黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李長松 ，崔曉惠

（1.黃河水利委員會(huì)信息中心，河南 鄭州 450004；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

凌汛，是冰凌對(duì)水流產(chǎn)生阻力而引起的江河水位明顯上漲的水文現(xiàn)象。黃河寧蒙河段冬季受西伯利亞和蒙古一帶冷空氣的影響，天氣寒冷，每年河道都要發(fā)生流凌、封凍、開河等凌汛事件，時(shí)間長達(dá)百余天。黃河水利委員會(huì)從 2003 年開始利用遙感技術(shù)對(duì)黃河凌情實(shí)施監(jiān)測(cè)。針對(duì)黃河凌情時(shí)空跨度大、監(jiān)測(cè)時(shí)效要求高的特點(diǎn)，采用 MODIS，ETM＋，TM，CBERS 和 RADAR-SAT 等多種衛(wèi)星遙感資源組合應(yīng)用的模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效跟蹤了主要河段凌情的發(fā)生、發(fā)展和消退的全過程，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)了封、開河期的凌情狀況，基本實(shí)現(xiàn)了黃河凌情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為黃河防凌工作提供了有力的信息支持。

目前，黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)解譯成果信息主要以傳真方式將分析報(bào)告和影像地圖提供給防汛部門，存在以下問題：信息傳遞效率較低，用戶范圍較??；無法實(shí)現(xiàn)與其它資料的疊加分析；無法實(shí)現(xiàn)與其它應(yīng)用系統(tǒng)的集成；歷史監(jiān)測(cè)成果的存儲(chǔ)與管理體制不完善。為此建設(shè)了黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)是基于遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和遙感影像數(shù)據(jù)庫的信息服務(wù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)凌情遙感監(jiān)測(cè)成果的有效存儲(chǔ)、發(fā)布、分析及與其它應(yīng)用系統(tǒng)的集成。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 功能需求分析

1）實(shí)時(shí)凌情分析，查看最新的凌情信息解譯成果，并與 GIS 底圖或遙感影像圖進(jìn)行疊加分析；

2）歷史凌情查看，查看某個(gè)歷史時(shí)期的凌情信息；

3）凌情對(duì)比分析，對(duì)比分析多個(gè)指定日期的凌情信息；

4）凌情動(dòng)態(tài)跟蹤，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的凌情動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析查看；

5）典型凌情事件，對(duì)歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的重大凌情事件的整個(gè)過程進(jìn)行查看。

1.2 數(shù)據(jù)需求分析

1）衛(wèi)星遙感影像信息。此信息是進(jìn)行凌情遙感監(jiān)測(cè)的主要依據(jù)，主要指處理后的圖像數(shù)據(jù)，包括：MODIS，RADARSAT，ENVISAT，TM，CBERS，IRS 等衛(wèi)星遙感影像。

2）凌情遙感解譯成果信息。包括封開河、大堤偎水、災(zāi)情、冰邊緣線等信息，需方便瀏覽與分析。

3）黃河流域地理信息數(shù)據(jù)。流域基礎(chǔ)地理信息是進(jìn)行定位、分析的基礎(chǔ)。解譯成果應(yīng)該疊加在基礎(chǔ)地理信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行顯示，遙感影像上應(yīng)該疊加一定的地理圖層，以方便影像閱讀?；A(chǔ)地理信息包括流域行政區(qū)劃、地名、居民點(diǎn)、交通線、河流、自然地理、人口等信息。

4）水情信息。主要是重要水文站的流量、水位信息。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路遵循“數(shù)字黃河”工程的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)都將在數(shù)字黃河應(yīng)用平臺(tái)支撐下進(jìn)行建設(shè)，以方便與其它應(yīng)用的集成與信息服務(wù)共享?；谝陨峡紤]，本系統(tǒng)整體架構(gòu)基于 SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）進(jìn)行構(gòu)建。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)存取層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層和地圖服務(wù) 5 部分。數(shù)據(jù)庫層負(fù)責(zé)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，本系統(tǒng)采用 Oracle 數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)存取層將數(shù)據(jù)的存取操作封裝成類，以方便業(yè)務(wù)邏輯層的調(diào)用；業(yè)務(wù)邏輯層完成系統(tǒng)相關(guān)凌情信息的提取及前后臺(tái)交互，并封裝成 Web Services 應(yīng)用；表現(xiàn)層負(fù)責(zé)信息的呈現(xiàn)和地圖的相關(guān)操作；GIS 和影像數(shù)據(jù)通過 ArcGIS Server 發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS），同時(shí)系統(tǒng)還通過 Web Services 調(diào)用水情信息服務(wù)。整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 面向服務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

