全國水利一張圖關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

蔡 陽，謝文君，程益聯(lián)，陳德清，陳子丹，付 靜

（水利部信息中心，北京 100053）

1 研究背景

水信息是國家重要的戰(zhàn)略性信息資源。近年來，圍繞水利中心工作，水利部組織實施了一大批水利信息系統(tǒng)建設(shè)項目，支撐了相關(guān)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用。但是分建專用的傳統(tǒng)水利信息化建設(shè)模式導(dǎo)致了“數(shù)據(jù)資源分散、信息共享不足、業(yè)務(wù)協(xié)同困難”等問題日益突出。

水利工作涉及的河流、湖泊、水庫、水電站、水閘、堤防、泵站等水利管理對象具有明顯空間特征，水旱災(zāi)害防御、水資源管理、河湖管理、水利工程管理、水土保持等水利業(yè)務(wù)對地圖應(yīng)用有迫切需求，各類水利業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)也紛紛基于電子地圖展開建設(shè)和應(yīng)用，地理信息服務(wù)在各項水利工作中的應(yīng)用日益廣泛，水利工作對地圖使用的合法性、安全性、可靠性和一致性等提出了更高要求。

為此，研制水利數(shù)據(jù)模型以實現(xiàn)水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水利專業(yè)數(shù)據(jù)的一體化管理，通過整合遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和社會發(fā)展數(shù)據(jù)等多類數(shù)據(jù)資源，以統(tǒng)一地圖服務(wù)為依托建成支撐和服務(wù)于各類水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)信息平臺，構(gòu)建對水利業(yè)務(wù)的發(fā)展現(xiàn)狀、管理行為和變化過程進行全程記錄的全國水利一張圖應(yīng)用體系，推動信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用驅(qū)動的數(shù)據(jù)動態(tài)更新，促進水利數(shù)據(jù)資源整合、水利信息共享和業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)同，提升對水利各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息服務(wù)水平與應(yīng)用支撐能力。

全國水利一張圖依托2009年開始的第一次全國水利普查前期工作同步啟動，通過統(tǒng)籌多個水利信息化建設(shè)項目，從支撐環(huán)境、空間數(shù)據(jù)、地圖服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、安全體系和標準規(guī)范等多方面進行統(tǒng)一，于2015年9月23日在全國水利信息化工作會議正式發(fā)布，并推廣應(yīng)用到各級水利部門各類水利業(yè)務(wù)工作中。為踐行“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)，落實“安全、實用”水利網(wǎng)信發(fā)展總要求，針對2015 版系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)內(nèi)容單一、定制化服務(wù)能力不足、信息更新不及時、地圖表達效果欠佳等問題，圍繞豐富數(shù)據(jù)、強化功能、深化應(yīng)用、優(yōu)化展現(xiàn)等方面，升級完成了全國水利一張圖（2019 版），由水利部于2019年12月18日正式發(fā)布，進一步推動水利信息資源整合共享、水利業(yè)務(wù)協(xié)同和智能應(yīng)用。

2 總體技術(shù)路線

針對“數(shù)據(jù)資源分散、信息共享不足、業(yè)務(wù)協(xié)同困難”等突出問題，圍繞全域數(shù)據(jù)資源規(guī)劃、統(tǒng)一信息服務(wù)研發(fā)、全面應(yīng)用體系建立等主要內(nèi)容［1］，研究攻關(guān)基于全關(guān)系水利數(shù)據(jù)組織的建模理論與方法、面向集約共享的水利一張圖服務(wù)平臺研發(fā)和“全國水利一張圖+”的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系創(chuàng)建等關(guān)鍵技術(shù)，建成在全國各級水利部門廣泛應(yīng)用的全國水利一張圖。主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)及其關(guān)系如圖1 所示。

