全国水利一张图建设与应用

蔡 阳，谢文君

（水利部信息中心，北京 100053）

0 引言

水利工作涉及的河流湖泊、水利设施等管理对象都具有明显空间特征，水旱灾害防御、水资源管理、河湖管理、工程管理、水土保持等水利业务对地图应用的需求迫切，各类水利信息系统也纷纷围绕电子地图展开建设和应用，地图服务在各项水利工作中的应用日益广泛，但分建专用的建设模式带来了“技术标准缺乏、设施利用低效、数据共享困难、业务应用割据、信息更新滞后和安全体系薄弱”等一系列问题。

为此，经过科学论证和整体规划，以第一次全国水利普查实施为契机[1-2]，从 2009 年开始启动建设，通过以统一地图服务为依托开展水利业务应用，促进水利信息化资源全面整合[3]，推动水利信息共享和业务应用协同，建成了在多个重大水利信息化工程建设中广泛应用的全国水利一张图，于2015 年在全国水利信息化工作会议上正式发布，推广到全国各级水利部门，有力促进了信息技术与水利业务的深度融合。

为践行“水利工程补短板、水利行业强监管”水利改革发展总基调，落实“安全、实用”水利网信发展总要求，针对 2015 版在应用中存在的数据内容单一、个性化服务能力不足、信息更新不及时、地图表达效果欠佳等问题，持续丰富数据、强化功能、深化应用、优化展现，升级完成了全国水利一张图（2019 版），水利部于 2019 年 12 月正式发布，必将进一步推动水利信息资源整合共享、水利业务协同和智能应用。

1 系统建设

作为支撑和服务于各类水利业务应用的基础信息平台，全国水利一张图通过开展相关水利信息资源整合，构建了由基础设施、数据资源、服务支撑、业务应用，以及技术规范和安全保障组成的一体化应用体系，以提高信息支撑服务能力，提升水行政管理工作效能和科学决策水平。总体架构如图 1 所示。

1.1 建设任务

系统建设完成了以下主要任务：

1）编制了系列技术标准规范和管理实施办法。为确保系统的建设质量，按照统一基础设施、数据资源、地图服务、应用支撑、安全保障的原则进行规范化，围绕全国水利一张图编制涵盖信息分类、数据组织、产品生产、地图表达、服务共享、业务应用、成果更新和安全管理全流程的系列标准规范和管理办法，切实保障系统的统一、开放和可扩展。

图 1 全国水利一张图系统总体架构图

2）建设支撑全国水利一张图集约共享的基础设施云。在水利部计算资源、存储资源池化的基础上，进一步提升资源服务能力，通过全国水利一张图通用服务的弹性化资源分配，并建立通用服务引擎等公共资源，实现基础设施层的云计算资源统一管理调配，服务支撑层的服务管理按需资源配给，业务应用层的多类型应用上云及按需调用。

3）开展以统一数据模型为核心的多源水利数据整合。全面分析和详细梳理各类水利数据资源之间的相互关系，规划数据资源的组织体系，采用面向对象的水利数据模型[4]实现水利数据空间、属性、关系和元数据的一体化管理，实现对象编码和数据字典的统一，为各业务应用提供规范、权威和高效的数据支撑[5-6]。

4）研发以统一地图服务为基础的应用服务支撑系统。结合各类水利业务应用中的实际需求，采用面向服务体系架构[7]，研制形成统一的标准化地图服务，并完成模型管理、服务管理、用户管理、数据访问、目录服务和数据交换等功能模块的开发，将共享信息资源进行服务加工，实现信息资源服务化整合，提升信息共享服务能力。

5）构建以业务应用协同为主线的信息联动更新机制。在各业务领域推动全国水利一张图的全面应用，并开发业务应用门户将各业务应用集成到全国水利一张图上，针对不同业务应用的业务流程和数据特点，在“一数一源”的基本原则下，通过业务驱动保障数据动态、及时更新，构建共建共享的信息联动更新机制，促进数据的常用常新。

