流域水利一张图设计与实现

2021-12-30甘郝新王之龙

人民珠江 2021年12期

甘郝新，王之龙

(水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广东广州 510611)

2009年，水利部以第一次全国水利普查实施为契机，以统一地图服务为依托，促进水利信息化资源全面整合，初步建成了全国水利一张图，2015年、2019年又2次进行了升级[1]。全国水利一张图在多个重大水利信息化工程中得到了应用，特别是在2020年防汛工作中，全国水利一张图为洪水防御工作提供了全面的“作战图”，实现了“图”上点兵，运筹千里，为防汛指挥和防洪救灾提供了基础支撑[2]。

各流域机构、省(自治区、直辖市)水行政主管部门也陆续开展了一张图的深入应用。2005年起，长江水利委员会通过快速的迭代和版本升级，不断推进一张图数据多元化、应用领域多粒度、应用时机全过程、应用形式协同化，水利一张图平台成功应用到流域管理各个领域[3]。2013年起，江苏省水利厅以形成“框架统一、逻辑一致、数据分级、互联互通”的省水利地理公共服务体系为目标，整合全省已有水利地理信息资源，开展了水利地理信息服务平台建设，一张图逐步成为江苏省水利业务的基础支撑[4]。

水利一张图是水利信息化向智慧化发展的重要抓手。水利部明确提出，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的总要求，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以流域为单元，加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系。流域水利一张图是以流域为单元构建智慧水利体系的重要基础，是对流域物理水利及其影响区域进行全要素数字化表达，构造数字孪生流域的重要支撑[5]。

1 目标与定位

立足流域水利管理工作需要，在智慧水利顶层设计下，充分融合信息化新技术和已建信息化资源，采用“共同建设、共享使用，业务化更新、集约化维护”的建设与运行模式，在全国水利一张图基础上，接入空天地多源数据，实现由全景到近景、从宏观尺度到微观尺度的平滑过渡[6]，并以位置为纽带整合专业应用，赋予水利对象智慧展现能力[7]，构建“动态鲜活、三维立体、智慧使能、安全可靠”的流域水利一张图，逐步提升空间信息服务共享共用能力。

流域水利一张图是流域智慧水利的基础平台之一，通过流域水利一张图建设，最终实现“工作基础从图上来，工作过程以图协同，工作成果到图上去”。流域水利一张图同时也是全国水利一张图的流域级节点，并对接流域各省(自治区、直辖市)水利一张图，实现上下贯通、数据联动、服务共享、功能互用。

2 总体架构

流域水利一张图以水利信息资源整合共享为主线，打造“大中台、小前台”的地理信息服务模式，基于分布式集群架构、大数据分析技术和微服务应用框架，充分考虑平台的开放性、兼容性和可扩展性，提高系统并发处理能力及扩展能力，使系统运行稳定可靠[8]。流域水利一张图总体架构主要包括“五横两纵”，五横为基础支撑后台、数据中台、技术中台、业务中台、应用展示前台；两纵为标准规范体系、安全保障体系(图1)。

在一张图架构中，基础支撑后台是支撑流域水利一张图运行的主要软硬件环境，按照云架构设计建设；数据中台是流域水利一张图的数据基础，通过数据治理，建立面向对象的统一的空间数据模型，并基于大数据框架构建一张图存储管理体系；技术中台是流域水利一张图业务应用的基础与核心，基于微服务框架构建，主要由大数据共享服务平台、新技术支撑、云GIS运维与开发平台组成；业务中台是流域水利一张图的智慧使能平台，以数据中台和技术中台为基础，提供基于流域水系网络的水利对象搜索服务、时空属性数据的一体化检索服务及面向水利业务的可视化表达支持；应用展示前台以用户视角集成各类水利专题应用，全面支撑水利业务管理与综合决策；标准规范体系和安全保障体系主要依托现有安全防护体系和标准、规范、制度等进行扩充完善，保障流域水利一张图建设与运行管理。

