基于GIS的洪水风险图信息管理系统开发

第29卷第6期

水文

Vol．29No．6Dec,2009

2009年12月第6期JOURNALOFCHINAHYDROLOGY

基于GIS的洪水风险图信息管理系统开发

梁忠民1，王

军1，施

晔1，余钟波2

（1.河海大学，江苏南京210098;2.UniversityofNevada,LasVegas,NV89154,USA）

摘

要：阐述了基于GIS技术开发的洪水风险图信息管理系统的开发目标、开发环境，列举了系统常用的功能模块及具体

功能，根据洪水风险图信息管理系统应具备的功能设计了系统的逻辑结构，并应用于连云港市洪水风险图信息管理系统，取得较好效果。

关键词：GIS；洪水风险图信息管理系统；逻辑结构中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1000-0852(2009)06-0065-04

1引言

洪水风险图是指直观反映某一区域遭遇洪水时的风险信息

工作要以底层数据库作为支撑，风险图图层丰富，需要经常更新等特点，因此需要一个以数据库为基础，集合洪水风险图绘制、发布、更新等多种功能于一体的洪水风险图信息管理系统对洪水风险图进行管理。随着GIS技术的兴起和发展，尤其由于其强大的地图显示、图层渲染、数据存储组织、空间拓扑叠加分析、空间检索、模型分析功能等出色特点，使得基于GIS平台开发洪水风险图信息管理系统成为现实[5]。

笔者总结自己以往洪水风险图信息管理系统的开发经验，对基于GIS的洪水风险图信息管理系统的目标、支持环境、功能组成、逻辑构成、界面进行了具有一般意义上的设计。

的专题地图，包括数字化洪水风险图和纸质洪水风险图两种[1]，是重要的防洪非工程措施之一。国际上洪水风险图的发展要追溯到上个世纪五六十年代，首先兴起于美国，到了今天已经发展的较为完善，而我国洪水风险图发展的主要契机是在1998年之后。自“98洪水”之后，以防洪工程及预报调度为主的防洪体系已经初步形成

[2-3]

，但随着人类活动加剧，大大改变了流域的产

汇流特性，城市化的发展所导致的热岛效应、凝结核效应，常常导致“小水大灾”现象的出现；同时随着经济的发展，在洪水威胁下的生产力越来越密集，洪水多发与受其影响的财产密集之间矛盾越来越尖锐，致使洪水成为制约当代经济社会发展的重要因素。结合近年来治水经验可知，仅仅依靠工程措施防洪已显得力不从心，发展防洪非工程措施迫在眉睫，我国也因此开始了对作为重要防洪非工程措施的洪水风险图研制的第一阶段探索和尝试。进入21世纪，我国治水理念发生了较大转变，坚持科学发展观和新时期的治水思路，防汛抗旱工作“两个转变”的理论应运而生[4]。其中在防洪方面，水利部于2003年初明确指出，我国洪水工作实现“从控制洪水向洪水管理转变”的战略性转变，促进人与自然和谐发展。实现这一战略转变的重要工作之一就是洪水风险管理，而洪水风险图正是洪水管理的重要技术支撑之一。在总结和借鉴欧美发达国家及日本洪水风险图研制工作的基础上，我国洪水风险图编制工作于2005年在7大流域进行了试点，至此我国洪水风险图的编制工作进入发展机遇期。

