全国水利一张图关键技术研究综述

蔡 阳，谢文君，程益联，陈德清，陈子丹，付 静

（水利部信息中心，北京 100053）

1 研究背景

水信息是国家重要的战略性信息资源。近年来，围绕水利中心工作，水利部组织实施了一大批水利信息系统建设项目，支撑了相关水利业务应用。但是分建专用的传统水利信息化建设模式导致了“数据资源分散、信息共享不足、业务协同困难”等问题日益突出。

水利工作涉及的河流、湖泊、水库、水电站、水闸、堤防、泵站等水利管理对象具有明显空间特征，水旱灾害防御、水资源管理、河湖管理、水利工程管理、水土保持等水利业务对地图应用有迫切需求，各类水利业务信息系统也纷纷基于电子地图展开建设和应用，地理信息服务在各项水利工作中的应用日益广泛，水利工作对地图使用的合法性、安全性、可靠性和一致性等提出了更高要求。

为此，研制水利数据模型以实现水利基础数据和水利专业数据的一体化管理，通过整合遥感影像数据、基础地理数据和社会发展数据等多类数据资源，以统一地图服务为依托建成支撑和服务于各类水利业务应用的基础信息平台，构建对水利业务的发展现状、管理行为和变化过程进行全程记录的全国水利一张图应用体系，推动信息技术与水利业务深度融合，实现业务应用驱动的数据动态更新，促进水利数据资源整合、水利信息共享和业务应用协同，提升对水利各业务领域的信息服务水平与应用支撑能力。

全国水利一张图依托2009年开始的第一次全国水利普查前期工作同步启动，通过统筹多个水利信息化建设项目，从支撑环境、空间数据、地图服务、业务应用、安全体系和标准规范等多方面进行统一，于2015年9月23日在全国水利信息化工作会议正式发布，并推广应用到各级水利部门各类水利业务工作中。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 版系统存在的数据内容单一、定制化服务能力不足、信息更新不及时、地图表达效果欠佳等问题，围绕丰富数据、强化功能、深化应用、优化展现等方面，升级完成了全国水利一张图（2019 版），由水利部于2019年12月18日正式发布，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。

2 总体技术路线

针对“数据资源分散、信息共享不足、业务协同困难”等突出问题，围绕全域数据资源规划、统一信息服务研发、全面应用体系建立等主要内容［1］，研究攻关基于全关系水利数据组织的建模理论与方法、面向集约共享的水利一张图服务平台研发和“全国水利一张图+”的业务应用体系创建等关键技术，建成在全国各级水利部门广泛应用的全国水利一张图。主要研究内容和关键技术及其关系如图1 所示。

图1 主要研究内容和关键技术及其关系

2.1 全域数据资源规划构建一体化的数据资源管理体系。结合水利工作的管理域和业务应用特点，提出包含水利基础、水利专业、遥感影像、基础地理和社会发展等5 类数据在内的水利一张图数据资源体系，利用水利数据模型对水利基础和水利专业数据进行有效组织，解决不同业务之间描述同一对象的语义不一致问题，明确不同应用环境下各类数据的来源和使用方式：其中水利基础和水利专业数据在政务内网直接利用完整的涉密版水利数据，在水利业务网则采用依据相关规定开展保密技术处理并履行相关审批程序的处理后数据；基础地理数据在政务内网依托水利部与原国家测绘地理信息局签订的共享协议利用最新版1∶25 万和1∶5 万数据，在水利业务网部署天地图前置系统进行定制服务。在此基础上，制订上述各类数据尤其是水利数据不同内容之间涉及数据语义和地图表达的一致性规则，并基于规则对各类数据进行整合，实现多源数据的一体化组织、管理和应用。

