智慧水利一张图与共享服务平台构建探索

周 辉，宋 超

（四川省河湖保护局，四川 成都 610000）

0 引言

党的十八大提出了建设美丽中国的伟大目标，十八届四中全会进一步要求加快建立生态文明法律制度，用严格的法律制度保护生态环境。党的十九大提出全面推行河长制的意见要求，进一步加强湖泊管理保护工作。水利部提出“水利工程补短板、水利行业强监管”的水利改革发展总基调，按照“实用、安全”水利网信发展总要求，着力补信息化短板，全力推进信息技术与水利业务深度融合。智慧水利运用物联网、大数据、遥感、人工智能识别、5G 等先进信息技术，充分开发利用水利信息资源，实现水利信息采集自动化、业务管理数字化、决策分析智能化[1-2]。目前，基于 GIS 的一张图系统已经在各行业取得重大成果[3]，推动河湖治理信息化建设迈上新的台阶[4]。一张图平台通过整合丰富的地理信息资源，将不同时期、类型、比例尺的地理信息资源进行高效的管理与利用[5-7]，能提高基础地理数据的生产效率、管理水平及对外综合服务能力[8]。

2017 年四川省全面推行河长制，省、市、县、乡分别成立河长制办公室，建立了河湖名录、河长、制度、工作推进、技术支撑等五大体系。由于涉及河湖体系庞大、河长人数众多、河湖信息庞杂，急需统一的信息化手段[9]，开展河长制管理工作。智慧水利一张图基础信息与共享服务平台按照“先标准再建设，先基础后应用，先接口后互连”的建设原则大力推进信息化建设，形成全省河长制工作管理“一盘棋”，将大数据技术应用其中[10-12]，建成后将在省级层面形成成熟完整的平台建设方案，为各地河长制信息化建设提供解决思路与接口标准，以利于各地后期在信息交换共享、信息报送、业务管理、考核评估方面形成统一的技术标准。

1 总体框架

基于系统总体设计思路，结合四川水利信息化现状，提出智慧水利一张图基础信息与共享服务平台“四个一”总体架构设计，即“一套标准、一张底图、一个数据库、一套共享服务”，既满足当前全省、市、县、乡四级河长开展河长制工作，又不断收集整合、规范统一、丰富完善全省河湖基础和水利基础信息，建设全省统一的智慧水利一张图数据库，满足省级相关部门数据对接共享，对上衔接国家平台，对下联通地方平台，形成互联互通、共建共享服务平台。以此为出发点，设计的平台体系结构如图 1 所示。

图 1 系统总体架构

四川省智慧水利一张图以水利普查、1∶10 000基础地理信息数据和第一次全国地理国情普查成果为数据源，提取水系、地名、行政区划等基础要素，对河流名称、空间位置、河流长度、流域面积、所属流域、流经区域、上下游、干支级别、跨区类型等做全面的清查和统一，衍生出河段、流域、里程桩等信息，持续归纳其他与河湖管理相关的空间和属性信息，不断整合水电站、排污口、监测断面、水文站、涉河建筑、水利工程等水利环保专题数据，实现动态更新、快速获取和统计分析，最终形成一套流域之间、行政区划之间，河流长度和流域面积完全闭合，水利、环保、林业等行业专题信息完整覆盖的一张图基础信息数据库，为实时动态信息的获取提供了统一、法定的基础信息和底层服务。

基础信息与共享服务平台建设采用开源的技术路线，系统前后端分离，降低系统耦合性，业务应用和数据资源之间通过服务接口进行连接。网站主要使用 Angular2 框架进行搭建，对各类功能进行模块化管理，引入了水系动态化简、浏览器数据引擎IndexedDB、平台热更新和用户单点登录等技术；数据库使用了 PostgreSQL + PostGIS + Redis，支持关系、非关系和空间等数据高效存取与检索；服务接口使用基于 .Net 技术的 Web Service 和 Web API 发布数据服务接口和共享交换服务接口；为满足平台日益增长的数据、功能业务和用户需求，保障平台平稳提供服务，对平台进行了云端部署和管理，应用了成熟的云服务设施、弹性适应网络和安全管理措施，系统运行机制如图 2 所示。

1.1 基础设施层

图 2 系统运行机制图

基础设施主要为支撑基础信息与共享服务平台的所有软硬件环境，基于云环境，建设动态实时监控体系，实时监控各项基础设施和资源的使用情况，并根据使用量进行动态扩展和负载均衡，保证平台提供稳定可持续的服务。