圖1 主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)及其關(guān)系

2.1 全域數(shù)據(jù)資源規(guī)劃構(gòu)建一體化的數(shù)據(jù)資源管理體系。結(jié)合水利工作的管理域和業(yè)務(wù)應(yīng)用特點，提出包含水利基礎(chǔ)、水利專業(yè)、遙感影像、基礎(chǔ)地理和社會發(fā)展等5 類數(shù)據(jù)在內(nèi)的水利一張圖數(shù)據(jù)資源體系，利用水利數(shù)據(jù)模型對水利基礎(chǔ)和水利專業(yè)數(shù)據(jù)進行有效組織，解決不同業(yè)務(wù)之間描述同一對象的語義不一致問題，明確不同應(yīng)用環(huán)境下各類數(shù)據(jù)的來源和使用方式：其中水利基礎(chǔ)和水利專業(yè)數(shù)據(jù)在政務(wù)內(nèi)網(wǎng)直接利用完整的涉密版水利數(shù)據(jù)，在水利業(yè)務(wù)網(wǎng)則采用依據(jù)相關(guān)規(guī)定開展保密技術(shù)處理并履行相關(guān)審批程序的處理后數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)在政務(wù)內(nèi)網(wǎng)依托水利部與原國家測繪地理信息局簽訂的共享協(xié)議利用最新版1∶25 萬和1∶5 萬數(shù)據(jù)，在水利業(yè)務(wù)網(wǎng)部署天地圖前置系統(tǒng)進行定制服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，制訂上述各類數(shù)據(jù)尤其是水利數(shù)據(jù)不同內(nèi)容之間涉及數(shù)據(jù)語義和地圖表達的一致性規(guī)則，并基于規(guī)則對各類數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的一體化組織、管理和應(yīng)用。

建成基于統(tǒng)一遙感數(shù)據(jù)服務(wù)的業(yè)務(wù)信息更新機制。水利部自2015年全面統(tǒng)籌遙感影像的收集整理和標準化正射產(chǎn)品的加工處理，其成果統(tǒng)一實施完成后通過水利一張圖主動分發(fā)使用；同時各用戶基于以上遙感成果形成的各類專題數(shù)據(jù)及時返回上報，依托水利一張圖將專題成果在系統(tǒng)內(nèi)共享服務(wù)。通過自上而下統(tǒng)一收集整理滿足各業(yè)務(wù)需求的遙感影像及其標準化產(chǎn)品統(tǒng)一服務(wù)，建立全國范圍多分辨率遙感影像每年全部更新一次以及局部范圍按需更新的機制，有效保障數(shù)據(jù)的一致性，大大提高遙感影像的業(yè)務(wù)服務(wù)能力，實現(xiàn)一套遙感數(shù)據(jù)源在水利的跨層級、跨地區(qū)、跨業(yè)務(wù)的全面共享與應(yīng)用服務(wù)，節(jié)省數(shù)據(jù)購置、存儲、處理和應(yīng)用部署等方面的投入；通過自下而上基于統(tǒng)一服務(wù)支撐的各類專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)一上報，完成業(yè)務(wù)專題信息的有效采集與及時更新。

2.2 統(tǒng)一信息服務(wù)研發(fā)研發(fā)智能化的水利地理信息服務(wù)平臺。圍繞提高水利地理信息服務(wù)能力，結(jié)合各水利業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點和需求，從服務(wù)數(shù)據(jù)、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)接口和服務(wù)組織等方面合理設(shè)計服務(wù)體系，研發(fā)標準化地圖服務(wù)，除水利業(yè)務(wù)網(wǎng)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)服務(wù)由天地圖前置服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進行個性化定制發(fā)布外，水利基礎(chǔ)、水利專業(yè)、遙感影像和社會發(fā)展等其他數(shù)據(jù)的服務(wù)均自行設(shè)計和開發(fā)，研究提出面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的個性化服務(wù)聚合方法以實現(xiàn)不同應(yīng)用場景下的按需定制服務(wù)，各業(yè)務(wù)根據(jù)具體應(yīng)用需求調(diào)用已有服務(wù)聚合產(chǎn)生滿足自身需求的個性化地圖。

