济南防洪实践与探索-济南防洪实践与探索

（一）系统开发的必要性及目标

如前所述，济南市年内洪水高度集中在汛期，汛期降水占全年降水的70%～80%。汛期中降水也高度集中，常集中在几场大暴雨中，暴雨强度大，一般历时较短。而且，济南是“南高北低一面坡”，南有广袤群山承接降水，北有黄河大堤阻隔洪水去路，排洪出路只有一条小清河，且由于小清河泄洪能力有限。因此，发生大暴雨后，南部山区的降水形成强大径流顺山势奔腾而下，涌入市区，城市北部由于洪水排泄不畅，常发生涝灾。

同时，济南市城区流域面积小（小清河黄台桥之上流域面积323km2），汇流历时短（预见期短），为了提前做好防洪准备，要求的预报精度相当高、难度相当大。因此，为了能够尽可能地减少济南市洪涝灾害损失，建立一个反应快速、预报准确、精度高、能够进行及时决策的防洪决策支持系统具有重要意义。

济南城区防汛决策支持系统的总体目标是综合运用地理信息系统、网络通信技术、计算机技术、数据库技术等，推动现代信息技术，特别是地理信息系统在济南城区防汛指挥、决策、调度和救灾中的应用。建立济南城区防汛基础数据库，准动态实时采集雨情、水情、工情、灾情信息，建成GIS支持下济南城区防汛减灾预警决策系统，实现科学的灾情预警、预报，为济南城区防洪决策提供技术支持和决策平台，最大限度地减少灾害损失。

（二）系统构架设计

1.设计与实施原则

（1）整体性。本系统由后台信息管理发布系统和前台信息查询发布系统组成，后台信息管理发布系统由8个子系统组成；前台信息查询发布系统由2个子系统组成。各个子系统间有其内在的联系，各系统的内部相互依赖，相互作用，且都是以基础地理数据库、准动态实时数据库为基础，因此系统设计将从用户的整体业务出发，全面规划和设计数据库，并在GIS基础上开发应用系统。

（2）可靠性。系统建成后将直接用于政府业务过程中。所以系统将力求做到功能的可靠性与准确性，查询与分析结果应最大限度地满足业务管理的需求。同时本系统所采用的GIS平台，开发软件平台、开发方法及相关计算机设备必须具有相当的成熟性。

（3）安全性。济南城区地理基础数据、雨水情数据、工情灾情数据本身保密性要求高，而本系统将涉及不同层次的用户，将来还可能向社会开放，为了避免用户的越权操作、用户误操作给系统的正常运行与数据的准确性带来不可预见的后果以及意外的非安全进入甚至是有意破坏，本系统应从规划设计时就应充分考虑电子数据的安全性及整个系统的安全。

（4）易操作性。本系统将直接为用于系统数据的录入、转换和维护等，工作量大，因此要求系统采用友好、直观和易操作的人机交互界面，为最终用户提供最大限度的操作便利性。

（5）可扩充性。济南城区防汛决策支持系统是一个不断完善的GIS系统，它要求在系统结构、系统功能、数据更新、软件平台升级等方面具有较大的灵活性，应具有功能扩充和产品升级换代的可能，以保护投资，提高综合性能价格比。

（6）开放性。为保证系统的正常运行，系统必须符合开放性原则，做到与硬件设备的无关性，并且地理数据库的定义及系统软件设计均应参照相应的国际、国内标准。

2.总体架构

系统总体架构见图11-8。

3.软件技术体系与平台架构

应用软件是采用C/S构架与B/S混合技术开发的，是由于这两种混合结构的特点和用户需求和开发功能所决定的。

B/S结构由于其无需客户端安装、升级、维护方便，是目前应用的方向和主流。但由于目前受网络带宽和现有B/S结构技术限制，某些应用功能还没有很好的实现，特别是一些数据的编辑、高级的分析功能等还存在不足。但C/S结构由于其成功的技术，功能实现完善，目前C/S的一些专题分析、专题利用，数据维护的应用适合采用C/S结构，而且这部分用户实际上也较少。因此采用B/S系统实现信息发布可视化查询的显示，而采用C/S作信息管理、编辑、生成分析报表等。

