遼西北旱情監(jiān)測預警與評估支持決策系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

雷 明

遼寧省旱情呈現(xiàn)出交替性、區(qū)域性、季節(jié)性以及連續(xù)性和旱澇并發(fā)性的特點。特別是遼西地區(qū)，由于地理位置和氣候特點，旱災發(fā)生較為頻繁。針對頻發(fā)的旱情，構建遼西北旱情監(jiān)測預警與評估支持決策系統(tǒng)對及時掌握遼西北旱情狀況，分析旱情發(fā)展趨勢，進而指導抗旱減災工作、優(yōu)化水資源配置、科學指導節(jié)水灌溉、建設節(jié)水型社會等具有十分重要的意義。

系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用面向對象軟件開發(fā)方法，充分考慮系統(tǒng)的完整性、靈活性和安全性，基于Microsoft Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。操作系統(tǒng)以Windows7作為運行平臺。后臺數據庫選擇性能優(yōu)越、安全可靠、高效的關系型數據庫Microsoft SQL Server2005，該數據庫在企業(yè)級支持、商業(yè)智能應用、管理開發(fā)效率等諸多方面較SQL Server 2000有質的飛躍。

系統(tǒng)采用美國ESRI公司開發(fā)的工具Arc Engine進行二次開發(fā)。Arc Engine是一個簡單的、獨立于應用程序的Arc Objects編程環(huán)境。開發(fā)語言選用微軟的C#進行程序設計。C#是微軟公司發(fā)布的一種安全、穩(wěn)定、簡單的面向對象的、運行于NET Framework之上的高級程序設計語言。

系統(tǒng)目標與設計原則

系統(tǒng)的總體目標是：建設全面的遼西北旱情監(jiān)測預警與評估支持決策系統(tǒng)，可以對遼西北旱情狀況進行監(jiān)測、查詢、分析、預測與評估，對抗旱法規(guī)、抗旱經驗、抗旱服務組織等進行管理，實現(xiàn)遼西北旱情監(jiān)測預警與評估的系統(tǒng)化、信息化。

系統(tǒng)在設計時遵循以下原則：以中央水利方針和遼寧省水利廳的治水思路為指導，以國家法律、法規(guī)和行業(yè)標準以及相關文件精神為依據，密切結合遼西北地區(qū)自身的旱災特點以及今后抗旱減災工作的需要，確定遼西北旱情監(jiān)測預警與評估系統(tǒng)的方針和原則。系統(tǒng)建設堅持實用性原則、可靠性原則、先進性原則、標準化原則和安全性原則。

系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)包括旱情預警、旱情監(jiān)測、旱情評估、旱情預測、抗旱管理 5個模塊。其中旱情監(jiān)測模塊由氣象監(jiān)測、水文監(jiān)測、遙感監(jiān)測3個子模塊構成，旱情評估模塊由農業(yè)評估、城市評估、人口評估3個子模塊構成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

系統(tǒng)數據準備與數據組織

所有信息的處理和應用都是圍繞數據進行的，數據是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的基礎。本系統(tǒng)的數據內容包括水文數據、遙感數據、統(tǒng)計數據、基礎數據、成果數據5類。

水文數據是實現(xiàn)水文旱情監(jiān)測的基礎，這部分數據是通過調取已建的“遼寧省防汛抗旱水情數據庫”中的數據來獲取，主要調取的是經過研究選取的遼西北地區(qū)能夠提供降雨量、土壤墑情、水庫、河道信息的共計99個監(jiān)測站的數據。

遙感數據選取了全球免費、光譜范圍廣、數據接收簡單、更新頻率高的MODIS數據作為數據源。

統(tǒng)計數據主要涉及農業(yè)旱情、城市旱情、人口受旱和抗旱管理等數據。

基礎數據的作用是為旱情監(jiān)測以及旱情分析等提供背景資料。具體包括與抗旱相關的各類空間數據，內容涉及基礎地理信息數據、土地利用數據、水信息等。其中基礎地理信息包括省、市、縣3級行政區(qū)分布圖，水系圖，水庫分布圖，土地利用分布圖。

成果數據是指通過模型計算生成的氣象、水文等監(jiān)測結果，這部分數據為旱情預測的計算以及網絡版“遼西北旱情監(jiān)測管理信息系統(tǒng)”提供數據基礎。

系統(tǒng)模塊功能介紹與實現(xiàn)

旱情預警

旱情預警模塊是根據農業(yè)干旱風險評價指標以及風險層次分析模型實現(xiàn)了農業(yè)干旱風險圖的繪制。

旱情監(jiān)測

（1）氣象旱情監(jiān)測

氣象旱情監(jiān)測模塊選取了降雨量距平百分率、連續(xù)無雨日數2個指標對氣象干旱進行監(jiān)測。降雨量距平百分率是利用降雨量距平指標進行旱情監(jiān)測，針對站點和行政界分別實現(xiàn)了按旬、月、季和年的旱情監(jiān)測功能，以及任意時段降雨量的統(tǒng)計功能，同時提供監(jiān)測結果數據導出到Excel表格和導入到遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫的功能。連續(xù)無雨日數是利用連續(xù)無雨日數指標進行旱情監(jiān)測，針對站點和行政界分別實現(xiàn)了任意時段、固定時段的連續(xù)無雨日數監(jiān)測功能，提供監(jiān)測結果數據導出到Excel表格和導入到遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫的功能。

