王星捷,劉華春,李春花

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007)

基于多元平臺洪災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王星捷,劉華春,李春花

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007)

隨著終端平臺和媒體軟件的豐富化應(yīng)用，傳統(tǒng)的洪災(zāi)報警系統(tǒng)信息的單一傳輸方式已不能滿足當(dāng)前多元平臺的需求。為此，應(yīng)用了一種新的開發(fā)模式對洪災(zāi)報警系統(tǒng)進行設(shè)計和實現(xiàn)，采用物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、微信平臺和WEBGIS技術(shù)相結(jié)合的方式，建立了多元平臺的洪災(zāi)報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用移動通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以異步處理技術(shù)實現(xiàn)自動監(jiān)測，使用GIS技術(shù)進行水淹分析，通過WEBGIS生成Web災(zāi)情專題圖，采用微信平臺實現(xiàn)微信災(zāi)情專題圖。運行實驗結(jié)果表明，所建系統(tǒng)能實時快速地生成風(fēng)險圖、預(yù)警信息、災(zāi)害評估等內(nèi)容，并能在多元平臺中實時傳輸，信息交互性較好，為實時預(yù)警、搶險救災(zāi)和災(zāi)后救援工作提供了重要的決策參考，為洪災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用提供了一種新的技術(shù)開發(fā)思路。

多元平臺；WEBGIS；物聯(lián)網(wǎng)；微信公眾平臺

0 引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)大部分的洪災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)正在向信息化轉(zhuǎn)變，逐步替代了傳統(tǒng)的人員值守進行監(jiān)測的方式，極大地減少了人力物力的浪費。物聯(lián)網(wǎng)及3G/4G通信技術(shù)的發(fā)展，多元化的終端平臺以及媒體軟件的廣泛運用，使得當(dāng)前的信息化洪災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)多為信息數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，終端依靠短信或者電話的方式進行傳輸，信息數(shù)據(jù)單一，與當(dāng)前豐富的媒體呈現(xiàn)技術(shù)不協(xié)調(diào)，也無法滿足人們對災(zāi)情數(shù)據(jù)更直觀、更豐富的呈現(xiàn)需求。

采用一種新開發(fā)模式進行洪災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究，采用物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、微信平臺和WEBGIS技術(shù)[1]相結(jié)合的方式建立多元平臺的洪災(zāi)報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)用移動通信技術(shù)設(shè)計實時數(shù)據(jù)傳輸，以異步處理方式設(shè)計數(shù)據(jù)自動處理和預(yù)警，使用GIS技術(shù)進行水淹分析，對比歷史數(shù)據(jù)和警戒數(shù)據(jù)，通過WEBGIS生成災(zāi)情專題圖，最終采用微信平臺通信接口，實現(xiàn)微信災(zāi)情專題圖的實時終端通信。

1 多元平臺洪災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

預(yù)警平臺主要分為三大模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示。

數(shù)據(jù)采集是實時地自動接收各水文監(jiān)測站的水位、流量等數(shù)據(jù)，這些水文站終端都是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳輸模塊，不需要人為干預(yù)即可自動通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理需要借助GIS方法，對監(jiān)測站傳輸回來的數(shù)據(jù)和已有的地形、數(shù)字高程、歷史數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析處理，采用淹沒分析算法，計算出洪水影響范圍，通過ArcGIS Server發(fā)布在服務(wù)器端[2]。

數(shù)據(jù)展示包括兩個部分，一個是Web端的訪問，指將分析處理的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，供用戶查閱；另一個是終端展現(xiàn)部分，是利用目前主流的媒體交互平臺—微信平臺進行數(shù)據(jù)展示，分為系統(tǒng)主動推送和用戶主動查詢。系統(tǒng)主動推送是針對關(guān)注過微信的用戶，實時發(fā)布災(zāi)情專題圖；用戶查詢是用戶輸入相關(guān)的指令數(shù)據(jù)進行查詢和推送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)自下而上分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、表現(xiàn)層[3]。數(shù)據(jù)層按數(shù)據(jù)的類型分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，服務(wù)層按服務(wù)器的功能分為Web服務(wù)和GIS服務(wù)，業(yè)務(wù)層根據(jù)系統(tǒng)的需求分為不同的業(yè)務(wù)流程，最終用戶看到的就是表現(xiàn)層，表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)進行交互的窗口。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層主要包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù))的存取。非空間數(shù)據(jù)使用SAE平臺提供的MySQL數(shù)據(jù)庫存儲，空間數(shù)據(jù)使用ArcGIS個人地理數(shù)據(jù)庫存取。

