基于GIS的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫莎莎

（北京中色地科測(cè)繪有限公司，北京 101300）

0.引言

人水和諧和節(jié)水型社會(huì)建設(shè)是城市管理的重要職責(zé)之一[1]。目前，全國(guó)許多城市一方面面臨地表水缺乏、降水量較少、水資源分布不平衡等水資源短缺問(wèn)題；另一方面，城市人民生活水平日益提高，對(duì)水資源的需求逐年增加[2]。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，不少城市都建立相應(yīng)的水資源信息化系統(tǒng)，解決一部分水資源管理問(wèn)題。但隨著水資源信息化管理的深入，存在如下問(wèn)題：（1）水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控能力差，水資源監(jiān)控站點(diǎn)少、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性差、監(jiān)控手段原始、信息化程度不高；（2）已建立的部分監(jiān)控點(diǎn)采集的信息，包括水雨情、水位、流量等，因標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)不統(tǒng)一，且數(shù)據(jù)分散于各個(gè)部門，數(shù)據(jù)共享難[3]。近年來(lái)，隨著GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)等先進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展，水資源信息化和智能化建設(shè)迎來(lái)良好的契機(jī)。因此，本文借助先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心，搭建了水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)。通過(guò)平臺(tái)，能夠擴(kuò)大和加強(qiáng)城市用水企業(yè)取水監(jiān)控的覆蓋面和用水控制，對(duì)用水企業(yè)進(jìn)行水資源的開(kāi)發(fā)；利用感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下水、水源地、取水許可和入河排污口信息化和實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，提高水資源利用的科技含量，確保水資源的合理開(kāi)發(fā)、高效利用和優(yōu)化配置。

1.總體設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

城市水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)是借助新一代先進(jìn)的技術(shù)手段，采用松耦合架構(gòu)模式，建立水資源實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用三大體系。水資源實(shí)時(shí)感知，是通過(guò)各種感知設(shè)備，建立由點(diǎn)（水源地、用水企業(yè)、排污口等）、線（水功能區(qū)、河流、供水排水網(wǎng)等）、面（水資源分區(qū)、行政區(qū)劃等）構(gòu)成的“一張圖”感知體系，全面實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的監(jiān)控；水資源數(shù)據(jù)融合是對(duì)城市各類水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、處理和入庫(kù)，從而構(gòu)建水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心；智能應(yīng)用是打造一套能展示、預(yù)警、決策的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水資源全過(guò)程監(jiān)控，為水利管理人員提供全方位的業(yè)務(wù)管理和輔助決策支持平臺(tái)。

1.2 框架設(shè)計(jì)

平臺(tái)建設(shè)基于SOA架構(gòu)，采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和功能標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一管理，其內(nèi)建的安全策略可以實(shí)現(xiàn)信息安全控制，保障服務(wù)的訪問(wèn)安全與運(yùn)行質(zhì)量[4]。整個(gè)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)包括五部分：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和用戶層。平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖（如圖1所示）：

