流域水利一張圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

甘郝新，王之龍

(水利部珠江水利委員會(huì)珠江水利綜合技術(shù)中心，廣東 廣州 510611)

2009年，水利部以第一次全國(guó)水利普查實(shí)施為契機(jī)，以統(tǒng)一地圖服務(wù)為依托，促進(jìn)水利信息化資源全面整合，初步建成了全國(guó)水利一張圖，2015年、2019年又2次進(jìn)行了升級(jí)[1]。全國(guó)水利一張圖在多個(gè)重大水利信息化工程中得到了應(yīng)用，特別是在2020年防汛工作中，全國(guó)水利一張圖為洪水防御工作提供了全面的“作戰(zhàn)圖”，實(shí)現(xiàn)了“圖”上點(diǎn)兵，運(yùn)籌千里，為防汛指揮和防洪救災(zāi)提供了基礎(chǔ)支撐[2]。

各流域機(jī)構(gòu)、省(自治區(qū)、直轄市)水行政主管部門(mén)也陸續(xù)開(kāi)展了一張圖的深入應(yīng)用。2005年起，長(zhǎng)江水利委員會(huì)通過(guò)快速的迭代和版本升級(jí)，不斷推進(jìn)一張圖數(shù)據(jù)多元化、應(yīng)用領(lǐng)域多粒度、應(yīng)用時(shí)機(jī)全過(guò)程、應(yīng)用形式協(xié)同化，水利一張圖平臺(tái)成功應(yīng)用到流域管理各個(gè)領(lǐng)域[3]。2013年起，江蘇省水利廳以形成“框架統(tǒng)一、邏輯一致、數(shù)據(jù)分級(jí)、互聯(lián)互通”的省水利地理公共服務(wù)體系為目標(biāo)，整合全省已有水利地理信息資源，開(kāi)展了水利地理信息服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，一張圖逐步成為江蘇省水利業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)支撐[4]。

水利一張圖是水利信息化向智慧化發(fā)展的重要抓手。水利部明確提出，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的總要求，以數(shù)字化場(chǎng)景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以流域?yàn)閱卧涌鞓?gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系。流域水利一張圖是以流域?yàn)閱卧獦?gòu)建智慧水利體系的重要基礎(chǔ)，是對(duì)流域物理水利及其影響區(qū)域進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化表達(dá)，構(gòu)造數(shù)字孿生流域的重要支撐[5]。

1 目標(biāo)與定位

立足流域水利管理工作需要，在智慧水利頂層設(shè)計(jì)下，充分融合信息化新技術(shù)和已建信息化資源，采用“共同建設(shè)、共享使用，業(yè)務(wù)化更新、集約化維護(hù)”的建設(shè)與運(yùn)行模式，在全國(guó)水利一張圖基礎(chǔ)上，接入空天地多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)由全景到近景、從宏觀(guān)尺度到微觀(guān)尺度的平滑過(guò)渡[6]，并以位置為紐帶整合專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，賦予水利對(duì)象智慧展現(xiàn)能力[7]，構(gòu)建“動(dòng)態(tài)鮮活、三維立體、智慧使能、安全可靠”的流域水利一張圖，逐步提升空間信息服務(wù)共享共用能力。

流域水利一張圖是流域智慧水利的基礎(chǔ)平臺(tái)之一，通過(guò)流域水利一張圖建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)“工作基礎(chǔ)從圖上來(lái)，工作過(guò)程以圖協(xié)同，工作成果到圖上去”。流域水利一張圖同時(shí)也是全國(guó)水利一張圖的流域級(jí)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)接流域各省(自治區(qū)、直轄市)水利一張圖，實(shí)現(xiàn)上下貫通、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、服務(wù)共享、功能互用。

2 總體架構(gòu)

