一種水雨情實時監測系統與設計

陳 翠，胡春杰，，阮 聰，牛智星

(1.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012)

隨著社會經濟的不斷發展以及人類生產活動的增強，洪澇災害在以更快的速度增長，給人民群眾生命財產帶來巨大損失[1-2]。隨著數字化、智能化的日益發展，應用計算機技術自動化、智能化監測各種水雨情信息勢在必行[3- 4]。在新的歷史條件下，開發一套水雨情實時監測系統，對城市與山區的中小河流進行實時監測，成為當前水情信息化建設的關鍵。鑒于全國各個水文監測站分布較廣；因此，采用Web系統可以解決水文測站空間分布分散的問題，提高相關水文數據的更新速度，為防洪有關部門提供及時的數據分析。借助ArcGIS Server平臺，該系統不僅實現地圖瀏覽和空間分析功能，而且還具有在線編輯和放大的分析能力，在一定程度上提高了監測水雨情的工作效率，具有良好的經濟效益。

ArcGIS Server是用于開發基于網絡的企業級服務器端程序的組件集，將地理信息系統技術和網絡技術結合在一起，綜合發揮GIS的空間查詢與定位以及網絡的全球互聯，信息共享特點。它為創建和管理基于服務器的GIS應用提供了一個高效平臺，實現地理信息數據管理與處理、制圖、空間分析、編輯和其他的GIS功能[5]。ArcGIS Server作為服務器端產品，不僅提供傳統桌面端GIS通用功能外，而且具有高級GIS分析、在線編輯空間要素、動態管理空間數據等功能。

1 系統總體設計

水雨情實時監測系統原理是在遙測站點的遙測終端通過各種相關水文傳感器獲取水雨情信息，再經由無線網絡傳輸給遙測系統中心站，中心站服務器實時接收、存儲和處理水雨情信息，進而作出洪水預報和防洪調度方案[6]。本系統采用集成技術進行總體架構設計。三層架構體系結構層層支撐(見圖1)，實現系統的可靠健壯運行與一體化管理。由于系統的數據類型多，數據量較大，數據計算、處理、應用和通信邏輯復雜，對系統的集成性、實時性、可靠性、安全性等方面都有較高的要求，這就要求系統具有很高的集成性和靈活性。

圖1 系統結構示意

1.1 數據采集層

在山區和城市局部中小河流區域安置流速儀、視頻采集器、雨量計等傳感器以及水尺來獲取相關水雨情數據信息；而ARM微處理器采用型號為S3C6410，其內核的低功耗、性價比較高，擁有強大的內部資源及視頻處理能力，能夠及時處理各種傳感器采集的水雨情數據并實時傳送到中心站。

(1)非接觸式雷達流速儀。采用非接觸式雷達流速儀，可以在線連續取得實測流速數據，是流速實時監測的一種新興手段(見圖2)。其主要原理利用多普勒雷達測速，對水流的表面流速進行探測，微波雷達不受溫度梯度、壓力、空氣密度、風或其他氣象環境條件的影響，可全天候全天時穩定工作。

圖2 非接觸式雷達流速儀安裝示意

(2)H-ADCP。固定ADCP利用聲學多普勒原理測量流速。通常安裝在河流或渠道的岸邊、水底，發射波束涵蓋部分或整個寬度的水體，實時測量一個水層的流速分布(見圖3)。由控制器或電腦接收固定ADCP提供的流速數據及水位數據采用“指標流速法”或“流速一面積法”實時計算監測河流斷面或渠道的流量。

圖3 H-ADCP安裝與工作示意

(3)雨量測量計。采用翻斗式遙測雨量計。其工作原理是降水由環口控制面積，集水器回攏，通過進水漏斗進入翻斗，當計量達到一定水量時，就會導致翻斗翻轉，磁吸合干簧管，產生一個通斷信號，供遙測或記錄儀器使用。

1.2 網絡傳輸層

20世紀末，超短波和衛星基站是主要的通訊方式，主要其組網靈活、維修方便且不易受到壞境影響，因此在水中被廣泛應用。隨著時代的發展，高可靠、高穩定GPRS/GSM的通訊方式逐漸取代了超短波等通信方式。但是，我國局部地區架設光纖存在著造價高、工期長、維護困難等問題；因此水文數據只能通過無線網絡進行數據通信[9-10]。如果通信帶寬不夠的話，可以采用多路復用技術，實現遠程大數量信息的傳輸。

1.3 應用層

根據上述設計思路，采用HTML、CSS、javascript在網頁開發方面的優勢[11-12]，以SQL Server為后臺數據庫管理系統，語言采用三層架構體系和組件技術，研發了一套水雨情實時監測系統，實現了水雨情信息資源多部門共享，為用戶提供了地圖快速瀏覽、實時水雨情數據查詢、站點工情信息查詢等功能，提高系統的友好性與實用性，為科學分析、決策指揮提供準確的數據依據并達到快速響應的目的。

2 系統功能設計

為了充分發揮水雨情信息數據的重要價值和水雨情監測需求以及汛期防洪搶險的要求，具體實現功能如下：

(1)信息查詢。首先選擇指定條件，通過遙測站空間信息以及與屬性數據庫的關聯，獲得測站基本信息和實時水情、雨情等數據，集中顯示各測站點的最新水位、當前降雨量、累計降雨量、電池電壓等，實時展現水位、降雨量動態曲線。如圖4顯示，黔南水雨情監測系統，點擊河道查詢，輸入時間、選擇多站，再點擊查詢，出現各測站河道水情信息查詢結果。

圖4 信息查詢界面

(2)數據分析。對查詢結果直接進行實時分析(等值線繪制、等值面等，圖略)。

(3)實時報警。實時監控水情信息庫，在地圖中標示各測站水位、流量等信息，如水位或流量超出允許范圍，采取報警等措施。

(4)數據報表生成。通過圖層屬性查詢屬性數據庫獲得原始資料經過變換加工，生成滿足需要的統計報表(見圖5～7)。

圖5 查詢各個站點降雨量

圖6 水位數據的報表

圖7 過程線

(5)圖形繪制、瀏覽。地圖放大、縮放及對圖層屬性的添加、刪除、修改等基本操作，流域圖可以放大縮小，放大后相應會在站點附近顯示站點水雨情信息如圖8、9所示。

圖8 放大前流域示意

圖9 放大后流域示意

(6)實現圖像的定時獲取與實時獲取，圖像的定時獲取功能主要包括日期的選擇、圖像的查詢、圖像的顯示、圖像的自動播放等功能；圖像的實時獲取功能主要實現了獲取當前時間的實時圖像。

3 結 語

水雨情實時監測系統可通過利用水雨情信息數據庫和空間數據的有機結合，借ArcGIS Server平臺，WEB集成展示了實時在線水尺圖片、水位、雨量等數據信息以及地理位置空間信息。本文以黔南水文局為例，反映了云南黔南各水文站的水情、雨量數據信息，為防汛防災、工程管理等不同層提供重要的信息技術支持。本系統的設計充分考慮了用戶對數據查詢、數據分析的需求以及空間位置需求，提出了基于ArcGIS的水雨情實時監測的框架乃至設計模式，為水雨情防汛監測提供了充分的數據資料和成熟的數據管理模式以及實用模式，系統軟件具備通用功能，可為防汛防災工作提供及時、準確的技術支持和信息服務。