WebGIS“一張圖”技術在水庫調度自動化系統中的應用

歐思程，劉 帥，洪福鑫

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

長江流域總面積180萬km2，三峽以上控制流域面積100萬km2，按照控制重點暴雨區，掌握下游控制站點的原則，三峽梯級水庫調度自動化系統(以下簡稱“三峽梯級水調自動化系統”)隨著長江流域梯級水庫的滾動開發、高速發展、持續更迭，其水情遙測子系統已建成為國內水電企業覆蓋面積最廣、規模最大的水情遙測系統，系統測控范圍從5.6萬km2發展到58萬km2，測站數量從65個發展到650余個。此外，通過多種合作方式實現了流域氣象數據、報汛數據的融合接入。目前三峽梯級水調自動化主要用來實現遙測水雨情、流域報汛水雨情信息采集、處理、查詢，梯級樞紐水庫調度及水文預報等，為三峽集團六座梯級水庫的聯合優化調度提供基礎數據支撐。

地理信息系統(GIS)是對整個或部分地球表層空間中有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統，為用戶的活動提供信息支持與服務[1-2]。GIS技術已廣泛運用于水調、水雨情監測等領域[3-5]，但是目前多數系統應用于水調自動化系統僅支持信息查詢與監視，功能較為單一，未能充分融合GIS技術[6-8]，隨著GIS理論體系的不斷更新完善以及互聯網技術的不斷融合，基于WebGIS“一張圖”的理念已廣泛運用于水調自動化系統[9-10]。將一個流域內的水情、氣象等各種信息，基于WebGIS平臺進行整合，將不同的信息或者應用按照不同的圖層管理，在一張地圖上疊加，為用戶提供盡可能全面的信息。

在新版三峽梯級水調自動化系統升級和改造過程中，針對其在數據資源來源廣、分散，業務協同困難等方面的問題，本文介紹了基于WebGIS技術，采用以地理信息、水雨情、報汛、氣象等數據為基礎的“一張圖”全聚合展示模式，同時搭載各類專題應用，應用于水調自動化系統中，使其能完成對各類信息的快速定位查詢，完成對流域水雨情的統計分析和動態展示，實現GIS地圖中遙測、報汛、氣象數據的融合展示，提供氣象預報、流量預報以及調度計劃分析等專題應用功能，從而實現對電站生產運行全過程的監控，可為流域梯級水庫的智慧決策、優化調度提供強有力的技術支撐。

1 存在問題

目前，雖然GIS技術已廣泛運用于水調、水雨情監測，但大多數的應用僅限于信息的查詢，如圖1所示，只能對不同來源的數據分頁面進行二維靜態展示，無法提供對于水雨情數據及報汛數據的融合分析，未能與水調自動化系統進行充分的融合。在舊版的水調自動化系統中主要集中有以下幾方面的問題：① 在GIS可視化方面二三維不能一體化融合，可視化應用工具也不夠豐富；② 由于系統數據來源較為分散，導致展示形式分散單一，未能充分融合，無法提供各類水雨情、氣象數據的融合分析，用戶的體驗感較差，操作性不強；③ 在各類高級應用功能方面不能自適用調整，無法協同開展，降低了用戶的各類預報制作及調度計劃制作的效率。

圖1 傳統GIS系統展示界面Fig.1 Traditional GIS system display interface

2 WebGIS“一張圖”系統架構與實現

2.1 系統架構

由于需要展示的數據涉及多種數據源，且邏輯結構復雜，為使平臺的結構更加清晰、使用更加便捷，新版水調自動化系統采用B/S結構來構建GIS功能，根據分層設計原則，將平臺設計為表現層、業務邏輯層和數據層的3層體系結構，總體框架如圖2所示。

圖2 WebGIS應用整體架構Fig.2 Overall architecture of WebGIS application

2.2 分層設計

(1) 表現層。表現層即系統的人機交互界面，可通過Web瀏覽器進行訪問。系統使用HTML5和CSS3構建UI界面，使用JavaScript與WebGL響應用戶操作、解析數據和構建二三維場景等。平臺界面能夠實現與用戶多種方式的交互、接收用戶請求以及對請求作出響應。表現層設計和開發將基于HTML5和CSS3，在主流瀏覽器中運行，實現GIS二三維場景構建和應用程序界面，確保用戶不需要安裝任何第三方插件。客戶端與服務器通信基于純粹的AJAX調用，確保客戶端有良好的適應性。

(2) 業務層。業務是整個系統的核心。它按照業務邏輯，對用戶的請求進行處理，同時調用后臺接口，與服務器中的數據進行交互。并根據各個功能模塊所需要的數據表現形式及復雜的邏輯關系，對返回結果作進一步處理，最終在表現層得到響應。同時，該層還將系統的核心功能封裝為 JavaScript API，便于二次開發。系統中使用的Web服務器優先選擇開源GIS服務器，同時它還作為后臺地圖服務器。設計采用多服務器程序部署方案，其中地圖服務器基于開源軟件產品GeoServer，應用服務器和瓦片數據服務器為自主開發，確保多用戶并發的穩定性和性能。

(3) 數據層。數據層能夠對數據進行存儲并響應平臺對數據的訪問請求，負責空間數據的存儲與管理，主要包括檢索、新增、更新、刪除等操作，是整個平臺的基礎。該層含有二三維模型數據，基礎地理空間數據，長江流域水雨情、報汛、氣象等專題統計數據以及影像數據等。

