WEBGIS技术及其在防汛中的应用研究.pdf
收稿日期:2003-01-29WEBGIS技术及其在防汛中的应用研究吴金塔1,曾向明2(11 河海大学,江苏 南京 210098;21 泉州市水利局,福建 泉州 362000)摘要:防汛信息的采集、处理、管理、分析和表达离不开地理信息系统的支持,防汛信息与空间地理信息及社会经济信息密不可分。随着WEBGIS技术的不断进步,WEBGIS在防汛中已得到一定程度的应用,但其应用潜力还远远没有得到充分发挥,该文重点介绍WEBGIS技术及其在防汛中的应用研究。关键词:地理信息系统;WEBGIS;防汛;指挥决策中图分类号:TP391:TV87 文献标识码:B 文章编号:1002-3011(2003)01-0011-041 前言防汛的安全关系到人民生命财产的安全,关系到社会经济的发展和社会的稳定。为提高福建省防汛的现代化水平,2000年福建省水利厅提出了建设“数字防汛”的宏伟构想。建设“数字防汛”最重要的内涵是发展和应用,建设“数字防汛”不是一蹴而就,而是一个不断完善和不断发展的概念,其目的是实现防汛信息采集的自动化和指挥决策的现代化,使政府的防汛决策建立在及时、准确、可靠的信息基础之上,实现防汛的现代管理和现代化指挥。WEBGIS技术是可视化防汛指挥决策支持的关键技术,该技术将为防汛决策支持提供丰富、直观的界面和空间分析工具。利用WEBGIS技术开发的防汛决策支持系统将以WEBGIS技术为支撑,直观地把具有很强地理空间感的工程和防汛信息展现给用户,以数据仓库、数据挖掘技术为手段,以水文、气象、社会经济和空间地理信息为基础,集数据采集、管理、分析、表达为一体,利用数据库技术和计算机网络技术,实现防汛决策的科学化和自动化。2WEBGIS定义与特点WEBGIS是在Internet或Intranet网络环境下的一种兼容存储、处理、分析和显示的计算机应用地理信息系统。地理信息是描述地球表面的与空间位置、空间关系、空间形态相关的所有信息。空间数据同样包括带有空间位置、空间关系以及空间形态特征的图像、图形或与此相关的文本数据。国际学术界把类似于万维网地理信息系统称为WEBGIS,这主要是由于大多数应用采用了基于B/S结构的WWW协议。它的基本思想就是在互联网上提供地理信息,让用户通过浏览器来获得地理信息系统中的数据和功能服务。与传统的地理信息系统比较,WEBGIS具有四个特点:(1)更广泛的客户访问范围。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据,而Internet/Intranet所特有的优势大大扩展了GIS的数据管理能力,增强了对空间数据管理的时效性。(2)客户端平台独立性。无论客户机是何种操作系统,只要支持通用的WEB浏览器,用户就可以访问WEBGIS数据。(3)更简单的操作。利用通用的WEB浏览器可以降低操作复杂度,用户不用经过特别的训练即可熟练使用软件系统。(4)平衡高效的计算负载。传统的GIS大都使用文件服务器结构的处理方式,其处理能力完全依赖于客户端,效率较低。而当今一些高级的WEBGIS能充分利用网络资源,将复杂的处理交由服务器执行,而对简单的操作则由客户端直接完成。这种计算模式能灵活地在服务器端和客户端之间合理分配处理任务,从而提高网络计算资源的利用效率。3 国内外WEBGIS的发展现状WEBGIS是当今GIS的热点,已成为各大厂商激烈竞争的焦点。几个重要的国外GIS厂商争相发布各自的WEBGIS产品,如MapInfo公司的MapInfo ProServer、Intergraph公司的GeoMedia WEB Map和ESRI的Internet Map Server(IMS)等,著名的CAD厂商Autodesk公司也推出了MapGuide。最近Bently公司和MapInfo公司又相继推出了ModelServer/Discovery和MapXtreme。国内WEBGIS软件技术及产品也取得了长足的进步。