6）建设全国水利一张图信息的安全保障体系。围绕全国水利一张图面临的安全威胁和保障需求，基于服务模式和运行流程，建立在统一的安全策略下安全管理和技术防护共同组成的安全保障体系。构建纵深防御体系增强抵抗攻击能力，构建网络安全态势感知平台提升威胁发现和预警能力，建立协同应急响应体系，形成集防御、预警、响应于一体的主动安全防护能力。

1.2 技术成果

系统建设形成了以下主要技术成果：

1）一体化的数据资源组织与管理体系。结合水利业务的管理域和行业应用特点，构建了包含水利基础、水利专业、遥感影像、基础地理和社会发展等 5 类数据在内的全国水利一张图数据资源组织与管理体系。采用面向对象的方法对水利对象的数据结构和应用行为进行模拟，通过分析和系统梳理各业务域所涉及水利对象之间的相互关系，研制了对全要素类水利对象空间、业务、关系和元数据等特征一体化组织的水利数据模型，利用水利数据模型对水利基础和专业数据进行了有效整合，解决了不同业务间描述同一对象及其属性的语义不一致问题，实现了信息由静态存储向动态过程化管理的转变，为各类业务应用提供规范、权威和高效的数据支撑，并通过完整记录基于业务相关产生的对象间关联关系，支持面向不同业务应用时的关联信息服务，为数据成果的应用服务提供便捷的支撑。

2）智能化的分布式共享服务平台。结合各水利业务应用的特点和需求，研发标准化地图服务，提出面向业务应用的地图服务聚合方法，支撑各业务根据具体应用场景调用已有服务聚合产生满足自身需求的地图服务。根据业务应用对地图服务及相关管理服务的使用需求，开发了地理信息服务的注册发布、检索查询、申请审批、运行监控等全流程管理功能模块，并将资源管理、用户管理、数据访问、目录服务、数据交换等功能进行复用封装成可以调用的服务。遵守统一的技术规范，基于服务的调用和再封装等技术，采用面向服务体系架构研制的共享应用服务平台，支持将分散在各地、各业务的专题地理信息服务整合为逻辑上集中，物理上分散的一体化可共享服务资源。实现分布式资源的共享和服务，避免了大量重复开发，在节省成本的同时提高了效率。

3）协同化的水利业务应用体系。构建了“全国水利一张图 +”的业务应用体系，系统梳理了全国水利一张图中各类数据涉及的业务域，分析各类业务对相应数据的应用方式和管理模式，基于子职能域逐对象类细化了其空间及业务特征的业务应用主体，提出增量数据自动抽取技术实现对不同业务过程相应变化信息的及时提取与汇聚，实现全国水利一张图标准服务与业务应用数据处理过程的无缝衔接，保障了服务的持续优化和不断完善。以全国水利一张图为基础对各类水利对象的发展现状、管理行为和变化过程进行完整记录和系统分析，提升了数据内容的一致性和功能服务的承接性，建立了业务驱动的信息联动更新机制，保证了数据的常用常新。通过各水利业务之间的数据融合和信息流动，以信息流重组推动业务流优化，促进业务割据向业务协同发展。

2 改版升级

按照打造“权威、现势、全面、合法、安全、可靠”全国水利一张图的要求，针对用户在前期使用过程中反馈的完善建议和应用需求，重点围绕丰富数据、强化功能、深化应用、优化展现 4 个方面，升级完成了全国水利一张图（2019 版）。

2.1 改版内容

1）丰富数据内容。在原有以水利部本级基础信息为主体数据内容的基础上，扩充丰富了实时监测、对象关联、业务管理等信息，并共享了长江水利委员会、黄河水利委员会、淮河水利委员会等流域机构的地图服务，以及 18 个省份的基础数据和资源目录服务，还整合了全景图、BIM 及其他互联网地图等信息资源，丰富了数据内容，提升了数据质量。

