基于GIS和物联网的河湖信息化管理系统研究

熊大红，利仕发，梁永康

（1.阳江开放大学，广东 阳江 529500；2.阳江市阳西县水务局，广东 阳西 529800；3.广州原子互动信息科技有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

绿水青山就是金山银山，河、湖、水库是人们赖以生产生活的重要资源和生态屏障，中共中央办公厅、国务院办公厅做出了全面推行河长制的战略部署，要求立足新时代，贯彻绿色发展、可持续发展的理念，必须落实好保护水资源、保障水安全、防治水污染、改善水环境、修复水生态、管理保护水域岸线、强化执法监管的河湖管理任务[1-2]。由于现有河湖管护力量相对不足，因此考虑应用现代信息技术，整合县域相关管理资源与力量，强化河湖信息化管理，具有重要的研究价值和现实意义[3-5]。本研究以广东省阳西县河湖管理为研究对象，基于地理信息系统（GIS）进行河湖图纸的矢量化和栅格化管理以及转换运算，考量和推进河湖管理范围的合理化划定和管理；引入物联网理论技术和方法，开展河道信息智能感知组网，建设河长制管理综合信息服务平台，推动县、镇、村三级河长以及与水务、公安、自然资源等有关的县级行政管理部门的信息共享和工作协同与联动。截至2021年12月中旬已助力水务综合执法和相关救援行动120余次，取得了较显著的成效。阳西县在2019年度、2020年度全市全面推行河长制工作考核中连续两年获得“优秀”。

1 研究区域的河湖概况

阳西县隶属广东省阳江市，位于广东省西南部沿海，阳江市西面，地处东经111°22'28''～111°48'43''、北纬21°29'～21°55'。阳西县大体可分为沿海地带和山区地带两大部分。沿海地带主要为冲积平原，县内海岸线全长126.6千米，全县沙滩岸段占海岸线总长度的40%，较长的有溪头镇的蓝袍湾海滩、上洋镇的河北海滩、沙扒镇的月亮湾海滩和海滨浴场海滩。山区地带主要有新圩、塘口以及程村、织篢两镇的西北部。阳西县西北部地区河流众多，河网交错，河流分布均衡，在航运、养殖、灌溉、发电、供水等方面起到十分重要的作用。县境内多年平均河川径流量达1 627亿立方米，集雨面积100平方公里以上的河流主要有丰头河、织篢河、儒洞河和上洋河，小河流共57条。根据中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于全面推行河长制的意见》，广东省委办公厅、广东省人民政府办公厅印发的《广东省全面推行河长制工作方案》，中共阳江市委办公室、阳江市人民政府办公室印发的《阳江市全面推行河长制工作方案》文件指导，阳西县委县政府正式印发了《阳西县全面推行河长制工作方案》，建立县、镇、村三级河长体系，将全县61条河流、48座水库、44座山塘纳入河长制管理，并从保护水资源、保障水安全、防治水污染、改善水环境、修复水生态和加强水域岸线管理保护等方面推进河长制各项工作。在水域岸线管理保护方面，为明确河湖保护管理边界，加强河道管理，自2019年起，阳西县逐步开展县内河流河湖管理范围划定工作，至今已全部完成县内50平方千米以上的河流划界203.74千米，完成20%县内50平方千米以下的河流划界133.18千米。同时，为进一步落实好河湖管理保护，加强河湖管理与信息化建设工作，阳西县于2019年开启智慧水务河湖管理信息化工作研究和探索，逐步在儒洞河、陂底水库和茅垌水库开展信息化建设和管理，并结合“数字阳西”建设打造了智慧水务河湖信息化管理“数字河长”平台，加强了对饮用水源保护区的信息化管理工作。

2 研究方法

2.1 数据转换与河湖信息管理

对河湖图件等信息通过扫描仪、计算机等工具进行存储和处理，而行政边界、交通干线、土地利用类型等数据信息通常是用矢量化的方法输入计算机或以矢量数据存储在计算机中的，需要将通过扫描等方式获取的河湖图件信息（栅格数据）进行矢量化转换，以便实现信息化管理目的。假设河湖管理范围划定为由多个拐点连线成的N条边构成的多边形，可细分切块成N-2个三角形，利用相似三角形面积和边长比例关系，可得到河湖扫描图件与GIS矢量图形的比例关系为[6-7]：

其中：R表示两个相似多边形的边长比例；S1、S2分别表示两个相似多边形的面积。同时，将矢量数据直接用于与遥感、摄像头、传感器及其网络等相关的多元复合信息分析处理比较复杂，因此需要进行矢量数据到栅格数据的转换，便于进行交点分析、叠合分析等计算处理。河湖图件数字化存储和GIS数据转换处理是实现河湖信息化管理的基本方法。

2.2 物联网信息处理和信息服务

物联网（Internet of Things, IoT）从字面上可理解为物物相联的互联网，Bill Gates于1995年在《The Road Ahead》中最早提到了物联网[8]，之后物联网逐步得到重视和广泛应用[9-10]。实际上，物联网是包含人、机、物三类实体的一种“物物感知、人物互联、人人互通”的高效能、智能化网络，通过智能识别和感知技术，利用智能设备感知和获取物体及其周边环境信息，再由网络和通信设备设施进行信息的传输，最终经智能信息处理技术和设备实现对物理世界的智能化管理与控制。智能服务是物联网的重要特征。在结构上常将物联网分为物理感知层、信息传输层和应用服务层三层。

