一種水雨情實時監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)計

陳 翠，胡春杰，，阮 聰，牛智星

(1.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人類生產(chǎn)活動的增強(qiáng)，洪澇災(zāi)害在以更快的速度增長，給人民群眾生命財產(chǎn)帶來巨大損失[1-2]。隨著數(shù)字化、智能化的日益發(fā)展，應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)自動化、智能化監(jiān)測各種水雨情信息勢在必行[3- 4]。在新的歷史條件下，開發(fā)一套水雨情實時監(jiān)測系統(tǒng)，對城市與山區(qū)的中小河流進(jìn)行實時監(jiān)測，成為當(dāng)前水情信息化建設(shè)的關(guān)鍵。鑒于全國各個水文監(jiān)測站分布較廣；因此，采用Web系統(tǒng)可以解決水文測站空間分布分散的問題，提高相關(guān)水文數(shù)據(jù)的更新速度，為防洪有關(guān)部門提供及時的數(shù)據(jù)分析。借助ArcGIS Server平臺，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)地圖瀏覽和空間分析功能，而且還具有在線編輯和放大的分析能力，在一定程度上提高了監(jiān)測水雨情的工作效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

ArcGIS Server是用于開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)級服務(wù)器端程序的組件集，將地理信息系統(tǒng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，綜合發(fā)揮GIS的空間查詢與定位以及網(wǎng)絡(luò)的全球互聯(lián)，信息共享特點。它為創(chuàng)建和管理基于服務(wù)器的GIS應(yīng)用提供了一個高效平臺，實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)管理與處理、制圖、空間分析、編輯和其他的GIS功能[5]。ArcGIS Server作為服務(wù)器端產(chǎn)品，不僅提供傳統(tǒng)桌面端GIS通用功能外，而且具有高級GIS分析、在線編輯空間要素、動態(tài)管理空間數(shù)據(jù)等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

水雨情實時監(jiān)測系統(tǒng)原理是在遙測站點的遙測終端通過各種相關(guān)水文傳感器獲取水雨情信息，再經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給遙測系統(tǒng)中心站，中心站服務(wù)器實時接收、存儲和處理水雨情信息，進(jìn)而作出洪水預(yù)報和防洪調(diào)度方案[6]。本系統(tǒng)采用集成技術(shù)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計。三層架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)層層支撐(見圖1)，實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠健壯運行與一體化管理。由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型多，數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)計算、處理、應(yīng)用和通信邏輯復(fù)雜，對系統(tǒng)的集成性、實時性、可靠性、安全性等方面都有較高的要求，這就要求系統(tǒng)具有很高的集成性和靈活性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.1 數(shù)據(jù)采集層

在山區(qū)和城市局部中小河流區(qū)域安置流速儀、視頻采集器、雨量計等傳感器以及水尺來獲取相關(guān)水雨情數(shù)據(jù)信息；而ARM微處理器采用型號為S3C6410，其內(nèi)核的低功耗、性價比較高，擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源及視頻處理能力，能夠及時處理各種傳感器采集的水雨情數(shù)據(jù)并實時傳送到中心站。

(1)非接觸式雷達(dá)流速儀。采用非接觸式雷達(dá)流速儀，可以在線連續(xù)取得實測流速數(shù)據(jù)，是流速實時監(jiān)測的一種新興手段(見圖2)。其主要原理利用多普勒雷達(dá)測速，對水流的表面流速進(jìn)行探測，微波雷達(dá)不受溫度梯度、壓力、空氣密度、風(fēng)或其他氣象環(huán)境條件的影響，可全天候全天時穩(wěn)定工作。

圖2 非接觸式雷達(dá)流速儀安裝示意

(2)H-ADCP。固定ADCP利用聲學(xué)多普勒原理測量流速。通常安裝在河流或渠道的岸邊、水底，發(fā)射波束涵蓋部分或整個寬度的水體，實時測量一個水層的流速分布(見圖3)。由控制器或電腦接收固定ADCP提供的流速數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)采用“指標(biāo)流速法”或“流速一面積法”實時計算監(jiān)測河流斷面或渠道的流量。

圖3 H-ADCP安裝與工作示意

(3)雨量測量計。采用翻斗式遙測雨量計。其工作原理是降水由環(huán)口控制面積，集水器回攏，通過進(jìn)水漏斗進(jìn)入翻斗，當(dāng)計量達(dá)到一定水量時，就會導(dǎo)致翻斗翻轉(zhuǎn)，磁吸合干簧管，產(chǎn)生一個通斷信號，供遙測或記錄儀器使用。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

