摘要：城市內(nèi)澇的提前預(yù)報(bào)是降低災(zāi)害損失的有效手段。為了解決城區(qū)暴雨瀝澇仿真模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和用戶訪問問題，開發(fā)了基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理平臺(tái)。該平臺(tái)包含了空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序、GIS服務(wù)和WebGIS客戶端。平臺(tái)根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，平臺(tái)針對(duì)靜態(tài)圖層和動(dòng)態(tài)圖層分別采用瓦片地圖服務(wù)和動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)，對(duì)于包含大量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖層采用WMS地圖服務(wù)，對(duì)于少量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖層采取WFS地圖服務(wù)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、空間、屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并且方便了用戶訪問。

關(guān)鍵詞：城市內(nèi)澇；空間數(shù)據(jù)庫；WebGIS；PostGIS；GeoServer

一、前言

城市內(nèi)澇是指由于強(qiáng)降水或連續(xù)性降水超過城市排水能力致使城市內(nèi)產(chǎn)生積水災(zāi)害的現(xiàn)象。國內(nèi)的許多城市由于城市迅速擴(kuò)張、天然水面銳減、地面硬化率高、城市排水管網(wǎng)建設(shè)滯后等原因造成內(nèi)澇現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。城市內(nèi)澇會(huì)嚴(yán)重影響人民生活并帶來生命財(cái)產(chǎn)損失，治理內(nèi)澇除了城市合理規(guī)劃、加強(qiáng)排水管網(wǎng)建設(shè)等長期措施之外，提前預(yù)報(bào)是將災(zāi)害損失降到最小的有效手段[1]。

城市內(nèi)澇的研究有三種方法：基于統(tǒng)計(jì)模型、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和水文模型，其中只有基于水文模型能夠做出精確到時(shí)間（天和小時(shí)）和范圍（社區(qū)）的提前預(yù)報(bào)[2]。近年來國內(nèi)外基于水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)研發(fā)了許多內(nèi)澇仿真模型，能夠模擬降水、產(chǎn)匯流、排水等內(nèi)澇過程，并且能夠預(yù)測(cè)內(nèi)澇范圍和積水深度[3]。其中以國外的暴雨雨水管理模型（SWMM），國內(nèi)的天津市瀝澇仿真系統(tǒng)為代表。需要說明的是天津市城區(qū)暴雨瀝澇動(dòng)態(tài)仿真模擬系統(tǒng)經(jīng)過20年的研究、開發(fā)和驗(yàn)證，已經(jīng)在全國北京、天津、武漢、南京、南昌、福州等多個(gè)城市試運(yùn)行或者部署運(yùn)行，本文接下來針對(duì)天津內(nèi)澇仿真系統(tǒng)進(jìn)行討論[4-5]。

天津內(nèi)澇仿真系統(tǒng)通常包括預(yù)處理、模型計(jì)算、后處理（顯示處理）三個(gè)子系統(tǒng)。預(yù)處理子系統(tǒng)：首先準(zhǔn)備河流水系、DEM高程、行政區(qū)、道路、排水管網(wǎng)、泵站閥門等圖層文件（Shpefile格式），然后使用ArcGIS對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行概化，生成網(wǎng)格、通道、結(jié)點(diǎn)等圖層，最后使用ArcGIS腳本程序?qū)D層文件進(jìn)行處理，生成文本數(shù)據(jù)文件以供Fortran計(jì)算程序讀取。模型計(jì)算子系統(tǒng)：模型計(jì)算的輸入是氣象數(shù)據(jù)和泵站、閥門開啟規(guī)則以及河流水文數(shù)據(jù)，輸出是積水預(yù)報(bào)結(jié)果。當(dāng)氣象條件（根據(jù)雨量站、雷達(dá)、數(shù)值預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)）滿足一定的邊界條件后啟動(dòng)程序進(jìn)行內(nèi)澇計(jì)算，計(jì)算程序基于二維非恒定流方程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果輸出文本文件。后處理子系統(tǒng)：讀取仿真計(jì)算產(chǎn)生的文本文件，以及預(yù)處理生成的圖層文件，生成某一次預(yù)報(bào)（例如某個(gè)時(shí)次的面雨量、最大積水水深預(yù)測(cè)、某一個(gè)時(shí)次積水水深、積水預(yù)警等級(jí)等）的結(jié)果（Shpefile文件格式），文件同時(shí)包括空間和屬性數(shù)據(jù)，不同時(shí)間的預(yù)報(bào)結(jié)果用不同文件名區(qū)別。用戶使用ArcGIS Desktop打開后處理生成的圖層文件進(jìn)行展示。