建立基于資源彈性供給的地圖服務(wù)自適應(yīng)機制。按照云架構(gòu)理念，通過對機房環(huán)境、計算資源、存儲設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的集約建設(shè)和統(tǒng)一調(diào)度、管理、服務(wù)，實現(xiàn)機房安全統(tǒng)一、計算彈性服務(wù)、存儲按需分配和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，為水利一張圖提供資源彈性供給的云服務(wù)?；诨A(chǔ)設(shè)施集約化改造形成水利云，基于國產(chǎn)化自主地理信息基礎(chǔ)軟件平臺開發(fā)地理信息服務(wù)，并結(jié)合水利一張圖部署環(huán)境應(yīng)用需求完成了系統(tǒng)在云平臺的資源虛擬化，實現(xiàn)信息服務(wù)資源按需分配。采用基于GIS 智能集群的彈性服務(wù)技術(shù)研究實現(xiàn)服務(wù)器資源的智能感應(yīng)和自動擴展，針對水利應(yīng)用需求開發(fā)了基于二三維一體化展示和分析的洪水淹沒等個性化服務(wù)，從優(yōu)化服務(wù)方式和提高服務(wù)效率兩方面有效提升服務(wù)質(zhì)量。

2.3 全面應(yīng)用體系建立構(gòu)建“全國水利一張圖+”的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系。系統(tǒng)梳理全國水利一張圖中各類數(shù)據(jù)涉及的業(yè)務(wù)域，分析各類業(yè)務(wù)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用方式和管理模式，基于子職能域逐對象類細化其空間及業(yè)務(wù)特征的業(yè)務(wù)應(yīng)用主體，提出增量數(shù)據(jù)自動抽取技術(shù)實現(xiàn)對不同業(yè)務(wù)過程相應(yīng)變化信息的及時提取與匯聚，實現(xiàn)全國水利一張圖標準服務(wù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)處理過程的無縫銜接，保障服務(wù)的持續(xù)優(yōu)化和不斷完善，保證數(shù)據(jù)內(nèi)容的一致性和功能服務(wù)的承接性，通過各水利業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)融合和信息流動，以信息流重組推動業(yè)務(wù)流優(yōu)化，促進業(yè)務(wù)割據(jù)向業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展。

建立共建共享聯(lián)動數(shù)據(jù)更新機制。按照水利事權(quán)職責(zé)和業(yè)務(wù)分級管理模式，建立跨層級共建共享的數(shù)據(jù)聯(lián)動更新機制，主要由基層數(shù)據(jù)管理和維護主體基于統(tǒng)一地圖底圖，發(fā)起數(shù)據(jù)采集和維護更新操作，通過統(tǒng)一用戶管理進行用戶認證和權(quán)限控制，經(jīng)過審批后更新數(shù)據(jù)入庫，完成本級事權(quán)范圍內(nèi)相關(guān)對象的數(shù)據(jù)更新并發(fā)送更新同步通知到統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。上、下級數(shù)據(jù)庫收到更新同步通知后，進入審核流程，審核通過后，經(jīng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)獲取下、上級的更新數(shù)據(jù)內(nèi)容并入庫，實現(xiàn)多級數(shù)據(jù)的在線聯(lián)動更新，有效保障了跨層級之間的業(yè)務(wù)聯(lián)動和數(shù)據(jù)一致性；另外，依托水利部參與的安全生產(chǎn)監(jiān)管信息化工程、生態(tài)環(huán)境保護信息化工程等國家政務(wù)信息化工程項目，通過國家數(shù)據(jù)共享交換平臺實現(xiàn)與其他相關(guān)行業(yè)部門的信息交換，不斷完善信息共享機制，有效實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)跨層級和行業(yè)間跨部門的數(shù)據(jù)聯(lián)動更新。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于全關(guān)系水利數(shù)據(jù)組織的建模理論與方法我國水利管理“部門分散管理、業(yè)務(wù)條塊分割”的體制導(dǎo)致水利信息的描述和組織通常圍繞單一業(yè)務(wù)展開，造成不同業(yè)務(wù)域之間的數(shù)據(jù)資源整合十分困難，針對面臨的信息分類不統(tǒng)一、內(nèi)容描述不完整、語義理解不一致、時態(tài)管理不連續(xù)等問題，在保持原有管理體制不變的前提下，提出了全業(yè)務(wù)域水利對象分類、全關(guān)系內(nèi)容統(tǒng)一表達、多業(yè)務(wù)特征等粒度組合、對象全生命周期信息時態(tài)化管理等技術(shù)方法，技術(shù)上破解了傳統(tǒng)GIS 數(shù)據(jù)組織僅顧及空間關(guān)系的限制，業(yè)務(wù)上突破了信息組織受業(yè)務(wù)片面性影響的局限性，以地理實體為基本單元對空間關(guān)系、業(yè)務(wù)關(guān)系和語義關(guān)系一體化組織（如圖2 所示），通過面向?qū)ο蟮娜P(guān)系數(shù)據(jù)組織支撐面向事件的信息重組、面向過程的動態(tài)追蹤等多種應(yīng)用需要，為攻克水利數(shù)據(jù)資源整合技術(shù)難題奠定了基礎(chǔ)［2-4］。