圖1 平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)施層是平臺(tái)的軟硬件支撐，有效地保證了平臺(tái)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，主要包括智能感知設(shè)備（監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻設(shè)備等）、基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境（機(jī)房、存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器等）、網(wǎng)絡(luò)工程（政務(wù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)）以及云平臺(tái)（省級(jí)政務(wù)云）等；數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)資源中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件進(jìn)行入庫(kù)，構(gòu)建了水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心，主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、水資源監(jiān)控、專題和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及外部接入數(shù)據(jù)等，為水資源監(jiān)控管理工作提供數(shù)據(jù)支持；服務(wù)層是利用ArcGIS云套件，將功能封裝成具有統(tǒng)一接口的服務(wù)，包括統(tǒng)一登錄服務(wù)、業(yè)務(wù)流程服務(wù)、地圖服務(wù)、模型分析服務(wù)、數(shù)據(jù)共享服務(wù)以及權(quán)限分配服務(wù)等，通過(guò)這些服務(wù)降低不同功能模塊協(xié)同的難度；應(yīng)用層是平臺(tái)水資源數(shù)據(jù)成果展示以及水資源專業(yè)功能實(shí)現(xiàn)，包括水資源“一張圖”展示、水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理、水資源業(yè)務(wù)管理（地下水管理、征費(fèi)管理、節(jié)約管理以及應(yīng)急管理等）等功能；用戶層是平臺(tái)的主要使用人員，包括水利部門、建設(shè)工程單位、取水用戶以及公眾等；框架兩側(cè)是保障平臺(tái)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、管理辦法、運(yùn)維和安全體系等。平臺(tái)建設(shè)涉及數(shù)據(jù)處理、共享和外部對(duì)接、公眾技術(shù)應(yīng)用等問(wèn)題，需建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和管理辦法；平臺(tái)建設(shè)過(guò)程還需要考慮網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)以及數(shù)據(jù)的安全和保密，做到有據(jù)可查、無(wú)法改動(dòng)等，需建立相應(yīng)的安全體系和運(yùn)維管理體系。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)，對(duì)水資源相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面梳理和分析，構(gòu)建水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理[5]。水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心主要包括五大核心數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)示意圖（如圖2所示）?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括1∶5000電子地圖，高分率航空影像數(shù)據(jù)，水系數(shù)據(jù)，排水和污水管網(wǎng)數(shù)據(jù)等；水資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)包括水源地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、取水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、用水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及地下水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；水資源專題數(shù)據(jù)庫(kù)包括水源地?cái)?shù)據(jù)、地下水取水井?dāng)?shù)據(jù)、監(jiān)控站數(shù)據(jù)以及用水大戶數(shù)據(jù)等；外部接入數(shù)據(jù)庫(kù)包括氣象數(shù)據(jù)、公安數(shù)據(jù)以及交通數(shù)據(jù)等。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容

1.4 功能設(shè)計(jì)

水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)是基于SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用.Net平臺(tái)框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是Silverlight；數(shù)據(jù)處理采用ArcGIS desktop10.5；GIS相關(guān)功能開(kāi)發(fā)采用ArcGIS API for Silverlight。平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)圖（如圖3所示）：

圖3 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

2.關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)感知網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是平臺(tái)建設(shè)的重要一環(huán)。通過(guò)在地下水口、入河排污口、取水用戶以及水源地等區(qū)域安裝感知設(shè)備，平臺(tái)實(shí)時(shí)接收其監(jiān)控信息，并在“一張圖”上進(jìn)行展示。感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)流程：（1）感知網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)分段接入骨干網(wǎng)；（2）平臺(tái)控制中心將以太網(wǎng)設(shè)計(jì)為I/O服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器集群，接入各個(gè)感知設(shè)備，從而獲得其感知數(shù)據(jù)；（3）利用無(wú)線節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的優(yōu)勢(shì)，將感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)控制中心，從而實(shí)現(xiàn)以地圖為底圖，各類感知數(shù)據(jù)直觀展示的目的[6]。

2.2 水資源多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建庫(kù)

水資源數(shù)據(jù)庫(kù)存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊且多源異構(gòu)等問(wèn)題，為了確保數(shù)據(jù)規(guī)范性、現(xiàn)勢(shì)性、準(zhǔn)確性以及完整性，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理建庫(kù)[7]。具體思路：（1）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合建庫(kù)準(zhǔn)備工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)和資料的收集、數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)制定以及技術(shù)方案設(shè)計(jì)；（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，主要包括數(shù)據(jù)空間化、統(tǒng)一坐標(biāo)系、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、屬性信息完善等；（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終質(zhì)檢，主要包括數(shù)據(jù)拓?fù)錂z查和數(shù)據(jù)核實(shí)；（4）數(shù)據(jù)入庫(kù)，最終形成水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心成果。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建庫(kù)流程示意圖（如圖4所示）：