3 关键技术

数据中台、技术中台和业务中台是流域水利一张图的核心，也是技术方案设计的关键所在。

3.1 数据中台

流域水利一张图的基础是数据，数据的关键则在于有效治理和长效更新。要全面汇集各类空间数据，包括基础地理数据、水利基础空间数据、水利业务专题数据及遥感、三维数据等，基于面向对象数据模型，开展有效数据治理，并建立常态化更新机制，实现“一数一源、一源多用”，保证数据常用常新，不断增强流域水利一张图的生命力。

空间数据治理主要通过坐标同化、要素更新、样式配置、多形态处理，形成一套规范统一的空间数据资源库，支撑各类业务信息精确的空间表达[9]。数据更新方面，一张图的基础地理数据和遥感影像数据主要通过全国水利一张图、互联网资源以服务方式同步更新；水利基础和业务专题数据根据“一数一源”、“谁负责谁维护”的原则，按业务职能由数据唯一来源方进行更新与维护。当一张图系统通过纠错、反馈等方式更新业务数据后，可通过反向推送回补给相应的业务系统，以保证数据整体的现势性和一致性。

3.2 技术中台

3.2.1构建地理信息分发网络

地理信息分发网络GeoCDN(Geo Content Delivery Network)技术是在现有网络的基础上构建智能虚拟网络，通过部署在各地的节点服务器，实时根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合信息，将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上。

通过GeoCDN技术构建与全国水利一张图、省级水利一张图互补互利的GeoCDN流域子节点，并采用智能分发的策略，把云GIS中心实时更新的服务智能分发到合适的GIS服务器上，首先尽量保证了由网络通信与负载状态最佳的节点完成用户请求，其次也提高了系统弹性和针对突发流量的应激性[10]，能够有效提升空间信息共享水平，增强系统可用性。

3.2.2基于微服务技术的应用开发框架

流域水利一张图采用微服务技术，实现系统间便捷、规范、灵活的数据交换与服务共享，方便水利相关业务应用系统的快速开发[11]。

一张图服务之间耦合性弱，且主要采用RESTful API方式进行通信，服务不需保持相同的编程语言或环境，可以消除不同应用之间的技术差异，降低水利行业系统开发的专业门槛。一张图同时实现服务的高度自治，在传统架构中，如果业务逻辑发生变化或者业务系统单一功能出现问题时，通过需要关闭整个系统来进行运维工作，通过建立微服务架构，由于各个服务高度自治，可以对单一服务进行运维，服务更新和部署变得更加方便[12]。

3.3 业务中台

3.3.1基于水网模型的水利对象搜索

仅仅依赖常规的面向对象水利数据模型，难以快速准确获取河流水系上下游、左右岸关联的水利对象信息，为此，需要提取河段及其交汇点信息建立拓扑关系，通过空间要素的连通性和节点顺序准确表达河流流向，从而形成流域水网模型。

河流水系是“纲”，纲举则目张。基于流域水网模型进行空间分析，可以实现对上下游、左右岸水利对象的快速检索，从而将一张图服务与水利业务应用场景更好地结合。

3.3.2基于大数据GIS技术的数据分析与检索

流域水利一张图需充分考虑空间数据的组织与存储方式，支持海量数据的接入和检索，从而促进空间数据资源的长序列积累和多场景应用。

分布式大数据GIS技术可以更好地应对大数据时代超大规模时空数据的挑战。通过分布式空间数据引擎技术和基于Spark并行计算框架，可以实现多机协同的分布式数据存储与并行计算，突破空间数据库容量与性能瓶颈。同时，分布式空间分析与处理技术支持对三维数据的分布式处理，例如地形、影像数据等多元数据，在数据接入、数据处理、服务发布环节，都可以使用分布式的技术来提升性能[13]。

4 珠江水利一张图实践

在对流域水利一张图的目标与定位、总体架构、关键技术实现等进行全面分析设计的基础上，珠江水利委员会全面启动了珠江水利一张图建设，以“轻、快、美”为标准搭建一张图应用平台，通过珠江流域水利信息直观、快捷、精准的关联、分析，全面展现流域水安全态势，并通过信息综合查询与展示、快速搭建专题应用、基于统一底图构建专业系统、业务成果聚合等，实现各级、各类水利业务的协同联动。