智慧河长系统关键技术研究与应用

龚琪慧，张 骏，胡 晶，刘 康

（长江信达软件技术（武汉）有限责任公司，湖北 武汉 430014）

为落实绿色发展理念，推进生态文明建设，2016 年 12 月中共中央办公厅、国务院办公厅印发并实施《关于全面推行河长制的意见》[1]。全国各地相继建设河长制信息系统，采用信息化的手段推进河长制工作的实施。各地建立的河长制信息系统主要以河长为中心，实现辅助河长制工作的巡河管理、任务处置、事件管理、河长考核、数据报送等功能[2-5]。在已建河长制信息系统的基础上，为有效解决河长制工作中河长履职监管和河湖数据整合等难题，提出建设智慧河长系统的关键技术，利用大数据和智能化手段对河长制工作进行监督、管理、决策，以全面提升各级河长、河长制办公室工作效率，以及政府科学管理、决策水平。

1 河长制信息化现状与问题

目前虽然已通过建立和应用河长制信息系统完成河长巡河、问题上报等河长日常办公履职主要任务，但随着智能化水平的提高，大数据技术的应用推广，河长制管理的信息化工作与当前的技术发展存在差距，主要表现在河湖监管水平较低、信息化资源共享程度低和精细化监督管理水平较低等方面。

1.1 河长制动态感知水平不足

目前，全国各省市主要还是通过河长线下巡河的方式对河湖进行监管，动态感知水平不足。当前的水质监测主要依靠国控、市控等考核断面进行人工监测，时效性较差，难以实现对河湖水质的实时评价、动态分析等需求。对于岸线管控中需要关注的岸线侵占、破坏、非法采砂等活动，通常通过人工巡查发现问题，主动发现问题、预警预报等技术尚未实现，对监督管理辅助支撑十分有限。要实现河湖精细化监管，还需要水质、视频、遥感等多种前端感知设备的支持，提高动态感知水平。

1.2 信息化资源共享程度低

河长制工作涵盖水资源、水域岸线、水环境、水污染、水生态及执法监管等六大任务，还包括各级河长履职、一河一策实施监督管理等工作，业务覆盖面广，工作过程数据繁多，河长制管理要对相关领域信息采集、存量等数据资源进行统一整合共享。

目前的河长制信息系统主要集成河流、河段、河长制公示牌等基本河流档案和一河一策报告等信息，对于河道划界、岸线规划、采砂规划、水土保持等基础数据，以及水污染、水生态、水质监测数据尚未整合或整合不充分。这些数据的缺失将影响河长对河湖监管情况的判断，难以对各类河湖数据进行关联分析和价值挖掘。

1.3 精细化监督管理能力不足

由于河流动态信息感知不足，先进技术运用不充分，目前，各地的河长制信息系统主要实现对河流、河段基本信息的统计，以及巡河问题、事件的分析，难以为河流河段污染减排、一河一策精准施策提供决策依据，无法对岸线从宏观、中观和微观尺度进行大面积连续地动态监测，难以主动识别河流岸线问题，无法做到为各层级河长巡河及问题处置提供定向、定点的精细化监督和指导。

2 智慧河长系统关键技术

随着河长制工作的深入推进，精细化监管的迫切需要，针对河长制工作面临的问题，研究并应用构建智慧河长系统的关键技术尤为重要。

2.1 空天地一体化前端感知技术

实现智慧河长系统，需要对水资源、水域岸线、水污染、水环境及水生态进行全面监控，从以下方面构建全方位的前端感知体系：

1）水质水量自动监测。建立水质、水量自动监测站点，可以实时、动态监控河流总体水质情况，支撑河长制工作人员及时掌握重点断面的水质时空变化，动态了解水环境质量状况，可以在水质不达标的主要一级支流入河口和重点场镇下游布设站点。随着河流水环境治理及监测站网建设情况的变化，水质、水量站网布设需重新进行动态分析研究[6]。

2）工业企业污染溯源监测。主要对工业企业偷排造成的水质污染进行溯源分析，支撑水污染的精准监管和治理。水质全特征溯源技术以三维荧光[7-8]和水质指纹技术[9-10]为核心，辅以常规水质指标分析，依次查找污染排放源。首先采集监测点位上游水样，再通过对上游水样与监测点位水样的水质指纹比对确定污染源可能存在的位置。