流域水利一張圖以水利信息資源整合共享為主線(xiàn)，打造“大中臺(tái)、小前臺(tái)”的地理信息服務(wù)模式，基于分布式集群架構(gòu)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和微服務(wù)應(yīng)用框架，充分考慮平臺(tái)的開(kāi)放性、兼容性和可擴(kuò)展性，提高系統(tǒng)并發(fā)處理能力及擴(kuò)展能力，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠[8]。流域水利一張圖總體架構(gòu)主要包括“五橫兩縱”，五橫為基礎(chǔ)支撐后臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)、業(yè)務(wù)中臺(tái)、應(yīng)用展示前臺(tái)；兩縱為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全保障體系(圖1)。

在一張圖架構(gòu)中，基礎(chǔ)支撐后臺(tái)是支撐流域水利一張圖運(yùn)行的主要軟硬件環(huán)境，按照云架構(gòu)設(shè)計(jì)建設(shè)；數(shù)據(jù)中臺(tái)是流域水利一張圖的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)治理，建立面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)模型，并基于大數(shù)據(jù)框架構(gòu)建一張圖存儲(chǔ)管理體系；技術(shù)中臺(tái)是流域水利一張圖業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)與核心，基于微服務(wù)框架構(gòu)建，主要由大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)、新技術(shù)支撐、云GIS運(yùn)維與開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成；業(yè)務(wù)中臺(tái)是流域水利一張圖的智慧使能平臺(tái)，以數(shù)據(jù)中臺(tái)和技術(shù)中臺(tái)為基礎(chǔ)，提供基于流域水系網(wǎng)絡(luò)的水利對(duì)象搜索服務(wù)、時(shí)空屬性數(shù)據(jù)的一體化檢索服務(wù)及面向水利業(yè)務(wù)的可視化表達(dá)支持；應(yīng)用展示前臺(tái)以用戶(hù)視角集成各類(lèi)水利專(zhuān)題應(yīng)用，全面支撐水利業(yè)務(wù)管理與綜合決策；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系主要依托現(xiàn)有安全防護(hù)體系和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、制度等進(jìn)行擴(kuò)充完善，保障流域水利一張圖建設(shè)與運(yùn)行管理。

3 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)是流域水利一張圖的核心，也是技術(shù)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

3.1 數(shù)據(jù)中臺(tái)

流域水利一張圖的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的關(guān)鍵則在于有效治理和長(zhǎng)效更新。要全面匯集各類(lèi)空間數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、水利業(yè)務(wù)專(zhuān)題數(shù)據(jù)及遙感、三維數(shù)據(jù)等，基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型，開(kāi)展有效數(shù)據(jù)治理，并建立常態(tài)化更新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)“一數(shù)一源、一源多用”，保證數(shù)據(jù)常用常新，不斷增強(qiáng)流域水利一張圖的生命力。

空間數(shù)據(jù)治理主要通過(guò)坐標(biāo)同化、要素更新、樣式配置、多形態(tài)處理，形成一套規(guī)范統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)資源庫(kù)，支撐各類(lèi)業(yè)務(wù)信息精確的空間表達(dá)[9]。數(shù)據(jù)更新方面，一張圖的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)主要通過(guò)全國(guó)水利一張圖、互聯(lián)網(wǎng)資源以服務(wù)方式同步更新；水利基礎(chǔ)和業(yè)務(wù)專(zhuān)題數(shù)據(jù)根據(jù)“一數(shù)一源”、“誰(shuí)負(fù)責(zé)誰(shuí)維護(hù)”的原則，按業(yè)務(wù)職能由數(shù)據(jù)唯一來(lái)源方進(jìn)行更新與維護(hù)。當(dāng)一張圖系統(tǒng)通過(guò)糾錯(cuò)、反饋等方式更新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后，可通過(guò)反向推送回補(bǔ)給相應(yīng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)整體的現(xiàn)勢(shì)性和一致性。

3.2 技術(shù)中臺(tái)