2）强化服务功能。通过采用矢量瓦片技术，解决了日益突出的全水利业务应用中地图服务个性化定制技术难题，实现了一套地图服务灵活支撑多个不同业务，满足了对地图表现形式和展示内容的个性化定制需求；新增开发了纠错功能，强化了用户参与度；开发了历史信息查询功能，实现了面向状态的信息查询向面向过程的时态追踪转变。

3）深化业务应用。整合国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源管理系统、全国河长制管理信息系统、国家地下水监测工程、水利督查工作平台等多个重要系统，实现了统一用户管理、门户登录、功能授权，特别是依托全国河长制管理信息系统实现了各地业务系统与全国水利一张图的动态更新与同步服务，显著提升了业务应用服务的广度和深度。

4）优化系统展现。参照流行的互联网页面风格，结合水利特点进行了界面设计优化，按照业务域划分不同的展现内容和功能模块，改善了旧版系统界面展示样式过于简单的问题；针对原有系统中各类地图专题要素分级形式表达单一的问题，按照对象的空间分布规律和业务应用特点，对地图表达方案进行了改进优化，提升了系统整体视觉效果。

2.2 升级特点

1）权威。主要包括夯实数据获取渠道和完善信息校核机制 2 个方面。夯实数据获取渠道是按照“一数一源”原则，逐类数据确定了责任单位或部门，以确保数据内容真实可信；完善校核机制则强调查漏补缺，包括与业务系统之间的校核反馈、面向用户的信息纠错，以及针对汛限水位等重要指标的专项复核等多种措施，进一步提升数据内容的准确性。

2）现势。强化对水利基础数据和遥感影像数据的持续更新，通过利用与河长制、水利督查、综合统计、注册登记等多个业务系统之间的数据资源整合与应用服务同步，实现了水利基础数据的动态更新，并且相关管理信息的变化在全国水利一张图中可实时体现；遥感影像数据则在原有一年一版基础上结合当前对最新数据的需求，实现了在线服务的即时更新。

3）全面。通过共享服务接口、接入业务系统、整合网络资源等多种方式，实现了数据范围由原有水利部本级扩大到涵盖流域管理机构和省级水利部门，数据类型由原有基础信息为主向监测、关联、管理、多媒体等多种类型信息扩充，数据来源由原有单一的行业内向相关行业及互联网资源整合等 3 个方面的转变，提高了数据内容覆盖的全面性。

4）合法。按照《水利工作国家秘密范围的规定》、《测绘管理工作国家秘密范围的规定》等有关规定编制了数据安全应用处理方案，经国务院测绘地理信息主管部门审批同意实施数据保密技术处理，并依据《基础地理信息公开表示内容的规定（试行）》《遥感影像公开使用管理规定（试行）》《公开地图内容表示若干规定》《公开地图内容表示补充规定（试行）》等规范性文件编制地图，经地图审核行政审批后获批取得审图号，避免出现“问题地图”。

5）安全。根据用户权限不同，选用不同强度认证方式，从角色、数据范围、功能 3 种维度进行授权管理；集成密码基础设施密传密存重要信息保障关键数据的安全；采取统一服务监管方式，实行统一服务授权和监控，强化事中和事后的安全管理；特别是建立常态化信息安全风险评估和网络安全渗透测试机制，实施网络安全整改，确保全国水利一张图安全。

6）可靠。利用水利部云平台的分布式集群架构和大数据存储模式，提高了系统并发处理能力，进一步优化完善了基于 GIS 智能集群的弹性服务策略，实现服务器资源的智能感应和自动扩展，采用资源的弹性分配方式保障系统的稳定可靠，从优化服务流程和提高服务效率 2 个方面提升了全国水利一张图服务质量，使系统运行更稳定可靠。

3 应用服务

全国水利一张图于 2009 年启动建设，2012 年底基本建成后，逐步在国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源管理系统、172 项节水供水重大水利工程建设与管理系统、全国水利安全生产监管信息化工程、全国水域岸线登记管理系统等重大项目建设中开展示范应用；2015 年在全国水利信息化工作会议上正式发布后，随之被全面推广应用到全国河长制管理信息系统、国家地下水监测工程、水利督查工作平台等重要水利信息化建设项目及全国水利系统各级单位。