3）视频监控。视频监控可以实现对河流、岸线、水库关键部位实施情况的掌握，辅助河长制工作人员快速识别问题。视频监控摄像头常分为以下3 种：a. 常规摄像头。主要实现对重要堤防、岸线、水库、拦河建筑物水面情况，以及入河口处干支流水位的实施监控。b. AI 智能摄像头。通过 AI 智能摄像头，实现跨界水域及水面漂浮物现象易发区域的实时监控，系统自动对水面漂浮物进行识别并用红色矩形框标注，相关识别标注示例如图 1 所示。c. 热成像与可见光双光谱摄像头。此类摄像头可对采砂船作业情况进行监控并抓拍。3 种不同类型摄像头，可满足智慧河长系统不同业务视频监控需求。

图 1 视频 AI 识别水面漂浮物

4）无人机巡河。无人机航飞技术基于 GPS 和4G/5G 等技术，通过搭载的全景摄像头回传高清全景视频，辅助河长实现在线巡河。无人机飞行高度一般在 100 m 左右，能迅速到达指定区域，对目标进行精准航拍录像。无人机航飞技术为河长制工作的开展提供了岸线数据支撑，为河长巡河提供了新手段、新方式，为人力无法到达的地段和偏远地区巡河提供便利[11]。

5）卫星遥感监管。卫星遥感可以实现水域岸线大尺度动态监管，通过对采集的遥感影像解译，形成遥感监测成果，为动态掌握水面和岸线情况提供技术支撑。围绕河长制工作任务，通过卫星遥感可以监测水面范围变化，岸线破坏和采砂码头状况，水面养殖、水面漂浮物、工矿企业等对水生态环境的影响，以及遭受破坏的岸线是否修复等[12]。

2.2 数据汇聚技术

在汇集前端感知数据的基础上，整合各部门河长制相关数据，如水利部门的水资源、水域岸线、水土保持、水文、水利工程等基础和监测数据，生态环境部门的各类污染源、污染企业、污水处理厂、水质等基础和实时监测数据，农业部门的畜禽养殖、水产养殖、屠宰场、农用地、林地、生态湿地等基础空间分布数据，交通部门的港口、码头等基础空间分布数据，形成河长制大数据中心，为各级河长制工作人员提供全面的数据服务，实现对数据的动态感知、快速研判和实时告警，为各级河长及时掌握河湖动态，合理调度指挥提供强有力的支撑。

2.3 AI 技术

AI 技术通常包括以下 3 种技术：

1）图像识别技术。AI 图像识别技术是指对视频摄像头采集到的视频和图像建立图像识别模型，分析并提取图像特征，建立分类器，根据图像特性进行分类对比的技术。在河长制工作中，利用前端布设的视频监控设备，采集视频、图像，基于深度学习算法，提出河湖水面线、水面漂浮物、采砂、垂钓、游泳等图像识别算法，自动识别河湖异常情况[13]，为各层级河长主动、自动发现问题提供辅助支撑。

2）舆情分析技术。舆情分析主要针对河长制相关、水环境污染、岸线侵占等现象和行为关键词，通过文本挖掘、分析监控生成结果对舆情进行预警。

3）智能语音交互技术。即人机对话技术，包括自动语音识别、自然语言处理和语音合成等技术[14]。通过智能语音交互技术，可以使社会公众和河长通过语音反映河湖问题，河长巡河过程更加方便快捷。

2.4 大数据技术

在智慧河长系统中，采用大数据技术对各类前端感知数据及整合的各部门河长制相关数据进行分析，最大限度地挖掘数据价值，运用热点、热力、模型、水质评价、量化考核等分析手段，实现对数据的智能运用。另外，在数据可视化方面，应用GIS、图表、数据面板等多种数据可视化手段进行数据展现，形成河长一张图，为河湖监管、河长履职提供智能化的辅助支撑。以河长巡河热力分析为例，通过分析全部海量巡河轨迹数据，进行时间及空间维度的聚合分析，结合日历图、空间热力图等大数据可视化手段对分析结果进行展示。