這種方式存在兩個(gè)嚴(yán)重問題。1.雖然內(nèi)澇仿真模型三個(gè)子系統(tǒng)都涉及地理信息系統(tǒng)GIS，但是三者使用不同的軟件或者計(jì)算工具。預(yù)處理使用ArcGIS Desktop軟件（使用了ArcGIS計(jì)算腳本），仿真計(jì)算采用Fortran程序，后處理也是用ArcGIS Desktop軟件。這樣做是因?yàn)镚IS軟件的數(shù)學(xué)建模和計(jì)算能力較差，無法直接建模內(nèi)澇模型。由于三個(gè)子系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，三個(gè)子系統(tǒng)之間通過文件傳遞數(shù)據(jù)，海量的數(shù)據(jù)文件難以進(jìn)行有效管理，這些文件既包括地圖圖層文件也包括文本數(shù)據(jù)文件，不同格式的文件傳遞增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。2.內(nèi)澇計(jì)算結(jié)果的展示是通過ArcGIS Desktop打開不同的圖層文件進(jìn)行，用戶端必須安裝龐大、昂貴的ArcGIS軟件。顯示需要在一個(gè)地圖文件上（MXD）疊加不同的圖層文件（Shapefile），操作很不方便并且要求用戶熟練掌握ArcGIS Desktop的技能，普通用戶難以使用。

針對(duì)以上問題汕頭大學(xué)和天津市氣象科學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真計(jì)算數(shù)據(jù)后處理平臺(tái)，通過建設(shè)該平臺(tái)一方面能夠?qū)?nèi)澇模型計(jì)算產(chǎn)生的時(shí)間、空間、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，另一方面方便了用戶使用。

二、平臺(tái)架構(gòu)

城市暴雨內(nèi)澇仿真系統(tǒng)包括預(yù)處理、模型計(jì)算、后處理（顯示處理）三個(gè)子系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)后處理子系統(tǒng)（顯示處理）包括數(shù)據(jù)庫、GIS服務(wù)、WebGIS客戶端、用戶界面四部分，下面分別對(duì)后處理平臺(tái)的每一部分進(jìn)行描述。

三、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序

（一）數(shù)據(jù)庫選型

城市內(nèi)澇仿真的計(jì)算結(jié)果同時(shí)包含空間、時(shí)間、屬性數(shù)據(jù)，是時(shí)空關(guān)系數(shù)據(jù)TGIS（Spatial-Temporal GIS），并且計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)量非常大。以天津氣象科研所開發(fā)的內(nèi)澇模型為例，天津主城區(qū)（不包含濱海新區(qū)等區(qū)縣）一次積水過程計(jì)算會(huì)產(chǎn)生超過10萬條記錄，整個(gè)系統(tǒng)一年會(huì)產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)3億多條。面對(duì)如此大數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)庫選型和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本系統(tǒng)采用帶有空間擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)PostgreSQL+PostGIS作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。采用上述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案是因?yàn)镻ostgreSQL和PostGIS開源免費(fèi)，支持OGC規(guī)范，支持多種空間數(shù)據(jù)類型和強(qiáng)大的空間處理函數(shù)，并且能夠和常用GIS軟件進(jìn)行對(duì)接。

（二）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)澇仿真系統(tǒng)需要展示不同時(shí)間、不同空間對(duì)象的屬性值，但是一般不需要針對(duì)不同空間對(duì)象進(jìn)行空間關(guān)系運(yùn)算以及跨時(shí)間的關(guān)聯(lián)分析，所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用TGIS中最常用的序列快照模型。序列快照模型是將一系列時(shí)間片段的快照保存起來，各個(gè)切片分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的狀態(tài)圖層，以此來反映地理現(xiàn)象的時(shí)空演化過程。序列快照方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)模型直接在當(dāng)前的GIS系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫總處于有效狀態(tài)，數(shù)據(jù)查詢快速方便，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余。

雖然所有的內(nèi)澇計(jì)算結(jié)果都同時(shí)包含空間、屬性、時(shí)間數(shù)據(jù)，但是其數(shù)據(jù)的空間部分往往是不變的，只有時(shí)間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)（積水深度、降雨量等）是改變的。預(yù)處理把計(jì)算區(qū)域離散化為許多不規(guī)則多邊形，內(nèi)澇計(jì)算結(jié)果是每一個(gè)不規(guī)則多邊形在某一個(gè)時(shí)刻的積水深度和積水等級(jí)。因此數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)可以把空間字段和時(shí)間、屬性字段放在不同的表里邊，通過視圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過這樣的設(shè)計(jì)可以大大減少數(shù)據(jù)冗余，極大地加快數(shù)據(jù)加載速度。因?yàn)椴樵儠r(shí)候需要關(guān)聯(lián)多個(gè)表，我們也想過使用物化視圖來加快關(guān)聯(lián)查詢，但是在使用過程中降低數(shù)據(jù)插入速度并且占用大量空間，經(jīng)過權(quán)衡之后沒有被采用。

