基于WebGIS的河南省水文信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李雅麗，魏峰遠(yuǎn)，陳榮國，索榮遙

（1.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.北京博陽世通信息技術(shù)有限公司，北京 100101）

水文遙測站是水利部門采集水文信息的重要設(shè)施，隨著水利信息化的不斷完善和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，全國76%以上的水文遙測站已經(jīng)實現(xiàn)了自動測報［1］，所采集的水文要素值是流域管理的重要數(shù)據(jù)來源和主要參考依據(jù)，是各水利部門數(shù)據(jù)共享建設(shè)的重要目標(biāo)。但目前很多已建的水情遙測系統(tǒng)只停留在水位、降雨量信息自動采集階段［2］，缺乏水文信息管理系統(tǒng)對采集水文信息的統(tǒng)一發(fā)布與管理，嚴(yán)重影響全省范圍內(nèi)的水文信息共享以及流域的動態(tài)監(jiān)測與綜合管理。

本文提出建立基于WebGIS的水文信息管理系統(tǒng)，采用具有空間信息和屬性信息統(tǒng)一存儲、管理、查詢、空間分析功能的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)［3］，實現(xiàn)遙測站空間位置的直觀展示，水文信息的科學(xué)管理、快速查詢與統(tǒng)計。WebGIS是GIS在Internet上的擴展，不僅繼承了GIS的功能，而且具有更新快捷、跨平臺、訪問范圍廣泛、共享性好、維護(hù)方便等優(yōu)勢［4］，完全滿足水文信息實時監(jiān)測、統(tǒng)一管理、共享的業(yè)務(wù)需求，是水文信息管理系統(tǒng)建設(shè)的理想工具。

1 研究區(qū)域現(xiàn)狀與需求分析

河南省地處中國中東部、黃河中下游，省內(nèi)流經(jīng)海河、黃河、淮河、長江四大水系，境內(nèi)包含1 500多條河流，流域面積100 km2以上的河流有493條。其中，黃河橫穿全省，境內(nèi)干流711 km，流域面積3.62萬km2，約占全省總面積的1/5。到目前為止，河南省水利部門已形成了1個省級中心、18個地級市中心、100余個水文站以及接近500個遙測站點組成的水文信息網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生了大量的歷史以及實時水文數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)以河南省范圍內(nèi)遙測站觀測得到的實時與歷史水文信息為基礎(chǔ)［5］，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、測站屬性數(shù)據(jù)以及各級水利單位屬性數(shù)據(jù)，設(shè)計開發(fā)出包括動態(tài)監(jiān)測、水文信息查詢、水文信息統(tǒng)計和系統(tǒng)管理等功能的水文數(shù)據(jù)共享平臺，使整個系統(tǒng)既有動態(tài)監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)管理分析能力，又有良好的擴展性。

2 基于WebGIS的河南水文信息管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用Browser/Server（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，在邏輯上自下而上分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層以及用戶層（見圖1）。其中：①數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲管理水文相關(guān)數(shù)據(jù)，同時為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)，采用博陽數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（BeyonDB）,實現(xiàn)對屬性數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及柵格數(shù)據(jù)的高效存取和統(tǒng)一管理［6］。②服務(wù)層起到后臺數(shù)據(jù)庫與前端應(yīng)用交互連接的作用，提供遙測數(shù)據(jù)接入服務(wù)、GIS服務(wù)、查詢統(tǒng)計服務(wù)等以響應(yīng)和處理用戶的請求。③應(yīng)用層負(fù)責(zé)提供具體的應(yīng)用操作，采用OpenLayers 3 調(diào)用WMS，實現(xiàn)圖層的顯示、放大、縮小、漫游等基本地圖應(yīng)用功能以及查詢、統(tǒng)計和輸出等功能；通過調(diào)用WFS，實現(xiàn)點、線、面等要素的增刪改及保存［7］。應(yīng)用層提供水文信息的可視化、查詢與統(tǒng)計分析等各項應(yīng)用，滿足各級水利部門在水文數(shù)據(jù)管理中的實際應(yīng)用需求。④用戶層是本系統(tǒng)面向的使用單位，包括省水文局，地市級勘測中心和地方水文站。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

遙測站每5 min自動采集水文數(shù)據(jù)，水文信息數(shù)據(jù)庫需要存儲大量水文數(shù)據(jù)，既有歷史數(shù)據(jù)，也有實時數(shù)據(jù)。因此在設(shè)計水文信息數(shù)據(jù)庫時，既要使數(shù)據(jù)庫具備靈活性、可擴充性以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲，也要保證數(shù)據(jù)的完整性和有效性，同時為子系統(tǒng)提供多種接口，為數(shù)據(jù)顯示、查詢、分析等提供保障［8］。

水文信息數(shù)據(jù)庫在設(shè)計上分為水文要素值數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫以及后臺管理數(shù)據(jù)庫三大類庫。其中，水文要素值數(shù)據(jù)庫用于存儲遙測站的基本信息數(shù)據(jù)，以及遙測站所觀測的實時水文數(shù)據(jù)與按不同時間粒度統(tǒng)計的水文數(shù)據(jù)，包括的子數(shù)據(jù)庫有實時水文數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計水文數(shù)據(jù)庫；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫存儲行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、河流數(shù)據(jù)、居民地等空間基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；后臺管理數(shù)據(jù)庫用于存儲遙測站點以及各水利單位的基本信息，包括遙測站數(shù)據(jù)庫和單位數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)層次

