防汛抗旱水文气象综合业务系统的开发与应用

　　“防汛抗旱水文气象综合业务系统”是在计算机网络和地理信息系统支持下，以50年以来的历史和实时雨情气象信息综合数据库为核心，集水文气象信息的收集、处理、管理和应用于一体，为国家防汛抗旱工作及时准确地提供雨水情和天气的实况、预测及分析成果的综合信息服务业务系统。水利部水利信息中心1993年开始进行系统的开发建设，1995年投入业务运行，多年来边应用边改进扩充，目前已成为国家防汛抗旱工作不可替代的重要信息服务系统。由于系统体现了现代信息技术的先进水平并在防汛抗旱工作中发挥了显著效益，被评为2002年度国家科技进步二等奖。

　　一、系统开发的技术路线

　　1．计算机网络和软硬件环境

　　系统在水利部计算机网络的支持下建立运行。硬件系统由3台服务器、多台专用计算机和大量的客户计算机及输入输出外围设备组成。软件系统是操作系统为Windows98/2000/NT，数据库采用MS SQL Server数据库系统，开发工具选用Delphi系统。

　　2．地理信息系统业务应用

　　以地理信息系统软件为基础建立业务应用系统存在如下问题：第一，支持大量用户的地理信息系统软件价格昂贵，系统建设运行成本大大提高；第二，系统灵活性差，升级发展受到制约；第三，不利于推广。为此，本系统开发采用了在地理信息系统软件环境中进行图形数据输入编辑和算法研究调试，脱离地理信息软件支持进行业务系统开发和运行的策略，取得了令人满意的效果。

　　3．基础数据环境和数据标准化建设

　　首先确定系统的地图投影标准，建立了全国统一的地理坐标系，其次又确定了系统点、线、面数据标准和格式。在建立雨情气象实时资料数据库的基础上，逐步建立了近50年来我国降水、热带气旋、致洪暴雨资料库以及北半球历史再分析天气资料库，同时还建立了水文气象测站数据库，全国行政、流域和降水气候区划图和代码数据库，为深入分析雨情和天气创造了基本条件。

　　4．以应用需求为动力，建立系统持续发展模式

　　为了使系统在适应科学技术发展的同时又能保持较长久的生命力，在建设中采取了滚动开发的方针，即做好系统基本框架设计和基础数据库设计，开发基本应用模块，实现基本功能并投入业务应用，以此为基础将系统开发逐步深入，对各种应用需求随着技术条件的成熟逐项解决。在进行每一步开发工作时为下一步工作打好基础，同时不断进行新功能的研制试验并陆续改造早期投产的已不适应应用需求的旧产品，逐渐形成了研究试验-开发调试-业务运行-维护改进的循环过程，从而实现了系统的持续发展。系统规模和应用范围逐渐扩大，功能不断增加，用户也越来越多。

　　二、主要成果

　　1．雨情气象信息接收处理应用计算机系统

　　在水利部计算机网络环境支持下，目前已建成了具有相当规模的雨情气象信息计算机网络环境和服务器/客户机业务运行系统。其中两台服务器承担业务运行任务，分别为数据库运行服务和业务处理及用户服务，且互为备份，另一台为研究试验和调试测试用服务器。专用计算机完成大量的自动和定时任务以及系统状态监控，包括卫星云图接收处理、水文站雨量资料接收入库、中国气象局资料(地面高空观测报告、数值预报格点资料、气象传真图、热带气旋警报等)接收解码入库、天气雷达资料接收解码、固定时段雨量图制作、旱情监视产品制作、致洪暴雨天气信号提取、对外服务产品发布传输、系统运行调度控制和安全监测等。系统长年连续运行，稳定可靠并高度自动化。

　　2．雨情气象信息数据库

　　(1)实时数据库
　　实时数据库信息包括降水量、地面天气、高空天气、热带气旋、卫星云图、天气雷达、气象传真、数值预报格点资料等。其中降水量、地面高空天气、热带气旋资料存人关系型数据库，其他数据为图像数据或格点数据，主要存储管理方式是将数据描述部分存入关系型数据库，数据体为文件形式存储。

　　(2)历史数据库
　　系统建立了近几十年以来的历史雨情气象资料数据库，存有基本气象站逐日、旬、月雨量观测值，多年平均值，降水概率和多层次多要素的历史再分析格点数据。同时还建立了历史热带气旋数据库和历史致洪暴雨数据库，存放的内容有数据、文字和图像。基础数据库为全国水文站基本资料、气象站基本资料、全国行政区划图、流域区划图、降水气候区划图和相关区域代码及特征参数资料以及其他基础资料。

