基于GIS的西藏水利工程信息管理系統(tǒng)研發(fā)*

陳翔宇 郭永剛

西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000

截至2018 年底，西藏已經(jīng)建成水庫約為112 座，總庫容達(dá)到約34 億立方米，且大型水庫就達(dá)到了七座。面對(duì)如此數(shù)量眾多的水利工程，西藏還在沿用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，方式落后，效率低下，甚至有些水庫處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，出現(xiàn)無人值守的情況。這種方式不僅不能滿足水利工程日常的運(yùn)行維護(hù)，而且不利于行政主管部門對(duì)西藏中小型水庫的管理。同時(shí)自治區(qū)負(fù)責(zé)信息管理的技術(shù)人員數(shù)量有限、對(duì)水利工程業(yè)務(wù)了解不足，尤其缺乏信息管理專業(yè)人員，這就使得安全檢測(cè)分析、預(yù)報(bào)調(diào)度方案工作開展變得困難，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)建成之后不能有效的發(fā)揮其作用［1］。目前，自治區(qū)水利工程的基本監(jiān)測(cè)設(shè)施布置還不夠完善，只有部分水利工程布設(shè)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)甚至連基本的監(jiān)測(cè)設(shè)施都沒有布置，這就造成了信息來源不透徹；自治區(qū)部分水庫雖然已經(jīng)建立信息化，但仍處于分專業(yè)，單機(jī)管理狀態(tài)，各水利工程分散建設(shè)，通用性、擴(kuò)展性差，缺乏多源信息的有效融合，這就造成了信息孤島，各分級(jí)部分批次單獨(dú)工作，互聯(lián)互通不廣泛；此外，大部分水利工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法及時(shí)處理分析，工程安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)工作也就無法及時(shí)開展，使得安全預(yù)警工作變得極為困難［2］。

針對(duì)西藏水利工程基本信息的管理、數(shù)據(jù)共享、查詢和統(tǒng)計(jì)分析的需求，本文基于C/S 架構(gòu)建立了西藏水利工程信息管理系統(tǒng)。利用GIS二次開發(fā)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將西藏水庫信息以圖層的形式顯示出來，并且在圖層上用點(diǎn)要素標(biāo)注水庫的具體位置；利用Chart將西藏水利建設(shè)概況以圖表的形式直觀的顯示出來；并且基于裝箱拆箱的思想，將西藏各水利部門分管的水利樞紐信息以集中和拆分的形式進(jìn)行信息管理，提升系統(tǒng)的綜合集成能力，分級(jí)水利部門又各自獨(dú)立，更加科學(xué)地為水利樞紐調(diào)度管理提供統(tǒng)一、高效、便捷的遠(yuǎn)程管理平臺(tái)［3］；最后，利用完備且強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)為水利工程災(zāi)后的損失做出精確評(píng)估和決策。

