基于信息资源整合的防汛“一张图”系统设计与实践

2020-12-26杨欢，乔延军，刘莉芳

人民长江 2020年12期

杨欢，乔延军，刘莉芳

(长江水利委员会网络与信息中心，湖北武汉 430010)

1 “一张图”服务平台建设历程

近年来，空间信息技术因其表达的直观性、多维性、交互性等特点，在水旱灾害防御[1-4]、水资源管理[5-7]、水土保持[8-10]、河湖岸线管理与保护[11-12]以及水政执法[13-14]等水利业务中得到了广泛应用。长江委自2005年起，即启动了以“一张图”为载体的空间信息平台建设工作。2005年，长江委完成了“一张图”1.0版的建设，实现了长江委水行政管理相关数据资源的空间集成展现[15]；2012年，完成了“一张图”2.0版的建设，实现了与外部数据服务资源的集成，提高了空间数据的时效性，丰富了数据资源，同时实现了自身数据服务的对外开放，支撑了各业务系统的建设；2014年，长江委开展了长江委资源整合项目建设，整合了水利普查、国家防汛抗旱指挥系统等相关系统数据资源，并完成了“一张图”3.0版的建设，构建了完整统一的“一张图”服务体系，加强了空间信息技术与业务工作的融合，并初步实现了基于移动互联网的空间服务，为内外业协同工作提供了基础。目前，长江委正在开展“一张图”4.0版的建设，结合新时代水利改革发展总基调的要求，力争在水利行业监管和智能化决策分析方面取得突破。

作为长江委资源整合项目的主要成果之一，长江委“一张图”服务平台形成了“4个1加N”的整体架构，即：1个“一张图”应用系统、1个“一张图”管理系统、1个“一张图”门户、1套配套管理制度以及N个以“一张图”服务平台为基础的业务应用。

在水旱灾害防御管理方面，长江委通过防汛抗旱指挥系统二期工程的建设，基于“一张图”服务平台，可提供水利部和流域各省报送的基础地理空间信息、水雨情信息，以及18类水利工程空间信息、基本属性信息、设计指标信息、防洪特征信息等数据服务[16]；支撑了水雨情监视、洪水预报、防洪调度、洪灾评估、综合决策等主要业务[17]。

然而，随着全球气候变化和极端天气事件频发、长江流域中下游水沙条件发生变化、水利工程的不断建设投运和流域治理不断深入，水旱灾害防御工作面临新的挑战，已建应用系统离满足新时期水旱灾害防御工作“强监管”要求仍存在一定的差距，具体体现在以下几个方面。

图1 系统总体架构示意Fig.1 Overall architecture of the system

(1) 水雨情监测重告警、轻处置，影响监管的实效性；

(2) 对调度体系的重要组成部分——长江两岸洲滩民垸的运用情况掌握不够全面，影响调度科学决策；

(3) 险情监管现场上报和处置监督手段不足，影响监管效率等。

为了有效应对2020年流域性大洪水所带来的挑战，进一步落实“水利工程补短板，水利行业强监管”的水利改革发展总基调，长江委提前谋划、精心部署，对长江委“一张图”服务平台3.0版进行了架构升级、功能扩展和展现优化。在此基础上，建设完成了长江委防汛“一张图”系统，为全面把握防汛抗灾形势、保障流域防洪安全提供了支撑。

2 防汛“一张图”系统设计

2.1 总体架构

防汛“一张图”应用系统在长江委“一张图”服务平台的基础上，面向水旱灾害防御业务需求，以SOA设计理念开展总体架构设计。防汛“一张图”系统主要分为数据层、支撑服务层和应用层等3层，其总体架构如图1所示。

(1) 数据层。包括河流、湖泊、行政区划等基础数据，雨量、水位、流量等水雨情监测数据，水库、水闸、堤防等工险情数据，移动设备填报的现场巡查数据，这些由长江委中心数据库、长江委水雨情数据库、长江委“一张图”APP数据库提供支撑。

(2) 服务支撑层。包括长江委“一张图”服务平台支撑服务、数据查询与统计服务、告警计算服务和综合办公服务等。其中，长江委“一张图”服务平台支撑服务主要面向空间对象，以OGC WMS、WMTS、WFS的形式提供地图服务；系统以RSET接口的形式提供数据查询、统计、计算等服务，集成长江委综合办公系统公文流转服务。