在河湖信息化管理平台（系统）的研发中，引入物联网理念和技术，物理感知层以传感器及其网络、摄像头为主，实现对河湖状态信息及其周围环境信息的感知与获取；信息传输层通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网（IPv6），实现数据的有效传输和计算，提供数据传输和信息整合功能；应用服务层通过将信息转化为内容提供服务，实现县、镇、村三级河长及有关单位对河湖管理范围的巡视、有关图文信息的查询输出、堤坝状态显示和预先警示，以及河长制管理成员单位所需的信息服务提供等功能。

2.3 河湖管理信息化建设

一是突出政策引领，推进“互联网+河长制”。以中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于全面推行河长制的意见》和广东省委办公厅、广东省人民政府办公厅印发的《广东省全面推行河长制工作方案》以及地方有关政策为指导依据，以保护水资源、保障水安全、防治水污染、改善水环境、修复水生态、管理保护水域岸线、强化执法监管为主要任务，以“互联网+河长制”为重要抓手，引入物联网，构建感知和监测网络，建立健全河长制信息管理平台，全方位提升治河管河能力。二是促进部门协同，推进资源整合。构建河湖信息化管理平台，整合水务、环保、住建、自然资源规划等相关行业信息资源，为管理平台提供数据，让河湖管理规划更加科学、生态效益和社会效益更加显著、治水更加有效。三是彰显技术优势，拓展公众参与。充分利用物联网技术，让河湖“会说话”，搭建“互联网+”平台，主动让河湖管护工作接受社会监督，引导广大群众主动参与，把公众从旁观者变成河道治理的参与者和监督者，实现“共治共享、共建共管”。四是试点先行、探索经验、逐步推广。落实“河长制”信息化管理，提高河湖管护规范化、信息化、法制化水平，切实提升管理效率和效能。

3 阳西县智慧水务河长制工作信息化管理探索

全面推行河长制是以习近平同志为核心的党中央从人与自然和谐共生、加快推进生态文明建设的战略高度作出的重大决策部署，是破解我国新老水问题、保障国家水安全的重大制度创新。为响应中央、省、市全面推行河长制工作中的“互联网+河长制”工作要求，充分利用互联网信息技术，搭建“互联网+河长制”平台，建成一套“横向到边、纵向到底、先进实用”的河长制综合管理平台。2019年，以位于阳西县与茂名市电白区边界的跨界河流儒洞河为示范，针对该河流饮用水源保护及跨界跨地区管理等问题，阳西县组织实施了智慧水务河长制管理信息系统项目。通过合理布点和河道信息智能感知音视频监控组网，为平台提供数据来源；建设河长制指挥中心，包括服务器群建设、应用支撑服务建设和河湖数据服务建设，为平台提供应用服务支撑保障。创建阳西县首个应用于水务的智慧水务数字河长管理平台，如图1所示。该平台能够满足日常对河道治理监管数据信息预警需求，为远程执法取证提供视频数据，强化县水务、公安、自然资源等相关部门以及镇、村的信息共享和管理联动，支持天气、位置等自然数据信息与实时感知的河道堤防信息、岸线监管信息的整合与综合应用，突破时空限制实现河道智能监管。

图1 阳西县智慧水务数字河长管理平台

4 应用成效分析

4.1 阳西县的河湖分布特征

阳西县东南两面濒临大海，海岸线达126.6千米，是大小河流的出口，西北部地区河流众多，河网交错，河流分布均衡，县境内多年平均河川径流量达1 627亿立方米。同时，县内部分河湖管护范围与生态林、公益林、基本农田保护区等重点保护区域重叠，需要多部门协同做好有关工作，实施河湖清淤，涉岸线及周边区域项目也须综合论证，共同守好公益、生态管护“红线”，强化综合治理效应。

4.2 阳西县河湖保护与经济发展之间的矛盾

随着阳西县社会经济的快速发展，河湖管理保护方面也出现了一些新问题，如存在侵占河道养殖、超标排污、围垦河库、非法采砂等现象。为了更好地解决这些河湖问题，阳西县建立健全了三级河长体系，在每条河流水库落实河长，明确河长职责。在各级河长的牵头整治下，有效地解决了一批河湖问题，如完成清理全县入河排污口41次，完成全部饮用水源保护区范围内违规养殖清理，严厉打击了盗采河砂行为，查处缴获一批非法盗采河砂的器械，基本杜绝了大规模盗采河砂行为。虽已形成有效治理保护，但对于重点饮用水源保护区的管护仍存在一些问题，如在河道周边倾倒垃圾问题、蚂蚁搬家式盗采河砂等问题。

4.3 阳西县智慧水务河湖管理信息系统示范应用成效

为了有效解决上述问题，加强饮用水源保护区河道管护工作，2019年阳西县以儒洞河为示范，实施了智慧水务河长制管理信息系统项目，突破了管理力量不足的问题，克服了日常监管中存在的不足，24小时的在线监管和动态分析系统可以及时反映和反馈河湖状况，对于一些河道周边倾倒垃圾、蚂蚁搬家式盗采河砂行为都起到了很好的遏制作用。同时，对于流动性强、生长快的水浮莲，也能及时发现并安排人员清理，大大节省了清理成本。截至2021年12月中旬已助力水务综合执法和相关救援行动120余次，取得了显著成效。阳西县在2019年度、2020年度全市全面推行河长制工作考核中连续两年获得“优秀”。

5 结 语

根据全面推行河长制的工作要求，结合工作实际，用GIS的方法，强化河湖自然位置及其周边区域的地理信息管理，合理确定河湖管理范围和不同的保护级别，统筹处理，使河湖保护与社会经济协调发展；引入物联网的理念和技术，突破时空限制，打造智慧水务，实施信息化管理，提高工作效率和公众参与度；针对河湖管护与林地、耕地和自然保护区等重叠的现状，建议相关部门利用信息技术等手段，强化部门和区域联动，提升河湖管护和综合管理效能。