基于網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)的水務(wù)綜合管理應(yīng)用

呂文斌，龔岳松，李 佼

（上海市水務(wù)信息中心，上海 200050）

0 引言

水務(wù)信息化是覆蓋多行業(yè)、多層面、多應(yīng)用的龐大系統(tǒng)工程，覆蓋水文、水利、供水、排水等行業(yè)，貫穿省、地市、區(qū)縣等層面，支撐防汛保安、水資源管理、水環(huán)境整治、水土保持、政務(wù)辦公等應(yīng)用。水務(wù)一體化管理對信息整合共享，有效支撐基礎(chǔ)管理和公共服務(wù)提出了新的需求。水務(wù)（利）部門陸續(xù)開展了信息化建設(shè)工作，取得了豐碩的成果[1-4]。隨著管理內(nèi)涵的擴(kuò)大、需求的增加，如何充分利用 Web2.0 時(shí)代的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)部門的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，為管理部門提供有效的決策支持，做到“專業(yè)部門做專業(yè)事情”，是值得研究的課題。

上海市水務(wù)局是集水利、供水和排水于一體，在全國第 1 家實(shí)現(xiàn)水務(wù)統(tǒng)一管理的省級水行政主管部門。1998 年開始將 GIS 技術(shù)應(yīng)用于水務(wù)信息的綜合管理中；2004 年以來按照“頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、資源整合、系統(tǒng)集成、共建共享、分級維護(hù)”等原則，構(gòu)建了基于 WebGIS 的水務(wù)公共信息平臺；2008 年將 ArcGIS Server 應(yīng)用于水務(wù)公共信息平臺，利用 Tile Cache，GIS Server 等相關(guān)理念和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了防汛應(yīng)急指揮、水資源管理及相關(guān)專題應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)與 Google，ESRI 及上海市測繪院基礎(chǔ)地圖等地圖，以及上海市排水專題數(shù)據(jù)等相關(guān)資源在“一張地圖”上的融享，在水務(wù)信息綜合管理中進(jìn)行了有益的實(shí)踐。

1 地理信息服務(wù)技術(shù)的優(yōu)勢

GIS 集計(jì)算機(jī)、信息學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科為一體，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，突出對現(xiàn)實(shí)世界空間關(guān)系的模擬。GIS 具有空間可視化、導(dǎo)向及思維的特點(diǎn)，能夠存儲各地物的空間信息和關(guān)系，實(shí)現(xiàn)空間和屬性等信息的集成管理，并通過無級縮放的地圖，對現(xiàn)實(shí)世界的空間關(guān)系進(jìn)行直觀展現(xiàn)，即“所見即所得”。

ArcGIS Server 是功能強(qiáng)大的基于服務(wù)器的 GIS產(chǎn)品，用于構(gòu)建集中管理的，支持多用戶的，具備高級 GIS 功能的企業(yè)級 GIS 應(yīng)用與服務(wù)。通過提供廣泛的基于 Web 的 GIS 服務(wù)，以支持在分布環(huán)境下實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)管理、制圖、地理處理、空間分析、編輯和其它的 GIS 功能[5]。

城市水務(wù)綜合管理是 GIS 技術(shù)體現(xiàn)空間思維特征的最典型的應(yīng)用領(lǐng)域，GIS 技術(shù)在城市水務(wù)綜合信息管理方面的應(yīng)用，是信息時(shí)代對現(xiàn)代水務(wù)管理工作提出的新要求。

2 地理信息服務(wù)的總體架構(gòu)

ArcGIS Server 體系架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)，GIS Server，Web Server 客戶端等組成。

數(shù)據(jù)包以服務(wù)的方式發(fā)布到 GIS Server 的 GIS 資源，如地圖文檔、Geodatabase 等。用 DBMS 在數(shù)據(jù)服務(wù)器上部署的 ArcSDE Geodatabase 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性、完整性和高效性。