利用水利數(shù)據(jù)模型的松耦合組織和可擴展性特點，突破了基于模型擴展特性的對象有序管理和動態(tài)維護、基于時序演變的多時態(tài)歷史數(shù)據(jù)回溯等技術(shù)難題，可根據(jù)需要依據(jù)模型規(guī)則設(shè)計新的要素類或完善對象特征，完成空間關(guān)系、業(yè)務(wù)關(guān)系和語義關(guān)系到對象間空間拓撲檢查、主外鍵約束、內(nèi)容一致性限制等規(guī)則的自動轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)基于關(guān)系轉(zhuǎn)換的映射表自動構(gòu)建，通過模型中建立的數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和表格數(shù)據(jù)的一體化存儲，提高了數(shù)據(jù)的實用性，提出了模型驅(qū)動的水利數(shù)據(jù)集成建庫方法（如圖3 所示），實現(xiàn)了一體化數(shù)據(jù)處理與一鍵式關(guān)聯(lián)入庫，完成了水利對象空間、屬性、關(guān)系和時態(tài)等多特征實體數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)的一體化組織并建庫，確保了數(shù)據(jù)組織與業(yè)務(wù)應(yīng)用的分離，做到數(shù)據(jù)資源存儲、組織、維護與多業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的相對獨立，對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口來支持各類應(yīng)用，在保持物理分散形式不變的前提下完成水利數(shù)據(jù)的邏輯統(tǒng)一。

充分發(fā)揮水利數(shù)據(jù)模型在數(shù)據(jù)一致性、時態(tài)管理、信息有序組織等方面的優(yōu)勢，研究和制定了支撐從信息采集、數(shù)據(jù)處理、成果管理到業(yè)務(wù)應(yīng)用的全過程系列標準規(guī)范［5］，提出了基于水利數(shù)據(jù)模型的標準規(guī)范體系構(gòu)建方法，建立了由8 項行業(yè)標準和23 項部頒規(guī)章組成的技術(shù)標準與管理規(guī)范體系，完整涵蓋信息分類、數(shù)據(jù)采集與處理、成果管理、產(chǎn)品生產(chǎn)、地圖表達、應(yīng)用服務(wù)、信息更新和安全管理等各個環(huán)節(jié)，與國家地理信息公共服務(wù)平臺保持兼容，實現(xiàn)了跨部門服務(wù)的標準化聚合，保障了全國范圍統(tǒng)一組織、分級實施、并行開展的各級系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的標準統(tǒng)一。