从欧美发达国家和我国试点的经验来看，基于现代技术手段的洪水风险图的编制需要一个集成多种系统功能于一体的计算机系统平台作为支撑。由于洪水风险图编制资料要求多，绘制

2

2.1

系统开发目标及开发环境

开发目标

洪水风险图信息管理系统是以GIS为平台，集合洪水风险

分析计算、洪水风险图自动绘制，洪水风险图查询、更新、不同格式输出、洪水风险图发布等多种功能为一体的软件系统。根据它的常见基本功能，系统开发需要实现以下目标：①建立结构严谨、符合规范的数据库。强大的数据库系统是洪水风险图信息管理系统运行的基础，因此一个完善的，具有较好容错性和关联性数据库的构建对系统开发具有支撑性意义；②封装常见的水文学水力学计算模块。洪水风险图的绘制以洪水风险分析所提供的风险信息为基础，正确的洪水分析方法、精确的洪水风险分析结果是洪水风险图质量的技术保障；③实现洪水风险图的自动绘制。实现洪水风险信息自动分级、自动渲染、洪水风险统计信息图表的自动添加、多种图层的自动叠加、指北针、比例尺、图例自动插入等与风险图自动绘制相关的基本功能，从而实现技术规范、信息完备、版式布局合理的洪水风险图的自动绘制；④实现溃决洪水的动态模拟。模拟洪水实时演进过程，在条件允许

收稿日期：2008－11－06

基金项目：973基金（2007CB714104）；国家自然科学基金(50779013)；长江学者和创新团队发展计划(IRT0717)；江苏省创新基金(CX08B_105Z)作者简介：梁忠民(1962-)，男，辽宁凤城人，教授、博导，主要从事水文水资源方面研究。

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水文第29卷

的情况下，可以建立基于三维地形的洪水演进仿真系统，给用户以立体、逼真的感觉。增强用户对洪水过程的感性认识，为防洪决策提供帮助；⑤实现洪水风险图多种形式的输出，包括电子地图和纸质图两种形式；⑥实现洪水风险图网上发布。实现不同客户端的快速浏览和适当权限的管理；⑦实现洪灾损失的自动计算，集成洪灾损失评估模块。由于洪灾损失的大小、损失的空间分布、损失财产种类分布等对防汛抗旱部门决策非常重要，因此提供基于GIS和洪水风险分析的洪灾损失计算模块是洪水风险图信息管理系统的必要组成部分；⑧集成数据库维护模块。实现数据库的及时更新、备份和还原等功能，确保数据库安全；⑨基础信息的便捷查询和更新，尤其是洪水风险管理信息的查询和及时更新。

后再转换成等高（值）面，从而得到层次分明，界线光滑，具有较好视觉效果的洪水风险图。

（3）出图及发布模块。按照设计的制图版式，在对应的位置插入比例尺、指北针、图例、洪水风险统计信息表等地图要素，在绘制的洪水风险图的基础上，生成布局合理，信息丰富，符合规范的洪水风险图成图。系统集成地图的多种输出功能，如输出为JPG、

TIF、GIF等多种格式，也可以输出为可以用ArcGIS（美国ESRI公

司开发，国际GIS领袖，目前功能最强大，应用最普及GIS工具）桌面软件能够直接打开和编辑的MXD格式。同时系统还可以直接连接打印机，自主设定图幅大小、张数、横纵向等实现打印出图。最后根据需要，还可以在网上发布绘制的洪水风险图。

（4）洪灾损失评估模块。建立基于GIS网格的洪灾损失评估模型，在对社会经济信息和历史洪灾损失调查的基础上，确定洪灾损失评估模型所需要的部分参数。并对洪灾损失进行统计分析，对比不同行政单位及不同级别行政单位，不同经济财产分类的损失信息，可为防汛抗旱部门决策提供参考依据。在条件允许的情况下，还可以结合遥感影像对洪灾损失进行评估。

2.2开发环境

洪水风险图信息管理系统集成了很多以地图操作为基础的

功能，因此系统开发要以GIS为平台，但由于时下国内外GIS产品众多，风格各异，因此选择适宜的产品是首要解决的问题。

[5-6]

