深圳市防洪管理支持系统

池天河 张 新 胡凯 骆剑承 龚建华

城市的防洪系统建设是数字城市建设的重要组成部分。3S技术以其对地理空间信息的实时定位、获取和分析管理等方面的优势，可以在城市防洪中发挥重要的作用。

洪水灾害是各种自然灾害中最严重的灾害之一，特别是在城市环境中，由于居住人口众多、设施密集昂贵，使得洪水灾害的后果尤为严重。城市防洪系统建设的成功与否直接关系着城市经济发展和人民人身安全，所以各级政府都非常重视防洪系统的建设。3S以其对地理空间信息的实时定位、获取和分析管理等方面的优势在城市防洪中能够发挥重要的作用。

深圳市防洪管理支持系统建设

深圳市位于广东省中部沿海，西濒珠江口伶仃洋，与中山市、珠海市相望，南临深圳河，与香港“新界”接壤，东傍大亚湾，与惠东县平海半岛相眺，北与东莞市、惠阳市接壤。深圳濒临南海，属台风、洪涝灾害多发地区。深圳市的洪水主要由暴雨形成。全市地貌主要以丘陵为主，有62%面积的地面坡度大于3度，各主要河流较小，流域面积均小于400平方公里。深圳市属于南方湿润地区，产流量较大。此外，河道平均坡降相对较大，属山溪性中小河流。这种流域特性使得流域平均汇流时间较短，洪峰流量模数大，洪水过程尖而瘦，一般为几个小时，表现为山溪性河流暴涨暴落的特性。上世纪90年代，深圳市发生过两次洪水，每次造成经济损失就达十多亿元。基于3S技术的城市防洪管理支持系统将已有的水利工程措施和非工程措施有机集成在一起，形成了一体化深圳市防洪管理支持系统。（图1）

系统有如下几个方面的特色:

（1) 将防洪设施自动化监控、洪水预报、洪水调度、防洪信息服务和防汛会商几个模块有机地整合在一起，实现了满足领导决策层、业务处理层、技术维护层等不同用户群体的业务化流程的信息集成体系。

(2) 探索了城市防洪管理支持信息系统建设所涉及到的空间数据库、综合数据库的建设流程规范、改造标准、技术开发标准和数据标准的应用模式。

(3) 探索出了城市建筑、居民地、商业密集区防洪管理支持系统建设以大比例尺地形图为基础，集成高分辨率遥感影像基础空间数据库的建设模式。

(4) 将水库放水、重点防洪区的排涝、河道水闸的开合、河道入海处的潮位、滞洪区的滞洪能力等多种因素统筹考虑，实现了城市防洪管理的可视化、交互式的实时或准实时辅助决策能力。

(5) 以GIS为主线将GPS定位、掌上电脑无线通信、无线视频传输、远程自动化控制等相关技术有机结合起来，增强了系统的实时性、安全性和实用性。

总体设计

防洪管理支持系统是一个包括通信与信息技术、防洪救灾管理与决策、洪水预报与科学调度专业原理及方法的复杂性系统工程，内容涉及防洪水利工程、实时监控通信系统、地理信息系统、遥感系统、网络分布式信息处理系统、大型数据库、专业模型、计算分析、可视化模拟、决策支持媒介与环境等要素。

系统按照层状结构划分为决策层、业务层、管理维护层和技术支撑层（图3），与网络环境下（B/A/S）三层结构相对应，直接面对不同用户群体对系统的需求问题，实现防洪业务处理和管理决策的功能。

图2 深圳市防洪管理支持系统相关界面

图3 系统设计的总体思路

在防洪管理支持系统的建设中，重点以“数据库＋管理维护层 / 技术层 / 业务层＋决策层”的三层结构为基础框架，以地理信息系统为核心平台，开展综合数据库与空间数据库、应用系统整合和会商决策支持系统等的设计与建设。

系统结构设计

1．功能结构设计

这是一个较复杂的专业化的地理信息系统，由外部环境、防汛管理支持数据仓库、系统技术管理平台和应用系统等几大部分构成。其中，应用系统又由两大功能模块组成: 防洪业务管理功能块和防洪决策支持功能块，分别针对防洪业务操作人员和防汛会商与决策用户。

外部环境包括计算机网络系统（由防洪专用网络、水务局网络和社会公众网络构成）和通信基础设施（由有线通信、移动/无线通信和卫星通信三种手段组成）。

防汛管理支持数据仓库包括遥感图像库、基础地理数据库、社会经济数据库和防洪综合数据库等部分。

系统技术管理平台主要针对维护、开发系统运行的技术人员，由数据库管理、系统管理、水利专业应用模型接口管理、与网络和通信的接口管理、三维建模工具、信息采集和数据转换工具组成，对应系统的技术支撑层和管理维护层。

防洪业务管理功能模块主要面向日常防洪业务处理，主要包括: 信息服务子系统、实时监控子系统、日常事务网上办公子系统、远程集中监控子系统和防汛车辆监控调度子系统。

防洪决策支持功能块面向更高的决策层用户，主要包括洪水预测预报、洪水演进模拟、洪水调度、管网分析、预案演播、防汛部署和灾情评估。

2．软件体系结构

城市防洪管理支持系统是一个综合性的应用系统，既要满足一般的防洪管理信息服务，又要支持防洪的会商和决策; 既有简单数据的提取，又有水利行业模型的运算; 既有桌面计算机的应用，又有移动设备的应用。因此，在体系结构的设计上，要保证层次之间的相对独立性和接口的规范性，使得核心服务模块能最大限度的共享。