3.1 服务方式

系统应用服务主要分为日常和应急服务 2 种方式。

1）基本主题、专业主题和专题分析等日常服务，通过门户查询或后台接口方式实现。基本主题服务支持对各类对象的复合条件查询、模糊检索、水利对象数量和指标的分级统计等，实现快速定位、提取要素个体对象特征数据，展现分类水利对象及指标的数量、密度、强度、区域空间分布特征和规律；专业主题服务主要通过集成各业务模型和方法，获取水利对象及对象指标的空间分布规律，分析水利对象之间及与自然、社会、经济等要素之间的关联，重点挖掘未被发现或突出的业务联系信息；专题分析针对特定业务需求，通过对空间分析、三维分析、专业预测预报等模型的定制和柔性编排，为特定业务需求提供定制化的专题分析服务，为提升水利规划能力和决策科学性提供支撑。

2）面向涉水突发事件的应急信息服务，通过线上标准化服务的线下成果加工处理方式完成。针对突发应急事件处置时效性要求高的特点，经多次服务应用后形成了一套规范化数据分析挖掘方法，下面以处置堰塞湖事件为例介绍流程：首先利用遥感影像快速确定堰塞湖的位置和范围，并根据数据源的精度进一步分析提取灾害对象的规模等信息；结合水利基础数据库、灾害强度范围等数据，快速提取堰塞湖影响区域内水利对象，并对其数量和指标进行实时统计汇总，为快速排查提供数据基础；结合地形和河湖基础数据，分析生成水位—面积—容积曲线，并应用堰塞湖溃坝洪水分析、洪水演进等三维分析方法，为水情预测预报提供重要的数据支撑；基于水文预报结果，动态生成相应回水长度、淹没范围及其空间搌布，为应急救灾决策提供第一手资料。

3.2 应用成效

建设成果的应用有力支撑了各级水利部门的各项业务工作，提高了我国水利工作的管理水平和决策能力。在 2012 年彝良地震、2013 年黑龙江大洪水、2014 年云南鲁甸地震、2015 年尼泊尔地震、2016 年长江中下游洪水、2017 年林芝地震等多次涉水突发事件中，发生初期有效弥补了地面监测信息缺失，应急处置前期提供了常规手段无法实现的分析预测产品，处置后期有效核实灾情，为有效应对突发水事件提供了重要支撑。

改变了传统水利“采集方式单一、主要依靠外业、地图与业务分离”的工作局面，推动了“天空地采集一体化、内业为主外业为辅、地图与业务结合”工作模式的发展；降低水利业务的地理信息建设成本，减少数据和系统的运行维护开销，有效提高地理信息资源的综合利用率，经济效益显著；规范了水利行业地理信息的建设与应用，提升了水利信息资源共享应用水平，促进了横向跨业务和纵向跨层级的水利业务应用协同，提高了水利业务管理效能，提升了涉水突发事件的应急处置能力，全面增强了水利信息化支撑服务能力。

4 结语

全国水利一张图完善了国家基础水信息体系，丰富了国家空间数据基础设施内容，为全面支撑各类水利业务应用发挥了不可或缺的重要作用。在水旱灾害防御工作中，为水情监测预警和防汛会商提供有力支撑，为堰塞湖等涉水突发事件应急处置科学决策提供重要依据；在河湖管理工作中，依托全国水利一张图初步构建“问题巡查—问题详查—问题核查—整改复查”四查机制，支撑河湖清四乱的问题查、认、改、罚全流程闭环管理；在农村饮水安全管理工作中，助力信息管理模式从单一报表向属性空间一体化转变；在水利督查工作中，实现督查计划自动生成、督查任务定向推送、督查对象智能导航、数据在线填报、信息实时汇总和人员动态可视化管理。

为提升全国水利一张图的服务能力和应用水平，还需要进一步加大对水利业务的整合力度，完善全国水利一张图与更多水利业务应用之间的数据联动更新机制，提高全面准确的信息支撑服务能力。