3 WebGIS“一張圖”在水調自動化系統中的應用

本系統基于WebGIS的方式，采用以地理信息、水雨情、報汛、氣象等數據為基礎的“一張圖”的理念，并通過接口調用搭載了各類核心業務高級應用功能，將其應用于三峽水調自動化系統中，支持各類基礎信息展示、查詢、計算、分析以及氣象、流量預報以及調度計劃等功能，主要從以下幾個方面提升。

3.1 二三維GIS一體化

為了在WebGIS“一張圖”中實現二三維一體化，本文通過一體化的空間數據管理和存儲的方式，使數據在二三維都可以使用，將二三維GIS集成在一個統一的應用程序框架中，實現了二三維GIS交互界面可以在一個網頁集成，也可一鍵切換，具有相同的主題管理機制。如圖3所示，在三峽水調系統中，流域水雨情模塊選擇全流域GIS，通過二維場景/三維場景按鍵即可一鍵進行切換，方便用戶進行查詢，在美觀、易用、動態效果方面給用戶提供全新的視覺體驗。

圖3 全流域GIS二三維切換示意Fig.3 2D/3D switching map of the whole river basin GIS

3.2 二三維GIS可視化細節更豐富

在GIS可視化細節功能方面，為了使流域“一張圖”可視化細節更加形象、豐富，可視化工具更加豐富，在二維GIS可視化方面，系統基于WebGIS的方式提供地圖量測(距離、面積)、行政圖、衛星地圖切換、動靜態圖層顯示控制等功能，能夠預先或程序控制確定分析，實現定位和二維動態、靜態幾何要素拾取回調等。例如，在全流域GIS圖中通過面雨量測量工具選取測量面積，即可測量相應區域的平均雨量，見圖4。在三維GIS可視化方面，采用開源工具包WorldWind和WebGL技術，增強三維可視化展示效果。例如通過載入三維模型以及大規模場景渲染技術來提高真實感，并引入過程動畫，對應用分析結果進行動態展示，在WebGIS流域“一張圖”中使其二三維可視化效果更加豐富，用戶體驗感得到提升。

圖4 面雨量工具測量展示Fig.4 Area rainfall measurement display

3.3 多源數據融合

目前三峽水調自動化系統中，流域水雨情系統包含了多種數據來源，包括自建的遙測站、氣象站還有共享站、報汛站等，相較于以前報汛數據與遙測數據只能利用分頁面靜態展示的方式，目前基于WebGIS的流域“一張圖”通過數據結構轉換的方式，將報汛數據、氣象數據格式規整為遙測數據格式，并加上數據標簽，在以長江流域為基礎的“一張圖”上實現站點融合展示以及各數據源單獨展示，從而實現了報汛、遙測、氣象的多源數據融合，如圖5所示，在雨情檢索模塊可選擇遙測站、報汛站、共享站、氣象站等不同類型的站點查詢水雨情數據，同時在數據查詢的GIS畫面中還融合了氣象雷達降雨、降雨預報等產品。

圖5 新一代GIS多源數據融合展示Fig.5 New generation GIS multi-source data fusion display

另外，通過選擇站點的詳情信息展示選項可豐富地展示出各站點當前的水位流量信息，與同期、多站點、相似年份等多數據對比統計見圖6，并且能提供水情動態演示，為水雨情數據的過程分析提供方便快捷的工具，為入庫流量預報、流量合成演算以及短期調度計劃方案提供可靠的數據及技術支撐，從而在水調自動化系統中通過“一張圖”實現數字智慧化運用。

圖6 站點水雨情信息展示Fig.6 Site water and rain information display map

3.4 多業務協同展示

在梯級水庫調度的過程中，需通過水文氣象預報、水庫運行、調度計劃預報等一系列應用，最終實現梯級調度，而舊版的水調自動化系統中各業務模塊分離，無法協同開展。本文在流域WebGIS“一張圖”中，搭載了各類高級應用功能，根據業務需求設計展示主題和內容，以水調業務的整理分類，通過選用不同的圖元控件、表達形式、使用布局、向導或切換等手段，形成1套完整的專題查詢組合。例如目前開發出的流域水雨情監視專題、水庫運行監視專題、電站發電生產專題、預報調度計劃專題。最后利用接口技術即可將各類高級應用聚合在WebGIS流域“一張圖”中，方便業務人員在“一張圖”中完成一系列的業務應用操作，大大提高業務人員的工作效率，另外系統提供后臺接口，以供用戶進行第二次應用開發，從而滿足水調自動化系統智慧化管理需求。

4 結 語

本文介紹了基于WebGIS方式，將以地理信息、水雨情、報汛、氣象數據為基礎的WebGIS“一張圖”應用于新版水調自動化系統中，實現了多源數據融合、二三維GIS一體化，并在“一張圖”中豐富了可視化應用工具，搭載了各類的高級應用功能，從而實現了水雨情數據實時查詢、分析、信息交互、可視化展示、氣象流量預報及調度制作等一系列功能，使水調自動化系統具有高效性、靈活性和兼容性。未來隨著GIS技術的不斷發展，基于大數據、人工智能的GIS技術也將進一步運用于水調自動化系統中，為水調自動化系統智慧化提供強有力的技術支撐。