3.2 面向集約共享的水利一張圖服務(wù)平臺研發(fā)我國各級水利部門特別是基層人員的地理信息、遙感等專業(yè)知識匱乏，對水利對象之間的空間關(guān)系等基本概念理解難度較大，針對由他們按時完成全國海量水利數(shù)據(jù)處理的實際困難，提出了關(guān)系規(guī)則互濟的智能化水利數(shù)據(jù)采集方法（如圖4 所示），突破了基于統(tǒng)一底圖的水利對象便捷提取、伴隨實體數(shù)據(jù)操作的元數(shù)據(jù)自動抽取與逐級萃取、空間關(guān)系自動關(guān)聯(lián)與業(yè)務(wù)關(guān)系自動匹配、基于規(guī)則的自動校驗與智能告警、基于空間分析的平衡統(tǒng)計審核等技術(shù)難題，實現(xiàn)了關(guān)系規(guī)則保障數(shù)據(jù)采集實施與數(shù)據(jù)采集確保關(guān)系規(guī)則相符的互濟，在降低實施難度、提高工作效率、保障數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面效果顯著，實現(xiàn)了大范圍的海量水利數(shù)據(jù)快速采集［6］，并在支撐服務(wù)過程中持續(xù)推進水利業(yè)務(wù)模型基于空間分析的規(guī)則化提煉與關(guān)系完善。

圖2 基于全關(guān)系數(shù)據(jù)組織的水利數(shù)據(jù)模型

圖3 模型驅(qū)動的水利數(shù)據(jù)集成建庫方法

圖4 關(guān)系規(guī)則互濟的智能化水利數(shù)據(jù)采集方法

隨著應(yīng)用的持續(xù)推進，不同水利業(yè)務(wù)對地圖服務(wù)應(yīng)用需求的差異性不斷凸顯［7-8］，高德、百度等公共地圖平臺廣泛采用的柵格地圖瓦片技術(shù)雖然具有高并發(fā)、傳輸快等優(yōu)勢，但柵格圖片的靜態(tài)特征從根本上決定了該技術(shù)無法實現(xiàn)地圖服務(wù)定制化。為此，提出了面向差異化水利應(yīng)用需求的統(tǒng)一地圖服務(wù)平臺構(gòu)建技術(shù)，突破了數(shù)據(jù)化簡的空間關(guān)系保持與顯示失真、自適應(yīng)漸進傳輸?shù)目臻g關(guān)系保持、化簡后低精度與原始高精度數(shù)據(jù)協(xié)同的空間關(guān)系精確計算、要素注記的沖突檢測與智能避讓等技術(shù)難題，實現(xiàn)了基于矢量瓦片的全水利業(yè)務(wù)應(yīng)用地圖服務(wù)個性化定制（如圖5 所示），建成了滿足各級水利業(yè)務(wù)差異化應(yīng)用需求的統(tǒng)一地理信息平臺［9-11］，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用“個性化”與地圖服務(wù)“標準化”的統(tǒng)一。

圖5 基于矢量瓦片的全水利業(yè)務(wù)應(yīng)用地圖服務(wù)個性化定制

根據(jù)各類水利業(yè)務(wù)對地圖服務(wù)及相關(guān)管理服務(wù)的應(yīng)用需求，研發(fā)了面向服務(wù)體系架構(gòu)的分布式共享應(yīng)用服務(wù)，包括地理信息服務(wù)在內(nèi)的注冊發(fā)布、檢索查詢、申請審批、運行監(jiān)控等全流程管理功能模塊，并將資源管理、用戶管理、數(shù)據(jù)訪問、目錄服務(wù)、數(shù)據(jù)交換等通用功能進行復(fù)用封裝成可以調(diào)用的服務(wù)，遵守統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，基于服務(wù)的調(diào)用和再封裝等技術(shù)，支持將分散在各地、各業(yè)務(wù)的專題地理信息服務(wù)整合為邏輯上集中、物理上分散的一體化可共享服務(wù)資源。通過信息資源目錄的方式將各類數(shù)據(jù)和服務(wù)資源發(fā)布共享后提供完整、權(quán)威、可信的地理信息服務(wù)，從應(yīng)用角度將基礎(chǔ)服務(wù)聚合成為相對穩(wěn)定和統(tǒng)一的資源視圖，實現(xiàn)分布式資源的共享和服務(wù)。

