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(qū)，掌握下游控制站點的原則，三峽梯級水庫調度自動化系統(tǒng)(以下簡稱“三峽梯級水調自動化系統(tǒng)”)隨著長江流域梯級水庫的滾動開發(fā)、高速發(fā)展、持續(xù)更迭，其水情遙測子系統(tǒng)已建成為國內水電企業(yè)覆蓋面積最廣、規(guī)模最大的水情遙測系統(tǒng)，系統(tǒng)測控范圍從5.6萬km2發(fā)展到58萬km2，測站數(shù)量從65個發(fā)展到650余個。此外，通過多種合作方式實現(xiàn)了流域氣象數(shù)據(jù)、報汛數(shù)據(jù)的融合接入。目前三峽梯級水調自動化主要用來實現(xiàn)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(lián)合優(yōu)化調度提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是對整個或部分地球表層空間中有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)，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(jiān)測等領域[3-5]，但是目前多數(shù)系統(tǒng)應用于水調自動化系統(tǒng)僅支持信息查詢與監(jiān)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(lián)網(wǎng)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(tǒng)[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(tǒng)升級和改造過程中，針對其在數(shù)據(jù)資源來源廣、分散，業(yè)務協(xié)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)計分析和動態(tài)展示，實現(xiàn)GIS地圖中遙測、報汛、氣象數(shù)據(jù)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(xiàn)對電站生產(chǎn)運行全過程的監(jiān)控，可為流域梯級水庫的智慧決策、優(yōu)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(jiān)測，但大多數(shù)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(shù)據(jù)分頁面進行二維靜態(tài)展示，無法提供對于水雨情數(shù)據(jù)及報汛數(shù)據(jù)的融合分析，未能與水調自動化系統(tǒng)進行充分的融合。在舊版的水調自動化系統(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xié)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(tǒng)GIS系統(tǒng)展示界面Fig.1 Traditional GIS system display interface

2 WebGIS“一張圖”系統(tǒng)架構與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構

由于需要展示的數(shù)據(jù)涉及多種數(shù)據(jù)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(tǒng)采用B/S結構來構建GIS功能，根據(jù)分層設計原則，將平臺設計為表現(xiàn)層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)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(xiàn)層。表現(xiàn)層即系統(tǒng)的人機交互界面，可通過Web瀏覽器進行訪問。系統(tǒng)使用HTML5和CSS3構建UI界面，使用JavaScript與WebGL響應用戶操作、解析數(shù)據(jù)和構建二三維場景等。平臺界面能夠實現(xiàn)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(xiàn)層設計和開發(fā)將基于HTML5和CSS3，在主流瀏覽器中運行，實現(xiàn)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?？蛻舳伺c服務器通信基于純粹的AJAX調用，確?？蛻舳擞辛己玫倪m應性。

(2) 業(yè)務層。業(yè)務是整個系統(tǒng)的核心。它按照業(yè)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(shù)據(jù)進行交互。并根據(jù)各個功能模塊所需要的數(shù)據(jù)表現(xiàn)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(xiàn)層得到響應。同時，該層還將系統(tǒng)的核心功能封裝為 JavaScript API，便于二次開發(fā)。系統(tǒng)中使用的Web服務器優(yōu)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(chǎn)品GeoServer，應用服務器和瓦片數(shù)據(jù)服務器為自主開發(fā)，確保多用戶并發(fā)的穩(wěn)定性和性能。

(3) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層能夠對數(shù)據(jù)進行存儲并響應平臺對數(shù)據(jù)的訪問請求，負責空間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，基礎地理空間數(shù)據(jù)，長江流域水雨情、報汛、氣象等專題統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)等。

3 WebGIS“一張圖”在水調自動化系統(tǒng)中的應用

本系統(tǒng)基于WebGIS的方式，采用以地理信息、水雨情、報汛、氣象等數(shù)據(jù)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(yè)務高級應用功能，將其應用于三峽水調自動化系統(tǒng)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(xiàn)二三維一體化，本文通過一體化的空間數(shù)據(jù)管理和存儲的方式，使數(shù)據(jù)在二三維都可以使用，將二三維GIS集成在一個統(tǒng)一的應用程序框架中，實現(xiàn)了二三維GIS交互界面可以在一個網(wǎng)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(tǒng)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(tài)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(jié)更豐富

在GIS可視化細節(jié)功能方面，為了使流域“一張圖”可視化細節(jié)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(tǒng)基于WebGIS的方式提供地圖量測(距離、面積)、行政圖、衛(wèi)星地圖切換、動靜態(tài)圖層顯示控制等功能，能夠預先或程序控制確定分析，實現(xiàn)定位和二維動態(tài)、靜態(tài)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(qū)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(guī)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(tài)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(shù)據(jù)融合

目前三峽水調自動化系統(tǒng)中，流域水雨情系統(tǒng)包含了多種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)只能利用分頁面靜態(tài)展示的方式，目前基于WebGIS的流域“一張圖”通過數(shù)據(jù)結構轉換的方式，將報汛數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)格式規(guī)整為遙測數(shù)據(jù)格式，并加上數(shù)據(jù)標簽，在以長江流域為基礎的“一張圖”上實現(xiàn)站點融合展示以及各數(shù)據(jù)源單獨展示，從而實現(xiàn)了報汛、遙測、氣象的多源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，同時在數(shù)據(jù)查詢的GIS畫面中還融合了氣象雷達降雨、降雨預報等產(chǎn)品。

圖5 新一代GIS多源數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對比統(tǒng)計見圖6，并且能提供水情動態(tài)演示，為水雨情數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)及技術支撐，從而在水調自動化系統(tǒng)中通過“一張圖”實現(xiàn)數(shù)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(yè)務協(xié)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(xiàn)梯級調度，而舊版的水調自動化系統(tǒng)中各業(yè)務模塊分離，無法協(xié)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(jù)業(yè)務需求設計展示主題和內容，以水調業(yè)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(fā)出的流域水雨情監(jiān)視專題、水庫運行監(jiān)視專題、電站發(fā)電生產(chǎn)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(yè)務人員在“一張圖”中完成一系列的業(yè)務應用操作，大大提高業(yè)務人員的工作效率，另外系統(tǒng)提供后臺接口，以供用戶進行第二次應用開發(fā)，從而滿足水調自動化系統(tǒng)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(shù)據(jù)為基礎的WebGIS“一張圖”應用于新版水調自動化系統(tǒng)中，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)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(xiàn)了水雨情數(shù)據(jù)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(tǒng)具有高效性、靈活性和兼容性。未來隨著GIS技術的不斷發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)、人工智能的GIS技術也將進一步運用于水調自動化系統(tǒng)中，為水調自動化系統(tǒng)智慧化提供強有力的技術支撐。