1.2 数据资源层

数据资源涵盖了河湖基础、水利专题、河长湖长、综合业务、电子地图瓦片、地图高清切片、工作文档、一河一策、一河一档、巡河记录、工作进展、行政区划、地名地址、用户权限等数据。

1.3 支撑服务层

支撑服务将数据资源封装成服务，供上层应用调用，同时包括目录、地图、矢量、空间分析、数据统计等功能性服务。

1.4 业务应用层

业务应用是基础信息与共享服务平台的主要内容，主要包括河湖、水库、水渠、塘坝、湿地、排污口、水文站、水域岸线、水电站、监测断面和水功能区等信息填报，同时还包括：工作进展、巡河、地图可视化、文档、数据统计和查询检索等管理应用。

1.5 标准规范和信息安全

标准规范主要包括基础数据结构与标识符、河湖编码规范、河长制基础数据共享服务规范、智慧水利一张图基础信息与共享服务平台使用指南及用户权限管理办法等。信息安全主要包括机房物理、网络、主机、数据、用户等安全管理制度。

2 平台设计建设

智慧水利一张图基础信息与共享服务平台设计包括标准体系、一张图数据库、基础信息和数据共享服务 4 项建设任务。

2.1 标准体系建设

智慧水利一张图基础信息与共享服务平台涉及省、市、县、乡四级的基础，河长体系和各种业务等多项信息内容。标准规范建设是全面推进一张图基础数据信息建设的技术支撑，是一张图平台信息化建设的基础，做到统一技术标准，是实现互连互通和信息共享的关键。主要包括数据生产、编码体系、库表结构、数据字典、共享接口和符号设计等相关标准规范的建设，现已经出台《四川省河湖管理范围划定数字线划专用图生产指南》《四川省河长制湖长制信息化平台河湖数据标识码编码指南》《四川省河长制湖长制基础数据表结构与标识符》《四川省河长制湖长制基础数据字典表》《四川省河长制湖长制基础数据访问与共享服务技术规范》《四川省河长制湖长制一张图符号设计说明》等标准。

2.2 一张图基础数据库建设

数据库采用多源基础数据，对数据进行提取、加工和脱密处理，收集整合水利、环保等专题信息，开展一系列信息补充填报与更新，经地方与管理部门进行核实，按照统一的标准对数据进行融合、衍生、检查入库等一系列工序，建立一套流域之间、行政区划之间河流长度和流域面积闭合的一张图基础地理信息数据库，具体建库流程如图 3 所示。据目前初步统计，基础地理信息数据库，已纳入的基础数据 13 类，水利专题数据 9 类，综合业务信息 14 类，累计 800 万余条记录。

图 3 水利一张图数据库建库流程

主要建设内容包括以下 9 个方面：

1）将全省行政区划数据进行核查统一，为河湖分段分片准确划分、河长权责明晰、信息统计闭合打下了重要基础；

2）对全省河流水系构建了河网拓扑关系，对河流名称、空间位置、河流长度、流域面积、所属流域、流经区域、上下游、左右岸、干支级别、跨区类型等进行了清查和统一；

3）归纳整理湖泊水库渠道等与河湖管理相关的空间和属性信息；

4）经过加工处理，衍生出流域、里程桩、河段、湖库片等信息；

5）持续整合水电站、排污口、监测断面、水文站、涉河建筑等水利环保专题信息；

6）持续开展河长、旬报、巡河、督查、河档河策等信息更新填报；

7）将全省规模以下的河、湖、库、湿地、渠道、塘坝数据核查加工入库；

8）从河流管理范围划定成果中提取非涉密数据进行加工入库；

9）在数据库基础上编制系列工作用图，为一河（湖）一策管理保护方案编制工作提供统一的河流水系工作用图，并作四川省流域面积 50 km2以上河流水资源量计算。

2.3 基础信息平台建设

基础信息平台是展示一张图建设成果的可视化窗口，便于管理和更加直观地开展各项工作。为辅助一张图建设和省级河长制工作开展，根据工作需求，开发基础信息平台建设，内容涵盖河流、湖泊、水库等基础信息，排污口、水闸、水电站等水利专题信息，以及河长、旬报、巡河、简报等综合业务信息的填报更新，对各类数据进行组织管理、综合查询检索、信息汇总、统计分析、信息核查、数据导出、一张图可视化、综合信息展示，此外还提供用户注册审核、通知公告、异常信息检测处理、图上信息识别、多源地图切换、专题图叠加、地图打印输出等辅助应用和管理功能。基础信息平台建设包括河湖基础、水利专题综合业务等信息填报更新，以及一张图可视化、综合信息与展示系统运维等管理系统。

