水文数据模型构建研究与实现

沈 喆，巫慧林，伍 涛，景 康，邓锦山

(1.四川省都江堰水利发展中心东风渠管理处，成都，610081；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

0 引言

水利在国民经济和社会发展中发挥着重要作用，是大数据产生和应用的重要领域之一。水利数据资源共享是水利大数据发展和应用的基础。随着水利业务和信息技术的发展，国家高度重视水利信息资源整合与共享，并对水利信息资源整合共享建设提出了新的要求[1－3]。2015年，水利部印发了«水利信息化资源整合共享顶层设计»，提出实现水利信息“统一技术标准、统一运行环境、统一安全保障、统一数据中心和统一门户”的目标[4]。2017年，水利部网信办下发了«关于推进水利大数据发展的指导意见»，意见中明确指出要充分发挥大数据在水利改革发展中的重要作用，促进水利大数据发展，有力支撑和服务水利信息化[5]。

“十四五”期间，四川省智慧水利建设进入新的阶段，需要对数据信息资源、业务系统资源、硬件资源等进行整合、治理，为智慧水利业务协同打下坚实基础。利用云计算、物联网、移动互联、大数据、区块链等新技术，建设四川省水利数据资源整合与共享平台，加快推进四川省水利数据资源共享与交换，是“十四五”时期四川省水利信息化建设的重点内容之一。通过对四川省水利信息化系统现状进行调研，发现当前业务系统存在建设主体较多、业务系统分散、数据孤岛等问题，导致数据资源无法进行有效整合。目前，四川省暂无统一的水利数据组织模型，建设新系统时往往需要重新梳理水利信息数据，造成数据资源重复建设，降低了数据资源的复用率。在此背景下，亟需对水利数据进行梳理，构建统一的数据模型，形成可共享的标准数据资源。以数据模型为基础对各类水利数据资源进行整编，经数据与对象以及对象间多方关联，有助于建立水利数据体系。水文是水利业务重要的一环，为此，以水文数据为例，建立统一的数据模型，逐步实现水利数据的“一数一源”[6]。

本文在水利对象模型的基础上，采用面向对象的理论方法，梳理已有水文数据资源，并针对数据模型不统一，数据模型设计缺失的问题，按照水文数据资源的范围，借助PowerDesigner工具，设计一套适用于水文数据组织的数据模型。该模型可科学化构建数据间关系，打通业务线与数据的联系，并能较好地支撑水文业务与其他业务对数据共享的要求。

1 数据模型

1.1 数据模型

数据模型是数据库设计中用来对现实世界进行抽象的工具，是数据库中用于提供信息表示和操作手段的形式构架，也是数据库系统的核心和基础。数据模型所描述的内容包括三个部分:数据结构、数据操作、数据约束。数据模型按不同的应用层次分成三种类型:概念数据模型、逻辑数据模型、物理数据模型。

概念模型为业务人员提供了不考虑实现方式，专注于业务流程、实体对象及其关系的有效数据关联方式。逻辑模型和物理模型可由专业数据库管理人员根据概念模型进行深化。对于水利专业人员，概念模型较为贴近实际数据建模深度，能让业务人员专注于数据本体的关系组织。

图1 数据模型深度

1.2 水利对象模型

数据资源整合共享是一项庞大而复杂的系统工程，2015年水利部发布«水利信息化资源整合共享顶层设计»。其中，数据资源的整合共享就作为整个水利信息化建设的一项基础工程被提出来。数据的整合应按照统一数据模型、统一数据目录、统一基础数据、统一应用共享数据几个层面开展。水文数据整合的实现，首先应开展统一数据模型的构建，同步开展水文数据目录、水文数据库、水文数据共享三方面工作，最终有机融合，实现数据整合共享。

数据模型是数据资源管理的基础，它定义了数据资源的整体结构、分类及数据间的层次关联关系。通过对比层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型的特点，发现水利数据与其他结构化较好的行业数据存在重大差异。随着水利管理业务的深入发展，水利对象的维度特征会不断增加，且不同类型水利对象的特征又存在巨大差异[7]。为此，采用面向对象的理论方法，以对象的方式组织水利数据，对涉水数据资源进行梳理和分析，梳理水利业务系统中的各类水利对象，并采取统一口径对水利对象进行定义和命名，实现水利对象空间特征和非空间属性，以及他们之间空间关系和业务管理关系的统一管理。为减少数据冗余，提高结构灵活性和数据间的易关联能力，从标识和属性2个方面描述水利对象，其中对象标识仅表达本体的存在性和唯一性；属性则是该本体有可能存在的相关特征信息，水利对象的属性包括基础属性、业务属性、空间属性和时相属性[6]，通过基础、业务、空间等多维度标识，实现水利对象数据进行科学合理归类。

水利对象模型对独立的每类水利对象提供了详细的层次划分，为水文数据组织模型的构建提供了可靠的基本粒子，同时也为水文数据分类组织提供划分依据。

2 水文数据类目与特性分析

2.1 水文数据类目

通过对四川省水文数据的梳理，形成了已有水文数据。水文数据是水文数据模型构建的对象，按照水文业务的范围，同时参考水利信息化标准规范体系中数据交换类标准«水文数据目录服务规范»(SL 736－2016)对水文数据的类目划分，将水文数据划分为基础数据(即站网数据)、监测数据(即测验数据)、业务数据(及整编数据)及其他数据。

