WebGIS“一張圖”技術(shù)在水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

歐思程，劉 帥，洪福鑫

(1.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

長江流域總面積180萬km2，三峽以上控制流域面積100萬km2，按照控制重點(diǎn)暴雨區(qū)，掌握下游控制站點(diǎn)的原則，三峽梯級(jí)水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)(以下簡稱“三峽梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)”)隨著長江流域梯級(jí)水庫的滾動(dòng)開發(fā)、高速發(fā)展、持續(xù)更迭，其水情遙測(cè)子系統(tǒng)已建成為國內(nèi)水電企業(yè)覆蓋面積最廣、規(guī)模最大的水情遙測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)測(cè)控范圍從5.6萬km2發(fā)展到58萬km2，測(cè)站數(shù)量從65個(gè)發(fā)展到650余個(gè)。此外，通過多種合作方式實(shí)現(xiàn)了流域氣象數(shù)據(jù)、報(bào)汛數(shù)據(jù)的融合接入。目前三峽梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化主要用來實(shí)現(xiàn)遙測(cè)水雨情、流域報(bào)汛水雨情信息采集、處理、查詢，梯級(jí)樞紐水庫調(diào)度及水文預(yù)報(bào)等，為三峽集團(tuán)六座梯級(jí)水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)，為用戶的活動(dòng)提供信息支持與服務(wù)[1-2]。GIS技術(shù)已廣泛運(yùn)用于水調(diào)、水雨情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[3-5]，但是目前多數(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)僅支持信息查詢與監(jiān)視，功能較為單一，未能充分融合GIS技術(shù)[6-8]，隨著GIS理論體系的不斷更新完善以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷融合，基于WebGIS“一張圖”的理念已廣泛運(yùn)用于水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)[9-10]。將一個(gè)流域內(nèi)的水情、氣象等各種信息，基于WebGIS平臺(tái)進(jìn)行整合，將不同的信息或者應(yīng)用按照不同的圖層管理，在一張地圖上疊加，為用戶提供盡可能全面的信息。

在新版三峽梯級(jí)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)和改造過程中，針對(duì)其在數(shù)據(jù)資源來源廣、分散，業(yè)務(wù)協(xié)同困難等方面的問題，本文介紹了基于WebGIS技術(shù)，采用以地理信息、水雨情、報(bào)汛、氣象等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“一張圖”全聚合展示模式，同時(shí)搭載各類專題應(yīng)用，應(yīng)用于水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中，使其能完成對(duì)各類信息的快速定位查詢，完成對(duì)流域水雨情的統(tǒng)計(jì)分析和動(dòng)態(tài)展示，實(shí)現(xiàn)GIS地圖中遙測(cè)、報(bào)汛、氣象數(shù)據(jù)的融合展示，提供氣象預(yù)報(bào)、流量預(yù)報(bào)以及調(diào)度計(jì)劃分析等專題應(yīng)用功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電站生產(chǎn)運(yùn)行全過程的監(jiān)控，可為流域梯級(jí)水庫的智慧決策、優(yōu)化調(diào)度提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 存在問題

目前，雖然GIS技術(shù)已廣泛運(yùn)用于水調(diào)、水雨情監(jiān)測(cè)，但大多數(shù)的應(yīng)用僅限于信息的查詢，如圖1所示，只能對(duì)不同來源的數(shù)據(jù)分頁面進(jìn)行二維靜態(tài)展示，無法提供對(duì)于水雨情數(shù)據(jù)及報(bào)汛數(shù)據(jù)的融合分析，未能與水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行充分的融合。在舊版的水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中主要集中有以下幾方面的問題：① 在GIS可視化方面二三維不能一體化融合，可視化應(yīng)用工具也不夠豐富；② 由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源較為分散，導(dǎo)致展示形式分散單一，未能充分融合，無法提供各類水雨情、氣象數(shù)據(jù)的融合分析，用戶的體驗(yàn)感較差，操作性不強(qiáng)；③ 在各類高級(jí)應(yīng)用功能方面不能自適用調(diào)整，無法協(xié)同開展，降低了用戶的各類預(yù)報(bào)制作及調(diào)度計(jì)劃制作的效率。

圖1 傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)展示界面Fig.1 Traditional GIS system display interface

2 WebGIS“一張圖”系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

由于需要展示的數(shù)據(jù)涉及多種數(shù)據(jù)源，且邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使平臺(tái)的結(jié)構(gòu)更加清晰、使用更加便捷，新版水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)來構(gòu)建GIS功能，根據(jù)分層設(shè)計(jì)原則，將平臺(tái)設(shè)計(jì)為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層的3層體系結(jié)構(gòu)，總體框架如圖2所示。