首先，由凌情遙感監(jiān)測(cè)值班人員將凌情遙感監(jiān)測(cè)的成果（包括遙感影像、解譯成果等）通過ArcGIS 的空間數(shù)據(jù)引擎 ArcSDE 存儲(chǔ)到 Oracle 數(shù)據(jù)庫中；將遙感解譯成果轉(zhuǎn)換成 GeoRSS 格式，并通過 Web 應(yīng)用服務(wù)器 IIS 發(fā)布。日常監(jiān)測(cè)使用的MODIS 影像，只截取凌情關(guān)鍵點(diǎn)的局部，保存成圖片；如果是高清影像，則疊加基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，使用ArcGIS 制作地圖文檔并發(fā)布為地圖服務(wù)；應(yīng)用層基于 ArcGIS Server JavaScript API 進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)底圖地理服務(wù)與 GeoRSS 的聚合，客戶端通過瀏覽器瀏覽查詢。整個(gè)系統(tǒng)流程如圖 2 所示。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

從功能上分析，系統(tǒng)包括以下內(nèi)容：

1）實(shí)時(shí)凌情分析。包括凌情信息查詢、地圖加載及控制模塊、凌情信息加載，其中凌情信息查詢包括凌情記錄、報(bào)告查詢，水情、值班信息查詢；凌情信息加載包括凌情影像、解譯成果加載。

2）凌情對(duì)比分析。包括對(duì)比數(shù)據(jù)選取、窗口布局設(shè)置、分列對(duì)比、疊加對(duì)比 4 個(gè)模塊。

3）凌情動(dòng)態(tài)跟蹤。包括對(duì)比數(shù)據(jù)選取、動(dòng)畫設(shè)置、操作控制、動(dòng)畫展示 4 個(gè)模塊。

4）典型凌情事件。包括凌情事件管理、選擇、展示。

5）歷史凌情查看。查看歷史時(shí)期的監(jiān)測(cè)影像，與實(shí)時(shí)凌情分析相同。

整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖 3 所示。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)的主要服務(wù)對(duì)象是黃河防汛決策的工作人員，因此系統(tǒng)界面要求簡潔明了、使用方便。系統(tǒng)主界面為最新的實(shí)時(shí)凌情分析。

3.1 實(shí)時(shí)凌情分析

系統(tǒng)主界面主要分 3 塊區(qū)域，最上端為系統(tǒng)菜單；下邊區(qū)域的左邊為地圖顯示區(qū)域，用于顯示凌情示意圖和影像圖，下邊區(qū)域的右邊欄采用折疊窗口顯示凌情報(bào)告、水情、監(jiān)測(cè)用影像、值班情況等相關(guān)信息，窗體的標(biāo)題為當(dāng)前選擇監(jiān)測(cè)日期。系統(tǒng)主界面如圖 4 所示。

具體功能實(shí)現(xiàn)如下：

1）凌情記錄查詢。實(shí)現(xiàn)對(duì)凌情記錄表的查詢功能，返回符合條件的凌情記錄編號(hào)。

圖2 黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)業(yè)務(wù)流程

圖3 黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

2）凌情報(bào)告查詢展示。實(shí)現(xiàn)對(duì)凌情報(bào)告的查詢功能，返回符合條件的凌情報(bào)告。提供 2 種形式的返回結(jié)果，一種是包含有 HTML（文字標(biāo)記語言）標(biāo)簽的凌情報(bào)告，用于實(shí)現(xiàn)圖文聯(lián)動(dòng)；另一種是不包含HTML 標(biāo)簽的凌情報(bào)告，用于一般的瀏覽閱讀。

