黄河一张图综述

杜 文，张 昴，段 勇，吴 晖

（黄河水利委员会信息中心，河南 郑州 450003）

0 引言

水利信息具有空间分布特征[1]，GIS 作为直观形象的信息化展示手段，近年来在水利信息化管理方面得到了越来越多应用。黄河水利委员会（以下简称黄委）自开展数字黄河工程为主体的水利信息化工程建设以来，在基于 GIS 系统的建设方面，先后建设了黄河的下游工情险情会商、水量调度管理、防汛会商决策支持，以及国家的水资源监控能力建设和防汛抗旱指挥系统黄委等建设项目应用系统，积累了丰富多样的空间、基础和业务数据资源。这些治黄信息化成果已在黄河流域规划、科研和生产实践中发挥了重要作用。

然而，由于各种原因，空间地理信息数据分散建设在各个地区、不同业务部门或应用系统中，形成了以地域、专业、部门、系统等为边界的信息孤岛[2]。由于 GIS 技术规范和数据来源各不相同，由此造成了数据标准不一、格式多样、质量各异及空间参考不同等问题，数据的一致性和准确性难以保证。此外，随着业务应用中对决策需求的不断深入，对数据进行简单集成和叠加已经不能满足实际工作要求[3]。黄委已有的 GIS 系统大多为实时监测或业务统计系统，业务展示单一，缺少空间、基础和业务信息间关联钻取，趋势预测等方面的数据挖掘分析，无法满足治黄信息化决策支撑需要。以上问题迫切需要综合运用技术手段、行政措施加以解决。随着水利一张图建设成果落地和黄委信息化资源整合工作逐步展开，使得解决黄委数据共享难、标准不一和决策支撑能力有限等问题成为可能。

2017 年黄委正式开展了信息化资源整合共享工作。黄河一张图信息服务平台（以下简称黄河一张图）作为黄委信息化资源整合共享工作重要组成部分，目标是在水利一张图信息服务资源的基础上，通过充分汇聚、融合、分析和挖掘水利部提供的信息资源，黄委已有各类信息资源，按照“统筹规划、统一标准、资源整合、共享服务、持续发展”的建设指导思想，构建标准统一、稳定安全、资源共享、性能高效的治黄信息汇聚，地理信息和治黄业务决策支持相结合的信息服务平台。

经过将近 2 a 的系统性建设，黄河一张图初步成为标准统一、内容全面、共享方便的流域级信息聚集及展示平台，可以提供空间地理、基础和业务管理等信息融合一体的，多视角的，时间覆盖过去现在和将来，信息可层层钻取分析的信息资源服务。

1 总体框架

黄河一张图总体架构如图 1 所示。

图 1 黄河一张图整体架构

在统一标准规范和安全保障体系基础上，黄河一张图分为感知获取层、数据治理层、服务支撑层和业务应用层，具体功能如下：

1）感知获取层。通过黄委已建覆盖天、空、地采集体系从卫星，无人机，传感监测设备，摄像设备等监测设施获取实时监测成果；通过移动端采集 App 等工具获取业务监管人员上报的各业务监管等信息；通过数据交换方式从协议单位获取与治黄信息化相关的专业信息；通过数据爬取方式从互联网获得治黄业务相关的舆情、社交或评论类信息。

2）数据治理层。结合黄委一个库建设工作同步展开，通过数据汇聚库汇聚了通过感知获取层获取的采集信息，经过过滤、筛选、清洗和分类等数据预处理操作后，形成了覆盖水利、其它行业及互联网的数据汇集库。基础信息库按照水利部颁布的《水利对象基础数据库表结构与标识符标准》，将黄委治黄业务中涉及的水利对象按照名录、基础属性、对象间关系 3 个维度进行汇总整理。治黄业务库包括洪水、干旱、水资源开发利用、节约用水、城乡供水、河流湖泊、水利工程运行管理、水利工程建设、水土流失和水利监管共十大类业务专题数据。决策支撑库负责存储对治黄管理业务起到决策支撑作用的数据，主要包括：整编、统计成果和数据挖掘成果类等数据。在进行各类数据预处理时，数据治理层分别针对结构化、非结构化和半结构化数据的数据支撑组件完成对各类型数据的过滤，筛选，清洗操作，并通过黄委一个库数据管理系统对各类数据进行统一的管理和维护。