建成基于统一遥感数据服务的业务信息更新机制。水利部自2015年全面统筹遥感影像的收集整理和标准化正射产品的加工处理，其成果统一实施完成后通过水利一张图主动分发使用；同时各用户基于以上遥感成果形成的各类专题数据及时返回上报，依托水利一张图将专题成果在系统内共享服务。通过自上而下统一收集整理满足各业务需求的遥感影像及其标准化产品统一服务，建立全国范围多分辨率遥感影像每年全部更新一次以及局部范围按需更新的机制，有效保障数据的一致性，大大提高遥感影像的业务服务能力，实现一套遥感数据源在水利的跨层级、跨地区、跨业务的全面共享与应用服务，节省数据购置、存储、处理和应用部署等方面的投入；通过自下而上基于统一服务支撑的各类专题数据的统一上报，完成业务专题信息的有效采集与及时更新。

2.2 统一信息服务研发研发智能化的水利地理信息服务平台。围绕提高水利地理信息服务能力，结合各水利业务应用的特点和需求，从服务数据、服务内容、服务接口和服务组织等方面合理设计服务体系，研发标准化地图服务，除水利业务网的基础地理数据服务由天地图前置服务系统根据水利业务应用需求进行个性化定制发布外，水利基础、水利专业、遥感影像和社会发展等其他数据的服务均自行设计和开发，研究提出面向业务应用的个性化服务聚合方法以实现不同应用场景下的按需定制服务，各业务根据具体应用需求调用已有服务聚合产生满足自身需求的个性化地图。

建立基于资源弹性供给的地图服务自适应机制。按照云架构理念，通过对机房环境、计算资源、存储设施、网络服务的集约建设和统一调度、管理、服务，实现机房安全统一、计算弹性服务、存储按需分配和网络互联互通，为水利一张图提供资源弹性供给的云服务。基于基础设施集约化改造形成水利云，基于国产化自主地理信息基础软件平台开发地理信息服务，并结合水利一张图部署环境应用需求完成了系统在云平台的资源虚拟化，实现信息服务资源按需分配。采用基于GIS 智能集群的弹性服务技术研究实现服务器资源的智能感应和自动扩展，针对水利应用需求开发了基于二三维一体化展示和分析的洪水淹没等个性化服务，从优化服务方式和提高服务效率两方面有效提升服务质量。

2.3 全面应用体系建立构建“全国水利一张图+”的业务应用体系。系统梳理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，保障服务的持续优化和不断完善，保证数据内容的一致性和功能服务的承接性，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。

建立共建共享联动数据更新机制。按照水利事权职责和业务分级管理模式，建立跨层级共建共享的数据联动更新机制，主要由基层数据管理和维护主体基于统一地图底图，发起数据采集和维护更新操作，通过统一用户管理进行用户认证和权限控制，经过审批后更新数据入库，完成本级事权范围内相关对象的数据更新并发送更新同步通知到统一数据交换系统。上、下级数据库收到更新同步通知后，进入审核流程，审核通过后，经统一数据交换系统获取下、上级的更新数据内容并入库，实现多级数据的在线联动更新，有效保障了跨层级之间的业务联动和数据一致性；另外，依托水利部参与的安全生产监管信息化工程、生态环境保护信息化工程等国家政务信息化工程项目，通过国家数据共享交换平台实现与其他相关行业部门的信息交换，不断完善信息共享机制，有效实现行业内跨层级和行业间跨部门的数据联动更新。

3 关键技术

3.1 基于全关系水利数据组织的建模理论与方法我国水利管理“部门分散管理、业务条块分割”的体制导致水利信息的描述和组织通常围绕单一业务展开，造成不同业务域之间的数据资源整合十分困难，针对面临的信息分类不统一、内容描述不完整、语义理解不一致、时态管理不连续等问题，在保持原有管理体制不变的前提下，提出了全业务域水利对象分类、全关系内容统一表达、多业务特征等粒度组合、对象全生命周期信息时态化管理等技术方法，技术上破解了传统GIS 数据组织仅顾及空间关系的限制，业务上突破了信息组织受业务片面性影响的局限性，以地理实体为基本单元对空间关系、业务关系和语义关系一体化组织（如图2 所示），通过面向对象的全关系数据组织支撑面向事件的信息重组、面向过程的动态追踪等多种应用需要，为攻克水利数据资源整合技术难题奠定了基础［2-4］。