GIS Server 用于宿主 GIS 資源，將其發(fā)布為服務(wù)，供客戶端應(yīng)用，并響應(yīng)客戶端的應(yīng)用請求。

Web Server 用于部署 Web 應(yīng)用和服務(wù)，這些應(yīng)用和服務(wù)使用 GIS Server 提供的資源。

在上海市水務(wù)信息綜合管理中，一方面通過ArcGIS Server 對本地基礎(chǔ)、行業(yè)、規(guī)劃等資源，進(jìn)行有效管理、整合及應(yīng)用；另一方面通過網(wǎng)絡(luò)充分利用 Google Map，Arcgis Online，微軟地圖，以及上海市相關(guān)部門的在線業(yè)務(wù)資源，充分發(fā)揮 AGS(ArcGIS Server) 企業(yè)級應(yīng)用和服務(wù)的優(yōu)勢。ArcGIS Server 在上海市水務(wù)信息綜合管理中的應(yīng)用框架如圖 1 所示。

圖1 ArcGIS Server 在上海市水務(wù)信息綜合管理中的應(yīng)用框架

3 空間數(shù)據(jù)存儲

空間數(shù)據(jù)主要包括 1998 年以后每 1～2 年的上海市中心城區(qū) 1: 500，外環(huán)內(nèi)及中心城鎮(zhèn) 1: 1000，郊區(qū) 1: 2000 的全要素基礎(chǔ)地形圖，全市 0.6 m 分辨率的 Quickbird 衛(wèi)星，1.0 m 分辨率的 Spot 衛(wèi)星，0.25 m 分辨率的航空等多比例尺和多時(shí)相的遙感影像數(shù)據(jù)，以及全市水務(wù)工程設(shè)施、應(yīng)急指揮、規(guī)劃管理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量超過 3 TB。

數(shù)據(jù)存儲管理采用 Oracle10g+ArcSDE 組合模式。ArcSDE 作為 ArcGIS 與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的 GIS通道，具有高性能、多用戶、可伸縮、長事務(wù)處理、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型等特點(diǎn)，可以保證存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的矢量和柵格幾何數(shù)據(jù)的高度完整性，這些數(shù)據(jù)包括矢量和柵格幾何圖形，支持 x, y, z 的坐標(biāo)，曲線，注記，元數(shù)據(jù)和空間模型等。

根據(jù)數(shù)據(jù)類型，空間數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)、設(shè)施、應(yīng)急管理、水資源管理等數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)按年單獨(dú)存儲。空間數(shù)據(jù)庫列表如圖 2 所示。

4 地理信息服務(wù)的制作及應(yīng)用

4.1 地圖配置

為靈活支撐應(yīng)用層中各模塊，分別制作了基礎(chǔ)底圖、遙感影像、實(shí)時(shí)監(jiān)測、行業(yè)監(jiān)管、規(guī)劃管理、行政許可、臺風(fēng)路徑等 30 余幅專題地圖，每個(gè)專題地圖只包含特定的圖層，最終在統(tǒng)一平臺中互相疊加形成完整的上海市水務(wù)綜合地圖。地圖制作利用 ArcGIS Desktop 的專業(yè)制圖和編輯工具，地理坐標(biāo)系統(tǒng)采用上海地方坐標(biāo)，吳淞高程?？蓪γ總€(gè)圖層進(jìn)行字體、顏色、樣式等美工設(shè)計(jì)，做到地圖整體協(xié)調(diào)，條理清晰，重點(diǎn)突出，工程設(shè)施則按照上海市水務(wù)信息管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)繪。

4.2 地理信息瓦片制作技術(shù)

上海市每年度的基礎(chǔ)地形圖和遙感影像數(shù)據(jù)都達(dá)幾百 GB，直接制圖會導(dǎo)致服務(wù)器端壓力大，出圖慢。應(yīng)用 ArcGIS Server 9.3 的地圖瓦片緩存機(jī)制，預(yù)先將全市地圖劃分為 11 個(gè)比例尺，對每個(gè)比例尺的地圖事先預(yù)處理，切分成若干個(gè)小圖塊，客戶端訪問時(shí)直接獲取指定比例尺下的小圖塊，可以有效地提高地圖的訪問速度。制作地圖緩存時(shí)，不同的參數(shù)配置將影響地圖服務(wù)的顯示效果，這些參數(shù)包括起始點(diǎn)坐標(biāo)、比例尺分級、切片格式、壓縮比、圖片高寬、DPI、緩存類型等。瓦片參數(shù)設(shè)置為格式 png8，圖片大小為 512 pix ×512 pix, 96DPI，融合緩存，創(chuàng)建后的地圖服務(wù)能夠與其它部門實(shí)現(xiàn)地圖熔享。瓦片級別如表1 所示。