3）水情信息查詢展示。實(shí)現(xiàn)對(duì)重要水文站的水位、流量信息的查詢。

4）值班信息查詢展示。實(shí)現(xiàn)對(duì)凌情監(jiān)測(cè)值班人員、帶班領(lǐng)導(dǎo)相關(guān)信息的查詢，包括姓名、電話、手機(jī)、郵件地址等。

5）地理底圖的加載顯示。根據(jù)需要加載適合的地理底圖，地理底圖包括示意圖底圖和影像圖地標(biāo)。系統(tǒng)默認(rèn)加載示意圖底圖，當(dāng)用戶切換時(shí)，可轉(zhuǎn)到影像圖地標(biāo)，并保持與示意圖的同步。

6）相關(guān)的地圖操作。地圖的相關(guān)操作包括地圖放大、縮小、全屏等操作，控制使用鼠標(biāo)滑輪。底層調(diào)用Openlayers 類庫的相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

7）凌情信息加載。將凌情信息查詢模塊查詢出的結(jié)果（與當(dāng)前選擇凌情日期匹配的結(jié)果），通過地圖操作，加載到當(dāng)前地圖窗口，并進(jìn)行符號(hào)化顯示。

3.2 凌情對(duì)比分析

界面分 3 個(gè)區(qū)，左邊為主顯示區(qū)，用于顯示分列的多個(gè)窗口或疊加顯示的單窗口；右上為設(shè)置區(qū)，設(shè)定以示意圖或影像圖顯示對(duì)比的數(shù)據(jù)、天數(shù)、方式（疊加或是分列）；右下為操作區(qū)，控制圖層的透明度變換或窗口數(shù)據(jù)內(nèi)容。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 2，4，6 圖排列對(duì)比顯示，同一窗口，不同透明度的對(duì)比顯示。對(duì)比分析界面設(shè)計(jì)如圖 5 所示。

1）對(duì)比數(shù)據(jù)選取。選擇要參與對(duì)比的凌情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4 黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

圖5 凌情對(duì)比分析界面設(shè)計(jì)

2）窗口布局設(shè)置。設(shè)置是以示意圖為基準(zhǔn)，還是以影像圖為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，缺省為影像圖；設(shè)置地理底圖是否顯示；設(shè)置被對(duì)比的圖幅數(shù)；設(shè)置排列方式。

3）分列對(duì)比。是指每次凌情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)占據(jù) 1 個(gè)窗口，窗口按布局設(shè)置進(jìn)行排列。其中左上角的窗口（第 1 個(gè)窗口）為主窗口，對(duì)主窗口的操作會(huì)同時(shí)應(yīng)用到其它窗口，對(duì)其它窗口的操作只應(yīng)用到自身。

4）疊加對(duì)比。是將 2 次監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)疊加到一起，通過調(diào)節(jié)其中某次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的透明度達(dá)到對(duì)比的效果。

3.3 凌情動(dòng)態(tài)跟蹤

首先從列表中選擇要參與凌情動(dòng)態(tài)跟蹤顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（系統(tǒng)默認(rèn)為最近 6 次監(jiān)測(cè)），設(shè)置時(shí)間間隔，以示意圖或影像圖展示、顯示的范圍，點(diǎn)擊開始后在地圖顯示區(qū)域動(dòng)畫展示凌情的動(dòng)態(tài)演進(jìn)。界面分為 2 個(gè)區(qū)，左區(qū)為動(dòng)畫顯示區(qū)，右區(qū)為設(shè)置區(qū)，控制區(qū)內(nèi)容懸浮在動(dòng)畫顯示區(qū)上方。界面效果如圖 6 所示。

1）對(duì)比數(shù)據(jù)選取。數(shù)據(jù)選取的結(jié)果加入待選列表，用戶還可以在待選列表中進(jìn)行二次篩選，也可以直接提交選取結(jié)果。