20世紀(jì)末，超短波和衛(wèi)星基站是主要的通訊方式，主要其組網(wǎng)靈活、維修方便且不易受到壞境影響，因此在水中被廣泛應(yīng)用。隨著時代的發(fā)展，高可靠、高穩(wěn)定GPRS/GSM的通訊方式逐漸取代了超短波等通信方式。但是，我國局部地區(qū)架設(shè)光纖存在著造價高、工期長、維護(hù)困難等問題；因此水文數(shù)據(jù)只能通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[9-10]。如果通信帶寬不夠的話，可以采用多路復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程大數(shù)量信息的傳輸。

1.3 應(yīng)用層

根據(jù)上述設(shè)計思路，采用HTML、CSS、javascript在網(wǎng)頁開發(fā)方面的優(yōu)勢[11-12]，以SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，語言采用三層架構(gòu)體系和組件技術(shù)，研發(fā)了一套水雨情實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了水雨情信息資源多部門共享，為用戶提供了地圖快速瀏覽、實時水雨情數(shù)據(jù)查詢、站點工情信息查詢等功能，提高系統(tǒng)的友好性與實用性，為科學(xué)分析、決策指揮提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)并達(dá)到快速響應(yīng)的目的。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

為了充分發(fā)揮水雨情信息數(shù)據(jù)的重要價值和水雨情監(jiān)測需求以及汛期防洪搶險的要求，具體實現(xiàn)功能如下：

(1)信息查詢。首先選擇指定條件，通過遙測站空間信息以及與屬性數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，獲得測站基本信息和實時水情、雨情等數(shù)據(jù)，集中顯示各測站點的最新水位、當(dāng)前降雨量、累計降雨量、電池電壓等，實時展現(xiàn)水位、降雨量動態(tài)曲線。如圖4顯示，黔南水雨情監(jiān)測系統(tǒng)，點擊河道查詢，輸入時間、選擇多站，再點擊查詢，出現(xiàn)各測站河道水情信息查詢結(jié)果。

圖4 信息查詢界面

(2)數(shù)據(jù)分析。對查詢結(jié)果直接進(jìn)行實時分析(等值線繪制、等值面等，圖略)。

(3)實時報警。實時監(jiān)控水情信息庫，在地圖中標(biāo)示各測站水位、流量等信息，如水位或流量超出允許范圍，采取報警等措施。

(4)數(shù)據(jù)報表生成。通過圖層屬性查詢屬性數(shù)據(jù)庫獲得原始資料經(jīng)過變換加工，生成滿足需要的統(tǒng)計報表(見圖5～7)。

圖5 查詢各個站點降雨量

圖6 水位數(shù)據(jù)的報表

圖7 過程線

(5)圖形繪制、瀏覽。地圖放大、縮放及對圖層屬性的添加、刪除、修改等基本操作，流域圖可以放大縮小，放大后相應(yīng)會在站點附近顯示站點水雨情信息如圖8、9所示。

圖8 放大前流域示意

圖9 放大后流域示意

(6)實現(xiàn)圖像的定時獲取與實時獲取，圖像的定時獲取功能主要包括日期的選擇、圖像的查詢、圖像的顯示、圖像的自動播放等功能；圖像的實時獲取功能主要實現(xiàn)了獲取當(dāng)前時間的實時圖像。

3 結(jié) 語

水雨情實時監(jiān)測系統(tǒng)可通過利用水雨情信息數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，借ArcGIS Server平臺，WEB集成展示了實時在線水尺圖片、水位、雨量等數(shù)據(jù)信息以及地理位置空間信息。本文以黔南水文局為例，反映了云南黔南各水文站的水情、雨量數(shù)據(jù)信息，為防汛防災(zāi)、工程管理等不同層提供重要的信息技術(shù)支持。本系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了用戶對數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析的需求以及空間位置需求，提出了基于ArcGIS的水雨情實時監(jiān)測的框架乃至設(shè)計模式，為水雨情防汛監(jiān)測提供了充分的數(shù)據(jù)資料和成熟的數(shù)據(jù)管理模式以及實用模式，系統(tǒng)軟件具備通用功能，可為防汛防災(zāi)工作提供及時、準(zhǔn)確的技術(shù)支持和信息服務(wù)。