3.3 “全國水利一張圖+”的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系水利工作按照分級負責(zé)和事權(quán)職責(zé)進行管理，各類信息的應(yīng)用關(guān)注重點和更新維護主體分屬不同層級的各個業(yè)務(wù)，在不同層級各類業(yè)務(wù)中普遍存在沱沱河、通天河、金沙江等別名描述以及其與長江之間內(nèi)在聯(lián)系體現(xiàn)不準確的典型場景，借助傳統(tǒng)非地理信息管理方式解決水利對象語義不一致和關(guān)系記錄不完整的問題十分復(fù)雜且效果不佳。地理信息作為水利信息的重要組成部分，在實現(xiàn)水利對象完整描述及其信息語義一致性方面具有天然優(yōu)勢；同時，應(yīng)用表明地圖服務(wù)在推動業(yè)務(wù)協(xié)同方面成效明顯。為充分發(fā)揮地理信息在水利管理工作中的優(yōu)化和集成作用，將全國水利一張圖深度融合于各項水利業(yè)務(wù)工作中，以統(tǒng)一地圖服務(wù)為依托對各業(yè)務(wù)的發(fā)展現(xiàn)狀、管理行為和變化過程進行記錄和分析，突破了變化信息智能檢測與增量數(shù)據(jù)自動抽取、跨層級統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換以及跨業(yè)務(wù)域、多層級的一體化數(shù)據(jù)協(xié)同更新等技術(shù)難題，提出了業(yè)務(wù)應(yīng)用驅(qū)動的多層級協(xié)同數(shù)據(jù)應(yīng)用方法（如圖6 所示），推動水利業(yè)務(wù)管理模式不斷優(yōu)化完善，構(gòu)建了“全國水利一張圖+”的水利業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，提升了多層級之間的業(yè)務(wù)聯(lián)動能力和信息共享水平，使各類信息的階段獲取和持續(xù)應(yīng)用緊密結(jié)合、業(yè)務(wù)部門的日常使用和信息化部門的維護更新深度融合。

圖6 業(yè)務(wù)應(yīng)用驅(qū)動的多層級協(xié)同數(shù)據(jù)應(yīng)用方法

為解決日常工作中不同水利業(yè)務(wù)場景下多對象多視角數(shù)據(jù)分析應(yīng)用問題，針對水利數(shù)據(jù)分析時空復(fù)雜度極高的難點［12］，創(chuàng)新發(fā)展了基于數(shù)據(jù)立方體的多維主題挖掘方法（如圖7 所示），構(gòu)建了面向不同業(yè)務(wù)的多維數(shù)據(jù)立方體，采用時間、幾何空間、度量值域、關(guān)聯(lián)關(guān)系等四個維度，按流域單元、行政區(qū)、水資源分區(qū)、主體功能區(qū)等分區(qū)方式和各種業(yè)務(wù)屬性逐一表述對象的空間、業(yè)務(wù)、關(guān)系和時態(tài)特征，實現(xiàn)了基本主題、專業(yè)主題和專題分析組成的多維主題挖掘，推動水利信息由報表統(tǒng)計分析到多維時空服務(wù)的轉(zhuǎn)變，使一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)可以服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用， 在確?！耙粩?shù)一源”的前提下切實提高行業(yè)信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同水平。

我國自然地理條件復(fù)雜，洪澇等水災(zāi)害以及地震引發(fā)的堰塞湖等次生災(zāi)害發(fā)生頻次高、分布范圍廣、破壞強度大，傳統(tǒng)逐級上報方式信息獲取速度慢、現(xiàn)勢性差、漏報率高，針對災(zāi)害信息時空變異性大、突發(fā)性強的特點，綜合水雨情、天氣、地震監(jiān)測、基礎(chǔ)地理、衛(wèi)星影像、社會經(jīng)濟等多源信息，突破了多源數(shù)據(jù)時空尺度轉(zhuǎn)換、信息差異歸一化處理、基于序列分析的數(shù)據(jù)同化等技術(shù)難題，提出了涵蓋專業(yè)模型、空間分析、天空地數(shù)據(jù)的水利一張圖綜合分析和信息挖掘方法，快速生成水位-面積-容積曲線、潰壩洪水分析及演進仿真等專題產(chǎn)品，基于預(yù)報結(jié)果動態(tài)生成回水長度、淹沒范圍等成果，實現(xiàn)了災(zāi)害快速定位、影響評價和預(yù)測預(yù)報，推動了我國涉水事件應(yīng)急處置方式由主要依靠外業(yè)到內(nèi)外業(yè)協(xié)同的重大轉(zhuǎn)變。