2）動(dòng)畫設(shè)置。設(shè)置以示意圖還是影像圖為基準(zhǔn)；設(shè)置是否顯示地標(biāo)；設(shè)置間隔秒數(shù)，即幀與幀之間的時(shí)間間隔，同時(shí)可以設(shè)置順序或逆序播放；設(shè)置范圍與比例尺。

3）操作控制。包括開始、停止、退出、重放；其中開始、停止為 1 個(gè)按鈕，點(diǎn)擊開始后，按鈕變?yōu)橥Ｖ?；點(diǎn)擊停止后，按鈕變?yōu)殚_始。

圖6 凌情動(dòng)態(tài)跟蹤界面設(shè)計(jì)

4）動(dòng)畫展示。按照設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)，在地圖顯示區(qū)域動(dòng)態(tài)展示選取監(jiān)測(cè)日期的凌情信息。

3.4 典型凌情事件

對(duì)于歷史上曾經(jīng)發(fā)生的該區(qū)域內(nèi)的重要凌情事件進(jìn)行信息整理、歸納，以便對(duì)該事件有個(gè)全面的了解。

事件的整理，信息內(nèi)容不能只限于遙感內(nèi)容，應(yīng)是以遙感監(jiān)測(cè)為主線，緊緊圍繞凌情事件組織文字和影像，并對(duì)發(fā)生、發(fā)展過程用動(dòng)畫形式給出。例如：2008年3 月奎素決口，記錄的內(nèi)容包括決口時(shí)間、處理的現(xiàn)場照片、防汛抗旱指揮部辦公室下發(fā)的指令、淹沒情況及救災(zāi)情況等。事件的整理力求完整、系統(tǒng)、專業(yè)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下任務(wù)：

1）凌情事件管理，對(duì)凌情事件進(jìn)行編輯、整理、效果設(shè)計(jì)；

2）凌情事件查詢，查詢數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的凌情事件；

3）凌情事件展示，以地圖、影像、報(bào)告等多種方式對(duì)凌情事件進(jìn)行全方位描述。

3.5 歷史凌情查看

歷史凌情是以以往的監(jiān)測(cè)影像為主，再現(xiàn)監(jiān)測(cè)過程，包括示意圖或影像圖。用戶選擇要加載的凌情日期，如果數(shù)據(jù)庫中有對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)記錄，則查找相關(guān)參數(shù)，并返回凌情記錄編號(hào)；利用實(shí)時(shí)凌情分析功能加載相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

利用多源遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地面水文觀測(cè)，對(duì)黃河凌情進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)用影像和解譯的凌情信息通過 GIS平臺(tái)發(fā)布，提高了黃河凌情監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)成果的發(fā)布效率。系統(tǒng)采用將黃河凌情遙感監(jiān)測(cè)解譯成果以 GeoRSS格式發(fā)布的方式，是一種很好的發(fā)布輕量級(jí)公眾 GIS 信息的方式，用戶可既可以通過本系統(tǒng)瀏覽發(fā)布的信息服務(wù)查看最新的凌情信息，也可以將解譯成果在公共的地圖信息服務(wù)系統(tǒng)（如：Google Earth、Bing 3D 等）中加載，具有簡單、靈活、高效的特點(diǎn)。這一方法現(xiàn)已應(yīng)用于黃河河勢(shì)遙感監(jiān)測(cè)、防洪監(jiān)測(cè)等成果的發(fā)布上，效果良好。

[1]顧明林，王靜. 黃河內(nèi)蒙古河段冰凌研究與冰凌預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999 (3): 287-290.

[2]鄢俊潔，劉良明，馬浩錄，等. MODIS 數(shù)據(jù)在黃河凌汛監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (信息科學(xué)版)，2004，29 (8): 679-681.

[3]楊中華，王衛(wèi)東，馬浩錄.“四星三源”模式監(jiān)測(cè)黃河凌汛的研究與實(shí)踐[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2006, 24 (4): 64-67.

[4]劉良明. 基于 EOS MODIS 數(shù)據(jù)的遙感干旱預(yù)警模型研究[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2004: 52-132.

[5]高瑞忠，李鳳玲，李和平，等. 黃河內(nèi)蒙古段冰情信息變化特性的小波分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2010 (3):37-40.