圖2 WebGIS應(yīng)用整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of WebGIS application

2.2 分層設(shè)計(jì)

(1) 表現(xiàn)層。表現(xiàn)層即系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，可通過Web瀏覽器進(jìn)行訪問。系統(tǒng)使用HTML5和CSS3構(gòu)建UI界面，使用JavaScript與WebGL響應(yīng)用戶操作、解析數(shù)據(jù)和構(gòu)建二三維場(chǎng)景等。平臺(tái)界面能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶多種方式的交互、接收用戶請(qǐng)求以及對(duì)請(qǐng)求作出響應(yīng)。表現(xiàn)層設(shè)計(jì)和開發(fā)將基于HTML5和CSS3，在主流瀏覽器中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)GIS二三維場(chǎng)景構(gòu)建和應(yīng)用程序界面，確保用戶不需要安裝任何第三方插件?？蛻舳伺c服務(wù)器通信基于純粹的AJAX調(diào)用，確?？蛻舳擞辛己玫倪m應(yīng)性。

(2) 業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它按照業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)用戶的請(qǐng)求進(jìn)行處理，同時(shí)調(diào)用后臺(tái)接口，與服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。并根據(jù)各個(gè)功能模塊所需要的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式及復(fù)雜的邏輯關(guān)系，對(duì)返回結(jié)果作進(jìn)一步處理，最終在表現(xiàn)層得到響應(yīng)。同時(shí)，該層還將系統(tǒng)的核心功能封裝為 JavaScript API，便于二次開發(fā)。系統(tǒng)中使用的Web服務(wù)器優(yōu)先選擇開源GIS服務(wù)器，同時(shí)它還作為后臺(tái)地圖服務(wù)器。設(shè)計(jì)采用多服務(wù)器程序部署方案，其中地圖服務(wù)器基于開源軟件產(chǎn)品GeoServer，應(yīng)用服務(wù)器和瓦片數(shù)據(jù)服務(wù)器為自主開發(fā)，確保多用戶并發(fā)的穩(wěn)定性和性能。

(3) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并響應(yīng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問請(qǐng)求，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，主要包括檢索、新增、更新、刪除等操作，是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)。該層含有二三維模型數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，長江流域水雨情、報(bào)汛、氣象等專題統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)等。

3 WebGIS“一張圖”在水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

本系統(tǒng)基于WebGIS的方式，采用以地理信息、水雨情、報(bào)汛、氣象等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“一張圖”的理念，并通過接口調(diào)用搭載了各類核心業(yè)務(wù)高級(jí)應(yīng)用功能，將其應(yīng)用于三峽水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中，支持各類基礎(chǔ)信息展示、查詢、計(jì)算、分析以及氣象、流量預(yù)報(bào)以及調(diào)度計(jì)劃等功能，主要從以下幾個(gè)方面提升。

3.1 二三維GIS一體化

為了在WebGIS“一張圖”中實(shí)現(xiàn)二三維一體化，本文通過一體化的空間數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)的方式，使數(shù)據(jù)在二三維都可以使用，將二三維GIS集成在一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用程序框架中，實(shí)現(xiàn)了二三維GIS交互界面可以在一個(gè)網(wǎng)頁集成，也可一鍵切換，具有相同的主題管理機(jī)制。如圖3所示，在三峽水調(diào)系統(tǒng)中，流域水雨情模塊選擇全流域GIS，通過二維場(chǎng)景/三維場(chǎng)景按鍵即可一鍵進(jìn)行切換，方便用戶進(jìn)行查詢，在美觀、易用、動(dòng)態(tài)效果方面給用戶提供全新的視覺體驗(yàn)。

圖3 全流域GIS二三維切換示意Fig.3 2D/3D switching map of the whole river basin GIS

3.2 二三維GIS可視化細(xì)節(jié)更豐富

在GIS可視化細(xì)節(jié)功能方面，為了使流域“一張圖”可視化細(xì)節(jié)更加形象、豐富，可視化工具更加豐富，在二維GIS可視化方面，系統(tǒng)基于WebGIS的方式提供地圖量測(cè)(距離、面積)、行政圖、衛(wèi)星地圖切換、動(dòng)靜態(tài)圖層顯示控制等功能，能夠預(yù)先或程序控制確定分析，實(shí)現(xiàn)定位和二維動(dòng)態(tài)、靜態(tài)幾何要素拾取回調(diào)等。例如，在全流域GIS圖中通過面雨量測(cè)量工具選取測(cè)量面積，即可測(cè)量相應(yīng)區(qū)域的平均雨量，見圖4。在三維GIS可視化方面，采用開源工具包WorldWind和WebGL技術(shù)，增強(qiáng)三維可視化展示效果。例如通過載入三維模型以及大規(guī)模場(chǎng)景渲染技術(shù)來提高真實(shí)感，并引入過程動(dòng)畫，對(duì)應(yīng)用分析結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，在WebGIS流域“一張圖”中使其二三維可視化效果更加豐富，用戶體驗(yàn)感得到提升。