在2000年度国产GIS软件测评中,受到表彰的WEBGIS产品主要有以下四个:武汉奥发科技工程有限公司开发的AFInternet GIS、国家遥感应用工程技术研究中心网络与运行工程部独立开发的地网GeoBeans、武汉吉奥信息工程技术有限公司的GeoSurf。其中GeoBeans以其使用简单、维护方便、支持二次开发、丰富的客户端功能、跨11水 利 科 技2003年第1期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.平台、矢栅合成、兼容多种矢量格式数据、完善的空间分析功能、并发多用户访问、可移植性等良好特性而得到用户的认可。GeoSurf由Java开发,基于矢量格式,具有严格的平台无关性,支持多数据源及分布式数据管理,矢量数据格式精确、精细,也可进行二次开发,用途广泛,具有较好的应用前景。4WEBGIS在防汛中的应用411WEBGIS平台的建设在防汛决策时需要大量的防汛信息,如水情、雨情、风情、工情、灾情、救灾物资储备、抢险队伍分布和社会经济情况等信息,而这些信息与空间信息密切相关,因而有必要引入空间的概念来描述防汛信息。地理信息系统是描述防汛空间信息不可缺少的平台,它是获取、存贮、分析、显示和输出地理信息的计算机辅助系统。为了更方便、更有效、更广泛地让用户使用与空间信息相结合的防汛信息,可利用先进的B/S结构、基于WEB联接方式的GIS平台来构造防汛决策支持信息系统。这种结构是一种伸缩性很强的结构,其显著特点是:平台下所属系统的数据信息完全共享;客户端不必安装软件,只要在服务器上安装软件系统后,网络上的所有用户采用浏览器即可使用,具有“一处安装,到处使用”的优点。图1为WEBGIS平台的架构图,整个WEBGIS应用平台是在基于WEB服务的平台上搭建起来的,通过信息集成组件来调度各子模块的应用接口,再通过底层的组件来访问底层实际的数据源,而且平台是架构在一个可扩充的基础上,并为以后系统的扩充与升级留有接口。将GIS相关的较为通行的逻辑结合地图引擎,并且利用组件化技术和多层分布式运算机制,结合防汛各子系统接口与OA系统接口,制成了一个高效的应用平台,使其能在不同应用需求时,发挥其高弹性适应的优点,对这些具体应用的需求进行扩充、拼图1WEBGIS平台架图2WEBGIS在防汛中的应用装和剪裁,无需全部重新部署开发,从而既降低了系统的建设成本,又提高了开发效率,并且为后继的升级和维护提供了方便。412WEBGIS在防汛中的应用利用Internet/Intranet技术在WEB上发布和出版空间数据已成为GIS技术发展的必然趋势。如图2所示,WEBGIS在防汛中的具体应用有:(1)雨水信息的管理、查询和分析。提供可视化的GIS图形查询界面,丰富信息的表述方式,同时可以进行雨水信息的空间分析。(2)防洪工程数据库系统。系统将建成一个包括全省所有水库、水闸、海堤、堤防等信息资料的数据库,并在电子地图上,实现基于WEBGIS的综合查询、数据统计、工程注册、数据录入、修改、审核和用户管理等功能。(3)风情实时信息查询系统。根据取得的实时风情数据,在电子地图上动态刷新当前风速风向分布图,鼠标移动到站名显示当前数据接收的时刻,点击站名可显示风速变化过程线,并可生成日风速风向变化过程线、日风速风向报表供决策参考。(4)台风路径生成与查询系统。在电子地图上实现对台风的基本信息、当前路径、预报路径及预报台网、影响范围等信息的生成、修改、查询、报表统计和动态演示,并支持网上发布,还可对多种不同的预报信息进行对比,结合有关212003年第1期 水 利 科 技 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.历史数据和技术参数,提供防台抗台的决策支持。(5)卫星云图信息查询系统。实现基于WEB的对云图进行各类查询,动画演示等功能,如最新云图显示,云图查询,放大缩小,动画演示等功能。(6)防汛物资调度管理系统。系统利用WEBGIS技术,形象、直观、全面地为各级防汛部门提供基于WEB的防汛物资的在线申请、在线审批、进出库管理和基于电子地图的查询、管理、统计和分析。(7)抢险队伍组织管理系统。