基于GIS城市雨量實時監控系統的建設

張建廷 ，杜明義，尚利堃，鮑慶雪

(1.北京建筑工程學院“現代城市測繪”國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044;2.中國人民銀行沈陽分行，遼寧沈陽 110001)

1 引言

隨著城市化進程的發展，暴雨洪災對城市的壓力日趨嚴重，國內外大城市暴雨水災事件頻繁發生［1］。城市防汛體系建設是個復雜的系統工程，涉及城市防汛規劃、工程建設、防汛工程設施的日常管理維護及暴雨等條件下的城市防汛的應急響應、災后恢復重建及公眾參與等等各個方面。其中最基本、也是相當重要的工作就是對城市雨情的監測。加強城市雨情關鍵技術的研究，對于減輕城市洪澇災害損失和人員傷亡，保障經濟和社會的和諧發展有重要意義。本文以北京市西城區降雨量實時監控系統工程為例，闡述該系統的各項功能，并對關鍵技術做了詳細的介紹。

2 系統功能設計

北京市西城區降雨量實時監控系統是集成電子地圖、實時雨量監測、雨情預警分析等的數字城市防汛綜合應用平臺。如圖1所示，該平臺核心功能可分為5個主要部分，分別為:實時雨情監視、雨情信息查詢、降雨曲線繪制、城區積水模擬和系統管理與設置。

圖1 系統總體功能

(1)實時雨情監視

主要功能為:設置接收系統IP地址，端口號，存儲數據庫相關參數;自動保存數據接收日志;保存接收的信息并將信息存儲到數據庫中。

(2)雨情信息查詢

主要功能為:查看各個站點的實時雨量;按照街道或站點對雨量值進行查詢;按月對西城區各街道的降雨進行統計。

(3)降雨曲線繪制

主要功能為:根據各個站點的雨量值繪制等降雨線。用以分析城區內的降雨量分布。

(4)城區積水模擬

主要功能為:根據等降雨線對區域降水進行模擬分析。用以模擬出城區內最有可能被淹沒的地區，及早進行相關的防范措施。

(5)系統管理與設置

主要功能為:劃分不同的權限，對不同登陸人員賦予不同的權限。

3 系統關鍵技術

3.1 基于GPRS的雨量值傳輸系統

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱。GPRS網絡是在現有GSM網絡中增加GGSN和SGSN來實現的，使得用戶能在端到端分組方式下發送和接收數據。北京市西城區降雨量實時監控系統中雨量數據是由均勻布設在北京市西城區的34個雨量監測點通過GPRS實時傳送的。依據雨量監測器的工作原理和監測數據的傳輸機制［2］，在降雨時每5 min傳輸一次數據，晴天時處于休眠狀態。基于GPRS的雨量值傳輸系統的組成如圖2所示。

圖2 基于GPRS的雨量值傳輸系統

3.2 基于DEM的城市暴雨積水模型的建立

DEM是地形表面的一個數學(或數字)模型。對地形表面進行表達的各種處理稱為表面重建或表面建模，重建的表面通?？烧J為是DEM表面。因此，地形表面重建實際上就是DEM表面重建或DEM表面生成。當DEM表面重建后，模型上任一點的高程信息就可從DEM表面獲得［3］。由于本文研究的區域處于城市，在進行地表重建時應當充分考慮人工建筑對于DEM的影響，建立城市DEM的過程如圖3所示。

城市暴雨積水，即指降雨下落城市區域形成徑流后由于地勢低洼、排水不及時等原因造成的一定徑流深度地面積水［4］。近年來，由于城市化進程的加快，城市不透水區域面積大幅增多，導致地表徑流增大及地表匯流速度大幅加快，同時由于氣候變化，暴雨頻率增加，高強度暴雨對城市化地區產生的威脅和帶來的損失愈來愈大。本文以城市DEM和雨量數據為基礎建立城市暴雨積水模型如圖4所示。

圖3 建立城市DEM

圖4 城市暴雨積水模型

4 系統實現及實例應用

4.1 系統實現

北京市西城區降雨量實時監控系統采用B/S(瀏覽器/服務器)軟件系統結構，采用Flex框架以及Java編程語言，以SQL Server 2005作為后臺數據庫服務器并利用ArcGIS Server 9.3提供地圖服務，實現了數據從后臺傳輸到前臺頁面展現的整個流程。系統實現效果如圖5～圖8所示。

圖5 系統查詢界面

圖6 系統統計界面

圖7 實時雨情專題圖

圖8 降雨積水區模擬圖

4.2 實例應用

2012年7月21日北京城遭遇61年來最大暴雨，在此次降雨過程中，西城區實時雨量監控系統發布了及時準確的降雨監測信息，在市級氣象預報的基礎上，為西城區防汛應急工作積極開展提供了更加精準而有力的支持。7月21日14時～7月22日2時，西城區全區平均降雨228.5 mm，降雨量最大點出現在成方街站，雨量值331.5 mm，本系統共發布預警短信192條。以降雨量最大的成方街站為例，降雨過程集中在7月21日下午16點到21點，其降雨量隨時間變化具體如圖9所示。

5 結語

目前城市防汛監測和預警中數據現勢性差、準確性低，在城市實時雨量監測方面，大都還停留在單點監測，雨量監測點之間的距離相隔太遠，不能夠統籌分析;在預警方面也缺乏運用GIS對全局進行把握。本文結合GIS的優勢與GPRS無線傳輸技術，利用網絡地理信息系統新技術實現數據的豐富展示。以西城區實時雨量監控系統為背景，簡要闡述了系統的構建。該系統運用的相關技術先進可靠、運行效率高，系統穩定性強，符合用戶要求，滿足業務需要，較好地實現了城市降雨監測與預警。

圖9 成方街站降雨趨勢圖

［1］劉秋鋒，趙建，康慕誼.濟南市城市擴展與城市暴雨洪災［J］.災害學，2005，12(4):40～42.

［2］黃克磊，閆小珍，王媛等.GPRS自動雨量站狀態監控和數據應用系統［J］.氣象與環境科學，2008，5(2):73～76.

［3］劉仁義，劉南.基于GIS技術的淹沒區確定方法及虛擬現實表達［J］.浙江大學學報·理學版，2002，9(5):573～577.

［4］楊弋，吳升.城市暴雨積水模擬方法分析及研究［J］.測繪信息與工程，2009，34(1):35 ～37.