圖4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建庫(kù)流程

2.3 基于GIS的We b Se rvice

GIS的Web Service實(shí)現(xiàn)了地理空間信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析以及輸出等多方面的處理功能。它是基于互聯(lián)網(wǎng)，為客戶端提供GIS網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的組件[8]，具有統(tǒng)一GIS應(yīng)用服務(wù)API。GIS Web Service利用XML標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的發(fā)布服務(wù)和管理服務(wù)，具有以下特點(diǎn)：（1）封裝性良好，它是一種部署于Web上的對(duì)象，天然具備良好的封裝性；（2）松散耦合性，在服務(wù)調(diào)用過(guò)程中，只要服務(wù)調(diào)用的界面不改變，Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)都是透明的；（3）協(xié)議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)性，作為一種Web服務(wù)，其使用的協(xié)議都是開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過(guò)這些協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)和功能描述、傳輸以及交換，與此同時(shí)協(xié)議都是免費(fèi)的，可以為任意方進(jìn)行應(yīng)用；（4）集成能力強(qiáng)，Web服務(wù)采用最為簡(jiǎn)單和易為理解的Web協(xié)議進(jìn)行協(xié)同描述規(guī)范以及組件界面描述，可以跨軟件平臺(tái)進(jìn)行互操作，具有較高的集成性。

2.4 基于WCF技術(shù)的面向服務(wù)架構(gòu)

WCF是.NET框架的重要一部分，是新一代Windows操作系統(tǒng)中重要的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)類庫(kù)，它整合了.NET Remoting、WebService以及Socket機(jī)制，在此基礎(chǔ)上融合了Http和Ftp技術(shù)，為數(shù)據(jù)通訊提供支持[9]。WCF具有以下特點(diǎn)：（1）統(tǒng)一性，WCF采用托管代碼編寫，因此，利用WCF開(kāi)發(fā)面向?qū)ο髴?yīng)用程序和開(kāi)發(fā)其他.NET面向?qū)ο髴?yīng)用程序一致；（2）互操作性，WCF采用SOAP作為基本的通信機(jī)制，保證了平臺(tái)間的互操作性；（3）安全性，WCF支持將WS-Secure Conver Sation、WS-Trust以及WS-Security添加到SOAP消息，具有數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)隱私和用戶認(rèn)證等安全因素。

3.平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 水資源“一張圖”展示

“一張圖”展示包括基本的地圖操作、圖層控制、坐標(biāo)定位、空間查詢和輔助工具等。地圖基本操作，主要功能有全圖、放大、縮小、漫游、長(zhǎng)度測(cè)量、面積測(cè)量、地圖輸出、痕跡清理等，實(shí)現(xiàn)了水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控大數(shù)據(jù)資源中心的各類數(shù)據(jù)疊加展示；圖層控制中，用戶可以控制圖層的顯示與隱藏，通過(guò)對(duì)圖層的上下移動(dòng)調(diào)整各個(gè)圖層之間的疊放順序，而且可以設(shè)置圖層的透明度，以更好地在地圖上展現(xiàn)用戶所需要的信息；坐標(biāo)定位中，地圖瀏覽過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)顯示用戶鼠標(biāo)停留位置的坐標(biāo)信息；空間查詢包括點(diǎn)查詢和面查詢，點(diǎn)查詢中，用戶可在地圖中選擇或手動(dòng)輸入所需坐標(biāo)點(diǎn)，并輸入半徑，查詢以該坐標(biāo)點(diǎn)為圓心的圓形區(qū)域范圍內(nèi)的水井點(diǎn)、監(jiān)控站等數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，面查詢中，用戶可在地圖中相應(yīng)位置繪制多邊形，平臺(tái)即可顯示在該多邊形區(qū)域范圍內(nèi)水資源各類數(shù)據(jù)相關(guān)詳細(xì)信息。輔助工具包括地圖標(biāo)繪和外部數(shù)據(jù)疊加功能，地圖標(biāo)繪，用戶一方面可以加載標(biāo)繪信息文件，另一方面可以根據(jù)需要自己繪制點(diǎn)、線、面以及文本，并可以將標(biāo)注結(jié)果保存下來(lái)。外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入，用戶可以導(dǎo)入含幾何圖形的excel模板文件，動(dòng)態(tài)加載幾何要素?！耙粡垐D”展示示意圖（如圖5所示）：