通过大数据技术，为河长分析水质恶化原因，辅助判断水质污染易发、频发位置，实现工业企业污染偷排、隐秘排放的溯源分析提供支持。另外，应用大量的水位、流量和水质数据构建一维水动力水质模型实现水质预测分析。在一定工况条件下，河流水质变化受河流流量、流速的影响，通过河流流量、流速预测可实现河流水质的趋势预测。通过扩散模型，实现在枯水期、丰水期、暴雨、干旱等不同场景下河流水质的预测，当出现流量变化导致水质变化时，及时预警提醒，为特殊场景下水质提升提供辅助决策支撑，水质预测分析界面示例如图2 所示。从图 2 可以看出：利用大数据技术，可对污染源下游断面的污染物和浓度进行预测，并预测出污染物到达断面的时间。

图 2 水质预测分析

通过大数据技术解决河长数据无法有效利用、分析决策效率低下的问题，提高了河长的分析效率，为构建健康河湖生态体系添砖加瓦。

3 智慧河长系统应用实现

智慧河长系统关键技术最终通过构建业务应用系统实现和应用，架构图如图 3 所示。6 层架构具体分析如下：

1）智慧感知层。主要是河长制相关的前端感知设备，即空天地一体化前端感知体系。系统采用互联网、4G/5G 无线传输等方式，对前端感知数据进行传输。

2）基础设施层。主要为系统运行提供物理环境基础，此外，采用云技术搭建系统部署环境，能实现系统资源动态扩展。

3）大数据中心层。负责对数据进行分类、汇集、清洗、存储和共享。通过数据资源目录对数据进行分类管理，包括河长制基础与业务数据，水资源、水域岸线、水污染、水环境、水生态等基础和监测数据。

4）支撑平台层。负责整个系统应用的基础平台级和服务级支持，包括基础支撑和使能平台。基础支撑平台提供基础的数据、权限、报表等服务，使能平台结合业务提供一维水动力水质污染扩散模型、视频 AI 分析及舆情监测等服务。

5）业务应用层。是对河长制业务应用的功能实现，分为以下 3 个应用部分：a. 基础应用部分。包括工作台、巡河管理、任务处置、专项行动、工作上报、考核管理、抽查督导、河流档案等功能模块。b. 河长智慧监管应用。围绕水资源、水域岸线、水污染、水环境、水生态等业务，充分利用基于水质监测的大数据分析，基于 AI 视频图像识别的水面异常、水质全特征溯源分析，遥感的水域岸线分析等技术，实现水资源、水域岸线、水污染、水环境、水生态的监管，主要包括水资源预警、保护动态统计分析，岸线、水域面积动态、采砂、工业企业水污染溯源分析等监管，水污染综合统计分析，水面、水体异常监管，精细化水质、水土保持动态监管，水质预测分析等功能。c. 综合展示应用。主要包括分业务专题的 LED 大屏综合展示和一张图。

图 3 智慧河长系统架构图

6）用户交互层。通过多种终端及展示形式，将系统应用功能合理、直观地向用户表达，包括大屏、PC、移动、平板、微信 5 个终端。五端功能相互衔接，数据互联互通，用户在不同应用场景通过不同应用终端及时有效地获取河长制信息，随时开展线上工作。

智慧河长系统整套业务应用基于 B/S 架构，采用统一部署、分级使用的方式面向全省/市河长制用户体系，实现功能权限的分级管控、业务数据的分域控制，在有效确保权限与数据安全的基础上，满足各层级多元化的配置与管理需求。

4 结语

智慧河长系统业务应用覆盖各层级河长组织体系，围绕河长制六大任务，通过透彻感知全面覆盖、数据资源整合开发利用实现业务应用智能提升，与主要为河长提供辅助巡河的河长制信息系统相比，能为各级河长和河长办及责任单位提供主动预警、统筹监督、协同处置等更多智能化应用。

本研究仅初步对智慧河长系统提出关键技术和应用实现方案，离成熟完善的智慧河长系统还有一定差距，今后需在扩大智慧监管范围、挖掘智慧化分析与应用、提升公众参与治水方面做出更深入的研究。