1 系統(tǒng)功能分析與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)主要有信息管理、圖層信息、信息統(tǒng)計(jì)、評(píng)估決策和用戶管理等功能［4］。其中信息管理功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫基本信息的增刪改查等功能，并且能夠?qū)⑺畮煨畔⒁訣xcel 的形式導(dǎo)出到本地存儲(chǔ)；圖層信息功能主要是利用ArcGIS Engine 在系統(tǒng)中對(duì)圖層進(jìn)行二次開發(fā)，能根據(jù)水利工程的經(jīng)緯度獲取其具體位置，并以圖層的形式存儲(chǔ)其基本水文信息；信息統(tǒng)計(jì)功能主要是將西藏自治區(qū)歷年水庫工程建設(shè)概況、投資建設(shè)概況以Chart 的形式展現(xiàn)給用戶；評(píng)估決策功能主要是根據(jù)數(shù)據(jù)庫大量的數(shù)據(jù)支撐，通過散點(diǎn)圖將其數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)各用戶，利用線性回歸等方法為水利工程進(jìn)行災(zāi)后損失評(píng)估，并對(duì)未來的建設(shè)與維護(hù)做出決策；系統(tǒng)管理功能主要是將用戶分為不同的等級(jí)，不同等級(jí)的用戶獲取不同的操作權(quán)限；具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 Net Framework 框架。Framework 框架主要使用C#進(jìn)行編寫，其包含的WinForm 可視化窗體設(shè)計(jì)器是用于桌面應(yīng)用開發(fā)的UI框架，使用Windows窗體可以開發(fā)制作出易于部署和更新的智能客戶端應(yīng)用，在脫機(jī)狀態(tài)下或者連接到Internet 網(wǎng)絡(luò)都可以使用［5］。其內(nèi)置的CLR 托管負(fù)責(zé)分配和釋放內(nèi)存并處理對(duì)象生成期，不像C++等其他語言開發(fā)的應(yīng)用程序任何人都可以自由訪問內(nèi)存，比傳統(tǒng)的MFC開發(fā)的應(yīng)用程序更加快捷和安全，這就保證了西藏水利部門人員在使用該系統(tǒng)的時(shí)候能夠有更加簡潔方便的操作界面，并且進(jìn)行信息共享的同時(shí)還能降低其數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 ArcGIS Engine 二次開發(fā)。ArcMap 是大家所常用的一款地圖制圖、圖編輯與分析的桌面應(yīng)用程序，但是如何將地圖編輯功能與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合起來一直是個(gè)問題，基于這個(gè)問題，ArcGIS Engine 于2004 年發(fā)布于美國ESRI，此開發(fā)包提供了一系列可以在Arc-GIS Desktop 框架外使用的組件，為實(shí)際工程中使用地圖數(shù)據(jù)編輯與處理提供了一種新的思路與方法。

此系統(tǒng)建立了基于C/S 的ArcGIS Engine 的二次開發(fā)平臺(tái)，將西藏自治區(qū)的矢量地圖數(shù)據(jù)，河流湖泊數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度信息，水利工程位置屬性信息等疊加發(fā)布，構(gòu)建了基于GIS 的西藏水利工程地理圖層［6］。使用戶能夠在系統(tǒng)中能夠獲取西藏自治區(qū)詳細(xì)的河流湖泊分布信息，以及通過點(diǎn)要素的形式直觀展現(xiàn)水利工程的位置，并且通過點(diǎn)擊某水利工程的點(diǎn)要素，可以獲取該水利工程的詳細(xì)工程信息，用戶可以根據(jù)自己的需求快速的在地理圖層中獲取所需信息。

1.2.3 利用決策樹算法評(píng)估與決策。系統(tǒng)使用了決策樹分類與回歸算法，分類算法主要對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此可以對(duì)水利工程受災(zāi)時(shí)進(jìn)行受災(zāi)程度的判斷，將水利工程受災(zāi)嚴(yán)重等級(jí)劃分為0、1、2，再根據(jù)樣本集訓(xùn)練得出模型，利用模型對(duì)嚴(yán)重程度進(jìn)行分類判斷［7］?；貧w算法主要是對(duì)連續(xù)型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此可以根據(jù)水利工程的設(shè)計(jì)造價(jià)以及附近淹沒耕地面積和人口損失等特征設(shè)計(jì)樣本集，訓(xùn)練樣本集得到回歸模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失的預(yù)測(cè)。用戶可以利用此功能對(duì)災(zāi)后的水利工程進(jìn)行快速的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估，并迅速的做出決策判斷。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體是由使用端、基礎(chǔ)應(yīng)用層、應(yīng)用支持層、數(shù)據(jù)資源層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)采集層幾部分構(gòu)成［8］，其各部分功能具體如下：（1）使用端：主要是利用PC端在線使用該水利樞紐信息管理與評(píng)估系統(tǒng)，并且將用戶分為水利廳、各市級(jí)水利部門、各縣級(jí)基層部門，每個(gè)權(quán)限等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的功能。（2）基礎(chǔ)應(yīng)用層：用戶可以使用系統(tǒng)平臺(tái)的一些基礎(chǔ)應(yīng)用功能，包括圖層管理、水利工程地理圖層、水利工程災(zāi)后損失評(píng)估與決策等。（3）應(yīng)用支持層：是為了在應(yīng)用層所使用的一些系統(tǒng)功能和相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)提供支持，如GIS平臺(tái)、日志管理、授權(quán)管理、Chart、機(jī)器學(xué)習(xí)等。（4）數(shù)據(jù)資源層：主要是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)庫，包括用戶管理數(shù)據(jù)庫、水利樞紐信息數(shù)據(jù)庫等。（5）基礎(chǔ)設(shè)施層：主要是系統(tǒng)所涉及的一些外部硬件設(shè)施，包括相關(guān)硬件設(shè)施以及存儲(chǔ)管理設(shè)備等。（6）數(shù)據(jù)采集層：是平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)的途徑，包括基本信息數(shù)據(jù)的錄入和修改，大壩信息數(shù)據(jù)，受災(zāi)具體情況數(shù)據(jù)等，總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