（三）數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序

內(nèi)澇計(jì)算結(jié)果寫到數(shù)據(jù)庫有兩種方式。第一種是內(nèi)澇計(jì)算程序直接寫數(shù)據(jù)庫，第二種是內(nèi)澇計(jì)算輸出到文本文件，后處理程序把文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。由于內(nèi)澇模型涉及水動(dòng)力學(xué)，需要進(jìn)行大量的積分等數(shù)值計(jì)算，內(nèi)澇計(jì)算模型是使用Fortran開發(fā)，模型的開發(fā)者不熟悉關(guān)系數(shù)據(jù)庫，更習(xí)慣于輸出文本文件。在這種場(chǎng)景下，采用數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的方式比較合適，通過中間數(shù)據(jù)文件可以使計(jì)算程序和數(shù)據(jù)庫操作相互隔離，并且不需要引入復(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)（例如消息隊(duì)列、中間件等）。由于每次數(shù)據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)量很大，程序的運(yùn)行性能至關(guān)重要，數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序采用Java和JDBC開發(fā)。為了提高數(shù)據(jù)導(dǎo)入性能，在數(shù)據(jù)庫后臺(tái)開發(fā)了數(shù)據(jù)導(dǎo)入的存儲(chǔ)過程，數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序使用了批量處理和事務(wù)處理，大大減少程序和數(shù)據(jù)庫的交互次數(shù)。

四、WebGIS

WebGIS是內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示和用戶交互操作的核心[6]，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（一）GIS服務(wù)

本系統(tǒng)采用GeoServer作為地圖服務(wù)軟件，GeoServer開源免費(fèi)，支持OGC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并且內(nèi)置支持PostgreSQL，可以直接將PostgreSQL的空間表（或者視圖）發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)。

為了提升系統(tǒng)性能將圖層分為靜態(tài)圖層和動(dòng)態(tài)圖層，并且采用不同的方法處理。靜態(tài)圖層采用靜態(tài)瓦片地圖服務(wù)（WMTS），動(dòng)態(tài)圖層采用動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)（WMS、WFS）。靜態(tài)圖層包括基礎(chǔ)底圖、河流水系、DEM高層、雨量站、排水管網(wǎng)、泵站閥門、網(wǎng)格、通道、結(jié)點(diǎn)等，這些圖層一般不會(huì)發(fā)生變化，除了基礎(chǔ)底圖（采用天地圖和政務(wù)一張圖）外其他圖層都是在預(yù)處理過程中生成。靜態(tài)圖層的數(shù)據(jù)處理流程如下：在預(yù)處理階段通過GIS桌面版軟件（QGIS、ArcGIS）處理生成靜態(tài)并加載到空間數(shù)據(jù)庫，使用GeoServer自帶的GeoWebCache工具生成不同比例尺的瓦片地圖，然后在發(fā)布為WMTS（瓦片服務(wù)協(xié)議）。瓦片是預(yù)先生成并存放在服務(wù)器端的圖片文件，省去了在服務(wù)器端實(shí)時(shí)計(jì)算生成圖片帶來的服務(wù)器的負(fù)載，也避免客戶端實(shí)時(shí)渲染（WFS）所帶來的客戶端的卡頓。瓦片地圖是一種以空間換時(shí)間的策略，能夠大大提高響應(yīng)速度。

動(dòng)態(tài)圖層包含雨量站面雨量、雷達(dá)估算面雨量、數(shù)值預(yù)報(bào)面雨量、最大積水、積水過程等圖層，其中最重要的是積水預(yù)報(bào)圖層。其中自動(dòng)雨量站的數(shù)據(jù)通過氣象接口傳遞進(jìn)來，雷達(dá)估算面雨量和數(shù)值預(yù)報(bào)面雨量是氣象預(yù)報(bào)的產(chǎn)品，這些雨量數(shù)據(jù)經(jīng)過面插值到不規(guī)則網(wǎng)格（內(nèi)澇預(yù)處理生成不規(guī)則網(wǎng)格）上。最大積水、積水過程等由仿真模型計(jì)算實(shí)時(shí)生成。動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)包括空間數(shù)據(jù)庫和GIS Server兩部分。具體而言GIS Server建立到空間數(shù)據(jù)庫的鏈接，然后把空間表（或者連接了空間表的視圖）發(fā)布成WMS、WFS服務(wù)，以供WebGIS客戶端訪問。

