全國(guó)水利普查空間信息系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)

蔡 陽(yáng)，謝文君，付 靜，程益聯(lián)，陳子丹，成建國(guó)水利部水利信息中心，北京100053

全國(guó)水利普查空間信息系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)

蔡 陽(yáng)，謝文君，付 靜，程益聯(lián)，陳子丹，成建國(guó)
水利部水利信息中心，北京100053

針對(duì)全國(guó)水利普查中對(duì)象信息獲取、數(shù)據(jù)資源管理、成果質(zhì)量控制和項(xiàng)目組織實(shí)施等主要難題，提出了“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐、數(shù)據(jù)模型先導(dǎo)、智能工具保障、技術(shù)管理融合”的總體技術(shù)路線，介紹了全國(guó)水利普查空間信息系統(tǒng)的面向?qū)ο笏麛?shù)據(jù)建模、數(shù)字河流獲取、規(guī)則約束采集處理、多主題數(shù)據(jù)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。

水利普查；空間信息系統(tǒng)；水利數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)采集處理

1　概 述

為全面了解水利發(fā)展?fàn)顩r，提高水利服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展能力，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)、利用和保護(hù)，國(guó)務(wù)院于2010年至2012年開展了第一次全國(guó)水利普查，主要包括河流湖泊、水利工程、經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水、河湖開發(fā)治理保護(hù)、水土保持和水利行業(yè)能力建設(shè)等6個(gè)方面，具有實(shí)施范圍廣、普查對(duì)象眾、對(duì)象關(guān)系復(fù)雜、業(yè)務(wù)指標(biāo)多等特點(diǎn)［1-3］。

目前國(guó)外尚未有全國(guó)性的水利普查，只有美國(guó)開展過(guò)水資源普查［4-5］，其主要利用水文測(cè)站等地面設(shè)施，并結(jié)合遙感技術(shù)手段，通過(guò)使用多年歷史數(shù)據(jù)建立的專業(yè)分析模型，了解水資源相關(guān)的15個(gè)指標(biāo)，這種方法成功實(shí)施的前提是具有全面覆蓋的監(jiān)測(cè)設(shè)施和完整連續(xù)的歷史資料，而我國(guó)尚不具備條件，因此該方法不適用于水利普查。

水利普查涉及318個(gè)指標(biāo)項(xiàng)、2258個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，采用傳統(tǒng)報(bào)表方式無(wú)法保證全面準(zhǔn)確獲取各類對(duì)象的信息。為此，通過(guò)開展全國(guó)水利普查空間信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)，充分利用已有的基礎(chǔ)資料，遵循內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔的原則，采用工作底圖判讀、專題信息轉(zhuǎn)繪和外業(yè)調(diào)查相結(jié)合的技術(shù)方法，支撐了水利普查從信息采集、數(shù)據(jù)處理、成果管理到應(yīng)用服務(wù)的全過(guò)程。

2　總體技術(shù)路線

針對(duì)系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中存在的對(duì)象信息獲取、數(shù)據(jù)資源組織、成果質(zhì)量控制、項(xiàng)目管理實(shí)施等主要難題，提出了“基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐、數(shù)據(jù)模型先導(dǎo)、智能工具保障、技術(shù)管理融合”的總體技術(shù)路線。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐

針對(duì)對(duì)象信息獲取難的特點(diǎn)，采用統(tǒng)一工作底圖的方式［6］，通過(guò)緊密協(xié)作融合水利、測(cè)繪、國(guó)土、氣象、統(tǒng)計(jì)等多個(gè)部門的最新數(shù)據(jù)成果，建立了內(nèi)業(yè)處理為主、外業(yè)核查為輔的信息獲取體系，大幅減少了外業(yè)工作量，并確保對(duì)象的不重不漏和信息的空間一致性。

采用“邊建設(shè)、邊應(yīng)用”模式在全國(guó)首次完整應(yīng)用1∶5萬(wàn)更新數(shù)據(jù)［7］，保障了工作進(jìn)度；針對(duì)系統(tǒng)覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，綜合多種遙感數(shù)據(jù)，其中國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)源面積占比超過(guò)57%，首次實(shí)現(xiàn)2.5m正射影像全國(guó)陸域范圍滿覆蓋，促進(jìn)了自主遙感數(shù)據(jù)在水利領(lǐng)域的大規(guī)模業(yè)務(wù)化應(yīng)用；通過(guò)分析不同影像數(shù)據(jù)源的波譜特性，分類分區(qū)域分地貌進(jìn)行影像色彩處理，保證水利對(duì)象的解譯紋理。

