阜新市防汛抗旱應(yīng)急信息預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡 洋

(阜新恒澤建設(shè)工程有限公司，遼寧 阜新 123200)

1 系統(tǒng)建設(shè)需求

阜新市地處遼西低山丘陵區(qū)，全區(qū)呈長(zhǎng)矩形，總面積10 445 km2。氣候?yàn)楸睖貛Т箨懠撅L(fēng)氣候區(qū)，年均降水量481 mm，并且時(shí)空分布不均，需要建蓄水調(diào)節(jié)工程，并處理好水沙關(guān)系，才能有效利用。境內(nèi)為遼河和大凌河兩大流域所控制，主要包括繞陽(yáng)河、柳河、養(yǎng)息牧河、秀水河、細(xì)河和牤牛河等。全地區(qū)5 km長(zhǎng)以上河流有313條，總長(zhǎng)3 827.5 km，共建降雨站144個(gè)，河道水位站14個(gè)，河道、水位站個(gè)7個(gè)，水庫(kù)站33個(gè)。

目前，阜新水文局已建立水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情綜合服務(wù)系統(tǒng)、降雨量、水庫(kù)河道水情、遙測(cè)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫(kù)，水利信息化建設(shè)取得一定的成就，水利信息數(shù)據(jù)化管理也有較大的成績(jī)，但由于與GIS結(jié)合不夠密切，在雨水情的圖形顯示、水情分析、預(yù)測(cè)等方面存在明顯的不足[1]。因此，建立基于GIS的阜新水文局水情報(bào)汛值班應(yīng)用系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)降雨、水庫(kù)水情信息，通過(guò)及時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、預(yù)警等，為水利工程管理者提供高效、便捷、直觀的信息管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)水利工程的科學(xué)管理與可持續(xù)利用[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1.1 關(guān)系數(shù)據(jù)

阜新水情報(bào)汛值班應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要由關(guān)系數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)兩部分，其中關(guān)系數(shù)據(jù)主要是存儲(chǔ)降雨信息、水庫(kù)、河道、墑情數(shù)據(jù)信息，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server2008。降雨量數(shù)據(jù)表主要用于存儲(chǔ)阜新市各測(cè)站的降雨數(shù)據(jù)信息，水庫(kù)數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)水庫(kù)的水位、流量等信息，河道數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)河道的流量、水位等信息，墑情數(shù)據(jù)表主要存儲(chǔ)土壤墑情、農(nóng)作物生長(zhǎng)情況等信息，如表1。

表1 降雨量數(shù)據(jù)表

2.1.2 地理數(shù)據(jù)庫(kù)

地理數(shù)據(jù)是指具有屬性信息和位置坐標(biāo)測(cè)站的矢量數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)主要有降雨測(cè)站、水庫(kù)站、河道站、墑情站等點(diǎn)圖層，河流線圖層，阜蒙、彰武、市內(nèi)等面圖層，說(shuō)明相關(guān)等注記圖層如圖1，圖層屬性信息表如表2。

圖1 圖層數(shù)據(jù)表2 圖層屬性信息表結(jié)構(gòu)

類型字段名稱類型長(zhǎng)度單位描述降雨測(cè)站水庫(kù)站河道站墑情站站碼雙精度10測(cè)站編碼站名字符串50測(cè)站名稱行政區(qū)劃雙精度10所屬行政區(qū)碼地點(diǎn)字符串50地理位置降雨量雙精度10mm查詢時(shí)段的總降雨量鄉(xiāng)鎮(zhèn)字符串50鄉(xiāng)鎮(zhèn)流域字符串50所屬流域顯示PiecDes字符型mm控制在地圖中是否顯示降雨量水庫(kù)類型字符串50大、中、小三種類型站碼雙精度10水庫(kù)站編碼站名字符串50水庫(kù)站名稱河名字符串50所屬河名稱所在地字符串50地理位置庫(kù)水特征字符串50水庫(kù)特征限制庫(kù)水位雙精度10m水庫(kù)限制水位站碼雙精度10河道站編碼站名字符串50河道站名稱站型字符串50類型河名字符串50所屬河名稱所在地字符串50地理位置河水特征雙精度10河水特征站碼雙精度10墑情站編碼站名字符串50墑情站名稱