圖2 空間數(shù)據(jù)庫

表1 瓦片級別及比例尺

4.3 地理信息服務(wù)發(fā)布技術(shù)

地圖服務(wù)通過 ArcGIS Server 創(chuàng)建并發(fā)布，主要包括以下 2 類：1）靜態(tài)地圖服務(wù)，對數(shù)據(jù)量巨大，更新不頻繁的基礎(chǔ)底圖和遙感影像地圖發(fā)布為靜態(tài)的瓦片服務(wù)，優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)繪制底圖的效率；2）動態(tài)地圖服務(wù)，對有數(shù)據(jù)更新、查詢、定位需求的實(shí)時(shí)監(jiān)測，行業(yè)監(jiān)管，規(guī)劃管理等專題地圖制作為動態(tài)地圖服務(wù)。

4.4 地理信息服務(wù)應(yīng)用技術(shù)

發(fā)布后的地圖服務(wù)都有 1 個(gè)類似于 http://IP/ArcGIS/rest/services/ 服務(wù)名 /MapServer 的服務(wù)地址，應(yīng)用程序通過 ArcGIS Server 接口引用該地址便可以創(chuàng)建對應(yīng)的 GIS Server，實(shí)現(xiàn)將分布于不同區(qū)域的數(shù)據(jù)資源疊加集成在 1 張地圖上。

5 地理信息服務(wù)應(yīng)用實(shí)踐

采用 WebGIS 作為應(yīng)用集成的主要技術(shù)手段，開發(fā)主要采用 REST API 模式。這種輕量級開發(fā)模式具有豐富的客戶端展示功能和令人期待的發(fā)展?jié)摿?，只要熟悉業(yè)務(wù)，通過客戶端腳本技術(shù)調(diào)用相應(yīng)的 GIS功能，就可以滿足功能需求。

5.1 防汛保安應(yīng)用

5.1.1 臺風(fēng)路徑發(fā)布

1）臺風(fēng)數(shù)據(jù)抓?。和ㄟ^臺風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集程序，從中國中央氣象臺、上海市氣象局等相關(guān)網(wǎng)站上精確提取數(shù)據(jù)，將網(wǎng)頁上的二維表導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫和XML 格式數(shù)據(jù)解析，并提供手動校正功能。做到每6 h 更新，當(dāng)臺風(fēng)進(jìn)入 48 h 警戒線后每 3 h 更新，臺風(fēng)進(jìn)入 24 h 警戒線后每小時(shí)更新。

2）臺風(fēng)路徑自動生成：利用 InfoWindow 動態(tài)繪制臺風(fēng)實(shí)況和預(yù)報(bào)路徑，按照 6 個(gè)等級（熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強(qiáng)臺風(fēng)、超強(qiáng)臺風(fēng)），通過不同顏色和大小的符號來直觀表達(dá)臺風(fēng)發(fā)生、發(fā)展和消亡的變化過程。

3）多類服務(wù)疊加：將實(shí)時(shí)接收的衛(wèi)星和雷達(dá)云圖等，以 GIS Server 方式即時(shí)發(fā)布，并與 Google，ESRI 及微軟等地圖網(wǎng)絡(luò)資源熔享，實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)路徑與多類資源的相互參考，為防汛指揮人員提供更為全面的決策支持。臺風(fēng)路徑與衛(wèi)星和雷達(dá)云圖、Google Map 疊加應(yīng)用如圖 3 所示。

5.1.2 災(zāi)情發(fā)布

通過 ArcGIS Server 將實(shí)時(shí)雨情、水務(wù)熱線接報(bào)災(zāi)情、堤防險(xiǎn)工險(xiǎn)段、病險(xiǎn)水閘、人員撤離點(diǎn)、撤離路線、安置點(diǎn)等信息，與市區(qū)暴雨積水、沿海區(qū)域風(fēng)暴潮淹水、黃浦江沿線堤防潰決風(fēng)險(xiǎn)等專業(yè)模型生成的風(fēng)險(xiǎn)模擬圖層集成在 1 張地圖上，通過空間分析為防汛指揮及調(diào)度提供及時(shí)、全面的信息參考，提高搶險(xiǎn)的效率及可操作性。