2.2 數(shù)據(jù)模型先導(dǎo)

針對(duì)數(shù)據(jù)資源組織的困難，結(jié)合普查數(shù)據(jù)內(nèi)容，采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)建模理論與方法，以基于對(duì)象表達(dá)的信息組織為核心研制水利數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)空間、屬性、關(guān)系的一體化管理，相比已有模型［89］，不僅保證數(shù)據(jù)的完整描述和有序管理，也為水利數(shù)據(jù)資源體系的整體規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

水利數(shù)據(jù)模型包含對(duì)象的空間、屬性、關(guān)系等特征［10-11］組成的對(duì)象模型及相應(yīng)元數(shù)據(jù)模型，有效解決了水利空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織問(wèn)題。為支撐全過(guò)程系統(tǒng)實(shí)施，研編了系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［12-13］，在信息采集和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中保證數(shù)據(jù)在對(duì)象層次的一致性，為成果管理中數(shù)據(jù)的持續(xù)更新維護(hù)打下良好基礎(chǔ)，并為數(shù)據(jù)成果的后續(xù)應(yīng)用服務(wù)提供有力支撐。

2.3 智能工具保障

針對(duì)成果質(zhì)量控制的難點(diǎn)，研究各類水利對(duì)象的空間拓?fù)涮卣骷跋嗷ブg業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，應(yīng)用本領(lǐng)域知識(shí)規(guī)則加以描述，創(chuàng)建了動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的知識(shí)庫(kù)，并變傳統(tǒng)的事后檢查為事中控制，研制集成了知識(shí)規(guī)則的軟件工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)的智能檢測(cè)和處理。

將質(zhì)量控制過(guò)程前移，在數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程中利用上述軟件工具對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)，并通過(guò)設(shè)置例外以適應(yīng)可能存在的特殊情況，增強(qiáng)數(shù)據(jù)成果的一致性和可信度；基于云計(jì)算技術(shù)研制成果匯總協(xié)查平臺(tái)，供各水利業(yè)務(wù)專家對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程聯(lián)機(jī)核查和多級(jí)在線審核，在規(guī)則檢查基礎(chǔ)上開展內(nèi)容協(xié)查，增強(qiáng)質(zhì)量控制的完整性。

2.4 技術(shù)管理融合

水利普查是一個(gè)跨部門、多層級(jí)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，組織管理實(shí)施是一個(gè)重大難題，通過(guò)構(gòu)建模型、規(guī)則、流程、工具等一體化的組織體系，實(shí)現(xiàn)工作高效、數(shù)據(jù)安全與應(yīng)用便捷相統(tǒng)一的運(yùn)行機(jī)制，建立技術(shù)與管理相融合的大規(guī)模、多層級(jí)普查工作新模式。

針對(duì)項(xiàng)目學(xué)科跨度大、組織層級(jí)多、工作流程繁、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，以數(shù)據(jù)模型為先導(dǎo)，以規(guī)則貫穿全過(guò)程，通過(guò)軟件的廣泛使用實(shí)現(xiàn)“3S”技術(shù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用；結(jié)合目前國(guó)家暫無(wú)專門針對(duì)單機(jī)環(huán)境下成型產(chǎn)品的現(xiàn)狀，研制了單機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)；根據(jù)基層單位信息技術(shù)人員水平低的實(shí)際，研發(fā)智能化軟件并派駐技術(shù)支持人員全程駐場(chǎng)，創(chuàng)新了國(guó)家級(jí)重大信息化工程的服務(wù)模式。

3　關(guān)鍵技術(shù)

研究了面向?qū)ο笏麛?shù)據(jù)建模、數(shù)字河流獲取、規(guī)則約束采集處理、多主題數(shù)據(jù)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 面向?qū)ο笏麛?shù)據(jù)建模