3.2.1構(gòu)建地理信息分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

地理信息分發(fā)網(wǎng)絡(luò)GeoCDN(Geo Content Delivery Network)技術(shù)是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建智能虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)部署在各地的節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，實(shí)時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各節(jié)點(diǎn)的連接、負(fù)載狀況以及到用戶(hù)的距離和響應(yīng)時(shí)間等綜合信息，將用戶(hù)的請(qǐng)求重新導(dǎo)向離用戶(hù)最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)上。

通過(guò)GeoCDN技術(shù)構(gòu)建與全國(guó)水利一張圖、省級(jí)水利一張圖互補(bǔ)互利的GeoCDN流域子節(jié)點(diǎn)，并采用智能分發(fā)的策略，把云GIS中心實(shí)時(shí)更新的服務(wù)智能分發(fā)到合適的GIS服務(wù)器上，首先盡量保證了由網(wǎng)絡(luò)通信與負(fù)載狀態(tài)最佳的節(jié)點(diǎn)完成用戶(hù)請(qǐng)求，其次也提高了系統(tǒng)彈性和針對(duì)突發(fā)流量的應(yīng)激性[10]，能夠有效提升空間信息共享水平，增強(qiáng)系統(tǒng)可用性。

3.2.2基于微服務(wù)技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架

流域水利一張圖采用微服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間便捷、規(guī)范、靈活的數(shù)據(jù)交換與服務(wù)共享，方便水利相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)[11]。

一張圖服務(wù)之間耦合性弱，且主要采用RESTful API方式進(jìn)行通信，服務(wù)不需保持相同的編程語(yǔ)言或環(huán)境，可以消除不同應(yīng)用之間的技術(shù)差異，降低水利行業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)門(mén)檻。一張圖同時(shí)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的高度自治，在傳統(tǒng)架構(gòu)中，如果業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生變化或者業(yè)務(wù)系統(tǒng)單一功能出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)需要關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行運(yùn)維工作，通過(guò)建立微服務(wù)架構(gòu)，由于各個(gè)服務(wù)高度自治，可以對(duì)單一服務(wù)進(jìn)行運(yùn)維，服務(wù)更新和部署變得更加方便[12]。

3.3 業(yè)務(wù)中臺(tái)

3.3.1基于水網(wǎng)模型的水利對(duì)象搜索

僅僅依賴(lài)常規(guī)的面向?qū)ο笏麛?shù)據(jù)模型，難以快速準(zhǔn)確獲取河流水系上下游、左右岸關(guān)聯(lián)的水利對(duì)象信息，為此，需要提取河段及其交匯點(diǎn)信息建立拓?fù)潢P(guān)系，通過(guò)空間要素的連通性和節(jié)點(diǎn)順序準(zhǔn)確表達(dá)河流流向，從而形成流域水網(wǎng)模型。

河流水系是“綱”，綱舉則目張。基于流域水網(wǎng)模型進(jìn)行空間分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下游、左右岸水利對(duì)象的快速檢索，從而將一張圖服務(wù)與水利業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景更好地結(jié)合。

3.3.2基于大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)分析與檢索

流域水利一張圖需充分考慮空間數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)方式，支持海量數(shù)據(jù)的接入和檢索，從而促進(jìn)空間數(shù)據(jù)資源的長(zhǎng)序列積累和多場(chǎng)景應(yīng)用。

分布式大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)可以更好地應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代超大規(guī)模時(shí)空數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。通過(guò)分布式空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)和基于Spark并行計(jì)算框架，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與并行計(jì)算，突破空間數(shù)據(jù)庫(kù)容量與性能瓶頸。同時(shí)，分布式空間分析與處理技術(shù)支持對(duì)三維數(shù)據(jù)的分布式處理，例如地形、影像數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、服務(wù)發(fā)布環(huán)節(jié)，都可以使用分布式的技術(shù)來(lái)提升性能[13]。