利用水利数据模型的松耦合组织和可扩展性特点，突破了基于模型扩展特性的对象有序管理和动态维护、基于时序演变的多时态历史数据回溯等技术难题，可根据需要依据模型规则设计新的要素类或完善对象特征，完成空间关系、业务关系和语义关系到对象间空间拓扑检查、主外键约束、内容一致性限制等规则的自动转换，实现基于关系转换的映射表自动构建，通过模型中建立的数据间关联关系，实现了空间数据和表格数据的一体化存储，提高了数据的实用性，提出了模型驱动的水利数据集成建库方法（如图3 所示），实现了一体化数据处理与一键式关联入库，完成了水利对象空间、属性、关系和时态等多特征实体数据及其元数据的一体化组织并建库，确保了数据组织与业务应用的分离，做到数据资源存储、组织、维护与多业务应用之间的相对独立，对外提供统一的数据服务接口来支持各类应用，在保持物理分散形式不变的前提下完成水利数据的逻辑统一。

充分发挥水利数据模型在数据一致性、时态管理、信息有序组织等方面的优势，研究和制定了支撑从信息采集、数据处理、成果管理到业务应用的全过程系列标准规范［5］，提出了基于水利数据模型的标准规范体系构建方法，建立了由8 项行业标准和23 项部颁规章组成的技术标准与管理规范体系，完整涵盖信息分类、数据采集与处理、成果管理、产品生产、地图表达、应用服务、信息更新和安全管理等各个环节，与国家地理信息公共服务平台保持兼容，实现了跨部门服务的标准化聚合，保障了全国范围统一组织、分级实施、并行开展的各级系统建设与应用的标准统一。

3.2 面向集约共享的水利一张图服务平台研发我国各级水利部门特别是基层人员的地理信息、遥感等专业知识匮乏，对水利对象之间的空间关系等基本概念理解难度较大，针对由他们按时完成全国海量水利数据处理的实际困难，提出了关系规则互济的智能化水利数据采集方法（如图4 所示），突破了基于统一底图的水利对象便捷提取、伴随实体数据操作的元数据自动抽取与逐级萃取、空间关系自动关联与业务关系自动匹配、基于规则的自动校验与智能告警、基于空间分析的平衡统计审核等技术难题，实现了关系规则保障数据采集实施与数据采集确保关系规则相符的互济，在降低实施难度、提高工作效率、保障数据质量等方面效果显著，实现了大范围的海量水利数据快速采集［6］，并在支撑服务过程中持续推进水利业务模型基于空间分析的规则化提炼与关系完善。

图2 基于全关系数据组织的水利数据模型

图3 模型驱动的水利数据集成建库方法

图4 关系规则互济的智能化水利数据采集方法

随着应用的持续推进，不同水利业务对地图服务应用需求的差异性不断凸显［7-8］，高德、百度等公共地图平台广泛采用的栅格地图瓦片技术虽然具有高并发、传输快等优势，但栅格图片的静态特征从根本上决定了该技术无法实现地图服务定制化。为此，提出了面向差异化水利应用需求的统一地图服务平台构建技术，突破了数据化简的空间关系保持与显示失真、自适应渐进传输的空间关系保持、化简后低精度与原始高精度数据协同的空间关系精确计算、要素注记的冲突检测与智能避让等技术难题，实现了基于矢量瓦片的全水利业务应用地图服务个性化定制（如图5 所示），建成了满足各级水利业务差异化应用需求的统一地理信息平台［9-11］，实现了业务应用“个性化”与地图服务“标准化”的统一。

图5 基于矢量瓦片的全水利业务应用地图服务个性化定制

根据各类水利业务对地图服务及相关管理服务的应用需求，研发了面向服务体系架构的分布式共享应用服务，包括地理信息服务在内的注册发布、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、数据交换等通用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，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。通过信息资源目录的方式将各类数据和服务资源发布共享后提供完整、权威、可信的地理信息服务，从应用角度将基础服务聚合成为相对稳定和统一的资源视图，实现分布式资源的共享和服务。