在水文要素值數(shù)據(jù)庫中，分別存儲實時水文數(shù)據(jù)與歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中實時水文數(shù)據(jù)庫用于存放近3 d每5 min生成的實時數(shù)據(jù)，時間超過3 d的視為歷史數(shù)據(jù)，自動遷移至歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。水文信息數(shù)據(jù)庫中所包含的3個數(shù)據(jù)庫，通過遙測站數(shù)據(jù)的測站ID以及經(jīng)緯度關(guān)聯(lián)起來，各類數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》、《水資源監(jiān)控管理數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計，其中設(shè)計遙測站表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 遙測站表結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能的詳細(xì)設(shè)計與實現(xiàn)

河南水文管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用Beyondb 2.0國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，Web應(yīng)用服務(wù)采用GeoServer地圖服務(wù)器、Tomcat7.0。選擇NetBeans 8.0 作為開發(fā)平臺，Java語言進(jìn)行后臺編譯，前臺使用OpenLayers 3作為客戶端開發(fā)技術(shù)。該系統(tǒng)可以實時接入水文遙測數(shù)據(jù)，動態(tài)監(jiān)測流域雨水情信息，同時提供查詢、統(tǒng)計分析功能，滿足水利部門日常工作需求。

3.1 水文信息動態(tài)監(jiān)測

針對水文信息實時性的特點，本系統(tǒng)利用通信技術(shù)與遙測站實時聯(lián)動，及時、準(zhǔn)確地發(fā)布最新水文信息，對接入的雨水情數(shù)據(jù)基于遙測站點空間位置在地圖上按照遙測站點的重要、次要程度分級別可視化。在初始化頁面上顯示雨水量最大值的站點、工作狀態(tài)異常的站點以及河南省范圍內(nèi)重要水文遙測站點，并分類型賦異常符號，及時向工作人員報警提醒各類異常水文情況；地圖放大后，顯示全部站點信息。這種分級的可視化方式有利于用戶了解重點、異常信息，減少對信息的篩選操作，并且避免顯示區(qū)域站點分布密集的情況。分級可視化設(shè)計如圖3、4所示。

圖3 分級別可視化設(shè)計邏輯圖

圖4 水文信息關(guān)聯(lián)查詢設(shè)計

3.2 水文信息查詢

水文信息查詢提供相關(guān)水文信息的查詢與結(jié)果輸出，主要包括遙測站查詢、水位查詢以及降雨量查詢。

1）遙測站查詢。遙測站的查詢包括測站編號、運行狀態(tài)、管理單位等屬性值的查詢以及測站空間位置的查詢。具體的查詢方式有兩種，一種是基于數(shù)據(jù)庫SQL技術(shù)，選擇對象的單一或多個屬性信息，查詢對象在地圖上的空間地理位置信息并高亮顯示，即屬性-地圖查詢；另一種是基于前端OpenLayers 3技術(shù)在地圖上點選、框選一個或多個對象，查詢選擇對象的屬性信息，即地圖-屬性查詢。

2）雨水情查詢。雨水情的查詢內(nèi)容包括不同時間段的水位，降雨量查詢以及極值查詢，查詢方式分為單一要素查詢和多要素對比查詢，查詢結(jié)果以過程折線圖、柱狀對比圖以及報表的形式展現(xiàn)。

遙測站查詢功能模塊與雨水情查詢功能模塊根據(jù)遙測站ID關(guān)聯(lián)，能夠相互調(diào)用，減少操作頻次，便于全面了解同一地域的各類水文信息。功能設(shè)計與實現(xiàn)如圖5、6所示。

圖5 降雨量查詢

圖6 水文要素統(tǒng)計

3.3 水文信息統(tǒng)計

水文信息統(tǒng)計分析模塊通過多種統(tǒng)計圖表，輔助用戶發(fā)現(xiàn)水文要素的變化趨勢，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)中的隱含信息，同時可結(jié)合相關(guān)水文數(shù)據(jù)模型對水文要素值進(jìn)行預(yù)測。水文信息統(tǒng)計模塊能夠?qū)θ我贿b測站，在指定時間范圍內(nèi)所監(jiān)測的水文要素值進(jìn)行統(tǒng)計，計算得出平均值、最大值（見圖6）；并提供不同水文數(shù)據(jù)的對比分析，更直觀地顯示其變化差異。

3.4 系統(tǒng)管理

在系統(tǒng)管理模塊中主要根據(jù)用戶權(quán)限，實現(xiàn)對各類信息的錄入、刪除、編輯與保存的操作。系統(tǒng)中遙測站采集的水文數(shù)據(jù)主要供省水文局、地市級勘測局以及地方水文站等水利單位使用，其中省水文局可使用省內(nèi)所有遙測站的數(shù)據(jù)；地市級勘測局使用本市下屬各遙測站數(shù)據(jù)；地方水文站僅使用本站數(shù)據(jù)。依據(jù)水利業(yè)務(wù)中所需的水文局、勘測局、水文站三級節(jié)點平臺層級管理模式，系統(tǒng)角色級別設(shè)為“水文局、勘測局、水文站”三個級別，每個級別中的每個單位均設(shè)置具有“管理員”和“普通用戶”兩類用戶角色。用戶的角色級別與權(quán)限功能設(shè)計如表2所示。

表2 用戶角色設(shè)定與權(quán)限

4 結(jié) 語

利于WebGIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計開發(fā)一套河南省水文信息管理系統(tǒng)，對河南省境內(nèi)遙測系統(tǒng)采集的水文信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)水文信息管理的可視化、動態(tài)化、更新實時化，為河南省各級水利部門提供水文信息共享平臺。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)管理的同時，還提供便快捷的查詢、統(tǒng)計、輸出等功能，有效輔助于各項水利業(yè)務(wù)的實施，為推動河南省水利信息化建設(shè)起到了重大作用。

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