基于关键指标的水保时空大数据多维可视化研究与实现——以陕西省“水土保持一张图”指标体系建设为例

李瑞平，王晓晶，李文龙

(航天宏图信息技术股份有限公司,北京 100195)

自2009年提出“一张图”的概念以来，逐渐从狭义的基础地理信息库的总集发展成业务应用系统的建设，目前已成为实现信息资源整合共享、推动信息技术与业务深度融合的重要抓手[1]。随着水土保持信息化建设的逐步开展与完善，各级水行政主管部门对于数据共享和信息服务的要求与日俱增。2021年12月，水利部印发《水土保持“十四五”实施方案》，要求结合水土保持智慧化管理需求，健全水土保持数据库，形成“水土保持一张图”。这就要求水行政主管部门在开展预防监督、监测评价、综合治理等业务管理应用系统建设的同时，还应考虑“水土保持一张图”建设，对相对分散或独立的水土保持信息资源及相关的其他业务资源进行综合管理、深入挖掘、集成应用，使其更好地为智慧化模拟和精准化决策服务。

2013年以来，陕西省陆续开展了多项、多期水土保持信息化建设项目工作，积累了大量数据。但是水土保持业务中指标项众多，面对海量多源异构的水土保持业务数据，如何科学、准确把握关键性指标，高效、综合应用水土保持时空数据，简明、生动诠释水土保持业务工作成果，是建立陕西省“水土保持一张图”面临的主要问题之一。目前水土保持数据可视化研究多针对可视化技术本身或针对少量单一业务数据进行可视化探索[2-3]，鲜见面向水土保持业务展示及统计需求、关注全量水土保持业务数据综合可视化方法的研究。基于对陕西省水土保持信息化资源的梳理和分析，提出了适宜于陕西省“水土保持一张图”的关键指标体系，构建了时空大数据管理平台，对全量水土保持数据的可视化方法进行了研究并最终得以实现。

1 陕西省“水土保持一张图”关键指标体系建设

1.1 技术流程

水土保持数据涉及栅格、矢量、属性三大类，同时具有较强的空间和时间特征[4]。为实现全量数据可视化，从展示维度和统计维度两方面分析水土保持数据可视化需求，在此基础上梳理并建立陕西省“水土保持一张图”关键指标体系，建设技术流程见图1。

图1 陕西省“水土保持一张图”关键指标体系建设技术流程

1.2 展示维度分析

从可视化角度出发，构建通用型水土保持数据展示框架，旨在通过通用框架+针对性设计，达到面向多层级用户、覆盖全流程数据、清晰表达业务状态、直观反映发展趋势、凸显业务特色的目标。

(1)应用场景。从可视化角度考虑3种应用场景，即宏观、中观、微观。宏观页面即总览页，实现综合统计结果的可视化，主要用于展示全域的总体情况；中观页面即附加筛选条件的宏观页面，实现特定时间和空间下统计结果的可视化，主要用于展示某一特定空间尺度(如某市、某流域等)在特定时间段内(一般以年为单位)的总体情况；微观页面即详情页，实现全量原始监测及业务数据的可视化，主要用于显示某个项目或专项工作的详细信息。

按照陕西省水土保持各领域可视化需求，分别针对宏观、中观、微观三种应用场景，构建通用型水土保持数据展示框架，完成页面布局设计，满足不同领域、不同层级用户的水土保持业务管理需要。

(2)3D展示技术。随着3D技术的快速发展与普及，水土保持业务中也积累了越来越多的3D空间数据。3D展示与2D展示相比，效果更加真实立体，但同时耗费的计算资源也成倍增长。因此，将3D技术应用于水土保持可视化时要注重平衡业务需求与运行效率，综合考虑应用3D技术的必要性与可行性。其中，必要性方面主要考虑业务与地形要素的相关性，可行性方面主要考虑是否可获取符合业务要求的3D数据支撑、配备计算资源是否足以支撑快速展示等。