3.3 “全国水利一张图+”的业务应用体系水利工作按照分级负责和事权职责进行管理，各类信息的应用关注重点和更新维护主体分属不同层级的各个业务，在不同层级各类业务中普遍存在沱沱河、通天河、金沙江等别名描述以及其与长江之间内在联系体现不准确的典型场景，借助传统非地理信息管理方式解决水利对象语义不一致和关系记录不完整的问题十分复杂且效果不佳。地理信息作为水利信息的重要组成部分，在实现水利对象完整描述及其信息语义一致性方面具有天然优势；同时，应用表明地图服务在推动业务协同方面成效明显。为充分发挥地理信息在水利管理工作中的优化和集成作用，将全国水利一张图深度融合于各项水利业务工作中，以统一地图服务为依托对各业务的发展现状、管理行为和变化过程进行记录和分析，突破了变化信息智能检测与增量数据自动抽取、跨层级统一数据交换以及跨业务域、多层级的一体化数据协同更新等技术难题，提出了业务应用驱动的多层级协同数据应用方法（如图6 所示），推动水利业务管理模式不断优化完善，构建了“全国水利一张图+”的水利业务应用体系，提升了多层级之间的业务联动能力和信息共享水平，使各类信息的阶段获取和持续应用紧密结合、业务部门的日常使用和信息化部门的维护更新深度融合。

图6 业务应用驱动的多层级协同数据应用方法

为解决日常工作中不同水利业务场景下多对象多视角数据分析应用问题，针对水利数据分析时空复杂度极高的难点［12］，创新发展了基于数据立方体的多维主题挖掘方法（如图7 所示），构建了面向不同业务的多维数据立方体，采用时间、几何空间、度量值域、关联关系等四个维度，按流域单元、行政区、水资源分区、主体功能区等分区方式和各种业务属性逐一表述对象的空间、业务、关系和时态特征，实现了基本主题、专业主题和专题分析组成的多维主题挖掘，推动水利信息由报表统计分析到多维时空服务的转变，使一套统一的数据可以服务于不同的业务应用， 在确保“一数一源”的前提下切实提高行业信息共享与业务协同水平。

我国自然地理条件复杂，洪涝等水灾害以及地震引发的堰塞湖等次生灾害发生频次高、分布范围广、破坏强度大，传统逐级上报方式信息获取速度慢、现势性差、漏报率高，针对灾害信息时空变异性大、突发性强的特点，综合水雨情、天气、地震监测、基础地理、卫星影像、社会经济等多源信息，突破了多源数据时空尺度转换、信息差异归一化处理、基于序列分析的数据同化等技术难题，提出了涵盖专业模型、空间分析、天空地数据的水利一张图综合分析和信息挖掘方法，快速生成水位-面积-容积曲线、溃坝洪水分析及演进仿真等专题产品，基于预报结果动态生成回水长度、淹没范围等成果，实现了灾害快速定位、影响评价和预测预报，推动了我国涉水事件应急处置方式由主要依靠外业到内外业协同的重大转变。

图7 基于数据立方体的多维主题挖掘方法

4 应用服务

全国水利一张图发布以来逐步面向全行业开展应用推广，服务于各级水利部门，有力支撑了水旱灾害防御、河湖管理、农村水利、安全监督等业务工作，在国家防汛抗旱指挥系统、国家水资源管理系统、国家地下水监测工程、全国河长制管理信息系统等25 个重大水利信息化工程中得到全面应用，节约了大量投资，大幅降低了数据购置、系统建设、运行维护等方面的成本。

4.1 水旱灾害防御在国家防汛抗旱指挥系统工程采用水利一张图技术和成果，整合了水雨情、工情、旱情等信息，补充了跨河工程、治河工程、险工险段、蓄滞洪区、墒情监测站等专题要素，使水情、气象、工情和旱情等业务建立在一张图上，支撑了水情监控、防汛抗旱会商、应急值守、统一查询和协同办公等功能，在防汛抗旱工作的信息管理、预报调度、应急指挥、决策会商等方面发挥重要作用。发挥遥感覆盖面广、信息量大等优势，有效弥补地面站网稀疏、代表性不足的缺点，利用遥感影像耦合地面测站信息，改变了水旱灾害监测信息长期以来单一依赖地面站网的局面，特别是2013年黑龙江大洪水期间［13］，在国际河流境外区域监测信息获取困难情况下这一技术优势更为显著，为准确判断溃口发展趋势提供了及时准确的第一手资料（如图8 所示），为抗洪抢险工作提供了强有力支撑。

