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浅谈水务防汛地理信息服务关键技术

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摘要:根据城区水务防汛工作需求,以地理信息服务为主线,研究了防汛监测信息统一存储、图文一体化动态管理、可视化分析和预报预警等地理信息服务关键技术。以太原市迎泽区为例,构建了基于GIS的水务防汛地理信息平台,拓展了测绘地理信息的应用服务领域,提升了城区防汛信息化和精细化水平,满足了水务部门防汛办公和应急指挥决策的要求。

关键词:防汛;地理信息服务;图文一体化;可视化;实时监测

由于社会经济地位和社会影响的特殊性,城区具有不透水面积大、产流量大等特点,因此防汛工作尤其突出[1]。城区内河道、水库、缓洪池在雨季存在溢流风险,低洼地区和立交桥易出现积水现象,对居民的工作、生活甚至生命财产构成重大威胁。以采用GIS等信息化技术加强防汛应急指挥的科学性,提高信息采集、传输、处理和防汛调度决策的时效性和准确性为主要目的的非工程措施逐渐成为重要的减灾手段[2]。目前,湖北省、陕西省、广州市[3-7]等部分省市已建设了防汛指挥系统,但区(县)级基于地理信息服务的水务防汛系统较少,没有实现对水务防汛工作的直观、精细化管理。基础地理信息在各行业的应用正在不断普及与深入,广大用户对信息服务的方式、手段,特别是服务的高效、便捷和实时性等方面提出了更高的要求[8]。本文以1∶1万地理国情普查数据为基础,录入水务专题数据;根据水务部门防汛和应急指挥决策的需求,研究了河道、水库、缓洪池、低洼易积水路段等防汛监测信息统一存储,图文一体化动态管理,可视化分析和预报预警等地理信息服务的关键技术;并采用多用户浏览、集中管理维护的设计模式,实现了综合查询、分析、实时展示以及预报预警等功能,改变了传统地理信息的应用方式,为用户提供了实时在线的地理信息服务。

1总体设计

本文根据SOA架构的特点,采用B/S结构,利用ArcGISServer平台发布相应数据服务和功能服务,构建了基于WebGIS的水务防汛地理信息平台。水务防汛地理信息平台采用多层体系结构,由用户层、应用层、服务层、数据层和基础设施层组成,有利于平台的扩展和重用。总体结构框架如图1所示。基础设施层为平台依赖的软硬件环境,包括计算机硬件、软件、网络通信、信息采集设施等。计算机硬件设施为数据收集、应用开发、系统运行提供了支撑,包括服务器、存储设备、输入输出设备等;软件设施包括操作系统、数据库、GIS平台和实时监控平台等;信息采集设施包括水雨情监测信息采集和视频监测信息采集设备等。数据层主要负责对平台所需的水务信息数据、实时监测信息数据、系统信息数据等进行统一存储管理,为平台提供数据支撑。服务层主要通过数据访问层查询数据,包括地图数据服务、信息查询服务、统计分析服务以及监测分析服务等,为平台应用层提供服务。应用层为平台建设的主要部分之一,包括运维管理、水务信息管理和防汛应急监测指挥3个子系统。结合具体模块需求,调用平台服务层实现相应功能。用户层提供了统一服务的窗口,主要包括系统管理员和普通用户两种类型,并为不同用户分配不同的访问权限。

2关键技术研究

本文根据水务部门防汛和应急指挥决策的需求,研究了河道、水库、缓洪池、低洼易积水路段等防汛监测信息统一存储、图文一体化动态管理、可视化分析和预报预警等地理信息服务关键技术。

2.1防汛监测信息统一存储

对水务部门进行调研分析发现,水务防汛地理信息服务平台的数据具有来源多样、形式复杂、格式不一等特点[9]。为了更好地管理和应用数据资源,本文对不同标准、格式的空间、属性数据进行统一存储管理,以实现城区水务信息资源的有效整合与共享。数据库包括水务专题数据库、实时监测数据库和系统信息数据库,如图2所示。空间数据格式统一采用OpenGIS通用数据转换标准,以实现对ArcGIS、MapInfo、MapGIS等GIS平台系列产品空间异构多源地理数据的转换。先通过通用数据转换标准将矢量、栅格以及其他格式的数据统一转换为平台使用的格式,再导入空间数据库。数据整合流程如图3所示。为了保障平台数据的安全,数据库用户采用“最小权限”原则,仅被授予完成工作所必需的权限,通过设置系统权限、访问权限和角色实现。对于已发布的服务安全,一方面服务与ArcGISServer的通信采用https协议;另一方面服务访问采用基于token的安全机制。根据用户的设备条件、存储空间和业务需求,定制高效、安全的数据库日常备份策略。