从陕西省水土保持业务和数据情况来看，现阶段主要有3项业务适宜应用3D技术：①生产建设项目监管(微观)，应用于重点生产建设项目的高陡边坡等水土流失易发区域、大型取土场、弃渣场等，3D视图下水土流失防护措施及相关水土流失风险显示更清晰、直观；②综合治理工程管理(微观)，应用于治理工程所在小流域，3D视图下小流域治理措施及分布合理性更易判别；③淤地坝管理(微观)，应用于淤地坝所在管理区域，3D视图下淤地坝坝体、溢洪道、泄水洞、监测设施等的位置及分布更清晰、直观。

1.3 统计维度分析

从业务管理角度出发，梳理常见水土保持数据统计分析维度，旨在通过探索数据统计分析模式，提升数据资产价值，指导行业管理分析与决策。

(1)空间维度。空间上，根据管理需求的不同，实现多种分割尺度下水土保持业务数据的统计分析。①行政区划。根据管理的职责权限，需要从行政管理角度按照省、市、县、乡、村等行政区划单元进行业务指标统计分析。②流域边界。根据水土流失发生发展特点，需要从集水汇水角度按照流域、小流域等不同单元进行业务指标统计分析。③水土保持分区。根据区域水土流失防治目标，需要从水土保持功能分区角度按照水土保持一级区、二级区、三级区进行业务指标统计分析。④其他。根据其他个性化业务需求，应实现基于自定义空间划分单元进行业务指标统计分析的功能。

(2)时间维度。时间上，主要有两方面的需求：①时序对比分析。考虑到业务的持续性、连贯性和可追溯性，需要实现水土保持业务指标的年度、跨期变化分析。②实时运行监测。对于生产建设项目及综合治理工程等项目进度、状态，以及水土保持监测站点、淤地坝相关监测参数等业务指标，需要实现实时动态运行监测。

(3)分类维度。在水土保持业务中，涉及多种业务类型和业务等级，各业务类型、业务等级间的对比是水土保持业务常见的统计分析内容。①监测评价。包括水土保持监测站点类型、水土保持监测站点级别、水土保持监测站点来源、土壤侵蚀强度等级、植被覆盖度等级、土地利用类型、水土保持措施类型等。②监督管理。包括生产建设项目所属行业、生产建设项目批复级别、生产建设项目建设状态、监督检查结果类型、行政处罚类型、责任追究类型、信用监管类型、违法违规类型、查处进度类型等。③综合治理。包括项目类型、资金来源、水土保持措施类型、项目进度、图斑精细化核查类型、淤地坝类型、科技示范园级别等。

(4)交叉维度。根据水土保持业务需求，通常需要融合多个维度对业务数据进行统计及对比分析。此种情况较多，在此选择典型情况举例说明：①水土流失情况对比。展示各级别水土流失的年度变化情况，融合了水土流失强度级别和年度信息，实现了两年度间各级别水土流失面积对比。②方案管理。展示各级别批复水土保持方案生产建设项目数量的连年变化情况，融合了批复级别及年度信息，通过统计数量实现了各年度、各级别批复项目数量对比。③淤地坝类型统计。展示全省及各市的大、中、小型淤地坝数量，融合了行政区划及淤地坝类型，通过统计资料，实现各市、各类型淤地坝数量对比。

1.4 关键指标体系

通过水土保持信息化建设，陕西省构建了覆盖水土保持规划、水土保持监测、水土保持监督、水土保持治理等多个业务系统的陕西省水土保持信息基础平台；模型资源方面包括了两区动态划定、土壤流失评价、土壤侵蚀潜在危险度、消长分析、重点治理工程安排建议共5个业务模型；数据资源方面积累了各类数据近4 TB。总体来说，陕西省信息化成果已初具规模。

表1为陕西省水土保持信息资源指标统计结果。由表1可知，基于陕西省水土保持信息资源，分业务、分类型梳理数据，提取各业务数据及其统计指标，共确定业务指标项260个、数据条目31 300条、统计项153个。在此基础上，进一步提取了各业务关键指标项，并基于业务需求明确了展示维度和统计维度，建立了陕西省“水土保持一张图”指标体系，具体见表2。

