基于GIS一体化的水情信息系统的设计与实现

文/徐会军 陈俊 林剑龙

1 引言

为了逐步完善中小河流水文监测站网，进一步增强中小河流水文监测及预警预报能力，提升中小河流的防汛减灾能力，减少人民生命财产损失，水利部连续出台了多个关于全面开展中小河流水文监测能力的文件及总体规划。福建省积极推进中小河流水文监测系统建设，在完善监测站网的同时，运用先进信息技术和GIS技术，整合空间、水情、雨情等基础，形成水文“一张图”，建立一套服务于中小河流洪水预报、预警、信息发布的综合水情系统，全面提升水文情报的科技含量，提高洪水预报的精度和预见期，为福建省中小河流防洪减灾、中小水库的安全运行提供及时、准确的决策依据和技术保障。

GIS（Geography Information System）是一种特定的空间信息技术，以计算机软、硬件系统为支撑，将各类资源数据整合在一张地图上，实现空间数据查询、定位、统计和展现功能，直观生动展示水雨情的空间分布及趋势发展，为水情监测预警、水文情报统计及防汛辅助决策分析等提供更为丰富的信息支撑手段，从而能够提高水情会商、应急管理的高效性和科学性。

本文设计并实现了基于GIS技术的福建省中小河流水情信息系统(FJHIS-MSR)。系统基于以水文“一张图”的理念，建立了一个面向省市县三级水情机构的水文业务应用系统和服务平台，利用GIS和互联网技术汇集全省所有水雨情资源，实现水雨情数据实时查询、空间分析、模型计算、洪水预警、信息交互等服务，充分挖掘利用已有数据资源和技术，提高水情预警预报的能力，为应急防汛工作提供科技保障。

图1：系统框架结构图

图2：系统功能设计图

2 系统总体构架及分层设计

2.1 总体框架设计

系统总体框架是系统设计、实现的基础。本系统采用分层化的设计思路，在建设架构上分成感知层、传输层、数据层、支撑层、应用层、表现层六个部分组成。其整体框架如图1所示。

2.2 分层设计

2.2.1 感知层

作为系统最外在的“耳目”功能，主要是感知（接收）包括雨量、水位、流量、工情等各类传感器的监测数据，以及来自防汛、气象等部门的共享数据，通过数据接收平台收集入库，供系统调用。

2.2.2 传输层

将感知层获取的数据传输到系统数据库中，主要的传输通道为基于VPN的3G移动传输卡，以及通过光纤模式的政务外网系统，后者则是使用水情信息交换系统实时传输雨水情数据到上层机构（厅（局）、部委/流域机构）。

2.2.3 数据层

图3：实时水雨情预警监视系统实现界面

图4：一张图服务效果图

空间数据引擎（SDE）是GIS管理空间数据的核心部分，负责空间数据的存储与管理。系统采用ArcGIS GeoDatabase组织和管理系统中所有的空间数据，使用Oracle 11g数据库平台组织和管理系统中所有的属性数据，SDE一体化整合空间数据和属性数据，构建水情GIS时空数据库，实现对感知层数据的收集存储、维护、管理以及空间索引的自动维护与更新功能。

2.2.4 支撑层

是系统的核心部分，负责构建基于ArcGIS Server地图服务器，发布可访问的REST 服务资源，存储、搭建功能中间件（组件），支撑系统功能实现，协调系统的处理调度和负载均衡。

2.2.5 应用层

承担着整个系统的功能和逻辑处理，为系统提供数据汇集、融合、空间分析以及模型计算等信息服务；根据系统的实际请求，分配服务资源处理业务需求。

2.2.6 表现层

系统的人机交互界面，使用HTML/CSS/JavaScript技术编写。对于复杂的人机界面和人机交互过程，如绘制过程线、专题地图等，则采用图片等方式嵌入到网页中，确保提供统一的用户界面，实现个性化界面、用户管理、单点登录、信息发布等公共功能，包括实现面向各类终端包括手机、平板、PC电脑、大屏等的用户体验。

3 系统设计与实现

3.1 系统功能设计

系统按照功能模块化原则进行设计，遵循系统工程开发中自顶而下、逐步求精的结构化设计原则，结合水雨情数据结构特点和水文情报预报工作的实际要求，主要分成10个子系统:站网管理系统、移动人工报汛系统、实时数据管理系统、预报成果管理系统、雨水情产品制作系统、水情报表制作管理系统、实时水雨情预警监视系统、LED汛情发布系统、移动水情服务系统（e水文）、综合水情办公系统。其中，综合水情办公系统以及实时水雨情预警监视系统是整个系统的核心模块。如图2所示。

3.1.1 综合水情办公系统

通过该系统协助水情值班人员便捷、高效完成文件处理、数据管理、用户管理等系统管理维护工作，实现文档电子化管理，实现各类业务文档的电子化存储、传送，确保数据的安全；通过协同工作机制，实现水情业务的协同、高效办公，将水情预报人员从繁琐的文案管理中解脱出来，更有效的开展水文情报预报工作。