图11-8　系统总体架构图

从前面对系统总体目标的介绍及图11-9可以看出，本系统主要由两个层次组成：①基于网络的WEB系统，是浏览器/服务器（B/S）结构的；②运行于局域网内部的单机版的GIS系统，是客户机/服务器（C/S）模式的。这两种模式的子系统共用同一个济南城区防汛地理信息数据库。

图11-9　系统应用平台结构与计算模式

（三）子系统业务需求

1.系统整体组成框架

（1）后台信息管理发布系统包括以下几个子系统和接口：

1）空间信息管理子系统。

2）实时数据传输管理子系统。

3）防汛信息综合查询子系统。

4）防汛信息统计子系统。

5）城区洪水预报子系统。

6）洪水调度子系统。

7）风险分析及灾情评估。

8）系统管理。

（2）前台信息查询发布系统包括以下几个子系统和接口：

1）防汛WebGIS子系统。

2）信息发布与服务子系统。

（3）系统角色可划分为：

1）系统管理员。

2）空间数据管理员。

3）发布内容管理员。

4）审批领导。

2.后台信息管理发布系统

（1）空间信息管理子系统。

1）图形显示。提供地图图形显示、放大、缩小、拖动、鹰眼功能。

2）图层管理。系统管理员可以对图层进行物理层次上的加载、增加、减少、叠合、导出、导入、坐标与投影、比例设置、属性定义、显示方式定义等操作。

3）图形编辑。可对防汛雨情、水情、工情、灾情实时信息的点、线、面等图形信息可以增加、删除、移动，并对图形的节点进行增加、删除、移动，图形对象可以合并、分割处理，地图属性信息的修改编辑等。

4）地图制图。提供交互式地图制图功能，提供图例生成、指南针定义等。

5）空间查询。提供按空间图形点、矩形、圆形和多边形等条件，对一个或多个地图图层，在地图空间选择查询地图对象，并显示对象详细信息。

6）条件查询。提供对图层的字段多种组合条件进行查询一个或多个图层中的对象。

7）量算工具。提供地图距离、面积量算工具。

8）信息导入。可将多种数据库格式的原始信息导入到地理信息空间数据库中来。

（2）实时数据传输管理子系统。数据传输管理系统以多种传输方式实时传输数据，通过实时运行的软件，对雨情、水情、工情、灾情实时防汛信息进行收集、统计、整编等处理，然后将结果存储到防汛数据库中。

1）雨情采集。通过雨量站采集降雨数据，利用自动化监控网络传输到中央处理中心数据库。

2）水情采集。通过水文站、流量站采集水位、水系的流量数据，利用自动化监控网络传输到中央处理中心数据库。

3）工情、灾情采集。在市区立交道和低洼地区、主要排洪河道及兴济河、工商河、西泺河、东泺河、柳行河、全福河与小清河的交叉入口处，安装视频监控装置，随时监控这些立交道、低洼地区积水和河道水位上涨回落情况。利用自动化监控网络把视频信息传输到中央处理中心数据库。

（3）防汛信息综合查询子系统。根据济南城区防汛决策支持系统的功能要求，GIS空间数据库集成了雨情、水情、工情、灾情等四大类信息。

1）基础地理信息的双向查询。基础地理信息包括有行政区划、水系、道路、房屋、公园、绿地、地形，查询空间位置、长度、面积、编码、名称、等级、性质等方面的信息。查询方式可以从图形上选择地物来查询其属性信息，也可以根据属性信息构造表达式，查询对象的空间位置。

2）雨情信息的查询与分析。雨量站基础信息和雨情信息（包括给定时空范围内各站雨情和平均雨量信息、等雨量线图等）的查询。其表现形式为：①用不同颜色或闪烁等表现不同量级的雨情；②雨量值、雨量过程柱状图表现；③提供各类查询结果的表单显示和打印。其中，雨量量级要求分为：特大暴雨、大暴雨、暴雨、大雨、中雨、小雨；空间范围要求为：流域、预报区域、行政区域；指定起讫时间的范围要求精确到小时。

3）水情信息的查询与分析。包括汛情信息采集站（如雨量站、水位站、水文站等）信息查询、实时水情查询（如实时降雨量、实时流量和水位等）。

4）防汛水利工程信息查询。防汛水利工程运行状态信息。采用GIS与数据库技术相结合，同样可以实现由图形到属性和由属性到图形的双向查询，并可做到险工险段地图示警。

（4）防汛信息统计子系统。系统提供雨情统计、水情统计、工情统计、灾情统计以及统计图标等功能。

1）雨情统计。按流域、预报区域、行政区划或指定的任意区域等方式统计时段雨量、日雨量、旬月雨量等。并给出区域平均降雨量、最大降水量、最小降水量等，降雨过程的最大降雨量、最小降水量对应的站号、站名、发生时间等。设定降雨统计限值，统计时段雨量、日雨量、旬月雨量等大于、等于、大于等于或小于等于该限值的雨量站空间分布情况。

