基于GIS的西藏水利工程信息管理系統研發*

陳翔宇 郭永剛

西藏農牧學院水利土木工程學院，西藏 林芝 860000

截至2018 年底，西藏已經建成水庫約為112 座，總庫容達到約34 億立方米，且大型水庫就達到了七座。面對如此數量眾多的水利工程，西藏還在沿用傳統的數據管理系統，方式落后，效率低下，甚至有些水庫處于偏遠地區，出現無人值守的情況。這種方式不僅不能滿足水利工程日常的運行維護，而且不利于行政主管部門對西藏中小型水庫的管理。同時自治區負責信息管理的技術人員數量有限、對水利工程業務了解不足，尤其缺乏信息管理專業人員，這就使得安全檢測分析、預報調度方案工作開展變得困難，進而導致相關業務系統建成之后不能有效的發揮其作用［1］。目前，自治區水利工程的基本監測設施布置還不夠完善，只有部分水利工程布設了自動化監測設備，很多偏遠地區甚至連基本的監測設施都沒有布置，這就造成了信息來源不透徹；自治區部分水庫雖然已經建立信息化，但仍處于分專業，單機管理狀態，各水利工程分散建設，通用性、擴展性差，缺乏多源信息的有效融合，這就造成了信息孤島，各分級部分批次單獨工作，互聯互通不廣泛；此外，大部分水利工程監測數據無法及時處理分析，工程安全狀態的實時評價工作也就無法及時開展，使得安全預警工作變得極為困難［2］。

針對西藏水利工程基本信息的管理、數據共享、查詢和統計分析的需求，本文基于C/S 架構建立了西藏水利工程信息管理系統。利用GIS二次開發技術的優勢，將西藏水庫信息以圖層的形式顯示出來，并且在圖層上用點要素標注水庫的具體位置；利用Chart將西藏水利建設概況以圖表的形式直觀的顯示出來；并且基于裝箱拆箱的思想，將西藏各水利部門分管的水利樞紐信息以集中和拆分的形式進行信息管理，提升系統的綜合集成能力，分級水利部門又各自獨立，更加科學地為水利樞紐調度管理提供統一、高效、便捷的遠程管理平臺［3］；最后，利用完備且強大的數據支撐，結合機器學習為水利工程災后的損失做出精確評估和決策。

1 系統功能分析與關鍵技術

1.1 系統功能分析

該系統主要有信息管理、圖層信息、信息統計、評估決策和用戶管理等功能［4］。其中信息管理功能主要是實現對水庫基本信息的增刪改查等功能，并且能夠將水庫信息以Excel 的形式導出到本地存儲；圖層信息功能主要是利用ArcGIS Engine 在系統中對圖層進行二次開發，能根據水利工程的經緯度獲取其具體位置，并以圖層的形式存儲其基本水文信息；信息統計功能主要是將西藏自治區歷年水庫工程建設概況、投資建設概況以Chart 的形式展現給用戶；評估決策功能主要是根據數據庫大量的數據支撐，通過散點圖將其數據可視化呈現各用戶，利用線性回歸等方法為水利工程進行災后損失評估，并對未來的建設與維護做出決策；系統管理功能主要是將用戶分為不同的等級，不同等級的用戶獲取不同的操作權限；具體功能結構如圖1所示。

圖1 系統總體功能結構圖

1.2 開發關鍵技術

1.2.1 Net Framework 框架。Framework 框架主要使用C#進行編寫，其包含的WinForm 可視化窗體設計器是用于桌面應用開發的UI框架，使用Windows窗體可以開發制作出易于部署和更新的智能客戶端應用，在脫機狀態下或者連接到Internet 網絡都可以使用［5］。其內置的CLR 托管負責分配和釋放內存并處理對象生成期，不像C++等其他語言開發的應用程序任何人都可以自由訪問內存，比傳統的MFC開發的應用程序更加快捷和安全，這就保證了西藏水利部門人員在使用該系統的時候能夠有更加簡潔方便的操作界面，并且進行信息共享的同時還能降低其數據泄露的風險。

1.2.2 ArcGIS Engine 二次開發。ArcMap 是大家所常用的一款地圖制圖、圖編輯與分析的桌面應用程序，但是如何將地圖編輯功能與實際工程應用相結合起來一直是個問題，基于這個問題，ArcGIS Engine 于2004 年發布于美國ESRI，此開發包提供了一系列可以在Arc-GIS Desktop 框架外使用的組件，為實際工程中使用地圖數據編輯與處理提供了一種新的思路與方法。