表1 陕西省水土保持信息资源指标统计结果

2 陕西省“水土保持一张图”设计

2.1 总体框架

图2为陕西省“水土保持一张图”总体框架。陕西省“水土保持一张图”依托于陕西省水土保持信息基础平台，在已有软硬件及基础业务系统的环境上搭建，在此基础上对数据库进行升级，使其满足时空大数据管理及挖掘需求。总体采用B/S的架构方式，基于时空数据库和WebGIS技术进行设计，包括预防监督、综合治理、监测评价、淤地坝管理、科技示范园5部分内容。

表2 陕西省“水土保持一张图”关键指标体系

2.2 时空大数据管理平台

全省全量水土保持数据具有海量、多源、异构的特点，同时具有较强的时空特性[4]。时空大数据管理平台在原有数据库基础上进行升级，通过结构化和非结构化数据库结合，融合了空间数据和非空间数据两套数据管理体系，支持水土保持时空大数据更新、治理及服务。

(1)时空数据更新。时空数据更新主要指各种渠道、各种类型的原始数据汇集，包括天、空遥感数据，地面监测数据，业务管理数据及引接共享数据等，汇集过程中需标注数据的汇集时间、空间特性、业务属性等信息。

(2)时空数据治理。时空数据治理主要指按照规定的数据时空基准，通过数据格式转换、数据一致性处理、数据空间化、数据建模等处理操作，实现数据的融合与更新。

(3)数据分析服务。数据分析服务主要包括统一数据服务、数据资产管理、智能数据研发等内容。统一数据服务支持数据服务申请、数据服务生成、数据服务发布等功能；数据资产管理支持在线资产全景可视、资产目录管理、资产详情查询等功能；智能数据研发指通过可视化编排方式实现数据管理与服务功能。

图2 陕西省“水土保持一张图”总体框架

2.3 主要功能

(1)二、三维地图展示。总览页及详情页中均设置地图板块，支持水土保持业务数据叠加及分析统计。总览页中，针对不同业务展示其管理对象的概化空间点位分布，并通过图标形状、颜色等对其类别加以区分；基于面板快速展示管理对象分区域、分类型数量统计信息；支持通过年度轴实现不同年份统计数据的快速切换。详情页中，针对某一具体管理对象的范围和内部空间结构进行精细化展示，针对预防监督、综合治理、淤地坝管理等业务场景支持2D、3D切换，以辅助用户解读管理对象详情，辅助管理决策。

(2)多元化数据统计。总览页针对各业务关键指标，基于统计表、柱状图、饼状图、折线图等，展示关键业务节点统计分析情况。决策者可通过直观可视的方式，全面掌握水土保持业务运行和发展态势，通过关键业务节点的关键指标，以及多项指标组合与关联分析，真实、全面和动态地了解水土保持业务发展的各个方面，提高行业的前瞻性。

(3)感兴趣时空筛选。总览页内，支持通过空间和时间筛选进行感兴趣时空范围内关键指标的统计数据查询。面向不同层级用户及特殊应用场景，决策者可根据实际需求，通过筛选起止时间、区域名称或矢量范围，快速查询相应各关键业务节点关键指标的统计结果，支撑业务管理与决策。

(4)全量化详情查询。详情页内展示各业务的全过程信息，支撑用户对业务管理单体对象的全量信息进行查看。通过地图点选或关键字搜索进入详情页，基于地图板块展示具体管理对象的范围和内部精细化结构，基于项目流程展示管理对象状态、结论以及项目各阶段基础信息。

3 总结与展望

基于陕西省水土保持信息化资源，面向水土保持数据展示及统计分析需求，梳理并构建陕西省水土保持关键指标体系，在此基础上升级建设时空大数据管理平台，支持水土保持时空数据的更新、治理与服务，建设预防监督、综合治理、监测评价、淤地坝管理、科技示范园等多个业务领域一张图，支撑各级水行政主管部门监测业务运行状态、查看业务管理成效、推测业务发展趋势，服务水土保持智慧化模拟和精准化决策，有助于推进陕西全省水土保持行业健康、高质量发展。

随着行业与技术的进一步发展，基于微服务架构，未来陕西“水土保持一张图”可融合新的技术与理念，如数据挖掘、淤地坝BIM模型、数字孪生流域等，持续优化、完善服务功能，通过数字赋能，提升水土保持行业服务能力。