平台基于 Angular2 框架搭建，数据加载方式采用水系动态化简技术，按需加载，防止加载慢、加载失败等用户体验问题。应用浏览器数据库引擎IndexedDB，将压力转至浏览器端，使得服务可用性能大大提高。同时采用平台热更新技术，保证数据安全可靠。

2.4 数据共享服务平台建设

智慧水利一张图的建设是为了促进全省基础信息统一、合法、权威，各类信息化建设都要以一张图数据为基础，为了方便一张图数据的共享应用，研发一套一张图数据共享服务接口，通过申请、授权、分配账号权限的方式面向全省开放使用，避免各地信息化建设重复采集生产基础数据，节省建设成本，共享服务接口主要对已纳入一张图数据资源的省、市、县涉水单位具体应用需求进行研发。

同时四川一张图数据与水利部一张图数据进行了深入对接，形成了上下信息互通互享的数据通道，并根据需求不断调整、更新、扩展、完善，主要建设内容如下：

1）针对已纳入一张图所有基础信息发布了一套共享数据服务接口，对基础和部分水利专题信息制作专题地图，并发布一套专题地图服务；

2）针对河长制的业务信息发布一套数据共享交换服务接口，市县可以直接通过接口向省平台推送旬报、巡河等信息；

3）按照水利部发布的省部河长制数据同步接口技术文档，编写一套数据汇交推送程序，完成水利部要求的所有河长制信息的汇交推送，数据变更后定期或实时自动部、省同步。

3 平台实现关键技术

3.1 海量多维异构数据的组织管理

河湖等结构化数据来源多样，利用数据标准化技术在资源池进行冗余、数据清洗、数据格式标准化及关联分析等处理，采取 LOD 技术统一划分地理底图等非结构化数据，利用四叉树索引技术快速定位抽取，通过对象存储与元数据描述对水利工作文档等半结构化数据组织，实现了海量多源异构信息的组织管理。

3.2 一张图动态可视化技术

通过研究现有的地图符号规则，进行地理世界符号抽象化和概念化，归纳出地图符号间的结构、分布特征与相关关系，在地图符号基本视觉变量的基础上，设计一张图专题要素符号表达样式，建立结构化符号对象，进行动态地图符号的渲染与绘制，采用 WebGL 技术，通过矢量数据切片、数据压缩传输和数据缓存管理实现海量数据在浏览器端的快速显示表达。

3.3 河网关系数字化构建

智慧水利一张图涉及河流的上下游、干支级别及河段上下级等复杂关系，以河段为编码基本单位，以明确河网拓扑关系结构为目标，涵盖了上下级别河段的纵向和横向、河流干支关系的横向的编码方案，搭建起全省范围内的河网关系图，直观地展示河段之间的关系，为河段的智慧化管理奠定基础。

4 结语

智慧水利一张图基础信息与共享服务平台建设，遵循省市县共建共享原则，发挥地理信息技术和资源优势，以空间数据为载体，整合多源异构自然资源数据，梳理流域治理责任单元与行政区划单元的复杂关系，统一地理框架和规范，搭建了四川省统一的智慧水利一张图，为四川省全面落实河长制工作保驾护航，为智慧水利建设提供数据支撑。

智慧水利一张图基础信息与共享服务平台将四川全省的河流、湖泊、水库、渠道、湿地等基础信息进行收集，核查，整理，关联河长信息，梳理名称、位置、长度、干支关系等关键指标，衍生了河段、里程桩等内容，构建数字化河网关系，同时不断整合水电站、排污口、监测断面等水利，环保多行业专题信息，建立了涵盖 67 类基础信息的数据库框架，初步建成了四川省智慧水利一张图基础信息数据库。

研发智慧水利一张图基础信息与共享服务平台，实现省、市、县、乡四级共 4 849 个区划的6 200 余名工作人员在平台上持续开展基础信息填报，核查更新工作，定期进行河长制等业务信息填报，并提供各类数据多种视角多种方式的检索、统计和展示，方便管理人员从宏观到细节快速掌控各项工作情况。智慧水利一张图基础信息与共享服务平台进行了云端管理部署，持续、稳定、高效地为河长制工作提供服务。

智慧水利一张图基础信息与共享服务平台构建了智慧水利一张图共建共享信息服务体系，编制了数据的编码、表结构与标识符、共享服务、制图生产等一系列标准指南，基于统一的数据标准，通过统一开放的数据服务接口，进行数据交换与数据共享服务，完成纵向省级平台与市州、区县级信息化平台基础信息数据的分发更新交换和横向与各厅局单位相关业务平台信息的共享，促进信息资源管理整合，进一步发挥信息资源和应用系统的效能。