2.1.3 數(shù)據(jù)連接設(shè)計(jì)與配置

由于阜新市水文信息存在保密性、數(shù)據(jù)量大、信息類型多、也有可能用戶在某段時(shí)間內(nèi)并發(fā)的訪問(wèn)、頻繁查詢、頻繁提交數(shù)據(jù)的情況，考慮運(yùn)用SQL Server2008管理軟件來(lái)管理雨情信息[3]。采用個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，依靠GIS技術(shù)，將地理數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，按照點(diǎn)、線、面要素，注記要素進(jìn)行劃分，創(chuàng)建地圖的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)為.mdb格式，更能夠清晰、直觀的反映底圖數(shù)據(jù)之間的位置關(guān)系，利用GIS屬性查詢技術(shù)查詢要素并定位，更方便了用戶操作[4]。

關(guān)系數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)中之間各測(cè)站的站碼值是唯一的，因此依靠站碼字段將SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢到的數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)中的站點(diǎn)要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，方便用戶進(jìn)行水情數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、預(yù)報(bào)等。系統(tǒng)采用SQL語(yǔ)言，訪問(wèn)SQL Server水情數(shù)據(jù)庫(kù)讀取查詢數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

阜新市防汛抗旱應(yīng)急信息預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架遵循C/S開(kāi)發(fā)過(guò)程中的相應(yīng)規(guī)則，采用標(biāo)準(zhǔn)的3層體系結(jié)構(gòu)，分別是用戶層、中間層、數(shù)據(jù)層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)用戶層：用于完成人機(jī)交互和成果輸出，滿足用戶對(duì)水情信息的管理，是系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的目的所在。它主要表現(xiàn)為客戶端顯示的功能區(qū)模塊，包括降雨數(shù)據(jù)、河道數(shù)據(jù)、水庫(kù)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、預(yù)報(bào)等功能。

(2)中間層：是系統(tǒng)的主體部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的主要環(huán)境配置和利用編程語(yǔ)言c#實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，同時(shí)作為用戶層和數(shù)據(jù)層之間信息傳遞的工具。

(3)數(shù)據(jù)層：采用SQL Server2008和個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)高效存儲(chǔ)和管理阜新市水情數(shù)據(jù)，為阜新市防汛抗旱應(yīng)急信息預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

阜新市防汛抗旱應(yīng)急信息預(yù)警系統(tǒng)二維成果主要包括雨情統(tǒng)計(jì)、河道水情統(tǒng)計(jì)、水庫(kù)水情統(tǒng)計(jì)、土壤墑情統(tǒng)計(jì)、預(yù)報(bào)功能等五個(gè)主要模塊，功能框架圖如圖3所示。

圖3 二維成果功能圖

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

阜新市防汛抗旱應(yīng)急信息預(yù)警系統(tǒng)采用傳統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)模式，可劃分為三大視圖空間，自上而下分別為菜單欄、工作空間，圖層控制欄。通過(guò)添加Arc GIS Engine控件建立系統(tǒng)的界面,菜單欄，使用C#菜單編譯器，完成菜單欄的制作。在工作空間中加載Map Control控件，用于顯示地圖數(shù)據(jù)[5]。圖層控制欄是加載TOC Control控件，圖層信息顯示，對(duì)圖層開(kāi)關(guān)、排列順序等進(jìn)行操作。同時(shí)采用第三方控件Dev Express，使界面設(shè)計(jì)更加美觀，操作更加方便，系統(tǒng)界面如圖4。