圖5 “一張圖”展示

3.2 水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理

水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理是通過(guò)感知網(wǎng)絡(luò)，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自備水源井、地表水取水口、用水大戶、用水/排水渠道或管道、河流控制斷面、水庫(kù)、湖泊、地下水等的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。監(jiān)控的主要內(nèi)容包括渠道和管道流量、河流、水庫(kù)、湖泊水位和降雨量、河流控制斷面、水庫(kù)和湖泊水質(zhì)、地下水觀測(cè)井的水位、水溫和水質(zhì)以及用水大戶用水量和費(fèi)用等。

3.3 水資源地下水管理

水資源地下水管理主要包括用戶取水管理、水位管理以及水井管理等。用戶取水管理實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶信息、取水量以及取水費(fèi)用等管理，在地圖上，一方面，可以直接定位到用戶位置，直觀展現(xiàn)某取水大戶每日、每月的取水量和取水費(fèi)用，另一方面，可以通過(guò)圖表直接統(tǒng)計(jì)某個(gè)行政區(qū)劃的取水量和取水費(fèi)用等；水位管理通過(guò)報(bào)表和圖形的方式，展示地下水位月、年時(shí)間序列的變化情況。水井管理實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控水井、開(kāi)采井和廢井的管理，可以查看相關(guān)井的屬性信息和統(tǒng)計(jì)信息。

3.4 水資源征費(fèi)管理

水資源征費(fèi)管理是根據(jù)水資源征費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)取水用戶水費(fèi)征收管理，主要包括征費(fèi)管理和水費(fèi)管理兩個(gè)核心內(nèi)容。征費(fèi)管理包括水費(fèi)收繳管理、水費(fèi)欠費(fèi)管理以及水費(fèi)緩繳管理，水資源征費(fèi)管理流程示意圖（如圖6所示）。水費(fèi)管理包括水費(fèi)信息管理和收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)管理，水費(fèi)信息管理可以查看取水用戶的用水量和歷史水費(fèi)繳納情況，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)管理是根據(jù)用水量和用水類型，制定階梯水費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 水資源征費(fèi)管理流程

3.5 水資源應(yīng)急管理

水資源應(yīng)急管理包括水資源應(yīng)急事件、預(yù)案以及會(huì)商三大主要管理內(nèi)容。水資源應(yīng)急事件管理，一方面是事件基本信息管理，如，突發(fā)事件、水污染事件以及干旱枯水事件等，另一方面是應(yīng)急事件預(yù)警管理。水資源應(yīng)急預(yù)案管理是對(duì)預(yù)案的編輯、查詢和統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)應(yīng)急事件等級(jí)，快速為領(lǐng)導(dǎo)提供應(yīng)急預(yù)案；應(yīng)急會(huì)商管理通過(guò)視頻會(huì)議的方式，專家們可以遠(yuǎn)程對(duì)應(yīng)急事件進(jìn)行會(huì)商，并確定應(yīng)急事件的調(diào)度指揮方案。

4.結(jié)束語(yǔ)

基于GIS的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)和研究，在水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控、水資源資源優(yōu)化配置、水資源征費(fèi)、水資源專題數(shù)據(jù)數(shù)字化展示等方面發(fā)揮極大的作用，通過(guò)將水資源監(jiān)控站、水井點(diǎn)、水源點(diǎn)、取水用戶與電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，直觀和高效地對(duì)水資源進(jìn)行管理。目前平臺(tái)運(yùn)行良好，但也存在一定問(wèn)題，如，水資源數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)整合難度大；實(shí)時(shí)監(jiān)控的感知設(shè)備存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定且設(shè)備本身容易故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收存在延遲；水費(fèi)征收時(shí)，存在數(shù)據(jù)改動(dòng)隱患。因此，下一步，平臺(tái)將進(jìn)一步利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全等進(jìn)行完善，促進(jìn)城市水資源信息化發(fā)展，推動(dòng)“智慧水利”的建設(shè)。