對(duì)于動(dòng)態(tài)圖層也分為兩種情況，對(duì)于數(shù)據(jù)量很大的圖層（例如最大積水、積水過程），采用GIS服務(wù)器動(dòng)態(tài)生成圖片的方式發(fā)布地圖服務(wù)，地圖服務(wù)采用WMS協(xié)議。這樣做是因?yàn)楫?dāng)前瀏覽器的JavaScript引擎在渲染顯示大量地圖要素時(shí)候性能很差。對(duì)于數(shù)據(jù)量比較小的圖層（例如積水片區(qū)、社區(qū)）采用WFS發(fā)布地圖服務(wù)，WFS根據(jù)查詢條件動(dòng)態(tài)輸出Json格式的數(shù)據(jù)文件，相對(duì)于傳輸圖片可以大大減少客戶端和服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸量，此外在瀏覽器客戶端渲染地圖有更好的用戶交互性。

（二） WebGIS客戶端

WebGIS客戶端基于HTML+Javascript，使用OpenLayers作為地圖開發(fā)的API類庫。OpenLayers很好地支持動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)WMS、WFS和WMTS（瓦片地圖服務(wù)），并內(nèi)置實(shí)現(xiàn)了地圖顯示和地圖交互（放大、縮小等）。WebGIS的程序流程如下：瀏覽器加載HTML5的Web頁面，執(zhí)行JavaScript程序，JS程序向GIS Server發(fā)起WMS、WFS、WMTS請(qǐng)求，然后把地圖顯示在瀏覽器頁面上。JJS發(fā)起WMS的GetMap請(qǐng)求到GIS Server，GIS Server連接數(shù)據(jù)庫發(fā)起查詢請(qǐng)求，然后根據(jù)查詢結(jié)果動(dòng)態(tài)生成地圖圖片，JS對(duì)返回的圖片經(jīng)過拼接處理后在瀏覽器上顯示。對(duì)于數(shù)據(jù)量比較小的圖層（例如積水片區(qū)、社區(qū)），Openlayers調(diào)用WFS服務(wù)獲取Json然后在客戶端渲染。采用客戶端渲染會(huì)有更好的用戶體驗(yàn)，例如當(dāng)用戶更改地圖縮放比例和顯示范圍的時(shí)候不需要重新從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)鼠標(biāo)移動(dòng)到某個(gè)地圖要素上面動(dòng)態(tài)更改要素的顯示樣式等交互性功能。WebGIS客戶端發(fā)起WMS請(qǐng)求的UML序列圖如圖2所示，WFS請(qǐng)求流程除了服務(wù)協(xié)議不同外，其流程和WMS一樣。

五、用戶界面

城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)的顯示界面包括圖層選擇區(qū)、日期時(shí)間選擇區(qū)、地圖、地圖縮放工具、色標(biāo)組成。圖層選擇區(qū)包括一些選擇框，可以控制某個(gè)圖層（或者圖層組）的顯示和隱藏，并支持多個(gè)圖層的動(dòng)態(tài)疊加。日期時(shí)間選擇區(qū)：手工輸入或者用日期時(shí)間選擇控件選擇時(shí)間， JavaScript會(huì)發(fā)起WMS或者WFS請(qǐng)求，把時(shí)間作為參數(shù)傳遞給后臺(tái)GIS Server，后臺(tái)返回該時(shí)刻（或者時(shí)間范圍）的地圖圖片（WMS的GetMap）或者要素集合（WMS的GetFeatureInfo或者WFS），客戶端經(jīng)過渲染處理后在瀏覽器上顯示。最大積水只有一個(gè)啟報(bào)時(shí)間而積水過程有兩個(gè)時(shí)間，一個(gè)是啟報(bào)時(shí)間（也就是內(nèi)澇計(jì)算的時(shí)間），一個(gè)是預(yù)報(bào)的時(shí)間。

六、結(jié)語

基于WebGIS的城市內(nèi)澇仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理平臺(tái)作為天津內(nèi)澇仿真系統(tǒng)的重要組成部分于2015年3月開發(fā)成功，并且在天津市主城區(qū)、天津市濱海新區(qū)、天津市氣象臺(tái)等多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)成功部署。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、空間、屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，該系統(tǒng)方便了用戶訪問，用戶只需要使用瀏覽器就可以瀏覽和查詢面雨量、積水預(yù)測(cè)、積水預(yù)警等預(yù)測(cè)結(jié)果。經(jīng)過多年的實(shí)際使用，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且為后續(xù)其他功能的實(shí)現(xiàn)（包括復(fù)雜數(shù)據(jù)查詢、自動(dòng)存圖等）提供了良好的平臺(tái)支撐。

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作者單位：汕頭大學(xué)

責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津