服務(wù)層主要用來提供服務(wù)，包括Web服務(wù)和GIS服務(wù)，Web服務(wù)部署在新浪云服務(wù)平臺，使用微軟的IIS實現(xiàn)，GIS服務(wù)使用ArcGIS Server 10.1實現(xiàn)。Web服務(wù)主要是提供網(wǎng)頁展示和非空間數(shù)據(jù)讀取相關(guān)服務(wù)，GIS服務(wù)則提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)、幾何服務(wù)以及其他的分析服務(wù)。

各種業(yè)務(wù)功能主要由業(yè)務(wù)層實現(xiàn)，主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)操作、信息查詢、高級操作以及高級分析功能。

表現(xiàn)層是用戶與系統(tǒng)交互的入口，是用戶可以直觀感受到的，包括Web瀏覽器和微信客戶端，采用ArcGIS API for JavaScript接口開發(fā)[4]，主要包括地圖組件、業(yè)務(wù)交互組件和緩存管理組件。使用這套接口最大的好處就是通用性高，與Sliverlight和Flex接口最大的區(qū)別就是用戶的瀏覽器不需要安裝任何插件即可使用。然后采用微信提供的開發(fā)接口進行數(shù)據(jù)的異步傳輸，微信客戶端用戶通過關(guān)注提供的微信公眾號即可使用平臺提供的功能。

2 系統(tǒng)通信框架設(shè)計

系統(tǒng)通信包括硬件通信和軟件通信[5]，硬件通信是基于數(shù)據(jù)的采集設(shè)計，軟件通信重在上層數(shù)據(jù)的傳輸，表現(xiàn)層的傳輸設(shè)計。

2.1 硬件通信設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的水文站通過專業(yè)的傳感器自動獲取當(dāng)前的水位、流量等數(shù)據(jù)，通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)實時地將數(shù)據(jù)上傳到遠程數(shù)據(jù)庫，采用新浪云數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。然后預(yù)警平臺利用上述水文數(shù)據(jù)，通過GIS服務(wù)器進行淹沒分析，最后通過客戶端(瀏覽器、微信)進行結(jié)果呈現(xiàn)。具體通信流程如圖2所示。

圖2 硬件通信設(shè)計圖

2.2 軟件通信設(shè)計

預(yù)警平臺的上層數(shù)據(jù)訪問和傳輸形式主要通過Http協(xié)議，客戶端采用Ajax異步請求的方式，服務(wù)器端根據(jù)請求的參數(shù)進行處理分析后返回客戶端需要的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)模型設(shè)計及制作

洪災(zāi)數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，涉及的因素較多，受天氣、地形等多種因素的影響，在洪災(zāi)數(shù)據(jù)中起決定性作用的有兩個因素，一個是洪災(zāi)因素(上游潰壩或降雨)，另一個是受災(zāi)區(qū)域的地形地貌。無論是哪種，洪災(zāi)數(shù)據(jù)既是一個動態(tài)的也是一個變化的過程。

洪災(zāi)數(shù)據(jù)模型[6]主要包括待分析區(qū)域的空間數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)(例如區(qū)域連通性調(diào)查數(shù)據(jù))。其中空間數(shù)據(jù)又包括該區(qū)域的基礎(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)[7]、人口分布數(shù)據(jù)等。水文數(shù)據(jù)主要包括遍布在待分析區(qū)域及上游的自動水文監(jiān)測站(至少包括自動水位計和自動雨量計)實時上報的數(shù)據(jù)，以及當(dāng)?shù)貧v史洪災(zāi)數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)包括待分析區(qū)域基本的道路網(wǎng)、建筑、農(nóng)田、人口分布等必要的地理性要素。這類的基本地理數(shù)據(jù)最簡單的方法是通過百度地圖、谷歌地圖、天地圖等公開的地圖服務(wù)商獲取，但是無法滿足系統(tǒng)平臺的需求，因此借助ArcGIS地圖制作軟件，通過遙感影像數(shù)據(jù)進行矢量化，然后根據(jù)平臺需求，添加各種地理要素屬性[8]。