4 珠江水利一張圖實(shí)踐

在對(duì)流域水利一張圖的目標(biāo)與定位、總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行全面分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，珠江水利委員會(huì)全面啟動(dòng)了珠江水利一張圖建設(shè)，以“輕、快、美”為標(biāo)準(zhǔn)搭建一張圖應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)珠江流域水利信息直觀(guān)、快捷、精準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)、分析，全面展現(xiàn)流域水安全態(tài)勢(shì)，并通過(guò)信息綜合查詢(xún)與展示、快速搭建專(zhuān)題應(yīng)用、基于統(tǒng)一底圖構(gòu)建專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)成果聚合等，實(shí)現(xiàn)各級(jí)、各類(lèi)水利業(yè)務(wù)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)。

4.1 實(shí)施流程

珠江水利一張圖遵循數(shù)據(jù)為本、中臺(tái)為要、應(yīng)用導(dǎo)向、體系完備的策略進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，實(shí)施流程見(jiàn)圖2。

4.2 實(shí)施成果

4.2.1一張圖水利對(duì)象模型

將珠江水利一張圖涉及的全部水利對(duì)象劃分為河流、水庫(kù)、堤防、水閘、水文測(cè)站等實(shí)體類(lèi)，對(duì)對(duì)象及其屬性、對(duì)象關(guān)系進(jìn)行建模，并通過(guò)統(tǒng)一的水利對(duì)象編碼體系，將對(duì)象的空間屬性與基本屬性(對(duì)象識(shí)別屬性)、業(yè)務(wù)屬性、關(guān)系屬性、時(shí)間屬性等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而有效整合各類(lèi)信息資源[14]。水利對(duì)象模型見(jiàn)圖3。

珠江水利一張圖空間數(shù)據(jù)模型遵循水利部信息資源整合共享頂層設(shè)計(jì)和ST/L 213—2020《水利對(duì)象分類(lèi)與編碼總則》，采用統(tǒng)一的水利對(duì)象模型，方便未來(lái)空間要素類(lèi)及關(guān)系類(lèi)的擴(kuò)展。

圖2 珠江水利一張圖實(shí)施流程

圖3 水利對(duì)象模型示意

4.2.2一張圖一體化檢索

利用分布式大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)，構(gòu)建珠江水利一張圖時(shí)間、空間、屬性與水利對(duì)象代碼之間的映射關(guān)系，并與水利對(duì)象標(biāo)識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，支撐時(shí)間、空間、屬性一體化檢索(圖4)，從而大幅度提升查詢(xún)分析的速度與性能，滿(mǎn)足用戶(hù)高效檢索的需求。

圖4 一張圖一體化檢索與關(guān)聯(lián)查詢(xún)

4.2.3一張圖專(zhuān)業(yè)智能應(yīng)用

珠江水利一張圖為各類(lèi)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化底圖(圖5)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過(guò)程中與空間位置相關(guān)的功能應(yīng)用[15]。下一步將持續(xù)打造一張圖智能化應(yīng)用生態(tài)，聚合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中與空間位置相關(guān)的業(yè)務(wù)功能模塊及業(yè)務(wù)成果信息，實(shí)現(xiàn)跨專(zhuān)業(yè)、“一站式”信息展示與服務(wù)，為各業(yè)務(wù)部門(mén)基于一張圖開(kāi)展業(yè)務(wù)工作提供全方位支撐。

圖5 一張圖智能應(yīng)用與專(zhuān)題管理

5 結(jié)語(yǔ)

智慧水利建設(shè)是水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志。立足水利管理工作需要，以實(shí)用、好用為標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建流域水利一張圖，能夠?yàn)榱饔蛩畔①Y源整合共享提供統(tǒng)一的空間信息基礎(chǔ)，快速響應(yīng)水利業(yè)務(wù)多樣化的用圖需求，是以信息化帶動(dòng)流域管理現(xiàn)代化的必然要求，將有力支撐數(shù)字孿生流域建設(shè)，推動(dòng)智慧水利建設(shè)進(jìn)程。