3）服务支撑层。由基础、专业和智慧 3 类支撑服务构成。基础支撑服务是支撑黄河一张图和应用正常运转的基础性服务，由地理信息服务支撑平台、报表组件、消息中间件移动支撑组件、用户权限和数据访问服务构成，可对外提供基础的空间地理图层发布（包括常见的 wms，wmts，wfs 和 rest 等）、业务报表和统计图类的展现、消息推送与交换、移动端设备开发与信息展现、用户身份认证与权限管理和各类基础与业务数据的读取或编辑服务。专业支撑服务具有较强的空间地理和治黄管理专业性特点，由空间检索、编辑、分析，以及水利模型组成。可基于黄委统一的一个库资源，对外提供与空间地理信息相结合的全文检索、空间分析（如路径分析等）、与基础属性信息相结合的空间信息标绘编辑和专业的水利模型服务。智慧支撑服务由机器学习、网格管理和空间感应服务构成，可对外提供与空间地理信息相结合的机器学习算法计算、水利网格化划分定义和针对视频及音频等多媒体数据的识别与分析处理。

4）业务应用层。面向用户，是指各类基于黄河一张图服务支撑层中服务开发的应用系统，由典型应用体系、Web 门户、移动门户和大屏门户组成：a. 典型应用体系包括黄委委内和委外应用 2 个部分内容。委内应用是指服务于黄委机关及各二级或基层管理单位的应用系统，按照治黄业务类别又可分为与十大类业务专题数据相对应的十大类典型应用。委外应用指的是非黄委机关及相关单位的应用系统，按照使用行业又可分为调用黄河一张图服务的水利部、水利管理机构、其它行业和社会公众等应用系统。b. Web 门户提供了服务资源的查询检索、服务在线申请和专题图服务的功能。用户可查询检索服务资源基本信息，并对感兴趣的服务通过门户进行在线申请。黄委各业务管理部门可通过门户专题图服务功能使用与相关的专题图进行决策分析。c. 移动、服务大屏门户与 Web 门户功能相似，区别在于移动和大屏门户仅分别提供了专题图服务在移动端和大屏端设备上进行展示的功能。

2 技术体系

在黄河一张图建设过程中，面临的核心问题是治黄相关地理空间、基础信息和业务等数据资源的集成汇聚。黄河一张图涉及的水利对象、管理业务和使用人员众多，不同的治黄业务对各类空间地理、基础属性和业务数据的需求也各不相同。为保障各类信息资源的有效汇聚、融合与共享，提出并规范数据融合和服务建设方面所依据的技术标准。

2.1 数据规范

建设所依据的数据标准包括数据编码和数据库标准 2 个方面。数据编码标准主要有：SL 213—2012《水利工程代码编制规范》，SL 213—98《水利工程基础信息》，SL 259—2000《中国水库名称代码》，SL 262—2000《中国水闸名称代码》，SL 263—2000《中国蓄滞洪区名称代码》，SL 249—2012《中国河流代码》，SL 261—98《中国湖泊名称代码》，SL452—2009《水土保持监测点代码》，SL 502—2010《水文测站代码编制导则》，SZY 102—2013《信息分类及编码规定》等。数据库标准主要有：SL 478—2010《水利信息数据库表结构及标识符编制规范》，SL 323—2011《实时雨水情数据库表结构》，SL 577—2013《实时工情数据库表结构及标识符》，SL 324—2005《基础水文数据库》，SL 380—2007《水资源监控管理数据库表结构及标识符标准》，SL 325—2005《水质数据库表结构和标识符标准》，SL729—2016《水利空间要素数据字典》等。

2.2 服务规范

建设过程中依据的服务规范主要包括信息发布、数据交换、应用接口的标准及应用服务规范等内容。资源服务目录采用水利部水信息基础平台项目标准 05 001—2016《水利信息资源目录服务技术规范》，数据访问服务采用了水利部水信息基础平台项目标准 04 001—2016《水利数据访问服务技术规范》，应用开发接口（API）采用 AMD 规范和 Restful WebService 服务规范，专题图服务采用了 GB/T 18317—2001《专题地图信息分类与代码》。

3 主要技术

3.1 SOA 和微服务双擎驱动的软件架构技术

传统的 SOA 将应用程序的不同功能服务进行拆分，将服务独立出来使得各个业务系统之间达到任务重用、资源共用[4]。然而 SOA 不太关注如何对应用程序进行模块化构建，更多地是关注如何通过总线控制逻辑组织并对外提供应用服务。

微服务架构在某种程度上是 SOA 继续发展的下一步。微服务设计思路是服务开发组件化、通信接口标准化、服务功能单元独立化[5]。微服务架构中的各类服务完全独立，服务间、服务与应用间以网状结构进行连接，常使用轻量级 HTTP，REST 或 Thrift API 等形式进行服务间或服务与应用间的通信和协作。黄河一张图服务平台的软件架构实现技术原理图如图 2 所示。

