ArcGIS 在城市水務(wù)信息綜合管理中的應(yīng)用

呂文斌，龔岳松，李 佼

（上海市水務(wù)信息中心，200050，上海）

上海市于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、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（ArcGIS） 應(yīng) 用 于水務(wù)公共信息平臺，利用其Tile Cache、GIS Server等相關(guān)理念和技術(shù)，實現(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地圖、ESRI地圖、微軟地圖、上海市測繪院基礎(chǔ)地圖、上海市排水專題數(shù)據(jù)等相關(guān)資源在一張地圖上的熔享，在水務(wù)信息綜合管理中進(jìn)行了有益的實踐。

一、ArcGIS的優(yōu)勢

GIS作為一門集計算機、信息學(xué)、地理學(xué)等多學(xué)科為一體的新興學(xué)科，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)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)實世界空間關(guān)系的模擬。GIS具有空間可視、空間導(dǎo)向及空間思維的特點，能夠存儲各地物的空間信息和空間關(guān)系，實現(xiàn)空間信息和屬性信息的集成管理，并通過無級縮放的地圖，對現(xiàn)實世界的空間關(guān)系進(jìn)行直觀展現(xiàn)。

ArcGIS是基于服務(wù)器的GIS產(chǎn)品，用于構(gòu)建集中管理、支持多用戶、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)境下實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)管理、制圖、地理處理、空間分析、編輯和其他GIS功能。

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

二、ArcGIS的總體架構(gòu)

ArcGIS體系架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)、GIS Server、Web Server、客戶端等幾部分組成。

數(shù)據(jù)包含以服務(wù)的方式發(fā)布到GISServer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可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全、完整和高效。

GISServer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對本地的基礎(chǔ)、行業(yè)、規(guī)劃等資源進(jìn)行有效管理、整合及應(yīng)用，同時也通過網(wǎng)絡(luò)充分利用Google 地圖、ArcGIS Online、微軟地圖及上海市相關(guān)部門的在線業(yè)務(wù)資源，充分發(fā)揮Web 2.0時代ArcGIS企業(yè)級應(yīng)用和服務(wù)的優(yōu)勢。ArcGIS在上海市水務(wù)信息綜合管理中的應(yīng)用框架見圖1。

三、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∶1 000、郊區(qū)1∶2 000的全要素基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)，全市0.6 m分辨率的Quickbird衛(wèi)星遙感影像、1 m分辨率的Spot衛(wèi)星遙感影像、0.25 m分辨率的航空遙感影像等多比例尺、多時相的遙感影像數(shù)據(jù)，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)的總數(shù)據(jù)量超過3TB。

數(shù)據(jù)存儲管理采用Oracle10g+ArcSDE組合模式。ArcSDE作為Arc GIS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。它可以保證存儲于關(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、坐標(biāo)、曲線、注記、元數(shù)據(jù)、空間模型等。

空間數(shù)據(jù)庫根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、設(shè)施數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急管理數(shù)據(jù)庫、水資源管理數(shù)據(jù)庫等，歷史數(shù)據(jù)按年單獨存儲。

四、GIS Server制作及應(yīng)用

1.地圖配置

為靈活支撐應(yīng)用層中各模塊，分別制作包括基礎(chǔ)底圖、遙感影像、實時監(jiān)測、行業(yè)監(jiān)管、規(guī)劃管理、行政許可、臺風(fēng)路徑等30余個專題地圖，每個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。對每個圖層的字體、顏色、樣式等進(jìn)行美工設(shè)計，對工程設(shè)施按照上海市水務(wù)信息管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)繪，做到地圖整體協(xié)調(diào)、條理清晰、重點突出。的小圖塊，可以有效提高訪問速度。制作地圖緩存時，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 512×512 pix、DPI 96、融合緩存，創(chuàng)建后的地圖服務(wù)能夠與其他部門實現(xiàn)地圖熔享。瓦片級別見表1。

表1 瓦片級別及比例尺

2.瓦片制作

上海市每年度的基礎(chǔ)地形圖和遙感影像數(shù)據(jù)量都達(dá)數(shù)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（Tile Cache）機制,預(yù)先將全市地圖劃分為11個比例尺，把每個比例尺的地圖再切分成若干個小圖塊，客戶端訪問時直接獲取指定比例尺下