　　3．雨情气象信息加工产品

　　系统以实时和历史水文气象观测数据为原料，对其进行了一系列加工处理，制作出大批适合防汛抗旱工作需要的信息产品，主要内容为：①多通道卫星云图、云分类图、降水率估算图，②定时气温分布图、最高最低气温分布图、日平均气温分布图，③点雨量分布图、面雨量分布图、流域面平均雨量和不同量级降水笼罩面积，④测站和流域面平均雨量、雨量均值、雨量距平、降水概率、时间序列，⑤蒸发能力分布图、土壤缺水量分布图、水文气象干旱等级分布图、旱情变化分布图，⑥实时热带气旋预警图、历史热带气旋路径和雨量分布图，⑦地面高空天气图、天气分析等值线图，⑧气象特征信号场、特征信号时间序列，⑨历史致洪暴雨雨量和天气图、历史实时雨量偏差图。系统产品以图形、图像、表格、文字等多种形式提供，一部分为定时自动加工，大部分在人机交互方式中根据用户要求制作，速度快而且美观实用。

　　4．雨情气象信息服务体系

　　(1)客户端服务
　　以在用户计算机上安装应用软件的方式提供。服务对象为水利部机关计算机局域网防汛抗旱专业用户，包括水利部领导和有关人员，用于防汛抗旱雨情气象监视预警、调度决策会商和专业技术咨询服务，具有系统的全部应用功能，产品提供速度快，操作方便，是国家防汛抗旱工作的主要应用方式。

　　(2)水利系统网络浏览器服务
　　水利系统广域网的计算机用户，在网络浏览器上键人服务地址即可使用，为全国水利系统及接入水利系统网络的其他专业部门用户提供远程服务。

　　(3)电子信箱数据传输服务和远程维护
　　实时雨情气象信息服务系统和热带气旋信息系统已向全国推广，系统专门为这些用户开发了远程数据服务和系统维护功能，实现了用户实时数据库的准同步数据自动更新。同时系统管理人员还能够应用互联网向用户提供系统远程维护服务。

　　(4)卫星广播服务
　　为了向水利系统广大的基层用户提供信息服务，系统开发了雨情气象信息产品卫星广播服务功能，通过水利系统通信卫星广域网向用户提供卫星云图等信息服务。

　　(5)互联网水文网站服务
　　系统为水利部水文信息网站提供实时卫星云图和全国雨量图，通过网站浏览器主页向社会公众提供信息服务。

　　(6)图表发布
　　系统绘制的全国日雨量、旬雨量、月雨量及雨量距平图汛期每天向国务院领导、国家防汛抗旱总指挥部各成员单位的领导和专业部门、水利部有关领导和部门发送，还根据需要随时打印输出各种产品，为国家防汛抗旱指挥决策提供参考信息。

　　三、关键创新技术

　　1．五项数据融合与数据挖掘技术

　　(1)干旱分布图制作
　　将气象模型和水文模型融合，用气象资料计算蒸发能力，再将蒸发能力、降水量和其他水文参数输入水文模型计算土壤缺水量并根据土壤缺水程度确定干旱等级。以逐日定时计算的方式自动获得全国旱情分布图，实现了大范围旱情实时动态监视。

　　(2)面雨量计算
　　系统采用水文资料、气象资料和流域图等多元信息融合的空间分析方法在制作雨量分布图的同时计算面平均雨量，快速提供了定量、准确、直观的雨量图和雨情分析统计成果。

　　(3)热带气旋知识提取
　　将热带气旋特征进行结构化表述，设计了面向问题的历史热带气旋组合查询模型，根据不同的分析需要快速提取显示相关热带气旋的详细资料和分析成果，实现热带气旋预报预警。

　　(4)致洪暴雨信号场分析
　　在致洪暴雨天气分析中采用了空间数据时间演变分析方法，在大量的数据观察和研究试验的基础上，以简单明确的信号场统计指标描述复杂的暴雨天气形势空间分布特征，通过对指标数据的时间序列分析提取致洪暴雨天气信号，达到预警的目的。

　　(5)卫星云图估计降水区
　　建立了云图自动分类方法，通过对4个通道(可见光、水汽、红外1、红外2)云图的分类处理，识别图像中的降水云，对降水云建立一维云模式降水估算模型，每小时自动估算降水率，提高了降水监测时效，也为面雨量空间插值提供了参考依据。

　　2．四项产品服务与应用推广技术

　　(1)地理信息空间分析软件开发应用
　　1998年自主开发了地理信息空间分析等业务运行部分的功能并形成运行模块，使系统的业务运行脱离了商业地理信息系统软件环境的制约，显著降低了运行成本和推广应用成本，扩大了用户范围，提高了灵活性和适应性。

　　(2)互联网浏览器应用
　　2000年成功地开发浏览器人机交互数据库查询和图面查询、图形加工制作、数图分析等地理信息系统应用功能，将业务运行搬到互联网上，实现了远程流动办公，同时将系统用户扩展到广域网和各专业部门。