目前国际上比较著名的有美国Mapinfo公司的MapBasic、美国

ESRI公司的ArcObjects（AO）和ArcEngine（AE）以及我国国产GIS软件SuperMap等，它们各具特色，其中MapBasic较AO容

易，却不如AO功能强大，而对AO的开发需要安装ArcGIS桌面软件，它价格昂贵，开发成本较高。由此可知国际上比较流行的GIS软件，各有千秋，因此用户应根据实际需要和自身条件，对各种产品进行比对分析，从而选择最适合的产品。在实践的基础上，笔者推荐使用ArcEngine，它封装了AO常用的接口和模块，基本能够满足洪水风险图开发的需要，它既拥有像AO那样强大的功能，又弥补了AO需要大量资金成本的不足，开发时不需要安装ArcGIS桌面软件，在系统开发完成之后，可以脱离GIS环境独立运行。仅需要在运行环境中安装AE的Runtime即可。

4

4.1

系统逻辑框架设计

数据库设计

数据库建设是系统开发的基础性工作，因此设计并建立一

个库表结构符合专业规范，信息丰富完备的数据库是系统设计的首要工作，由于洪水风险图信息管理系统面临大量的地图操作需要，因此除了常规的数据库需要建设外，还需要建设地理数据库，对不同格式的地图数据进行管理。地理数据库是一个全新的空间数据模型，是建立在关系数据库管理系统之上的同一的、智能化的空间数据库，实现多种格式空间数据的统一管理，从而辅助计算机实现GIS较高的存储效率和空间分析能力[7]。数据库设计如下图1所示。

3系统功能模块设计

洪水风险图信息管理系统是一个集合洪水分析、风险图自

动绘制、洪灾损失评估等多种功能于一体的完整体系，一个能够独立运行并为防汛抗旱部门提供决策支撑的软件系统。若实现上述开发目标，则至少需要以下主要功能模块：

（1）洪水风险分析模块。针对不同的洪水风险分析对象，选择适宜的洪水风险分析方法。常见的方法有水文学法、水力学法、历史水灾法。利用以上方法，计算洪水淹没风险信息，如洪水淹没范围、最大水深分布、最大流速分布、到达时间分布以及不同时刻对应的洪水要素信息。这些分析成果为洪水风险图绘制提供风险信息，因此洪水风险图种类的多少取决于洪水风险信息的丰富程度。

（2）洪水风险图编制模块。在洪水风险分析的基础上，对相应的水文要素值进行分级，选择相应的色彩方案，分层渲染，可绘制最大淹没范围图、最大水深分布图、最大流速分布图、洪水到达时间分布图及不同时刻的淹没范围、水深分布、流速分布及流向分布图。在绘制以二维水力学法进行洪水风险分析的风险图时，要对绘制的洪水风险图进行光滑处理，因此需要集成网格光滑处理模块，通过此模块，按照分级结果，生成等高(值)线，然

4.2系统逻辑框架设计

洪水风险图信息管理系统是以常规基础数据库和地理数

据库为底层支撑，在洪水风险分析的基础上，对GIS进行二次开发，从而实现洪水风险图的自动绘制、洪水演进过程仿真

模

第6期梁忠民等：基于GIS

的洪水风险图信息管理系统

拟等功能的软件系统，它集成了上文所述的四种主要功能模块。除了这些主要功能外，系统还集成用户管理、帮助系统、数据库维护等多种功能，从总体上来说，系统可分为用户管理子系统、风险图制作子系统、风险图管理子系统、洪灾损失评估子系统、基础信息查询子系统及帮助系统。它们彼此之间一般直接或者间接通过数据库进行联系，其逻辑结构如图2所示。