此系統建立了基于C/S 的ArcGIS Engine 的二次開發平臺，將西藏自治區的矢量地圖數據，河流湖泊數據，經緯度信息，水利工程位置屬性信息等疊加發布，構建了基于GIS 的西藏水利工程地理圖層［6］。使用戶能夠在系統中能夠獲取西藏自治區詳細的河流湖泊分布信息，以及通過點要素的形式直觀展現水利工程的位置，并且通過點擊某水利工程的點要素，可以獲取該水利工程的詳細工程信息，用戶可以根據自己的需求快速的在地理圖層中獲取所需信息。

1.2.3 利用決策樹算法評估與決策。系統使用了決策樹分類與回歸算法，分類算法主要對離散數據進行處理，因此可以對水利工程受災時進行受災程度的判斷，將水利工程受災嚴重等級劃分為0、1、2，再根據樣本集訓練得出模型，利用模型對嚴重程度進行分類判斷［7］?；貧w算法主要是對連續型數據進行處理，因此可以根據水利工程的設計造價以及附近淹沒耕地面積和人口損失等特征設計樣本集，訓練樣本集得到回歸模型進行經濟損失的預測。用戶可以利用此功能對災后的水利工程進行快速的經濟損失評估，并迅速的做出決策判斷。

2 系統總體設計

系統總體是由使用端、基礎應用層、應用支持層、數據資源層、基礎設施層、數據采集層幾部分構成［8］，其各部分功能具體如下：（1）使用端：主要是利用PC端在線使用該水利樞紐信息管理與評估系統，并且將用戶分為水利廳、各市級水利部門、各縣級基層部門，每個權限等級對應不同的功能。（2）基礎應用層：用戶可以使用系統平臺的一些基礎應用功能，包括圖層管理、水利工程地理圖層、水利工程災后損失評估與決策等。（3）應用支持層：是為了在應用層所使用的一些系統功能和相關的計算機技術提供支持，如GIS平臺、日志管理、授權管理、Chart、機器學習等。（4）數據資源層：主要是對于整個系統所使用的數據庫，包括用戶管理數據庫、水利樞紐信息數據庫等。（5）基礎設施層：主要是系統所涉及的一些外部硬件設施，包括相關硬件設施以及存儲管理設備等。（6）數據采集層：是平臺獲取數據的途徑，包括基本信息數據的錄入和修改，大壩信息數據，受災具體情況數據等，總體框圖如圖2所示。

圖2 系統總體架構圖

3 數據庫設計

信息管理離不開數據的支撐，數據是系統正常運作的必要前提，只有在完備的數據基礎上系統的功能才能得以實現，此次設計的西藏水利工程信息管理系統使用的數據庫管理平臺為Mysql+Navicat將各數據進行一體化管理。水利工程信息管理系統數據庫設計嚴格遵循《基礎水文數據庫表結構及標識符標準》《水資源監控管理系統數據庫表結構及標識符標準》等管理規范［9］，根據西藏自治區水利數據采集傳輸、動態顯示、共享交互，以及數據存儲、挖掘、分析的需求，完成元數據庫、基礎數據庫、空間數據庫、共享數據庫的字段設計與功能設計，基本實現對基礎數據的統一管理和存儲，見圖3。

圖3 系統數據庫的設計

元數據庫是系統能夠實現相應功能的關鍵，其包含了基礎應用層、應用支持層的重要數據，是整個系統的核心［10］；基礎數據庫則包含了整個系統最全面的基礎信息，空間數據庫主要類型是點、線、面，包含了西藏自治區的市區邊界、河流信息、湖泊信息以及各水利工程地理位置信息，而共享數據庫是存儲了根據用戶身份信息來判斷是否開放的基礎數據。