信息管理離不開數(shù)據(jù)的支撐，數(shù)據(jù)是系統(tǒng)正常運(yùn)作的必要前提，只有在完備的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)的功能才能得以實(shí)現(xiàn)，此次設(shè)計(jì)的西藏水利工程信息管理系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)為Mysql+Navicat將各數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化管理。水利工程信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循《基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》《水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》等管理規(guī)范［9］，根據(jù)西藏自治區(qū)水利數(shù)據(jù)采集傳輸、動(dòng)態(tài)顯示、共享交互，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、挖掘、分析的需求，完成元數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)庫的字段設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)，見圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

元數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能的關(guān)鍵，其包含了基礎(chǔ)應(yīng)用層、應(yīng)用支持層的重要數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心［10］；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫則包含了整個(gè)系統(tǒng)最全面的基礎(chǔ)信息，空間數(shù)據(jù)庫主要類型是點(diǎn)、線、面，包含了西藏自治區(qū)的市區(qū)邊界、河流信息、湖泊信息以及各水利工程地理位置信息，而共享數(shù)據(jù)庫是存儲(chǔ)了根據(jù)用戶身份信息來判斷是否開放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)將登錄用戶權(quán)限分為水利廳、主管部門和基層部門三個(gè)等級(jí)［11］。其不同等級(jí)的系統(tǒng)登陸界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

4.1.1 用戶登錄。用戶在選定自己身份后，需要輸入賬號(hào)，密碼和驗(yàn)證碼，所有輸入項(xiàng)與數(shù)據(jù)庫一致才能登錄成功，進(jìn)入系統(tǒng)管理界面。

4.1.2 用戶管理。水利廳賬號(hào)等級(jí)權(quán)限最高，可以查看和修改主管部門、基層部門的賬號(hào)信息，而主管部門和基層部門的用戶只能查看自己的賬號(hào)信息［12］。

4.1.3 退出系統(tǒng)。在完成各項(xiàng)管理和維護(hù)工作之后，用戶可以通過點(diǎn)擊退出系統(tǒng)按鈕安全退出系統(tǒng)，信息會(huì)直接保存在數(shù)據(jù)庫中不會(huì)丟失。

4.2 信息圖層功能

水利工程信息圖層功能效果如圖5所示。其主要是利用了ArcGIS Engine 的二次開發(fā)功能，首先在Arc-Map 中將自治區(qū)某市邊界、該市的河流湖泊等要素制作成地圖文件，在將水利工程位置以點(diǎn)要素的形式添加在地圖上，編輯點(diǎn)要素的屬性表，將水庫的基本信息存儲(chǔ)到屬性表中［13］。之后在系統(tǒng)中利用二次開發(fā)功能，讀取本地地圖文件，選中某點(diǎn)要素（某水利工程），使其高亮顯示，雙擊該點(diǎn)要素還可彈出新窗體顯示該點(diǎn)水庫的基本信息，并能根據(jù)獲取到的經(jīng)緯度利用高德地圖API(應(yīng)用程序接口)查詢到該水利工程的具體地理位置。

圖5 信息圖層功能展示

4.3 信息管理功能

4.3.1 水庫信息錄入。如圖6 所示，基層用戶可以使用該系統(tǒng)將自己負(fù)責(zé)的地區(qū)水利工程的各項(xiàng)基本信息輸入到界面中，并且點(diǎn)擊添加按鈕后在Mysql 數(shù)據(jù)庫中形成一條水利工程記錄［14］，具體效果如圖6所示。