　　(3)异地数据库和系统远程操作及管理
　　成功地开发了基于Email的数据库操作对象传输功能，对推广应用的系统不仅提供自动化的数据传输服务，还提供数据库和系统管理维护服务，实现了远程用户的数据库实时自动更新和系统远程维护，免除了用户的后顾之忧。

　　(4)卫星广播应用
　　开发了卫星广播信息服务功能，通过卫星广播将卫星云图等产品传送到建立水利系统通信卫星地面站的水库等基层单位，实现了系统产品应用的大面积覆盖。

　　3．三项系统集成技术

　　(1)多学科和多种技术集成
　　系统开发将水文学、气象学和计算机科学的基础理论和方法有机地结合，成功地集成了地理信息系统、遥感、数据库技术、互联网应用及管理、病毒防护、远程维护等多学科的10多项先进技术，实现了多种技术的高度集成。

　　(2)多源数据和多种功能集成
　　系统集水文气象测站观测数据、卫星遥感及雷达资料、数值模式输出数据、基础地理信息数据等不同性质、不同数据源、不同数据类型的实时数据和历史数据于一体，集信息收集、管理、处理、分析、应用于一体，实现了异型数据库和多功能应用软件模块的无缝链接，使系统既有动态监视功能又有预测分析能力，及时有效地为防汛抗旱提供决策支持。

　　(3)科研和业务环境集成
　　系统的计算机软硬件环境建设将科研开发需求和业务运行需求集于一体，在数据标准和规范制定、地理信息系统和其他专业软件应用、服务器配置和运行管理等方面采取了有效措施，使系统同时具有稳定可靠的自动业务运行环境以及方便灵活功能全面的研究试验环境，做到了研究试验、技术开发和业务应用的平稳衔接，实现了系统的不断完善和持续发展。

　　四、应用推广情况和效益

　　系统自1995年投入业务应用以来，汛期每天的防汛抗旱会商都使用本系统，从而为防汛抗旱决策提供依据。特别是在防汛紧急关键时刻，如1998年长江和嫩江大洪水期间，系统除了随时向有关领导和专业人员提供雨情天气资料外，每天制作两个流域未来12-72小时各子流域面雨量定量预报，供防汛指挥决策参考应用，发挥了重要作用。1999年、2000年、2001年我国北方地区出现了连续干旱的局面，系统加工生产的雨情天气和旱情实况图表以及降水量历史对比分析产品，为各级领导提供了有效的抗旱参考信息。2001年7月，在台风“尤特”登陆前，珠江水利委员会水文局应用系统进行了南海登陆台风对广西影响的历史资料分析，提前作出了正确的西江洪水预报，为防洪调度提供了重要的决策依据。

　　系统除了水利部内的客户端用户外，各流域机构、各省水利部，门以及国家发展和改革委员会、财政部等有关单位以浏览器方式应用本系统。

　　系统在1995年投入试运行后立即受到各流域机构的重视和好评，许多单位先后引进本系统或系统的部分成果，均在当地的防汛抗旱和防台工作中发挥了良好的作用。

　　目前这套系统所提供的产品已成为防汛抗旱工作不可缺少的不能替代的重要参考信息，正在充分发挥着明显的社会效益、经济效益、生态效益。　■

　　项目组主要成员名单：
　　杨扬、张建云、戚建国、周国良、王琳、吴炳方、黄嘉佑、刘九夫、岳智慧、郑文、陆桂华、杨硕、王家祁、沈国昌、颜开。

　　主要完成单位：
　　水利部水利信息中心、中国科学院遥感应用研究所、北京大学物理学院、水利部南京水文水资源所、河海大学、北京硕润科技发展有限公司。

　　主要成员简介：
　　杨扬 女，1950年12月北京出生，1978年北京大学大专毕业，目前为水利部水利信息中心气象处处长，教授级高工，业务专长为气象和计算机应用。曾获国家科技进步三等奖，水利部科技进步一、二等奖，水利系统防汛抗洪先进工作者等奖励。为本项目技术总负责人。

　　张建云 男，1957年8月江苏出生，1996年获爱尔兰国立大学博士学位，目前为水利部水利信息中心副主任、总工程师，教授级高工，业务专长为水文水资源及环境工程。曾获国家科技进步一、二等奖，水利部科技进步二等奖，有突出贡献专家等奖励。为本项目总负责人、技术负责人之一。

　　戚建国 男，1961年4月上海出生，1983年获南京气象学院学士学位，目前为水利部水利信息中心气象处副处长，教授级高工，业务专长为气象和计算机应用。曾获水利部科技进步二等奖。为本项目技术负责人之一。

责任编辑 党维勤