(3) 应用层。包括地图基本功能、汛情监测告警处置、圩垸运用监测、工险情巡查监督等主要功能。

2.2 功能设计

2.2.1地图基本功能

长江委防汛“一张图”系统以“一张图”服务平台为基础，提供基础的地图浏览功能、丰富的地图切换功能和自由的专题选择功能。

(1) 地图浏览。提供地图缩放、漫游、平移、全图显示、图层控制等浏览功能。

(2) 底图切换。针对用户对地图视觉感官的不同需求，提供长江委线划图、水利部线划图、水利部地形图、天地图线划图、天地图地形图、天地图影像图、ArcGIS线划图以及Google影像图等9类底图，用户可以根据自身需求，切换不同的底图。

(3) 专题选择。用户可根据业务场景选择和切换断面告警、汛期险情、堤防安全检查等不同专题，同时支持动态扩展水土保持、水资源管理、河湖管理等其他业务专题。

2.2.2汛情监测告警处置

选取能够实时监控流域重要水系节点和控制性水利工程的断面进行数据整合和告警阈值划定，断面范围主要覆盖长江干支流重要水系节点、具有调节能力的大型水库、大型涵闸、泵站、引调水工程等。目前系统已实现了流域内483个重要控制断面的实时监测和告预警。

(1) 水雨情实时监测。防汛“一张图”系统提供对重要控制断面的水雨情实时监测功能，以动态数值、值列表、过程线等方式展示其当前和历史水位、流量、雨量、水库蓄量等信息。

(2) 洪水分级告预警。依据《长江水情预警发布管理办法(试行)》(长防总办〔2014〕15号)，将洪水告警依据洪水量级及其发展态势由低至高分为4个等级，依次用蓝色、黄色、橙色、红色表示，即洪水蓝色告警(接近警戒水位/流量)、洪水黄色告警(达到警戒水位/流量)、洪水橙色告警(水位/流量重现期达到10～20 a)、洪水红色告警(达到防洪设计水位/流量)。

防汛“一张图”系统利用地图、散点图、饼图、折线图、表格等可视化形式，对达到告预警阈值的监测断面进行在线展示，并通过屏幕闪烁、声音警报、手机短信等方式向相关用户发出提醒。洪水分级告预警功能界面如图2所示。

图2 汛情监测告预警功能界面Fig.2 Function interface of flood monitoring and warning

(3) 告预警信息处置。当防汛“一张图”系统发生洪水告预警后，管理人员可在线填写跟踪处置单记录处置方式和处置意见。针对告预警事件的严重程度和紧急程度，用户可选择采取电话、发函通报、座谈协调、实地督导等方式进行处置，防汛“一张图”系统将无缝对接长江委综合办公系统进行公文的审批流转。

2.2.3工、险情巡查监督

整合长江中下游各省已有水利工程数据，填报汇集有圩垸运用和堤防巡查的数据，通过分层设色、热力图等方式统计分析圩垸运用和堤防险情在各省的分布及影响，助力长江流域防汛防灾监管，保障重点地区防洪安全。目前防汛“一张图”系统已全面汇集长江中下游湖北、湖南、江西、安徽、江苏等5个省的相关数据。

(1) 工情信息查询。防汛“一张图”系统整合了长江委资源整合项目、防汛抗旱指挥系统二期工程、2018年长江流域片小型水库安全运行专项督查等项目成果，提供流域内4万余座水库、3万余个水闸、3万余个泵站、1万余个堤防、50余个蓄滞洪区的空间定位功能，以及其所属区域、工程类型、工程规模、设计指标和管理单位等信息的查询和统计功能。

(2) 圩垸运用监测。防汛“一张图”系统全面整合了长江中下游沿江5个省洲滩民垸的名称、位置、性质、规模、土地面积、耕地面积、人口等基本属性，并通过信息填报，动态收集更新汛期所运用的洲滩民垸的数量、运用方式(漫溢、主动扒口、被动溃口、开闸进洪、自动进水等)、运用时间和所造成的损失，并以空间热力图的形式，在地图上宏观展现圩垸的运用现状与溃决态势。

(3) 堤防安全巡查。“一张图”系统通过桌面版与移动版的协同，为防汛人员提供堤防巡查及险情记录功能。借助于移动版“一张图”APP，巡查人员可通过手机、平板电脑等移动终端远程、实时记录巡查过程，准确标记险情位置，在线采集险情现场照片、视频和文字描述信息等；同时，移动版“一张图”APP可自动记录工作人员姓名、巡查时间、巡查轨迹，一并回传至长江委“一张图”数据库。桌面版“一张图”系统则为用户提供巡查信息的集中展现和查询统计功能，系统界面如图3所示。

图3 工、险情巡查监督功能界面Fig.3 Function interface of engineering and danger inspection and supervision