对各雨量站起讫日期内8h日雨量累计值统计，统计内容包括：

（a）各站起讫日期内累计日雨量。

（b）最大日雨量、最大日雨量发生日期，最大累计日雨量、最大累计日雨量发生地区及站名。

（c）发生降雨的站数。

（d）发生特大暴雨的站数，发生特大暴雨的站次。(www.xing528.com)

（e）发生大暴雨的站数，发生大暴雨的站次。

（f）发生暴雨的站数，发生暴雨的站次。

（g）发生大雨的站数，发生大雨的站次。

2）水情统计。按流域、预报区域、行政区划或指定的任意区域等方式统计该范围内河道站点指定时间的实时水情、水位超警戒站点及数量等。

指定站点在某一时间范围内水位流量过程的最高水位、最低水位、平均水位以及最大流量、最低流量、平均流量等特征信息。

统计各种不同时间的最大洪量，如最大1日洪量、最大3日洪量、最大5日洪量等。

3）工情统计。按流域、预报区域、行政区划或指定的任意区域等方式对工程相关信息的统计。

4）统计图表：①汛情简报；②雨情和水情简报；③超警戒水位站点表；④站点水位流量过程线及历史对比图；⑤气象信息；⑥社会经济信息；⑦灾情信息；⑧工情信息等图表。

（5）城区洪水预报子系统。根据实时水情信息和降雨预报过程，完成济南市城区洪水预报。

预报城区未来0.5h、1h、2h洪水淹没区域、淹没深度。根据预报结果统计分析受灾人口、房屋、道路的数量。

（6）系统管理。

1）数据字典管理。管理数据库表格和地图属性信息，管理表格字段信息，修改字段别名。管理定义分类编码信息。

2）用户管理。定义用户角色、功能权限、定义管理用户信息。

根据用户类型对用户分级，不同级别的用户享有不同的系统使用权限和数据操作权限。系统通过用户账户信息对不同级别的用户进行管理。账户信息包括用户名、密码。根据用户身份确定用户的使用权限、权限分级。系统对账户信息进行维护、更新、增删、使用权限级别的变更等，还可以对用户的操作进行审计等。

3.前台信息查询发布系统

（1）防汛WebGIS子系统：

1）地图显示。

2）常用查询工具。

3）图形缩放。

4）动态注记。

5）遥感影像浏览。

6）属性数据统计。

7）通过图形查询数据。

8）通过属性数据查询图形。

基于WebGIS的实时水（雨）情显示：获取研究范围内各水文站的实时水雨情信息，并在地图上直观显示实时的水位、雨量分布，进行相关查询和统计，能在一定的时间内自动更新，为决策支持提供分析的依据。

（2）信息发布与服务子系统。信息动态生成及其发布：主要内容包括防汛动态信息、汛情通报、天气信息、实时水雨情信息发布、工情信息发布、灾情信息发布。

视频点播（VOD）系统：视频点播（VOD）模块，随时查阅存储于市防汛指挥部专用服务器上的视频、音频资料。

综合信息维护与管理系统：包括对防汛新闻、水情通报、汛情通告、防汛指挥、工情、灾情等信息的录入、编辑、删除等功能模块。

（四）系统平台需求

1.系统运行体系架构

（1）体系结构图。系统采用C/S与B/S结合的体系构架，应用界面采用浏览器和瘦客户端，用ArcObjects开发C/S结构客户端应用，用ARCIMS开发网络客户端程序，服务器端用SQL Server管理空间和关系数据及其他非结构化数据，采用ARCIMS实现互联网地图信息分发和服务，如图11-10所示。

