基于關(guān)鍵指標(biāo)的水保時(shí)空大數(shù)據(jù)多維可視化研究與實(shí)現(xiàn)
——以陜西省“水土保持一張圖”指標(biāo)體系建設(shè)為例

李瑞平，王曉晶，李文龍

(航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司,北京 100195)

自2009年提出“一張圖”的概念以來，逐漸從狹義的基礎(chǔ)地理信息庫(kù)的總集發(fā)展成業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，目前已成為實(shí)現(xiàn)信息資源整合共享、推動(dòng)信息技術(shù)與業(yè)務(wù)深度融合的重要抓手[1]。隨著水土保持信息化建設(shè)的逐步開展與完善，各級(jí)水行政主管部門對(duì)于數(shù)據(jù)共享和信息服務(wù)的要求與日俱增。2021年12月，水利部印發(fā)《水土保持“十四五”實(shí)施方案》，要求結(jié)合水土保持智慧化管理需求，健全水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，形成“水土保持一張圖”。這就要求水行政主管部門在開展預(yù)防監(jiān)督、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、綜合治理等業(yè)務(wù)管理應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)，還應(yīng)考慮“水土保持一張圖”建設(shè)，對(duì)相對(duì)分散或獨(dú)立的水土保持信息資源及相關(guān)的其他業(yè)務(wù)資源進(jìn)行綜合管理、深入挖掘、集成應(yīng)用，使其更好地為智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策服務(wù)。

2013年以來，陜西省陸續(xù)開展了多項(xiàng)、多期水土保持信息化建設(shè)項(xiàng)目工作，積累了大量數(shù)據(jù)。但是水土保持業(yè)務(wù)中指標(biāo)項(xiàng)眾多，面對(duì)海量多源異構(gòu)的水土保持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如何科學(xué)、準(zhǔn)確把握關(guān)鍵性指標(biāo)，高效、綜合應(yīng)用水土保持時(shí)空數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)明、生動(dòng)詮釋水土保持業(yè)務(wù)工作成果，是建立陜西省“水土保持一張圖”面臨的主要問題之一。目前水土保持?jǐn)?shù)據(jù)可視化研究多針對(duì)可視化技術(shù)本身或針對(duì)少量單一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化探索[2-3]，鮮見面向水土保持業(yè)務(wù)展示及統(tǒng)計(jì)需求、關(guān)注全量水土保持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)綜合可視化方法的研究?；趯?duì)陜西省水土保持信息化資源的梳理和分析，提出了適宜于陜西省“水土保持一張圖”的關(guān)鍵指標(biāo)體系，構(gòu)建了時(shí)空大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，對(duì)全量水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的可視化方法進(jìn)行了研究并最終得以實(shí)現(xiàn)。

1 陜西省“水土保持一張圖”關(guān)鍵指標(biāo)體系建設(shè)

1.1 技術(shù)流程

水土保持?jǐn)?shù)據(jù)涉及柵格、矢量、屬性三大類，同時(shí)具有較強(qiáng)的空間和時(shí)間特征[4]。為實(shí)現(xiàn)全量數(shù)據(jù)可視化，從展示維度和統(tǒng)計(jì)維度兩方面分析水土保持?jǐn)?shù)據(jù)可視化需求，在此基礎(chǔ)上梳理并建立陜西省“水土保持一張圖”關(guān)鍵指標(biāo)體系，建設(shè)技術(shù)流程見圖1。

圖1 陜西省“水土保持一張圖”關(guān)鍵指標(biāo)體系建設(shè)技術(shù)流程

1.2 展示維度分析

從可視化角度出發(fā)，構(gòu)建通用型水土保持?jǐn)?shù)據(jù)展示框架，旨在通過通用框架+針對(duì)性設(shè)計(jì)，達(dá)到面向多層級(jí)用戶、覆蓋全流程數(shù)據(jù)、清晰表達(dá)業(yè)務(wù)狀態(tài)、直觀反映發(fā)展趨勢(shì)、凸顯業(yè)務(wù)特色的目標(biāo)。