系统利用WEBGIS技术,在电子地图上实现抢险队伍组织情况的查询、统计和调度,以提高抢险救灾的快速反应能力。(8)地质灾害地理信息系统。系统将各种山地灾害分门别类地表现在电子地图上,通过多种方式实现对灾害点基本信息、趋势分析、灾情统计信息的查询、管理、统计、分析,并结合水雨情、防汛物资、抢险队伍等各个子系统的数据信息,在电子地图上直观全面地分析其对地质灾害的影响,为抢险决策提供支持。(9)渔排养殖调度管理系统。将WEBGIS与GPS定位功能相结合,对各地渔排养殖区域进行综合查询与统计分析,并在此基础上,结合台风、雨情和水情等系统的实时数据与预测预报结果,对渔排养殖的防台调度进行科学合理的统筹安排与管理。(10)洪水的预测预报。结合常规的洪水预报模型,研究给定降水区域的产汇流机制、汇流过程和洪水的时空分布,真实模拟洪水演进和淹没过程。(11)洪水风险分析和防汛抢险救灾指挥。可以利用灾害分析模型结合GIS进行灾前分析,提供最优、最科学和最实用的防灾减灾方案。也可以利用GIS的网络分析功能确定救灾物资调配的最佳路径,为受灾人员和财产的安全有效转移提供决策依据,为防汛抢险提供快捷服务。(12)进行灾情统计与评估。对快速采集来的洪涝灾害和洪水淹没情况进行综合分析与评价,统计灾害情况和估计社会经济损失。5WEBGIS应用的关键技术511WEBGIS主要构造方法51111CGI(Common Gateway Interface)方法CGI是WEB服务器调用外部应用程序的接口。它允许网页用户通过网页的命令来启动一个存在于网页服务器主机的程序,并且接收这个程序的输出结果。缺点是对于每一个客户机的请求,都要重新启动一个新的服务进程,当有多用户同时发出请求时,服务器的负担较重。同时由于地图缩放、漫游、选择等操作不能在客户端进行,需要传递到服务器进行处理,因而不能直接在客户端进行复杂的空间分析。51112 服务器应用程序接口(Server API)方法Server API类似于CGI,不同之处在于CGI程序是单独可以运行的程序,而Server API往往依附于特定的WEB服务器,只能在Windows平台上运行,其可移植性较差。但是基于Server API的动态连接模块启动后会一直处于运行状态,而不像CGI那样每次都要重新启动,其速度较CGI快得多。51113 插件(Plug-in)法GIS Plug-in是在浏览器上扩充WEB浏览器的可执行的GIS软件。GIS Plug-in的主要作用是使WEB浏览器支持处理特定格式的GIS数据,并为WEB浏览器与GIS服务程序之间的通讯提供条件。GIS Plug-in直接处理来自服务器的GIS矢量数据。同时,GIS Plug-in可以生成自己的数据,以 供WEB浏 览 器 或 其 它Plug-in显 示 使 用。对WEBGIS而言,GIS插件不但可以增加网络浏览器处理地理空间数据的能力,而且插件处理和传输的是矢量格式空间数据,其数据量小,网络也只需将GIS数据一次性传输,这样就加快了用户操作的反应速度,减少网络服务器的信息流量。51114ActiveX方法ActiveX是建立在OLE技术之上发展起来的因特网新技术,其基础是COM(Component Object Model),是为扩展Microsoft WEB浏览器IE功能而提供的公共框架。ActiveX控件和Plug-in非常相似,是为了扩展WEB浏览器的动态模块。所不同的是,ActiveX能被支持OLE标准的任何程序语言或应用系统所使用。相反,Plug-in只能在某一具体的浏览器中使用,在Netscape中则必须有特制的plug-in才能运行,其兼容性较差,并且只能运行于MS-Windows平台上。ActiveX控件目前只有IE全面支持。51115Java Applet方法Java语言具有跨平台特性、简单、动态性强、运行稳定、分布式、安全、容易移植等特点,因而是因特网上重要的编程语言。任何系统平台只要支持Java虚拟机就可以解释执行Java程序,而与程序在何种系统下开发和编译无关。512WEBGIS主要构造模型51211WEBGIS的B/S三层结构常见的WEBGIS的结构体系是由数据库、应用服务器和客户端组成的三层结构体系(见图3)。