圖7 基于數(shù)據(jù)立方體的多維主題挖掘方法

4 應(yīng)用服務(wù)

全國水利一張圖發(fā)布以來逐步面向全行業(yè)開展應(yīng)用推廣，服務(wù)于各級水利部門，有力支撐了水旱災(zāi)害防御、河湖管理、農(nóng)村水利、安全監(jiān)督等業(yè)務(wù)工作，在國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國家水資源管理系統(tǒng)、國家地下水監(jiān)測工程、全國河長制管理信息系統(tǒng)等25 個重大水利信息化工程中得到全面應(yīng)用，節(jié)約了大量投資，大幅降低了數(shù)據(jù)購置、系統(tǒng)建設(shè)、運行維護等方面的成本。

4.1 水旱災(zāi)害防御在國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程采用水利一張圖技術(shù)和成果，整合了水雨情、工情、旱情等信息，補充了跨河工程、治河工程、險工險段、蓄滯洪區(qū)、墑情監(jiān)測站等專題要素，使水情、氣象、工情和旱情等業(yè)務(wù)建立在一張圖上，支撐了水情監(jiān)控、防汛抗旱會商、應(yīng)急值守、統(tǒng)一查詢和協(xié)同辦公等功能，在防汛抗旱工作的信息管理、預(yù)報調(diào)度、應(yīng)急指揮、決策會商等方面發(fā)揮重要作用。發(fā)揮遙感覆蓋面廣、信息量大等優(yōu)勢，有效彌補地面站網(wǎng)稀疏、代表性不足的缺點，利用遙感影像耦合地面測站信息，改變了水旱災(zāi)害監(jiān)測信息長期以來單一依賴地面站網(wǎng)的局面，特別是2013年黑龍江大洪水期間［13］，在國際河流境外區(qū)域監(jiān)測信息獲取困難情況下這一技術(shù)優(yōu)勢更為顯著，為準確判斷潰口發(fā)展趨勢提供了及時準確的第一手資料（如圖8 所示），為抗洪搶險工作提供了強有力支撐。

4.2 水土保持監(jiān)管在水土保持業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的土壤侵蝕、水土保持措施和生產(chǎn)建設(shè)項目動態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù)中，通過水利一張圖獲取了持續(xù)更新的水利基礎(chǔ)和遙感影像數(shù)據(jù)，在業(yè)務(wù)應(yīng)用的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，支撐了水土流失動態(tài)監(jiān)測?；谒粡垐D提供的遙感信息，開展天地一體化水土保持監(jiān)管，監(jiān)管生產(chǎn)建設(shè)項目是否存在未批先建、超出防治責(zé)任范圍、建設(shè)地點變更等違法違規(guī)行為（如圖9 所示），為水土保持治理提供科學(xué)依據(jù)。