水利數(shù)據(jù)模型通過(guò)對(duì)水利對(duì)象多尺度空間表達(dá)、多維度業(yè)務(wù)屬性、多重業(yè)務(wù)/空間關(guān)系與時(shí)態(tài)特征的完整描述和松耦合組織，使面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織能適應(yīng)面向事件的對(duì)象重組、面向過(guò)程的時(shí)態(tài)追蹤等多種應(yīng)用需要，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成果由靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)變?yōu)榭删S護(hù)的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

構(gòu)建了對(duì)象-對(duì)象類-數(shù)據(jù)集3級(jí)元數(shù)據(jù)體系（如圖2所示），提出基于日志自動(dòng)抽取和逐級(jí)萃取的元數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了伴隨實(shí)體數(shù)據(jù)操作的元數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，解決了元數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)的同步建設(shè)問(wèn)題；通過(guò)對(duì)多粒度元數(shù)據(jù)的一體化管理，實(shí)現(xiàn)了基于資源目錄的數(shù)據(jù)定位與追蹤。

圖1　水利數(shù)據(jù)模型組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Organizational structure of water data model

圖2　3級(jí)元數(shù)據(jù)體系Fig.2 Three-tiered metadata architecture

3.2 數(shù)字河流獲取

在先定河流對(duì)象的基礎(chǔ)上，提出基于連通關(guān)系、距離、特征點(diǎn)的平原區(qū)流域單元?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)散方法，即以水系線的起點(diǎn)、終點(diǎn)及相交節(jié)點(diǎn)為控制邊界，按距離反比原則完成平原區(qū)流域單元的逐一施劃，實(shí)現(xiàn)了平原水網(wǎng)區(qū)河流對(duì)象與流域單元的逐一對(duì)應(yīng)，解決了傳統(tǒng)方法［14-18］劃分平原區(qū)流域的困難。

通過(guò)突破上述關(guān)鍵技術(shù)，解決了流域單元窮舉與嵌套關(guān)系梳理問(wèn)題，首次完成了全國(guó)河流水系、流域單元的系統(tǒng)施劃工作，徹底查清了不同規(guī)模層級(jí)河流、流域單元的數(shù)量、分布、形態(tài)特征和匯接關(guān)系，澄清或糾正了以往的一些模糊和錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，統(tǒng)一了平原區(qū)和山區(qū)河流與流域管理規(guī)則。

3.3 規(guī)則約束采集處理

系統(tǒng)實(shí)施涉及層級(jí)多、用戶眾，成果質(zhì)量控制的難度大，全面梳理獲得各類水利對(duì)象間存在的66項(xiàng)空間關(guān)系和3330項(xiàng)業(yè)務(wù)關(guān)系，例如：水系與泵站間的壓蓋空間關(guān)系，引調(diào)水與水閘間的指向業(yè)務(wù)關(guān)系。研發(fā)了基于關(guān)系規(guī)則的數(shù)據(jù)采集處理軟件等智能化系統(tǒng)［19-20］，自動(dòng)完成關(guān)系的實(shí)時(shí)檢查和自動(dòng)匹配，確保了實(shí)體數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)的一致性，減少了工作量。

對(duì)元數(shù)據(jù)采用自動(dòng)抽取與手工補(bǔ)填相結(jié)合的方式，凡是能自動(dòng)采集的對(duì)象層級(jí)元數(shù)據(jù)項(xiàng)均從日志文件中直接獲取，可確保元數(shù)據(jù)信息及時(shí)準(zhǔn)確，并大大降低工作強(qiáng)度；另外，部分元數(shù)據(jù)信息可逐級(jí)萃取，不僅使元數(shù)據(jù)與實(shí)體數(shù)據(jù)保持同步，還為數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了很好的技術(shù)手段。

3.4 多主題數(shù)據(jù)應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和全面應(yīng)用，滿足不同水利業(yè)務(wù)多目標(biāo)、多層次的復(fù)雜需求，采用多主題數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和成果加工，提出了基于重配置和重映射的主題重組方法服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，完整建立了水利普查成果分析體系。

利用水利數(shù)據(jù)模型的松耦合數(shù)據(jù)組織特點(diǎn)，采用OLAP技術(shù)構(gòu)建面向水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)立方體，按各種屬性維度逐一表述對(duì)象的空間、屬性、關(guān)系和時(shí)間特征，形成差異化的主題數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了成果即席分析，改變了傳統(tǒng)單主題模式，在確?！耙粩?shù)一源”的前提下切實(shí)提高了行業(yè)信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同水平。