它把数据库和地理信息系统的应用逻辑分开,相对于最初的两层结构,数据库图3WEBGIS计算模型31水 利 科 技2003年第1期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图4GIS中间件的改变对应用的影响减少了。客户向WEB服务器通过HTTP协议请求数据服务,服务器返回HTML方式书写的服务页面。51212 基于中间件的B/S多层结构如果WEBGIS应用是建立在分布式数据库上,为了增强服务器端的处理能力和速度,服务器端的GIS应用也要求是分布式的。中间件技术可以解决这一问题。如图4是一个基于中间件技术的WEBGIS系统的模型,GIS应用服务器不是一个进程,而是由多个中间件组成的分布式的多个进程,用户的请求由中间件处理,中间件相互调用,一个进程是另外的进程的客户的同时又是别的进程的服务,调用关系比较复杂。进程所访问的地理数据库也不是单个的数据库,可能是一个分布式的异质数据库。51213WEBGIS的互操作模型为了解决WEBGIS系统之间的数据兼容性问题,开放地理信息系统协会(Open GIS Consortium,简称OGC)提出了WEBGIS的互操作模型,其应具有以下四个特征:(1)互操作性:允许数据在不同的WEBGIS系统之间无缝传输。一个应用系统中的应用可以调用另一个应用系统中的应用来完成逻辑上统一的任务。(2)可扩展性:要求尽可能利用已有空间数据设施,不做或少做改动,并且能够容纳以后新出现的GIS系统所生产的空间数据。(3)分布式特征:包括数据分布和应用分布。(4)良好的交互性:作为用户对WEB空间数据应用的需求,应当允许合法用户对已有的空间数据进行更新和删节。51214WEB空间数据处理的服务模型如图5所示,空间数据的显示(或可视化)要经过四个处理过程:从空间数据源中选择出要显示的地理实体的数据;把选择出来的地理实体数据组合生成一个显示元素的序列;将显示元素系列生成最终要显示的地图结果;将准备好地图送往显示设备进行最终显示。其步骤分别是:选择空间数据、生成显示序列、地图成形和地图显示。图5 地理空间数据可视化过程6 结语经过几年的发展,WEBGIS已经积累了丰富的构造方法和构造模型。单个WEBGIS向增强空间分析功能、处理分布式的多源数据方向发展;多个WEBGIS之间的互操作研究对于构建数字地球这样的伟大设想尤为重要。目前WEBGIS正处在发生重大技术变革的前夕,开放空间数据交换标准的出现将真正地实现空间数据的互操作和数据共享,数据库技术的发展和成熟使海量数据的管理和数据分析成为可能,分布式技术的成熟使分布式空间数据的访问、计算、存储成为现实,三维技术的发展将会通过互联网把人们带到一个虚拟的地理环境中,无线通信技术将WEBGIS应用从室内带到室外,极大扩展了其应用。在防汛信息系统中引入WEBGIS模式,将使防汛信息与空间信息更有机地结合在一起,以WEBGIS技术为支撑、以数据仓库和数据挖掘技术为手段,以水文、气象、社会经济和空间地理信息为基础构成的防汛指挥系统将开创防汛信息化建设的新局面。参考文献1陈述彭 1 地理信息系统导论M1 北京:科学出版社,200012王伟长 1 地理信息系统控件M1 北京:科学出版社,200013陈燕申 1 城市地理信息系统的系统分析与系统设计M1 北京:地质出版社,199914刘南,刘仁义 1Web GIS原理及其应用-主要WebGIS平台开发实例M1 北京:科学出版社,200215罗云启,罗毅 1 数字化地理信息系统Mapinfo应用大全M1 北京:希望电子出版社,20011作者简介:吴金塔(1963-),男,福建晋江人,福建省防汛办总工程师,河海大学博士研究生,主要从事水文预报、水库调度、计算机网络和计算机软件开发等工作;曾向明(1965-),男,福建晋江人,泉州市水利局副局长,主要从事防汛、水库调度和水利工程管理等工作。412003年第1期 水 利 科 技 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