圖3 臺風(fēng)路徑與衛(wèi)星和雷達(dá)云圖、Google Map 疊加應(yīng)用

5.2 水資源管理應(yīng)用

5.2.1 基礎(chǔ)管理

對上海市區(qū)域內(nèi)整個(gè)水循環(huán)過程中涉及的基礎(chǔ)和設(shè)施數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和集成應(yīng)用，包括河道水系（河流、湖泊等）、取水（地下水深井、取水口等）、供水（水廠、泵站等）、用水（用水情況日報(bào)、月報(bào)、節(jié)水指標(biāo)等）、排水（排水系統(tǒng)和泵站、排水井、污染源、污水處理廠等）、資源保護(hù)（水功能區(qū)、水源地等）、水利工程（水利分片、重要水閘、圩區(qū)等）、河道整治（黑臭河道等）。并與上海市測繪院的基礎(chǔ)地圖服務(wù)、上海市排水處的專題數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行熔享，借助于高分辨率的航空遙感數(shù)據(jù)為水資源管理提供客觀參考。其中排水設(shè)施與市測繪院航空遙感數(shù)據(jù)疊加應(yīng)用如圖 4 所示。

5.2.2 監(jiān)測監(jiān)控

將監(jiān)測站點(diǎn)采集到的長江和黃浦江 2 大原水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息（包括長江原水的氯化物濃度，原水廠流量、壓力等信息，黃浦江原水的潮位、氨氮、濁度、溶解氧、流量等信息）、全市市屬供水水廠、泵站、管網(wǎng)的每 5 min 實(shí)時(shí)監(jiān)測信息（包括供水水廠的出廠壓力、瞬時(shí)流量、累計(jì)水量、出廠濁度、出廠余氯信息，供水泵站出站和供水管網(wǎng)等的壓力信息）在基礎(chǔ)地圖上及時(shí)直觀展示。

圖4 排水設(shè)施與航空遙感數(shù)據(jù)疊加應(yīng)用

5.2.3 統(tǒng)計(jì)評價(jià)

在地圖上對任意時(shí)間段內(nèi)全市雨量等值線（面）即時(shí)繪制，直觀展示全市雨量分布；以每月監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按水質(zhì)級別以不同顏色在地圖上直觀反映骨干河道的水質(zhì)情況；以每月監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照水功能區(qū)劃定義的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)直觀反映各河段水質(zhì)是否達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)等。其中骨干河道水質(zhì)評價(jià)應(yīng)用如圖 5 所示。

5.3 專題應(yīng)用

將局部區(qū)域內(nèi)的防汛保安、水資源管理及特定業(yè)務(wù)等應(yīng)用的業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行整合，形成面向局部區(qū)域的蘇州河、世博園和區(qū)縣等多個(gè)專題應(yīng)用。如蘇州河專題綜合了蘇州河區(qū)域內(nèi)防汛保安、水資源管理的業(yè)務(wù)模塊，同時(shí)擁有堤防巡查和網(wǎng)格化管理等特定模塊，通過 GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)日常巡檢過程的數(shù)字化，為蘇州河管理部門提供既面向?qū)ο笥置嫦蜻^程的信息匯總。

圖5 骨干河道水質(zhì)評價(jià)應(yīng)用

6 結(jié)語

ArcGIS Server 技術(shù)的應(yīng)用，改變了過去以紙質(zhì)地圖、文檔為主的傳統(tǒng)工作模式，提高了工作效率；同時(shí)通過資源熔享、數(shù)據(jù)整合和應(yīng)用集成，使分布于不同區(qū)域、相互封閉的信息資源有機(jī)關(guān)聯(lián)起來，深化了行業(yè)管理的精細(xì)化和數(shù)字化程度，初步實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域、行業(yè)的多部門間的工作協(xié)同，減少了重復(fù)勞動，降低了建設(shè)和運(yùn)維成本。

下一步將繼續(xù)探索 ArcGIS Server 的空間分析功能，并結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對多類實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析提煉，構(gòu)筑專題數(shù)據(jù)倉庫，為上海市防汛保安、水資源管理等專題應(yīng)用提供全方位的決策支持。

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[5]ESRI 中國（北京）有限公司. ArcGIS 9.3 產(chǎn)品白皮書. 北京：ESRI 中國（北京）培訓(xùn)中心，2008: 2-3.