（2）水文旱情監(jiān)測

水文旱情監(jiān)測模塊選取了水庫蓄水量距平百分率、河道來水量距平百分率、地下水埋深下降值、土壤相對濕度4個指標對水文旱情進行監(jiān)測。水庫蓄水量距平百分率指標實現(xiàn)了按月的水文旱情監(jiān)測功能，同時提供監(jiān)測結果數據導出到Excel表格和導入到遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫的功能。河道來水量距平百分率指標實現(xiàn)了按旬的水文旱情監(jiān)測功能，同時提供監(jiān)測結果數據導出到Excel表格和導入到遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫的功能。地下水埋深下降值指標實現(xiàn)了按月的水文旱情監(jiān)測功能，同時提供監(jiān)測結果數據導出到Excel表格和導入到遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫的功能。土壤相對濕度指標實現(xiàn)了水文旱情監(jiān)測功能，以及10cm、20cm和30cm土壤相對濕度的空間插值。

（3）遙感旱情監(jiān)測

遙感旱情監(jiān)測模塊選取了旱情等級分布、旱情等級動態(tài)變化2個指標進行遙感旱情監(jiān)測。旱情等級分布實現(xiàn)了通過表觀熱慣量模型、地表溫度植被指數斜率法計算生成旱情等級結果。旱情等級動態(tài)變化監(jiān)測以旱情等級監(jiān)測結果為基礎數據來源，通過判斷兩次監(jiān)測期內旱情等級的變化情況來實現(xiàn)“點”“面”上旱情等級的動態(tài)監(jiān)測。

旱情評估

旱情評估模塊包括農業(yè)旱情評估、城市旱情評估、人口受旱評估3個子模塊。

農業(yè)旱情評估選取農業(yè)受旱面積、農業(yè)受旱面積動態(tài)變化、區(qū)域農業(yè)旱情等級、區(qū)域農業(yè)旱情等級動態(tài)變化、典型作物減產率5個指標。農業(yè)受旱面積評估方法實現(xiàn)了按旬對遼西北、市、縣不同等級農業(yè)受旱面積的評估。農業(yè)受旱面積動態(tài)變化評估方法實現(xiàn)了對遼西北、市、縣不同等級農業(yè)受旱面積動態(tài)變化的評估。區(qū)域農業(yè)旱情等級評估方法實現(xiàn)了對遼西北、市、縣不同等級農業(yè)旱情等級的評估。區(qū)域農業(yè)旱情等級動態(tài)變化評估方法實現(xiàn)了對遼西北、市、縣不同等級農業(yè)旱情等級動態(tài)變化的評估。典型作物減產率實現(xiàn)了按年對朝陽、錦州、阜新、葫蘆島、鐵嶺的玉米減產率進行評估，同時提供了將評估結果導入到遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫功能。

城市旱情評估根據城市旱情等級評估方法實現(xiàn)了對遼西北5城市旱情等級評估，同時提供評估結果圖片的保存功能。

人口受旱評估根據因旱飲水困難等級評估方法實現(xiàn)了對遼西北、市、縣因旱飲水困難等級的評估，同時提供評估結果圖片的保存功能。

旱情預測

旱情預測模塊根據旱情等級監(jiān)測結果，同時結合未來天氣預報，對未來旱情發(fā)展趨勢進行定性預測，例如旱情持續(xù)發(fā)展、旱情得到緩解等。包括短期旱情發(fā)展趨勢預測、中長期干旱年份預測以及干旱預警3個子模塊。短期旱情發(fā)展趨勢預測通過調用Web Service服務獲取近期天氣情況，據此實現(xiàn)對旱情發(fā)展趨勢的預測。中長期干旱年份預測應用灰色系統(tǒng)理論GM(1,1)模型以及歷史年份旱情等級預測下一次發(fā)生干旱的年份。干旱預警根據旱情的判斷條件發(fā)布旱情預警。

抗旱管理

抗旱管理模塊以收集的與抗旱法規(guī)、抗旱預案、抗旱投入、抗旱服務組織、抗旱報表以及抗旱經驗相關的信息作為數據源，以圖、表、文字相結合的方式實現(xiàn)抗旱管理業(yè)務，包括提供抗旱服務組織、抗旱經驗、抗旱投入情況的瀏覽，農業(yè)旱災及抗旱效益、城市干旱缺水及抗旱情況、城市干旱缺水及水源情況等報表的添加、修改以及刪除等功能。

結 語

綜上所述，在.NET平臺下，應用GIS工具及先進的計算機技術開發(fā)的遼西北旱情監(jiān)測預警與評估支持決策系統(tǒng)整合了各類水文數據、遙感數據、統(tǒng)計數據、基礎數據，構建了遼西北旱情監(jiān)測預警與評估數據庫，在“點”和“面”尺度上實現(xiàn)旱情監(jiān)測功能，實現(xiàn)對信息的高效管理和使用，為防汛抗旱決策提供及時可靠的決策依據。