3.服務(wù)發(fā)布

地圖服務(wù)通過ArcGIS創(chuàng)建并發(fā)布，主要包括兩類：

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)地圖服務(wù)（Tiled Map Service Layer），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、定位需求的實時監(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)（DynamicMapService Layer）。

4.服務(wù)應(yīng)用

發(fā)布后的地圖服務(wù)都有一個類似 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接口引用該地址便可以創(chuàng)建對應(yīng)的GISServer，將本地資源、網(wǎng)絡(luò)資源等疊加集成在一張地圖上。

五、應(yīng)用實踐

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巨大的發(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。

1.防汛保安應(yīng)用

（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)實時采集程序，從中央氣象臺、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小時更新一次，當(dāng)臺風(fēng)進(jìn)入48小時警戒線后每3小時更新一次，臺風(fēng)進(jìn)入24小時警戒線后每1小時更新一次。

②臺風(fēng)路徑自動生成：利用InfoWindow動態(tài)繪制臺風(fēng)實況路徑和預(yù)報路徑，按照6個等級（熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強臺風(fēng)、超強臺風(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：將實時接收的衛(wèi)星云圖、雷達(dá)云圖等以GIS Server方式即時發(fā)布并與Google地圖、ESRI地圖、微軟地圖等網(wǎng)絡(luò)資源熔享，實現(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全面的決策支持。

（2）災(zāi)情發(fā)布

通過ArcGIS將實時雨情信息、災(zāi)情信息、堤防險工險段、病險水閘、人員撤離點、撤離路線、安置點等與市區(qū)暴雨積水風(fēng)險、沿海區(qū)域風(fēng)暴潮淹水風(fēng)險、黃浦江沿線堤防潰決風(fēng)險等專業(yè)模型生成的風(fēng)險模擬圖層集成在一張地圖上，通過空間分析為防汛指揮及調(diào)度提供及時、全面的信息參考，提高搶險的效率及可操作性。

2.水資源管理應(yīng)用

（1）基礎(chǔ)管理

對上海市區(qū)域內(nèi)整個水循環(huán)過程中涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、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、月報，節(jié)水指標(biāo)等）、排水（排水系統(tǒng)、排水泵站、排水井、污染源、污水處理廠等）、水資源保護(hù)（水功能區(qū)、水源地等）、水利工程（水利分片治理、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。

（2）監(jiān)測監(jiān)控

將監(jiān)測站點采集到的長江和黃浦江兩大原水系統(tǒng)的實時監(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），全市市屬供水廠、泵站、管網(wǎng)的每5分鐘實時監(jiān)測信息 （包括供水廠的出廠壓力、瞬時流量、累計水量、出廠濁度、出廠余氯信息，供水泵站的出站壓力信息，供水管網(wǎng)的壓力信息）在基礎(chǔ)地圖上進(jìn)行及時、直觀的展示。

（3）統(tǒng)計評價

在地圖上對任意時間段內(nèi)全市雨量等值線（面）的即時繪制，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。

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)實現(xiàn)日常巡檢過程數(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。

六、結(jié) 語

ArcGIS技術(shù)的應(yīng)用改變了過去以使用紙質(zhì)地圖和文檔為主的傳統(tǒng)工作模式，提高了工作效率。同時通過資源熔享、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關(guān)聯(lián)起來，加深了行業(yè)管理的精細(xì)化和數(shù)字化程度，初步實現(xiàn)了跨區(qū)域、跨行業(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)和運營維護(hù)成本。

下一步將繼續(xù)探索ArcGIS的空間分析功能，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對多類實時監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析提煉，構(gòu)筑專題數(shù)據(jù)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。

[1]水利部信息化工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.2008年度中國水利信息化發(fā)展報告 [M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[2]劉梅,章艷鋒.信息化對北京水務(wù)公共管理和綜合決策的影響研究[J]. 水文,2008（28）.

[3]張聞波.水利信息資源整合的必然性與面臨的問題[J].水文，2008（28）.