险图信息管理系统的基本功能，界面设计如图3所示，其主要功能如图4所示。

图3洪水风险图信息管理系统界面

Fig.3Interfaceoffloodriskmapmanagementsystem

5洪水风险图管理系统界面设计

由于洪水风险图信息管理系统是基于GIS开发的，所以系

统主要界面尽量保持经典GIS桌面软件界面的风格，建议主界面包括菜单栏、工具栏、导航区、图层管理区、图层显示区、用户操作控件、状态栏。其具体功能如下：①菜单栏：调用不同模块，连接及切换不同界面，是进入各个不同子系统的入口；②工具栏：实现放大、缩小、漫游、全图显示、图层信息查询、距离度量等常用的功能；③导航区(鹰眼)：在使用工具栏中工具操作时能够为用户提供导航功能，并可以实现导航区和图层显示区的互操作；④图层控制区：控制图层的显示或隐藏，删除和添加等基本的图层管理功能；⑤图层显示区：这块区域占据大部分界面，此区域主要是用于显示地图，是多种操作如洪水风险图绘制等的显示区域；⑥用户操作控件：用户根据需要，选择相应的操作，实现选择方案下洪水风险图的自动绘制、输出等多种功能；⑦状态栏：随着鼠标在屏幕上的移动，实时显示鼠标所在位置的信息，如经纬度、纸张大小等。界面设置如图3所示。

按照洪水分析的结果，以石梁河水库库区、新沭河溃堤为例，石梁河水库库区不同频率洪水叠加图和新沭河50年一遇洪水范河闸溃堤淹没历时分布图，分别如图5、图6所示。

石梁河水库、新沭河、连云港市城区洪水风险图信息管理系统集成了多种功能，为研究区域防汛部门做出科学合理的决策提供了依据，满足了当地相关部门的应用需求，它的成功应用表明本文所述基于GIS洪水风险图信息管理系统设计是合理可行的。

6应用实例

江苏省连云港市北临新沭河，新沭河上接石梁河水库，因此

连云港市洪水风险可能来自水库溃坝、河道溃堤和市区内涝，故该地区的洪水风险比较典型和复杂，具有很好的代表性。以石梁河水库、新沭河和连云港市城区为研究对象，以GIS为核心技术开发的石梁河水库、新沭河、连云港市城区洪水风险图信息管理系统实现了洪水风险图的绘制及其查询、出图、输出为多种格式的图片、洪灾损失评估、风险信息查询、溃坝和溃堤洪水演进过程的动态演示等多种功能，具备了一个完善的洪水风

7展望

目前，洪水风险图主要为防汛抗旱部门运用，但从国外发达

国家洪水风险运用经验和洪水风险图的功能可以知道，随着社

68

库区淹没范围图

班庄镇

抗日山园艺场夹山乡

水文第29卷

会的发展，洪水风险图将会广泛地应用于土地利用规划、金融保险、洪水风险意识教育、城建规划等领域，这给洪水风险图的发展带来了机遇，同时也带来了挑战。由于国内目前风险图信息管理系统平台以C/S结构为主的现状难以满足未来发展的需要，因此洪水风险图管理平台需要进一步改进和完善，以适应各相

赣榆县

关领域发展的需求，在可以预见的未来，洪水风险图管理平台可

门河乡

欢墩镇

望在以下几个方面实现突破：①发展B/S结构，根据具体需要，可以考虑B/S和C/S结构结合使用，充分发挥各自的特长，做到优势互补；②平台服务分成多种层次，赋予基础用户、决策用户等不同级别用户不同的权限；③提高平台的可移植性和可扩充性，预留必要的接口如多种数据库接口、多种数据源接口等。④耦合洪水风险图和预报调度系统，实现洪水风险图实时动态绘制。参考文献：

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大岭镇

南辰乡

石梁河镇

东海县

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图5石梁河水库库区不同频率洪水叠加淹没范围图Fig.5Differentfrequencyfloodsubmergedareamapof

ShiliangheReservoir

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50年一遇洪水范河闸溃堤淹没历时分布图

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DevelopmenofFloodRiskMapInformationManagementSystemBasedonGIS

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(1.HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.UniversityofNevada,LasVegas,NV89154,USA）

Abstract:Thedevelopingtargets,developingprinciplesanddevelopingenvironmentoffloodriskmapinformationmanagementsystembasedonGISweregivenindetails.Thelogicframeworkofthiskindofsystemwasdesignedaccordingtothefunctionwhichthesystemshouldreferto,andsuccessfullyappliedtothefloodriskmapinformationmanagementsystemforLianyungangCity.Keywords:GIS;floodriskmapinformationmanagementsystem;logicframework