最重要的數(shù)據(jù)就是數(shù)字高程模型(DEM)，而通過網(wǎng)絡(luò)獲取的DEM數(shù)據(jù)，分辨率只有30 m，達不到實際的數(shù)據(jù)要求，需要進行數(shù)據(jù)重新制作。利用ArcGIS工具先轉(zhuǎn)換成等高線，然后通過等高線插值(通過在相鄰的等高線中間插入一條平均值等高線)，最后再轉(zhuǎn)換回DEM數(shù)據(jù)。通過這樣的處理，最后的DEM數(shù)據(jù)的分辨率能高于10 m，得到的數(shù)據(jù)能夠滿足需求。

4 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析處理主要是對洪災(zāi)的數(shù)據(jù)進行淹沒分析，通過淹沒分析的結(jié)果來體現(xiàn)災(zāi)情的情況、受災(zāi)范圍和預(yù)警專題圖。淹沒分析分為兩種：一種是無源淹沒，另一種是有源淹沒。分析方法主要是依靠ArcMap平臺完成，運用已知流域中各水文站的水文數(shù)據(jù)來確定洪水位，淹沒面積的確定是由DEM數(shù)據(jù)和已知的洪水水位計算得出。

ArcGIS提供了一個地理處理任務(wù)的框架(ToolBox)，在ToolBox工具箱中包含了幾百個基本的地理處理任務(wù)，使用其中的某一個工具可以實現(xiàn)某項功能，但ToolBox最大的優(yōu)勢是可以通過模型構(gòu)建器建立復(fù)雜的模型，這樣就可以組合多個工具來滿足系統(tǒng)處理的需求，把定制好的地理處理工具打包成一個腳本或者自己的一個工具箱，這樣可以進行復(fù)用。

分析方法主要通過ArcGIS軟件在ArcToolBox中建立分析模型，然后通過設(shè)定模型需要的外界參數(shù)和模型運行環(huán)境即可，利用ArcGIS Server將工具箱發(fā)布到GIS服務(wù)器，客戶端可以直接進行調(diào)用。工具箱處理流程如圖3所示。

圖3 工具箱處理流程

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 發(fā)布服務(wù)

需要發(fā)布的數(shù)據(jù)有兩個，一個是工具箱，包括了用于淹沒分析的模型(工具)，通過調(diào)用這個服務(wù)可以進行淹沒分析，提高了服務(wù)器處理的速度；另一個是地圖服務(wù)，用于展示當(dāng)前位置的基本地圖數(shù)據(jù)，這里發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)是以切片的形式存在，切片的好處是可以大大提高地圖的訪問速度，同時降低服務(wù)器端的壓力[9]。

切片是將各個比例尺的地圖數(shù)據(jù)進行預(yù)讀處理，將顯示的圖像切割為固定大小的圖片集合(如256×256或512×512)，按一定的規(guī)則存儲在磁盤陣列上。

5.2 Web端數(shù)據(jù)交互

Web端數(shù)據(jù)交互，主要利用JavaScript、dojo技術(shù)實現(xiàn)，通過ajax異步提交與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信，獲取基礎(chǔ)地理信息、水淹分析結(jié)果、路徑分析等數(shù)據(jù)信息。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取核心方法如下：

var MyTiledMapServiceLayer=new esri.layers.ArcGISTiledMapServiceLayer(mapserver,{id:"底圖數(shù)據(jù)"});

//加載切片數(shù)據(jù)

MyMap.addLayer(MyTiledMapServiceLayer);

水淹分析數(shù)據(jù)獲取核心方法如下：

//定義工具箱處理服務(wù)

var gp=new Geoprocessor(gpflood);

//異步處理方法

gp.submitJob(params,completeCallback,statusCallback);

//獲取異步處理數(shù)據(jù)

gp.getResultData(jobId,"result",addResults);

路徑分析數(shù)據(jù)獲取核心方法如下：

MyMap.graphics.add(solveResult.result.routeResults[0].route.setSymbol(routeSymbol));

5.3 通信平臺數(shù)據(jù)交互

數(shù)據(jù)采集層采用GPRS模塊進行數(shù)據(jù)的采集和通信，采用Socket通信的方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，在Web端采用WebSocket技術(shù)[10]進行數(shù)據(jù)的接收存儲和顯示。

WebSocket技術(shù)的優(yōu)點是能有效接收底層Socket通信層傳來的數(shù)據(jù)[11]，實時接收，能更方便地直接將數(shù)據(jù)顯示在Web頁面以及存儲在后臺數(shù)據(jù)中。