因此按照（B/A/S）体系结构进行设计，总体上分为三层，即表达层、应用层和数据层（图4）。

图4 城市防汛管理支持系统的三层休系结构

Browser浏览器是系统的人机界面，运行在Microsoft Windows IE上。人机界面的主要元素是图标、按钮、表格、过程线等。对于复杂的人机界面和人机交互过程，如绘制过程线、防汛指挥调度方案标绘、专题地图等，则采用Java applet嵌入到网页中，系统业务层和决策层的流程都是基于浏览器实现的。

Web服务器用于接收browser发送过来的请求，并将请求发送到应用服务器中处理，然后将结果返回到browser中。

应用服务器起到处理调度和负载均衡的作用，所有web服务器接收到的请求都首先发送到应用服务器进行任务分派，应用服务器根据不同的请求类型将实际的信息读取、信息处理、模型计算等分配到不同的信息服务与模型运算服务器中处理，应用服务器实现业务层和技术层的主要功能。

信息服务与模型运算服务器是系统技术支撑层的核心处理部分，它是一个逻辑上的概念，在物理上可以表现为多台服务器，也可以部署在同一台服务器上。运行在该逻辑服务器上的模型运算包括: 洪水预报模型、洪水调度模型、洪水演进模型、GIS的空间分析模型以及基于空间叠置分析模型的洪水淹没损失评估模型。信息服务主要是从综合数据库中提取实时雨水情、工情数据、历史数据及防汛业务数据到网络上，同时从空间数据库读取GIS数据，作为地理地图或者专题地图与综合数据结合在一起提供给应用服务器，并通过应用服务器到浏览器端。

综合数据库存储所有非空间型数据，如水文遥测数据、洪水预报数据、防洪调度决策支持数据、泵站自动化数据、办公自动化数据、基础水利工程数据、防洪业务数据以及社会经济数据等。综合数据库存放在关系型数据库SQL Server中。上层服务器在访问数据库时，通过一个数据库连接池来实现。数据库连接池是一个存放数据库连接对象的缓冲区，它可以起到加强数据库访问速度和效率的作用，因为创建数据库连接需要耗时，而且频繁创建和销毁数据库连接将占用很大的计算机资源。

空间数据库是存放数字地形图、数字地面模型DEM和流域三维模型的数据库。空间数据与其他数据的区别在于它既包含属性数据，又包含几何数据，如点、线、面、几何体等。传统的空间数据存储方式是基于文件的，在多用户并发访问、数据更新、数据访问效率方面存在一定的缺陷，为了使用成熟的关系型数据库管理系统（如ORACLE、SQL SERVER），空间数据库引擎（SDE）技术将空间数据存放在关系型数据库中，并且可以象访问普通数据一样采用SQL语句进行数据的查询、删除和修改。

应用层的各逻辑服务器之间均采用XML进行数据交换和通信。XML是一种可扩展的标记语言，它具有结构性好、便于解析等优点，通过定义其结构，制定各种数据接口标准，可以使通信双方遵循相同的语法，从而实现互连互通。

考虑到防汛管理是一项复杂的系统工程，除了需要借助现代先进的网络技术、计算机技术、GIS技术等之外，还借助GPS、无线通信、个人数字助理（PDA）等技术，拓宽信息沟通的渠道，提高应急指挥的能力。为此，在应用层增加了通信服务器和语音服务器，在表达层增加了对手机、PDA等移动终端的支持。

通信服务器用于处理手机、PDA、GPS等移动终端发送过来的请求或者回报的信息，比如防汛现场的信息、防汛指挥车的位置等，这些请求或者回报的信息通常按照一定的格式编码，通信服务器对其进行解码后，将其转发给应用服务器进行处理。通信服务器还负责将指挥中心的各种指令或者信息无线发送到各移动终端。通信服务器与移动终端之间通过GSM的短消息或者GPRS的数据服务来进行通信。

语音服务器用于处理通过电话来查询信息的请求，它通过语音卡与计算机集成在一起，建立一个呼叫中心（call center）来实现。

GPS车载终端是安装在防汛指挥、运输车上的车载设备，它由一个GPS模块、一个GSM/GPRS无线通信模块、一个GPS天线以及一个带单片机的集成处理模块组成，用户实时回报车辆的准确位置以及其他状态信息，比如交通路况、满载、空载等，其配备的液晶显示屏上还可以显示指挥中心的指挥调度信息。应用GPS车载终端可以实现对防汛车辆的实时监控和指挥调度，使得指挥人员能尽可能多地掌握防汛动态。

（池天河、张新、骆剑承、龚建华:中国科学院遥感应用研究所; 胡凯: 深圳市防洪设施管理处）

作者简介

张 新: 中国科学院遥感应用研究所，博士后, 主要从事数字城市、电子政务、区域性重大防灾减灾信息服务体系、数字海洋等相关领域的理论和技术研究。先后30多篇。