3.1.2 实时水雨情预警监视系统

建设一个全省统一的集雨水情产品展现、信息监视、预警信息分析与发布等综合业务过程于一体的监视服务系统。系统以实时水雨情数据库、地理信息数据库为支撑，通过WebGIS及统计图表为信息展示方式，为用户提供雨情、水情、墒情等方面直观的信息查询、图形显示、报表输出及辅助决策分析服务，满足用的信息查询需求，辅助防汛决策。

3.2 数据库设计

数据库设计是指在某一具体数据库管理系统上开展数据库表结构、字段结构设计的过程。本系统按照水利行业标准《实时雨水情数据库表结构与标识符标准（SL323-2011）》的要求，建立实时水雨情数据库，同时对标准库进行扩展，增加主要包括预报专用数据库、地理信息图形数据库、雨水情产品数据库等库，完善系统的数据综合性和通用性，提高系统的使用范畴。

3.2.1 实时雨水情数据库

按照《实时雨水情数据库表结构与标识符标准（SL323-2011）》在省中心、地市分中心建设实时雨水情数据库，通过数据传输及水情数据交互系统实现实时雨水情、预警预报信息的共享入库，确保全省水雨情数据同源，便于协同会商、合成作战。

3.2.2 预报专用数据库

依据福建省中小河流洪水预报系统的需求，规范预报模型库、模型参数、预报方案、预报初始状态等信息的存储。在省中心、分中心分别建设预报专用数据库，实现中小河流洪水预报系统在各节点独立运行，通过数据传输及信息共享服务实现最终预报成果与省中心共享。

3.2.3 地理信息图形数据库

建设一套适合福建中小河流业务应用的GIS数据库，满足洪水预报、监视服务、信息发布、地图展现等业务需求，实现全省水文“一张图”，主要包括基础地理信息数据、专业基础数据、产品数据、影像数据、地形数据(DEM)等。

3.2.4 雨水情产品数据库

建设一套适合福建省中小河流监视服务、信息发布的雨水情产品数据库，实现信息展现的一致性。该数据库为空间数据库，由雨水情产品服务平台将各类产品写入到此空间数据库中，各应用通过SDE获取产品并展现。

3.3 系统实现

系统从软件的跨平台应用、扩展性、兼容性、易用性等方面进行考虑，采用基于兼容性和扩展性较强的.NET平台编程语言开发实现，以B/S和C/S混合架构实现，内部功能模块则采用组件集成方式开发，数据库访问采用统一的数据库访问封装技术进行，系统具有较强的扩展性、灵活性和兼容性。

3.3.1 前后端分离技术

系统采用前、后端分离技术进行开发。前端基于AJAX技术通过HTTP发送请求数据，服务端接收到前端数据请求后进行权限过滤，将合法权限信息提交给对象关系映射（ORM）进行数据分析，根据分析生成的SQL请求向数据所在的数据库发送数据请求，并将所获的结果向服务端应用反馈，最终编译成JSON格式发送给前端，并在浏览器展示。如图3所示。

3.3.2 水文“一张图”理念

面对水情预报、防汛会商等紧急情况时，需要综合分析各类信息，如水情、雨情、基础信息、气象信息以及当前或历史信息的合成对比，为此引入了水文“一张图”的理念，在系统中将需要的各业务信息统一展现在一张图上，形成一站式地图服务，在实战中精确的搭建各类综合信息库，快速的开展协同会商、综合预报工作，完成水情服务、防汛专题业务的特征数据分析、统计分析、趋势分布图的定制。如图4所示。

4 系统应用

福建省中小河流水情信息系统是一个基于GIS技术的水雨情信息管理、预警预报发布及水情会商等功能的一体化系统，实现了水文“一张图”理念，使得数据从源头感知、传输、整合、流转一体化，实现水文情报预报的各个环节无缝集成，为全省水情协同会商、合成作战的全新模式提供了技术支撑平台。

经过近2年的运行证明，福建省中小河流水情信息系统操作简单，界面简洁美观，功能齐全，互操作性强，能够满足各类水文情报预报工作，能够及时有效开展预警预报服务，提升福建省水文的服务能力和服务水平。

5 结语

本文将信息化技术、GIS技术以及水文预警预报技术等应用于社会创新管理业务，设计实现了水文“一张图”水情信息系统。该系统的投入使用一定程度的减轻水情值班人员的劳动强度，提高了工作效率，能够较好的满足了水情会商的工作需求，为开展洪水预报、防汛减灾以及应急管理等工作的协同会商、合成作战提供强有力的技术手段。

中小河流水情信息系统是一个庞大而复杂的系统，如何使系统能够融合和充分利用已有的业务系统，集成相关信息资源，同时便于各系统快速地开发和易于扩展，另一方面，现有的建设成果与未来的建设相互衔接，提供系统的适用性和先进性，是系统建设必须要处理的两个问题。

在今后的开发研究中，将进一步对水情信息系统的数据库进行扩充优化，扩展历史时期，为用户提供更加广泛的适用范围，同时也将对系统的操作界面进行优化，为用户提供更好的操作体验。