图 2 SOA 和微服务双擎驱动的软件架构

在黄河一张图服务平台的建设过程中，对于对消息实时性和准确性有高要求，需要总线控制逻辑协调功能协作的服务功能和黄委原有 SOA 类型服务，如用户权限、消息中间件等基础支撑服务，采用了基于服务总线的 SOA 架构进行部署实施。对于对响应速度、流畅性、便携性和扩展性要求较高的服务，如专业和智慧支撑类服务，采用了微服务架构进行部署实施。

3.2 面向服务的地理信息共享技术

面向服务的地理信息共享技术将地理空间数据以符合 OGC 标准规范的接口形式进行对外发布，提供了 WFS，WMS，WMTS，WCS，WPS 等服务发布能力。将用做背景的地图通过 WMTS 服务发布出来，既提高了地图数据访问效率，同时也可支持多种类型 GIS 客户端使用，具有很大的灵活性。面向服务的地理信息共享还提供了较强的服务聚合能力，可以将其他平台发布的 OGC 服务经过叠加整合后再次进行发布。黄河一张图服务平台通过使用面向服务的地理信息共享技术解决了聚合已有超图，ArcGIS，MapGIS 等不同 GIS 服务融合共享的问题。面向服务的地理信息共享技术工作原理图如图 3 所示。

图 3 面向服务的地理信息共享技术

3.3 机器学习技术

机器学习技术为黄河一张图各典型应用提供了数据挖掘算法的调用计算能力。算法主要包括监督、无监督和半监督学习 3 种类别[6]。黄河一张图通过二次开发并封装开源的 Weka 算法库，面向各类典型应用可提供基础的数据挖掘分析算法计算能力，目前基于机器学习算法已经开发完成了基于关联规则分析算法的洪水及气象预警动态监控服务、黄河防汛现地信息等服务应用。

4 应用情况

黄河一张图共整合了水利部防指系统、水利普查、天地图基础地理等水利部数据资源，涉及黄河流域片专题矢量数据 42 个类目、影像数据 9 个类目。此外，在整合水利部数据资源的基础上，深度融合了黄委已有的影像、专题矢量、地形、三维、监测、视频等数据，包括 60 余类黄河基础地理数据，100 余类治黄业务数据，气象、水文、水质、凌情、闸控等监测采集数据，1 000 余路视频及 50 余类遥感影像数据，其中遥感成果目前已覆盖从刘家峡至入海口近 2 700 多 km 里的河道。截止到目前，基于黄河一张图服务共建设了典型应用 32 个，有效支撑了黄委在洪水、干旱、水资源开发利用、河流湖泊、水利工程运行和监管等方面的管理工作。

以洪水专题应用为例，目前已经开发了包括凌情监测、历史洪水、动态监控和现地防汛信息服务等黄河一张图应用。其中，凌情监测应用可动态沿着黄河河道标绘出黄河在凌汛期每日的封开河情况，同时，可动态展示黄河重要水文测站的水情水温、天气气温、水库调令、工作部署、防凌值班和历史上同期的封开河情况等信息。历史洪水应用利用黄河一张图，将 1843 年 8 月—2017 年8 月间的 10 场重大洪水情况进行了洪水发展变化全过程的动画效果模拟仿真。动态监控应用根据国家各权威预警部门发布的气象或水文预警、黄委自有河道工程险情、中央气象台发布的重要台风等信息，通过关联规则筛选算法，将预警和险情信息在黄河一张图上进行标注和预警提醒。现地防汛信息服务为黄委各级防汛管理单位的防汛业务工作提供了统一的办公平台，可根据用户所在的单位自动定位到其管辖的地图行政区划范围，并将该单位感兴趣的业务信息结合空间影像数据动态在黄河一张图上进行实时汇总、统计和分析。

5 结语

黄河一张图服务平台自 2017 年底正式上线运行以来，不断应用完善，取得了以下建设成效：

1）标准格式统一化，提供了权威统一的地理空间、基础和业务管理数据服务资源。

2）数据资源统筹化，有效地改善了黄委相关部门间信息获取的方式。黄河一张图提供的服务可被具有合法访问权限的各类应用重复调用，避免了由于重复开发多套应用而造成的人力投入和开发成本。

3）应用建设体系化，全面提升了治黄数据分析与决策能力。通过深度汇聚、融合和分析挖掘空间地理、治黄基础和业务管理等数据，形成了体系化的决策专题图服务，提升了分析、预测和预警能力，有效地保证决策的精准性、科学性和时效性。

下阶段将紧密聚焦十大水业务，按照集中管理、安全规范、标准统一、充分共享、全面服务、更新及时的工作原则，充分利用大数据、无人机、物联网等技术，在水利行业《智慧水利总体方案》的指引下，不断丰富和完善黄河一张图建设成果，提升智能分析水平，扩大使用范围、增强面向公众的服务能力，从而为流域综合治理、宏观决策、公益服务等业务提供多视角，大场景和智能化的专业性信息服务。