（2）体系结构说明。

1）客户/服务器结构（C/S）：应用在局域网内部，提供复杂应用、专题分析、数据维护。

图11-10　系统运行体系结构图

2）浏览器/服务器结构（B/S）：应用在各浏览查询客户机端。

3）浏览器/服务器结构（B/S）：应用在内部浏览查询、专题分析、数据维护客户机端。

从目前主流的GIS技术来看，系统的GIS平台需采用C/S（客户/服务器）和B/S（浏览器/服务器）结合的体系构架。服务器端采用J2EE技术开发用于网络通讯的Web服务器，用ARCIMS开发处理逻辑业务的应用服务器，用业界通用的关系数据库（RDBS）和空间数据库引擎统一管理系统的空间数据及相关的属性数据。对于基于C/S结构的局域网内部版，拟采用ESRI公司的ArcInfo和空间数据引擎ARCSDE9.2进行开发。充分保证系统的安全性，可靠性，可扩充性。应用界面采用浏览器和瘦客户机，用ARCIMS开发网络客户端程序，用ArcInfo开发C/S结构客户端应用。

2.系统硬件及网络架构

济南市防汛指挥中心可以采用DDN专线等设备把Web服务器和数据服务器接入互联网，并且需要配置有防火墙和防病毒设备和软件等安全措施（或者采用服务器托管，本地实现备份和远程管理）。为适应WebGIS的需求，Web服务器和数据服务器性能需要提高，另外需要支持应用服务、地图Web服务、空间数据库引擎等服务。另外系统在安全方面还要加强，需提供数据备份恢复系统，在系统网络安全方面还要建立访问审计系统。

未来Web客户端的一般公众可以使用IE浏览器查询相关济南市防汛指挥中心信息，对地图进行操作；如有关防汛信息中心管理部门通过其使用权限可以使用IE浏览器发布数据，浏览相关数据，进行统计分析等。济南市防汛指挥中心内部通过局域网系统可以连接数据库服务器（空间与属性数据）、GIS Web服务器等，供数据维护人员、调度人员、决策领导进行管网的数据维护、调度、管理、数据统计分析等所用。系统将采用传统的C/S结构与B/S结构共存的构架。

3.软件选型

（1）系统和应用选型标准。软件选型须符合以下标准：

1）开放性好，符合国际潮流。

2）数据标准化、社会化程度高。

3）功能强，满足和超过当前需求指标。

4）易维护，具备用户自我维护能力。

5）有较强的技术贮备，具有再开发和扩展能力。

6）世界著名产品，用户投资风险小。

（2）操作系统选型。操作系统应能够在基于网络应用服务器模式下和局域网内部运行，且与GIS平台相配套，并且考虑系统维护方便，故选择Windows 2003 Server为操作系统平台。

（3）应用服务器选型。根据以上选型标准，推荐采用自由软件TOMCAT，在互连网世界广泛使用的J2EE应用服务器，它能够使IT部门降低应用基础架构的复杂程度和成本，从而将IT资产转化成一种重要的业务优势。

TOMCAT优点：

1）平台的独立性、可移植性强。

2）对需要登录的用户加强安全性管理，增强了网络安全性。

（4）GIS应用服务和开发平台选型。GIS平台的选择必须遵从先进性、开放性、可扩展性，能够支持多种模式的应用体系。根据GIS工具软件选型标准，经过比较，选择世界著名GIS软件公司，美国环境系统研究所（ESRI）开发的ARCIMS9.2、ARCSDE9.2和RACENGINE9.2作为架构系统的平台。ESRI系列产品构架GIS平台解决方案，如图11-11所示。

图11-11　ESRI系列产品构架GIS平台解决方案图

GIS服务器方运行一套SDE、一套ArcEngine、一套ArcIMS，C/S结构客户方使用基于ArcEngine开发的防汛决策支持系统应用程序，B/S结构客户通过浏览器使用。SDE负责管理空间数据，后台客户端程序负责高级的地理分析功能，完成地图、专题图和分析结果的显示。ArcIMS负责提供基于Web的地图、专题图和后台客户端分析结果的显示等基于B/S的地理信息服务。

（5）数据库软件选型。根据济南城区防汛决策支持系统项目需求，选用占世界市场前几位的SQL Server数据库，它具有如下优点：

1）世界和中国的用户数较多。

2）具有多线程的体系结构。

3）具有分布式多服务运行机制。

4）开发工具完备。

5）安全级别达到C2级。

6）在国内系统中用户较多，便于技术交流。

7）在SQL Server数据库上配置ArcSDE软件，将SQL Server数据库扩展成具有空间数据存储和管理能力的数据库。