4　應(yīng)用推廣

系統(tǒng)獲取了超過(guò)550萬(wàn)個(gè)水利普查對(duì)象的空間信息，涉及28類對(duì)象，集成了近億對(duì)象的屬性信息，成果綜合漏報(bào)率為0.11‰，出錯(cuò)率為0.34‰［21］；形成了覆蓋全國(guó)陸域范圍的250m、30m、5m和2.5m4種分辨率正射影像。成果服務(wù)于全國(guó)近百萬(wàn)水利普查工作人員，降低了工作難度，提高了工作效率。

通過(guò)對(duì)3S技術(shù)的綜合運(yùn)用，全面掌握我國(guó)所有流域面積50km2以上河流和水域面積1km2以上湖泊的空間特征，完成了傳統(tǒng)辦法無(wú)法完成的任務(wù)，對(duì)首次全面準(zhǔn)確摸清我國(guó)河湖分布情況起到了決定性作用。

相關(guān)成果已推廣至全國(guó)所有縣級(jí)以上水行政主管部門，為各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。在應(yīng)對(duì)近年頻發(fā)的地震、干旱、洪水等涉水應(yīng)急事件中，為全面了解災(zāi)情及科學(xué)決策提供了強(qiáng)有力的信息支撐，極大地提升了水利應(yīng)急信息服務(wù)能力。形成的全國(guó)水利一張圖能全面支撐防汛抗旱、水資源管理、水土保持、農(nóng)村水利等業(yè)務(wù)，豐富和完善國(guó)家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施中的涉水信息，促進(jìn)跨部門業(yè)務(wù)協(xié)作與資源共享。

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［19］ CAI Yang.Data Processing and Software Usage for China Water Census［M］.Beijing：China Water &Power Press，2011：14-16.（蔡陽(yáng).水利普查數(shù)據(jù)處理與軟件使用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：14-16.）

［20］ CAI Yang.Spatial Data Acquisition and Processing for China Water Census［M］.Beijing：China Water &Power Press，2011：5-9.（蔡陽(yáng).水利普查空間數(shù)據(jù)采集與處理［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：5-9.）

［21］ Ministry of Water Resources，National Bureau of Statistics. Bulletin of First National Census for Water［M］.Beijing：China Water &Power Press，2013：1.（中華人民共和國(guó)水利部，中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.第一次全國(guó)水利普查公報(bào)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2013：1.）

（責(zé)任編輯：宋啟凡）

Some Key TechnoIogies of GeospatiaI Information System for China Water Census

CAI Yang，XIE Wenjun，F(xiàn)U Jing，CHENG YiIian，CHEN Zidan，CHENG Jianguo
Water Resources Information Center，the Ministry of Water Resources，Beijing100053，China

We have pioneered research on geospatiaI information system for nationaI water census and its appIication.Aiming to the main issues such as information obtaining，data management，quaIity controI，and project organization，the overaII thought is given.It is based on taking fundamentaI data as supporting and data modeI as precursor，and viewing inteIIigent tooI as protective roIe，and combing the management theory with technicaI methods.The key techniques deveIoped incIude the digitaI basin extraction，data modeIing orienting to the object of water resources，data acquisition and processing within certain ruIes and the appIication of muItidimensionaI theme.

water census；geospatiaI information system；water data modeI；data acquisition and processing

NationaI Science and TechnoIogy Major Project（No.08-Y30B07-9001-13/15）

CAI Yang（1963—），maIe，professor of engineering，majors in water resources informatization. E-maiI：ycai@mwr.gov.cn

P208

A

1001-1595（2015）05-0585-05

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（08-Y30B07-9001-13/15）

CAI Yang，XIE Wenjun，F(xiàn)U Jing，et al.Some Key Technologies of Geospatial Information System for China Water Census［J］. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2015，44（5）：585-589.（蔡陽(yáng)，謝文君，付靜，等.全國(guó)水利普查空間信息系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù)［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2015，44（5）：585-589.）

10.11947/j.AGCS.2015.20140476

2014-09-10

蔡陽(yáng)（1963—），男，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)樗畔⒒?/p>

修回日期：2014-12-09