水文基础设施建设及技术装备标准［S］.

［9］GB/T13989-2012.国家基本比例尺地形图分幅和编号［S］.

［10］王永亮.新时期3S技术在水文监测中的作用初探［J］.水利技术监督，2017（01）：30-31.

P208 TV877

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1008-1305（2017）05-0034-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.012

2017-03-24

万 鹏（1979年—），女，高级工程师。