4.2 水土保持监管在水土保持业务领域中的土壤侵蚀、水土保持措施和生产建设项目动态监测等业务中，通过水利一张图获取了持续更新的水利基础和遥感影像数据，在业务应用的同时，实现数据共享，支撑了水土流失动态监测。基于水利一张图提供的遥感信息，开展天地一体化水土保持监管，监管生产建设项目是否存在未批先建、超出防治责任范围、建设地点变更等违法违规行为（如图9 所示），为水土保持治理提供科学依据。

图8 基于水利一张图的洪水遥感监测

图9 基于水利一张图的生产建设项目水土保持监管

4.3 河湖管理为推动河长制从“有名”向“有实”转变，促进河湖面貌明显改善，结合河湖管理“四乱”问题呈现点多面广、量大类杂、动态变化和分散隐蔽的特点，针对传统人工信息收集和外业巡查模式存在监管区域广、专职人员少、实施成本高、持续跟踪困难等问题，发挥水利一张图宏观、直观、客观，以及遥感技术及时、便捷、高效等优势，利用全国水利一张图提供的遥感影像、水利基础数据等服务，初步构建了以遥感发现为主、外业人工核查为辅的工作模式（如图10 所示），为“四乱”问题的查、认、改、罚提供了有力支撑，推动河湖治理保护由被动响应向主动作为转变，特别是在水利部2019年河湖管理多次专项督查和两轮全面督查工作中提供了有效服务。

图10 基于水利一张图的河长制督查管理

4.4 农村水利管理根据“十三五”农村水利管理工作提出的提质增效和精细化管理需求，针对新形势下农村水利管理工作的新要求，利用水利一张图提供的相关数据资源和服务资源，丰富和完善了业务信息，助力信息管理模式从单一报表向属性空间一体化转变，实现了农村水利工程的空间化，提高了管理信息的数据质量。在近几年国务院政府工作报告高度重视的农村灌区高效节水灌溉工作中，针对过去每年大量农村灌区节水改造项目信息只能依赖各级单位上报，无法实现真正审核，出现了不少虚报、更名重复上报、面积多报的情况，通过利用水利一张图将多年计划地块与每年实际建设地块的地图比对提高数据的真实性（如图11 所示），提出项目地块在线地图标绘的面积量算与填报指标的误差自动校核技术增强数据的准确性，开发基于影像地物类型判别的灌区地块标绘符合性审核模块提高数据的可信度，大大提高了信息审核的效率和质量，提高了项目信息管理的精细化水平。

图11 基于水利一张图的高效节水灌溉管理

5 结论

全国水利一张图面向所有水利业务领域提供了统一的专业化地图服务，保障了业务用图的权威性、完整性、准确性、一致性和安全性。技术成果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，填补了重大国情国力信息空白；提高了我国水利工作的管理水平和决策能力，提升了水利应急的处置能力；支撑了国家最严格水资源管理制度的贯彻落实，推动了全国省、市、县、乡四级河长制湖长制的建立；促进了跨部门信息共享，为其他调查普查项目提供了支撑和参考，对国防和军队导航事业提供了有力支持。

经济社会发展对江河安澜和水利工程安全高效运行要求很高，我国目前中小型水库大多数没有安全监测设施，水利一张图综合分析和信息挖掘方法中物联网数据类型相对单一，目前主要考虑了地面监测信息，随着智慧水利建设的推进，水利物联网数据会日渐丰富［14-15］，下一步不断丰富的水利监测信息将为全国一张图提供更全面的信息支撑。另外，受极端天气、传感器光谱条件和遥感数据时间分辨率等多种因素限制，有时会出现没有合适可用数据源的情况，随着国家陆地水资源卫星和更多国产卫星的发展和应用［16-17］，多源数据同化的水利应急服务技术将更有效、更及时。