圖4 面雨量工具測(cè)量展示Fig.4 Area rainfall measurement display

3.3 多源數(shù)據(jù)融合

目前三峽水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中，流域水雨情系統(tǒng)包含了多種數(shù)據(jù)來源，包括自建的遙測(cè)站、氣象站還有共享站、報(bào)汛站等，相較于以前報(bào)汛數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)只能利用分頁面靜態(tài)展示的方式，目前基于WebGIS的流域“一張圖”通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方式，將報(bào)汛數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)格式規(guī)整為遙測(cè)數(shù)據(jù)格式，并加上數(shù)據(jù)標(biāo)簽，在以長江流域?yàn)榛A(chǔ)的“一張圖”上實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)融合展示以及各數(shù)據(jù)源單獨(dú)展示，從而實(shí)現(xiàn)了報(bào)汛、遙測(cè)、氣象的多源數(shù)據(jù)融合，如圖5所示，在雨情檢索模塊可選擇遙測(cè)站、報(bào)汛站、共享站、氣象站等不同類型的站點(diǎn)查詢水雨情數(shù)據(jù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)查詢的GIS畫面中還融合了氣象雷達(dá)降雨、降雨預(yù)報(bào)等產(chǎn)品。

圖5 新一代GIS多源數(shù)據(jù)融合展示Fig.5 New generation GIS multi-source data fusion display

另外，通過選擇站點(diǎn)的詳情信息展示選項(xiàng)可豐富地展示出各站點(diǎn)當(dāng)前的水位流量信息，與同期、多站點(diǎn)、相似年份等多數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)見圖6，并且能提供水情動(dòng)態(tài)演示，為水雨情數(shù)據(jù)的過程分析提供方便快捷的工具，為入庫流量預(yù)報(bào)、流量合成演算以及短期調(diào)度計(jì)劃方案提供可靠的數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐，從而在水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中通過“一張圖”實(shí)現(xiàn)數(shù)字智慧化運(yùn)用。

圖6 站點(diǎn)水雨情信息展示Fig.6 Site water and rain information display map

3.4 多業(yè)務(wù)協(xié)同展示

在梯級(jí)水庫調(diào)度的過程中，需通過水文氣象預(yù)報(bào)、水庫運(yùn)行、調(diào)度計(jì)劃預(yù)報(bào)等一系列應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)梯級(jí)調(diào)度，而舊版的水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中各業(yè)務(wù)模塊分離，無法協(xié)同開展。本文在流域WebGIS“一張圖”中，搭載了各類高級(jí)應(yīng)用功能，根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)展示主題和內(nèi)容，以水調(diào)業(yè)務(wù)的整理分類，通過選用不同的圖元控件、表達(dá)形式、使用布局、向?qū)Щ蚯袚Q等手段，形成1套完整的專題查詢組合。例如目前開發(fā)出的流域水雨情監(jiān)視專題、水庫運(yùn)行監(jiān)視專題、電站發(fā)電生產(chǎn)專題、預(yù)報(bào)調(diào)度計(jì)劃專題。最后利用接口技術(shù)即可將各類高級(jí)應(yīng)用聚合在WebGIS流域“一張圖”中，方便業(yè)務(wù)人員在“一張圖”中完成一系列的業(yè)務(wù)應(yīng)用操作，大大提高業(yè)務(wù)人員的工作效率，另外系統(tǒng)提供后臺(tái)接口，以供用戶進(jìn)行第二次應(yīng)用開發(fā)，從而滿足水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)智慧化管理需求。

4 結(jié) 語

本文介紹了基于WebGIS方式，將以地理信息、水雨情、報(bào)汛、氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的WebGIS“一張圖”應(yīng)用于新版水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)融合、二三維GIS一體化，并在“一張圖”中豐富了可視化應(yīng)用工具，搭載了各類的高級(jí)應(yīng)用功能，從而實(shí)現(xiàn)了水雨情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、分析、信息交互、可視化展示、氣象流量預(yù)報(bào)及調(diào)度制作等一系列功能，使水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)具有高效性、靈活性和兼容性。未來隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)、人工智能的GIS技術(shù)也將進(jìn)一步運(yùn)用于水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)中，為水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)智慧化提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。