5.4 微信平臺數(shù)據(jù)交互

微信公眾平臺提供各種消息發(fā)送接口，可根據(jù)系統(tǒng)的需求設(shè)計自動回復(fù)和滿足用戶個性化需求的訂制，自動回復(fù)需在后臺定義好需要回復(fù)的消息信息(包括文本、聲音、圖片和視頻等)，通過二次開發(fā)接口，還可通過自定義菜單的方式與用戶直接交互[12]。

主要是通過文本和圖片進行消息的發(fā)布，將生成的災(zāi)情警報專題圖[13]以微信圖片的方式通過新浪云服務(wù)上部署的Web服務(wù)發(fā)送到關(guān)注的客戶微信，具體的內(nèi)容設(shè)計格式如下：

其中，PicUrl為生產(chǎn)災(zāi)情警報專題圖的地址；Url為點擊后連接的具體鏈接地址。

6 系統(tǒng)實驗與分析

系統(tǒng)的實驗平臺為ArcGIS Server10.1,IIS 7.0服務(wù)器，新浪云服務(wù)，MySQL服務(wù)器，微信軟件，GPRS發(fā)送模塊，等等。對實現(xiàn)的系統(tǒng)進行了全面測試，通過多臺PC機對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水淹分析數(shù)據(jù)的訪問進行實驗，結(jié)果表明數(shù)據(jù)交互效果較好，如圖4所示。

圖4 水淹分析數(shù)據(jù)交互

通過多個手機終端微信對系統(tǒng)的關(guān)注，通過客戶端發(fā)送消息訂閱[14]災(zāi)情專題圖和系統(tǒng)實時主動發(fā)送災(zāi)情專題圖的實驗，表明數(shù)據(jù)實時、準(zhǔn)確、展現(xiàn)的效果好[15]，能滿足在微信端的信息需求，如圖5所示。

圖5 微信平臺數(shù)據(jù)交互

7 結(jié)束語

在當(dāng)前多元平臺下，為了滿足洪災(zāi)報警信息實時傳輸?shù)男枨?，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、WebGIS、移動通信和微信平臺等多種技術(shù)平臺設(shè)計了多元平臺的洪災(zāi)報警系統(tǒng)。采用地圖切片技術(shù)減少服務(wù)器的壓力，提高數(shù)據(jù)處理效率；充分利用云服務(wù)優(yōu)勢對微信平臺數(shù)據(jù)進行傳輸；采用了WebSocket技術(shù)，既能及時存儲后臺數(shù)據(jù)庫，又能實時在頁面上進行更新，提高了數(shù)據(jù)處理能力。解決了傳統(tǒng)洪災(zāi)報警系統(tǒng)信息傳輸單一的問題。實驗證明，在Web端、移動終端和微信端等平臺，用戶能獲取洪災(zāi)信息，顯示效果更加直觀、實時，多樣化和交互性強，為洪災(zāi)報警系統(tǒng)提供了一種新的技術(shù)參考。

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Design and Implementation of Flood Warning System with Multi-platform

WANG Xing-jie，LIU Hua-chun，LI Chun-hua

(College of Engineering Technology,Chengdu University of Technology,Leshan 614007,China)

With large application of terminal platform and media software,the traditional flood alarm system cannot meet current needs for multi-platform.Therefore,a new development mode has been applied to design and implement flood alarm system.A multi-platform flood alarm system has been established through the Internet of Things,mobile communications,WeChat platform and WEBGIS,by which data acquisition is realized by the IoT,data transmission is achieved by mobile communication,automatic monitoring is realized by the asynchronous processing,analysis of water flooding is realized by GIS,the Web disaster thematic map is generated through WEBGIS,and the WeChat disaster thematic map is generated by WeChat platform.The verification experiment shows that the established system can quickly generate real-time risk maps,early warning information,and disaster assessment etc. and that it can provide a reference for the real-time early warning and disaster relief work as well as a new technical reference for flood alarm system.

multi-platform；WEBGIS；Internet of Things；WeChat

2016-04-06

2016-08-10

時間：2017-02-17

2014年度四川省教育科研項目(14ZB0351)

王星捷(1980-)，男，碩士，副教授，研究方向為數(shù)字城市、智慧城市、三維空間數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)應(yīng)用；劉華春，碩士，副教授，研究方向為智能信息處理、機器學(xué)習(xí)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1623.012.html

TP319

A

1673-629X(2017)04-0196-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.044