4 系統功能實現

4.1 系統管理功能

系統將登錄用戶權限分為水利廳、主管部門和基層部門三個等級［11］。其不同等級的系統登陸界面如圖4所示。

圖4 系統登錄界面

4.1.1 用戶登錄。用戶在選定自己身份后，需要輸入賬號，密碼和驗證碼，所有輸入項與數據庫一致才能登錄成功，進入系統管理界面。

4.1.2 用戶管理。水利廳賬號等級權限最高，可以查看和修改主管部門、基層部門的賬號信息，而主管部門和基層部門的用戶只能查看自己的賬號信息［12］。

4.1.3 退出系統。在完成各項管理和維護工作之后，用戶可以通過點擊退出系統按鈕安全退出系統，信息會直接保存在數據庫中不會丟失。

4.2 信息圖層功能

水利工程信息圖層功能效果如圖5所示。其主要是利用了ArcGIS Engine 的二次開發功能，首先在Arc-Map 中將自治區某市邊界、該市的河流湖泊等要素制作成地圖文件，在將水利工程位置以點要素的形式添加在地圖上，編輯點要素的屬性表，將水庫的基本信息存儲到屬性表中［13］。之后在系統中利用二次開發功能，讀取本地地圖文件，選中某點要素（某水利工程），使其高亮顯示，雙擊該點要素還可彈出新窗體顯示該點水庫的基本信息，并能根據獲取到的經緯度利用高德地圖API(應用程序接口)查詢到該水利工程的具體地理位置。

圖5 信息圖層功能展示

4.3 信息管理功能

4.3.1 水庫信息錄入。如圖6 所示，基層用戶可以使用該系統將自己負責的地區水利工程的各項基本信息輸入到界面中，并且點擊添加按鈕后在Mysql 數據庫中形成一條水利工程記錄［14］，具體效果如圖6所示。

圖6 水利工程信息錄入功能

4.3.2 水利工程信息管理。根據C#語言中的裝箱拆箱原理，先將自治區全部水利工程的信息存儲到數據庫，再根據自治區各級部門的權限分別設定了水利工程信息管理功能，原理圖如圖7 所示。根據用戶權限不同，水利工程信息可操作的功能也不同。水利廳用戶登錄可以查看全部水利工程信息，但是沒有修改權限，需要聯系基層部門進行修改；主管部門用戶可以查看自己轄區內的中小型水利工程（大型水庫由水利廳專門負責），同樣的修改權限也是需要聯系基層部門；基層部門用戶只能查看和修改自己縣區域所管水利工程。

4.3.3 水庫信息檢索［15］。為了方便基層用戶快速的對某一水利工程信息的快速檢索，用戶可以根據水利工程所在地區搜索某一區域內的所有水利工程信息，或者根據某一水利工程的名稱來搜索該水利工程的基本信息，如圖8所示為搜索阿里地區的結果。

圖8 水利工程檢索功能

4.4 災后評估與決策功能

水利工程災后評估與決策模塊主要包含了水利工程受災情況、水利工程災后評估和水利工程災后決策子模塊［16］。水利工程受災情況子模塊能夠從數據庫或者本地文件中讀取數據，并以Chart的形式直觀的展示給用戶，使用戶能對水利工程歷年受災情況有基本的了解；水利工程災后評估子模塊則是使用了決策樹回歸算法，根據具體的某個水利工程造價數據，在發生自然災害（如地震、滑坡、泥石流等）之后，結合災后受影響的耕地面積、房屋損失、人口損失等因子形成數據文件，將數據文件當作樣本集進行訓練，得到具體的訓練模型，再根據模型來對新的數據集進行經濟損失預測；水利工程災后決策子模塊是通過決策樹分類算法來分析此次災害對大壩的損害程度是否嚴重。該模塊旨在實現水利工程在受災之后的快速經濟損失評估，并且用戶能夠在災后快速的做出決策，為實時、快速、全面掌握水利工程的受災形式及采取有效的救災措施提供科學依據，如圖9是決策樹分類的功能示例圖。

圖9 決策樹分類功能

5 結語

本文以現代信息技術和水利工程建設的深度結合為切入點，以西藏水庫水壩為設計實例，結合GIS二次開發等功能建立了西藏水利工程信息管理系統。該系統實現了西藏自治區全部水庫信息存儲的海量存儲與共享，為水利廳、各市級水利部門、各基層部門對各自分管的水庫提供基礎的信息服務功能。鑒于西藏水利資源豐富，水庫位置分布范圍較廣，信息搜集是一個艱巨的任務，因此建立一個健全的數據庫是非常必要的。加強對系統用戶的培訓，使他們將系統應用于日常管理任務中，提高他們的日常工作效率，提升水庫應急管理與決策能力水平。