2.2图文一体化动态管理

GIS图文一体化是指通过一定的技术手段实现图形数据与结构化数据的无缝集成,并在数据整合的基础上,进行信息提取与挖掘,实现图文互查、显示和输出[10]。平台以地图为基础,辅以表格、文字、图形、多媒体信息进行整合、管理,实现了高效的图文互访和动态管理。数据库设计遵循《地理国情普查内容与指标》[11]《基础地理信息要素分类与代码》[12]《基础水文数据库表结构及标识符标准》[13]和《实时雨水情数据库表结构与标识符》[14]等相关标准规范,在保证满足整合系统需要的基础上,最大限度地为平台后续业务的应用开发提供标准化的数据接口。基于.NET和ArcGISServer平台,以对象—关系数据库为空间数据载体,将地理空间数据和属性数据混合放置于后台数据库中统一管理,辅以特殊结构的空间信息数据文件,为各种数据提供统一的访问接口;以城区街道为索引将空间信息与属性、多媒体等信息联合起来、共同管理和维护;并充分利用数据库管理所具有的安全、快速、支持多用户并发操作、事务管理等特点,使用户可在地图上直接操作空间数据和非空间数据,实现图文互查,如图4所示。

2.3可视化分析

首先对水务专题数据进行分类、统计汇总和分析,再利用空间信息可视化技术[15]将基于空间分布或时态变化的可见或不可见的对象属性信息以符号系统和各种多维可视化模型的形式表现出来,方便用户获取信息并掌握规律,辅助应急决策与指挥。通过查阅山西省地图集、山西省县域经济地图集等图集,仔细分析其制图原理,总结制图经验,遵循最优原则,建立符号体系。平台具有丰富完整的内容、合理的结构模式、科学的编码、符合标准的参数设置,并参照国家、部标准制作,赋予编码。平台采用矢量模式、影像模式和地形模式3种视图方式对研究区的基础地理信息空间数据、水务专题空间数据和水务信息管理数据进行显示,以满足不同的应用需求。平台能无级缩放,自动控制图层在不同显示比例下的分级显示;能向用户提供色彩协调、符号形象、图面美观的地图显示;能设定不同显示比例的要素显示符号,包括要素和注记的样式、规格、颜色等。表示方式包括图表、条形图、折线图、动态图等,可进行同一专题不同要素的横向比较和不同时期的纵向比较,并支持打印输出。

2.4预报预警

实时预报预警主要是结合硬件系统,基于GIS图形可视化界面直接向用户提供实时监测和险情报警服务,以自动、直观、醒目的方式向用户展示单个监测点或特定区域的实时监测情况。实时监测数据主要包括实时视频信息和水位信息。根据多源异构数据的接入需求以及不同数据源的特点,开发数据访问API,将不同数据访问读取功能以标准、规范的方式封装成对应的服务组件,采用服务的方式获取访问数据和调用相关数据成果。针对水雨情监测存在漏报漏测和错数据的情况,采用基于拉格朗日多项式插值算法的容错机制,确保实时数据的准确性和完整性。在保证数据实时性和准确性的前提下,提供可视化的图形操作界面,能查询不同时段同一站点或同一时段不同站点的水位数据,以表格或图形化的方式展示水位数据,为防汛提供决策依据。

3系统实现

以太原市迎泽区为研究对象,首先在部分易积水道路、水库、河流、排洪渠、危漏旧房等区域安装水位计和摄像机,获取了相应监测区域的实时数据和图像、视频等信息;然后基于物联网、地理信息服务和互联网等技术开发了水务防汛地理信息平台,如图5所示。根据城区水务防汛部门的实际业务需求,结合项目关键技术的研究成果,水务防汛地理信息平台功能分为运维管理、水务信息管理和防汛监测指挥三大模块,如图6所示。户、房、地、事件、物、组织、单位、服务管理”数据以及各动态资源产生的报警数据,为各级用户提供了资源图层、地图工具、资源标注、视频调用、综合查询等功能,辅助用户决策。图3展示了各类视频资源点位在“综治一张图”上集成、可视化展示、实时监控、视频回放的效果。图4为综治房屋数据信息查询实例。

4结语

本文将空间信息技术、空间网格化管理技术等应用于社会创新管理业务,设计并实现了“综治一张图”网格化管理系统。该系统为管理者提供了一个可视化的综合分析决策平台,对增强社会稳定性、提升社会综合治理能力具有积极意义[7]。

参考文献

[1]中央社会治安综合治理委员会办公室.社会管理创新规划选集[M].北京:中国长安出版社,2013:33

[2]魏钦恭,冯仕政.建立网络综合治理体系提升社会综合治理能力[N].中国社会科学报,2017-12-15(4)

[3]王永峰,李严锋,云程浩,等.基于SOA架构的云南省物流信息平台设计[J].物流工程与管理,2014(7):143-146

[4]孔凡敏,苏科华,朱欣焰.城市网格化管理系统框架研究[J].地理空间信息,2008,6(4):28-31

[5]张黎娜.基于ArcSDE的空间数据库性能优化技术研究[D].合肥:安徽大学,2014

[6]刘天宇.地理编码技术在数字鹰潭地理信息公共平台中的应用[D].南昌:东华理工大学,2018

[7]候继虎,黄拥华,邵振峰,等.城市网格化社会服务管理系统设计与实现[J].地理空间信息,2015,13(1):22-25

作者:吴利青 单位:山西省地图院

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