(4) 险情监督处置。通过移动版“一张图”APP线上填报和各省水行政管理单位线下填报，系统动态地汇集了长江中下游沿江各省的堤防出险情况，包括险情名称、险情数量、出险位置、所在堤防类型、险情类型、出险时间、出险处水情等，并对险情的处置情况、处置状态、处置方式进行跟踪和监督，辅助实现了险情早发现、早处置。

2.3 关键技术

防汛“一张图”系统在长江委“一张图”服务平台3.0版的基础上更新升级了开发框架，采用主流的HTML5轻量化页面渲染技术和MVC服务架构进行系统搭建。利用ETL工具，支撑了多源数据的汇集整合；引入了大数据集群技术，提升了数据查询的效率；引入了大数据可视化技术，丰富了地图的可视化效果，在2020年汛期长江流域联合滚动会商中，提供了强有力的信息支撑。

(1) 基于Mapbox GL技术的WebGIS系统框架搭建。防汛“一张图”系统基于开源库Mapbox GL搭建了本系统的地图框架，使用WebGL渲染栅格瓦片地图和矢量数据，实现了大量地图要素的实时渲染，从而获得了更流畅的动画效果和交互体验。

(2) 基于Elasticsearch集群的水利对象搜索引擎开发。Elasticsearch是一个分布式、高扩展、高实时的搜索与数据分析引擎，本系统利用Elasticsearch提供的RESTful接口搭建了水利对象搜索引擎，大幅提升了属性数据与空间数据的查询分析速度与稳定性。

(3) 基于ECharts的水雨情监测大数据可视化。ECharts具有可视化图表及交互组件丰富、浏览器兼容性强、响应速度快等优势，且支持空间数据可视化。防汛“一张图”系统利用ECharts的增量渲染技术，对大数据进行分块加载，实现了水文监测断面的空间分布、告警闪烁提醒和分区分类统计等动态展现功能，提升了图表渲染速度，优化了界面展示效果。

3 应用实践及成效

(1) 整合了多源信息资源，支撑了防汛会商综合决策。长江委防汛“一张图”系统是长江委持续推进信息化资源整合与共享的有力实践，该系统在有效整合长江委资源整合项目、防汛抗旱指挥系统二期工程、2018～2020年长江流域片小型水库安全运行专项督查等项目所形成的基础空间和水利空间数据、水雨情监测数据、水利工程数据和经济社会数据基础上，进一步汇聚了长江流域中下游5个省份的圩垸运用数据和堤防险情数据，扩展了防汛抗洪信息整合共享范围，为2020年汛期长江流域多次联合滚动会商提供了强有力的数据支撑。

(2) 加强了水情告警处置和工、险情巡查监督，支撑了防汛抢险工作。2020年入汛以来，长江流域先后发生了5次编号洪水，流域降雨量较常年同期偏多33%，其中，中下游降雨量偏多59%，长江干流堤防和洞庭湖、鄱阳湖重要堤防的防守压力较大。长江委防汛“一张图”系统聚焦水雨情监测、洲滩民垸运用、堤段巡查防守和险情处置等防汛重点工作，基于长江委“一张图”服务平台，研发了长江流域汛情监测告预警和工、险情巡查监督等功能模块，为全面掌握流域工、险情，统筹决策中下游圩垸“弃”与“守”，加强重要堤防和薄弱堤段巡查防守以及对监督出险问题能够及时整改提供了信息化支撑，提高了工作效率，积累了宝贵数据。据系统显示，截至2020年7月30日，长江中下游5个省共运用洲滩民垸861处，总面积约为31.1万hm2，涉及人口60万余人，其中安徽省运用洲滩民垸数量占总数的50%以上；截至2020年8月11日，长江中下游5个省共发生险情4 348处，其中长江干堤228处，如图4所示。而1998年长江大水期间，仅长江干堤便发生险情9 405处。长江流域汛情在较常年明显偏重的情况下，实现了“水大损失小”的良好成效。

图4 2020年长江中下游五省险情统计功能界面Fig.4 Functional interface of risk statistics for five provinces in the middle and lower reaches of the Changjiang River in 2020

(3) 创新了工作模式，促进了“一张图”服务平台与水利业务的深度融合。防汛“一张图”系统在长江委“一张图”服务平台3.0版的基础上，以2020年防汛抢险工作为契机，探索实践了“工作基础从图上来、工作过程以图协同、工作成果到图上去”的空间信息服务思路，形成了“滚动预警、现场巡查、跟踪处置”的全过程防洪监管模式。通过开发框架的迭代更新和功能的升级扩展，推动了“一张图”应用数据由单一来源扩展到多来源，应用形式由单一桌面应用扩展到桌面移动协同应用，应用时机由事后应用扩展到事前、事中、事后全过程应用，促进了“一张图”与治江管水业务的进一步融合。