圖4 系統(tǒng)界面

圖5 等值面圖

3.2 雨情統(tǒng)計(jì)模塊

(1)降雨數(shù)據(jù)查詢。降雨數(shù)據(jù)查詢主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)，對(duì)查詢時(shí)段內(nèi)雨量站雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。功能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言SQL訪問(wèn)SQL Server水情數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取各站點(diǎn)雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以表格方式展示站點(diǎn)基本信息、雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) ，根據(jù)降雨量的多少在表格中進(jìn)行不同顏色的展示；并在地圖數(shù)據(jù)中顯示雨量查詢時(shí)段、降雨量數(shù)值、雨量極值信息；可以將降雨數(shù)據(jù)按照行政區(qū)域、流域?qū)С鲋罞xcel表中。

(2)降雨等值線面生成。降雨量等值線面圖根據(jù)降雨查詢功能獲得的數(shù)據(jù)，采用樣條函數(shù)法(Spline)進(jìn)行空間插值，獲得等值線面圖，展示阜新市降雨空間分布情況，如圖5。

(3)雨量對(duì)比。SQL Server水情數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)多年歷史數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能獲取歷史雨量數(shù)據(jù)，對(duì)比歷年降雨情況。雨量對(duì)比，根據(jù)輸入條件，查詢不同年份同一時(shí)段的各站平均雨量，并按照行政區(qū)域和流域分別進(jìn)行對(duì)比，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并顯示雨量柱狀圖[6]。

(4)雨量統(tǒng)計(jì)。雨量統(tǒng)計(jì)功能是統(tǒng)計(jì)指定時(shí)段內(nèi)不同年份的降雨情況，通過(guò)餅狀圖展示各年份降雨總和及所占比例，分析年降雨量增減情況。

(5)降雨站異常點(diǎn)處理。由于測(cè)站設(shè)立時(shí)間較長(zhǎng)造成設(shè)備損壞或其他原因?qū)е履承y(cè)站點(diǎn)無(wú)法監(jiān)測(cè)、發(fā)送降雨數(shù)據(jù)，在進(jìn)行降雨等值面生成時(shí)出現(xiàn)偏差，為避免這錯(cuò)誤，采用剔除異常點(diǎn)功能，將出現(xiàn)異常的降雨站移除到CeZhan異常點(diǎn)圖層。再進(jìn)行降雨查詢、統(tǒng)計(jì)、等值線面功能，提高結(jié)果的準(zhǔn)確度，可信度。在異常點(diǎn)恢復(fù)正常后，將站點(diǎn)移回，如圖6。

圖6 異常點(diǎn)處理

圖7 河道水情標(biāo)注

3.3 河道水情統(tǒng)計(jì)模塊

(1)河道水情查詢與標(biāo)注。河道水情查詢主要是實(shí)現(xiàn)河道水情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示。通過(guò)核心對(duì)象訪問(wèn)SQL Server水情數(shù)據(jù)庫(kù)查詢指定時(shí)刻河道水位、流量、水勢(shì)等水情信息，并以listview表格的形式展示水情數(shù)據(jù)、當(dāng)前與前一時(shí)刻的水位差值，直觀的反映水位變化差值是否達(dá)到預(yù)警閥值。

水情標(biāo)注是將站名、時(shí)間、水位、流量、水勢(shì)等屬性信息以氣泡式符號(hào)方式在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，既可以顯示站點(diǎn)水情信息，又可以準(zhǔn)確定位到站點(diǎn)的地理位置[7]，如圖7。通過(guò)氣泡標(biāo)注顏色來(lái)區(qū)分河道站和水情站，粉色為河道站，青色為水文站。

(2)河道水情統(tǒng)計(jì)。河道水清統(tǒng)計(jì)是展示某一站點(diǎn)在查詢時(shí)段內(nèi)所有水情數(shù)據(jù)。輸入具體站號(hào)和查詢時(shí)段，訪問(wèn)水情數(shù)據(jù)庫(kù)，在listview表格中顯示站點(diǎn)、水情等信息，以折線圖的方式展示流量監(jiān)視過(guò)程，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示流量，這有利于水文工作者更清楚的掌握河道流量變化情況，如圖8。