2.1.1 基础数据

根据四川省水文数据调研情况，已有水文基础数据包括流域、水文测站(含雨量站、蒸发站、水位站、流量站、泥沙站等)、水事影像监测点、水井、水闸、泵站、供取水量监测点、水资源分区、水功能区、水源地、取水口、取用水户等水文基础对象及其属性数据、空间数据。

2.1.2 监测数据

水文监测以水文测站为载体，围绕水文要素进行监测。按照水文业务所需，对降水量、水位、流量、水面蒸发量等16项水文监测要素进行监测，水文要素反映水文对象的动态变化特征。通过调研，当前监测数据主要由水雨情监测系统(含水文监测数据)、地下水监测系统(含地下水监测数据)、国家水资源监控能力建设系统(含供取水量监测数据)提供。

2.1.3 业务数据

业务数据包括河流径流量统计数据、水文整编数据、大江大河洪水预报数据等。水文业务数据围绕地表水、地下水、土壤墒情、水质等具体业务线条展开。

2.2 水文数据特性分析

水文数据是从实地调查、观测及计算研究所得与水文有关的各项资料，包括降水量、蒸发量、水位、流量、含沙量等各种水文要素类型。水文数据与一般的科学数据相比具有以下特点[8]:

(1)空间特性。水文数据覆盖了流域、河湖等水文基本单元，且以测站为单位测得。因此，水文数据具有地理空间上的分布性。

(2)时间特性。水文数据是从水文测站设站以来测得的一系列的具有时间序列的数据，水文数据具有时间维上的有效性。

(3)数据要素多。水文数据包含了地表水、地下水、土壤墒情等多种类型的数据，这些数据各自包含着不同的水文要素，水文数据具有数据要素多的特点。

(4)联系性强。各类型的水文数据不是孤立地存在，而是相互联系的，以水文测站为水文数据采集的核心，水文测站关联水文要素，水文要素关联水文监测数据，数据间联系密切。

3 水文数据模型设计与实现

3.1 水文数据模型设计

根据水文数据的特点，构建关系模型时，考虑以水文测站为核心，将水文基础对象和水文要素连通，由对水文要素数据的监测，派生出水文监测数据，再由各水利专题，将水文监测数据组织起来，形成专题数据。可实现数据“基础—监测—业务(专题)”的组织方式，数据对象间关联关系表示较为流畅。数据组织方式如图2所示。

图2 水文数据组织方式示意

3.2 基于PowerDesigner构建的水文数据模型

本次数据模型构建采用PowerDesigner，该工具优势在于可以完整实现“概念模型—逻辑模型—物理模型”的建模流程，打通从数据关系组织到数据库导入导出，形成的数据模型可应用于数据资源整合共享中，可对接元数据管理平台，实现从最小粒度数据资源到大型数据资源组织[9]。

按照本文提出的水文数据组织方式，在PowerDesigner中进行数据关系建模。概念模型以水文基础对象数据为例，进行建模。图3中对水文测站、水库、河流、流域等9类涉及水文业务的水利对象进行关系模型构建，基于对象间的空间关系及非空间关系，该关系模型实现了对9类对象的实体及关系构建。该概念模型可扩展对象的属性及标识，转化为逻辑模型和物理模型，实现水文基础对象数据的模型建立。

图3 水文基础对象数据概念模型

在图3中，以面向对象的方式，描述了水文实体对象与其互相之间的关系。矩形框代表实体水文对象，曲线框代表实体间关系。首先，构建独立的实体对象，如水库、河流、水文测站等，每个实体对象具备唯一标识和属性，唯一标识即实体对象的ID，用以区分同一类别不同对象；属性即实体对象所附带的特征，如水库，库容、建设年代等信息是其属性。唯一标识和属性信息不作为概念模型的重点，可在逻辑模型阶段进一步深化。实体间关系即实体对象间通过空间关联或非空间关联所形成的关联关系。如水库对象与河流对象，在空间上存在“水库位于河流上”的关系，在面向对象中对象间的关系也可以表示为一个对象，可构建“水库—河流”对象，如图4。“水库—河流”关系对象的表示，依靠水库和河流的唯一标识，该信息可在逻辑模型阶段进一步深化。通过这种方式，可以对水文实体及其关系进行较为完备的梳理。

图4 水文实体及其关系在概念模型中的表示

在基础对象构建的基础上，可进一步按照本文3.1节中提出的水文数据组织方式，进一步对业务数据进行梳理。单一业务线亦可按照面向对象方式，通过所需监测水文要素关联水文要素对象、水文监测数据对象、水文基础对象的方式进行模型构建。在单一业务线的基础上，梳理业务线间的关系，构建并形成针对地表水、地下水等业务主题的数据模型。图5为基于水文、气温、降水量多要素业务数据模型。

图5 水温、气温、降水量多要素业务数据模型示意

4 结论

构建统一的水文数据模型为解决水文数据资源整合共享打下基础，后期可按水文数据组织思路，对其他水利数据进行建模，实现整个水利数据资源的梳理与整合。下一步可在构建水利数据模型的基础上，开展水利数据资源目录的梳理及水利数据共享交换管理平台的建设，实现从数据的生产、组织、管理、交换、共享的全流程治理，为业务系统开发和协同提供基础。