圖6 水利工程信息錄入功能

4.3.2 水利工程信息管理。根據(jù)C#語言中的裝箱拆箱原理，先將自治區(qū)全部水利工程的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)自治區(qū)各級(jí)部門的權(quán)限分別設(shè)定了水利工程信息管理功能，原理圖如圖7 所示。根據(jù)用戶權(quán)限不同，水利工程信息可操作的功能也不同。水利廳用戶登錄可以查看全部水利工程信息，但是沒有修改權(quán)限，需要聯(lián)系基層部門進(jìn)行修改；主管部門用戶可以查看自己轄區(qū)內(nèi)的中小型水利工程（大型水庫由水利廳專門負(fù)責(zé)），同樣的修改權(quán)限也是需要聯(lián)系基層部門；基層部門用戶只能查看和修改自己縣區(qū)域所管水利工程。

4.3.3 水庫信息檢索［15］。為了方便基層用戶快速的對(duì)某一水利工程信息的快速檢索，用戶可以根據(jù)水利工程所在地區(qū)搜索某一區(qū)域內(nèi)的所有水利工程信息，或者根據(jù)某一水利工程的名稱來搜索該水利工程的基本信息，如圖8所示為搜索阿里地區(qū)的結(jié)果。

圖8 水利工程檢索功能

4.4 災(zāi)后評(píng)估與決策功能

水利工程災(zāi)后評(píng)估與決策模塊主要包含了水利工程受災(zāi)情況、水利工程災(zāi)后評(píng)估和水利工程災(zāi)后決策子模塊［16］。水利工程受災(zāi)情況子模塊能夠從數(shù)據(jù)庫或者本地文件中讀取數(shù)據(jù)，并以Chart的形式直觀的展示給用戶，使用戶能對(duì)水利工程歷年受災(zāi)情況有基本的了解；水利工程災(zāi)后評(píng)估子模塊則是使用了決策樹回歸算法，根據(jù)具體的某個(gè)水利工程造價(jià)數(shù)據(jù)，在發(fā)生自然災(zāi)害（如地震、滑坡、泥石流等）之后，結(jié)合災(zāi)后受影響的耕地面積、房屋損失、人口損失等因子形成數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件當(dāng)作樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，得到具體的訓(xùn)練模型，再根據(jù)模型來對(duì)新的數(shù)據(jù)集進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測(cè)；水利工程災(zāi)后決策子模塊是通過決策樹分類算法來分析此次災(zāi)害對(duì)大壩的損害程度是否嚴(yán)重。該模塊旨在實(shí)現(xiàn)水利工程在受災(zāi)之后的快速經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估，并且用戶能夠在災(zāi)后快速的做出決策，為實(shí)時(shí)、快速、全面掌握水利工程的受災(zāi)形式及采取有效的救災(zāi)措施提供科學(xué)依據(jù)，如圖9是決策樹分類的功能示例圖。

圖9 決策樹分類功能

5 結(jié)語

本文以現(xiàn)代信息技術(shù)和水利工程建設(shè)的深度結(jié)合為切入點(diǎn)，以西藏水庫水壩為設(shè)計(jì)實(shí)例，結(jié)合GIS二次開發(fā)等功能建立了西藏水利工程信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了西藏自治區(qū)全部水庫信息存儲(chǔ)的海量存儲(chǔ)與共享，為水利廳、各市級(jí)水利部門、各基層部門對(duì)各自分管的水庫提供基礎(chǔ)的信息服務(wù)功能。鑒于西藏水利資源豐富，水庫位置分布范圍較廣，信息搜集是一個(gè)艱巨的任務(wù)，因此建立一個(gè)健全的數(shù)據(jù)庫是非常必要的。加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)用戶的培訓(xùn)，使他們將系統(tǒng)應(yīng)用于日常管理任務(wù)中，提高他們的日常工作效率，提升水庫應(yīng)急管理與決策能力水平。