圖8 河道水情趨勢(shì)圖

圖9 水庫(kù)水情標(biāo)注

3.4 水庫(kù)水情統(tǒng)計(jì)模塊

(1)水庫(kù)水情查詢與標(biāo)注。水庫(kù)水情查詢主要是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示。按照輸入的查詢條件，通過(guò)核心對(duì)象連接SQL Server水情數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取水庫(kù)水情信息，按大型、中型、小型水庫(kù)順序以列表的方式展示水庫(kù)水情信息。水庫(kù)站基本信息包括站型、站名、河名、所在地等數(shù)據(jù)；水情信息主要是記錄水庫(kù)站的現(xiàn)時(shí)庫(kù)水位、蓄水量、總庫(kù)容、汛限水位、汛限庫(kù)容、超限水位、出庫(kù)流量、入庫(kù)流量、防洪庫(kù)容等信息，水庫(kù)庫(kù)容、水位之間的關(guān)系[8-10]。

水庫(kù)水情標(biāo)注是通過(guò)IFeatureCursor、IFeature等接口及其相應(yīng)方法，在地圖上標(biāo)注水庫(kù)站名、時(shí)間、庫(kù)容、汛限水位等屬性信息。水情標(biāo)注有利于于水文局工作者查看、分析水庫(kù)水情信息，提高工作效率，成果如圖9所示。

(2)水庫(kù)水情統(tǒng)計(jì)。實(shí)際上，就是展示某一水庫(kù)站在查詢時(shí)間內(nèi)的水情信息。通過(guò)輸入查詢時(shí)段、水庫(kù)站號(hào)，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)各時(shí)段該站點(diǎn)的汛限水位、現(xiàn)時(shí)庫(kù)水位、蓄水量、入庫(kù)流量、出庫(kù)流量等數(shù)據(jù)[11]。

3.5 土壤墑情統(tǒng)計(jì)模塊

(1)土壤墑情查詢。通過(guò)訪問(wèn)水情數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢并展示土壤的站點(diǎn)信息，以及土壤墑情信息。墑情是指土壤濕度的情況，即土壤的實(shí)際含水量=水分重/烘干土重*100%。土壤墑情查詢以表的形式展示土壤站的站號(hào)、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、作物種類、生長(zhǎng)期、受害情況、受害級(jí)別、土壤類別、干圖層厚度等屬性信息。

(2)土壤墑情標(biāo)注、將土壤墑情站的站名、時(shí)間、10 cm、20 cm、40 cm土壤含水量等信息標(biāo)注在地圖上，成果如圖10所示。

圖10 土壤墑情標(biāo)注

3.6 預(yù)警功能模塊

根據(jù)實(shí)時(shí)雨水情信息和水庫(kù)水位、雨量預(yù)警閾值判斷水庫(kù)站、雨量站是否超警戒，如果超過(guò)臨界值則會(huì)發(fā)布預(yù)警信息，并可以準(zhǔn)確定位到站點(diǎn)位置。水文工作者可以根據(jù)預(yù)警情況查看各地區(qū)降雨情況，判斷是否要采取相應(yīng)的防雨措施[12,13]。

根據(jù)簡(jiǎn)報(bào)模板查詢簡(jiǎn)報(bào)內(nèi)容所需數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)填充簡(jiǎn)報(bào)模板，有利于節(jié)約人工統(tǒng)計(jì)的時(shí)間成本，大大提高水情報(bào)訊的工作效率及精準(zhǔn)程度。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究利用互聯(lián)網(wǎng)、GIS信息集成、數(shù)字視頻等技術(shù)，構(gòu)建了阜新市防汛抗旱應(yīng)急信息預(yù)警系統(tǒng)，集汛情旱情預(yù)警、實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)查詢、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字視頻監(jiān)控等功能為一體，在全景式信息資源整合技術(shù)上取得新突破，為防汛抗旱決策提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，有效提高了防汛應(yīng)急監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。