圖8 基于水利一張圖的洪水遙感監(jiān)測

圖9 基于水利一張圖的生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)管

4.3 河湖管理為推動河長制從“有名”向“有實”轉(zhuǎn)變，促進河湖面貌明顯改善，結(jié)合河湖管理“四亂”問題呈現(xiàn)點多面廣、量大類雜、動態(tài)變化和分散隱蔽的特點，針對傳統(tǒng)人工信息收集和外業(yè)巡查模式存在監(jiān)管區(qū)域廣、專職人員少、實施成本高、持續(xù)跟蹤困難等問題，發(fā)揮水利一張圖宏觀、直觀、客觀，以及遙感技術(shù)及時、便捷、高效等優(yōu)勢，利用全國水利一張圖提供的遙感影像、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等服務(wù)，初步構(gòu)建了以遙感發(fā)現(xiàn)為主、外業(yè)人工核查為輔的工作模式（如圖10 所示），為“四亂”問題的查、認、改、罰提供了有力支撐，推動河湖治理保護由被動響應(yīng)向主動作為轉(zhuǎn)變，特別是在水利部2019年河湖管理多次專項督查和兩輪全面督查工作中提供了有效服務(wù)。

圖10 基于水利一張圖的河長制督查管理

4.4 農(nóng)村水利管理根據(jù)“十三五”農(nóng)村水利管理工作提出的提質(zhì)增效和精細化管理需求，針對新形勢下農(nóng)村水利管理工作的新要求，利用水利一張圖提供的相關(guān)數(shù)據(jù)資源和服務(wù)資源，豐富和完善了業(yè)務(wù)信息，助力信息管理模式從單一報表向?qū)傩钥臻g一體化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了農(nóng)村水利工程的空間化，提高了管理信息的數(shù)據(jù)質(zhì)量。在近幾年國務(wù)院政府工作報告高度重視的農(nóng)村灌區(qū)高效節(jié)水灌溉工作中，針對過去每年大量農(nóng)村灌區(qū)節(jié)水改造項目信息只能依賴各級單位上報，無法實現(xiàn)真正審核，出現(xiàn)了不少虛報、更名重復(fù)上報、面積多報的情況，通過利用水利一張圖將多年計劃地塊與每年實際建設(shè)地塊的地圖比對提高數(shù)據(jù)的真實性（如圖11 所示），提出項目地塊在線地圖標繪的面積量算與填報指標的誤差自動校核技術(shù)增強數(shù)據(jù)的準確性，開發(fā)基于影像地物類型判別的灌區(qū)地塊標繪符合性審核模塊提高數(shù)據(jù)的可信度，大大提高了信息審核的效率和質(zhì)量，提高了項目信息管理的精細化水平。

圖11 基于水利一張圖的高效節(jié)水灌溉管理

5 結(jié)論

全國水利一張圖面向所有水利業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供了統(tǒng)一的專業(yè)化地圖服務(wù)，保障了業(yè)務(wù)用圖的權(quán)威性、完整性、準確性、一致性和安全性。技術(shù)成果完善了國家基礎(chǔ)水信息體系，豐富了國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)容，填補了重大國情國力信息空白；提高了我國水利工作的管理水平和決策能力，提升了水利應(yīng)急的處置能力；支撐了國家最嚴格水資源管理制度的貫徹落實，推動了全國省、市、縣、鄉(xiāng)四級河長制湖長制的建立；促進了跨部門信息共享，為其他調(diào)查普查項目提供了支撐和參考，對國防和軍隊導(dǎo)航事業(yè)提供了有力支持。

經(jīng)濟社會發(fā)展對江河安瀾和水利工程安全高效運行要求很高，我國目前中小型水庫大多數(shù)沒有安全監(jiān)測設(shè)施，水利一張圖綜合分析和信息挖掘方法中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)類型相對單一，目前主要考慮了地面監(jiān)測信息，隨著智慧水利建設(shè)的推進，水利物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)會日漸豐富［14-15］，下一步不斷豐富的水利監(jiān)測信息將為全國一張圖提供更全面的信息支撐。另外，受極端天氣、傳感器光譜條件和遙感數(shù)據(jù)時間分辨率等多種因素限制，有時會出現(xiàn)沒有合適可用數(shù)據(jù)源的情況，隨著國家陸地水資源衛(wèi)星和更多國產(chǎn)衛(wèi)星的發(fā)展和應(yīng)用［16-17］，多源數(shù)據(jù)同化的水利應(yīng)急服務(wù)技術(shù)將更有效、更及時。