(1)應(yīng)用場(chǎng)景。從可視化角度考慮3種應(yīng)用場(chǎng)景，即宏觀、中觀、微觀。宏觀頁面即總覽頁，實(shí)現(xiàn)綜合統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可視化，主要用于展示全域的總體情況；中觀頁面即附加篩選條件的宏觀頁面，實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間和空間下統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可視化，主要用于展示某一特定空間尺度(如某市、某流域等)在特定時(shí)間段內(nèi)(一般以年為單位)的總體情況；微觀頁面即詳情頁，實(shí)現(xiàn)全量原始監(jiān)測(cè)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化，主要用于顯示某個(gè)項(xiàng)目或?qū)ｍ?xiàng)工作的詳細(xì)信息。

按照陜西省水土保持各領(lǐng)域可視化需求，分別針對(duì)宏觀、中觀、微觀三種應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建通用型水土保持?jǐn)?shù)據(jù)展示框架，完成頁面布局設(shè)計(jì)，滿足不同領(lǐng)域、不同層級(jí)用戶的水土保持業(yè)務(wù)管理需要。

(2)3D展示技術(shù)。隨著3D技術(shù)的快速發(fā)展與普及，水土保持業(yè)務(wù)中也積累了越來越多的3D空間數(shù)據(jù)。3D展示與2D展示相比，效果更加真實(shí)立體，但同時(shí)耗費(fèi)的計(jì)算資源也成倍增長(zhǎng)。因此，將3D技術(shù)應(yīng)用于水土保持可視化時(shí)要注重平衡業(yè)務(wù)需求與運(yùn)行效率，綜合考慮應(yīng)用3D技術(shù)的必要性與可行性。其中，必要性方面主要考慮業(yè)務(wù)與地形要素的相關(guān)性，可行性方面主要考慮是否可獲取符合業(yè)務(wù)要求的3D數(shù)據(jù)支撐、配備計(jì)算資源是否足以支撐快速展示等。

從陜西省水土保持業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)情況來看，現(xiàn)階段主要有3項(xiàng)業(yè)務(wù)適宜應(yīng)用3D技術(shù)：①生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管(微觀)，應(yīng)用于重點(diǎn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的高陡邊坡等水土流失易發(fā)區(qū)域、大型取土場(chǎng)、棄渣場(chǎng)等，3D視圖下水土流失防護(hù)措施及相關(guān)水土流失風(fēng)險(xiǎn)顯示更清晰、直觀；②綜合治理工程管理(微觀)，應(yīng)用于治理工程所在小流域，3D視圖下小流域治理措施及分布合理性更易判別；③淤地壩管理(微觀)，應(yīng)用于淤地壩所在管理區(qū)域，3D視圖下淤地壩壩體、溢洪道、泄水洞、監(jiān)測(cè)設(shè)施等的位置及分布更清晰、直觀。

1.3 統(tǒng)計(jì)維度分析

從業(yè)務(wù)管理角度出發(fā)，梳理常見水土保持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析維度，旨在通過探索數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模式，提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值，指導(dǎo)行業(yè)管理分析與決策。

(1)空間維度。空間上，根據(jù)管理需求的不同，實(shí)現(xiàn)多種分割尺度下水土保持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。①行政區(qū)劃。根據(jù)管理的職責(zé)權(quán)限，需要從行政管理角度按照省、市、縣、鄉(xiāng)、村等行政區(qū)劃單元進(jìn)行業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。②流域邊界。根據(jù)水土流失發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)，需要從集水匯水角度按照流域、小流域等不同單元進(jìn)行業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。③水土保持分區(qū)。根據(jù)區(qū)域水土流失防治目標(biāo)，需要從水土保持功能分區(qū)角度按照水土保持一級(jí)區(qū)、二級(jí)區(qū)、三級(jí)區(qū)進(jìn)行業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。④其他。根據(jù)其他個(gè)性化業(yè)務(wù)需求，應(yīng)實(shí)現(xiàn)基于自定義空間劃分單元進(jìn)行業(yè)務(wù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析的功能。

(2)時(shí)間維度。時(shí)間上，主要有兩方面的需求：①時(shí)序?qū)Ρ确治??？紤]到業(yè)務(wù)的持續(xù)性、連貫性和可追溯性，需要實(shí)現(xiàn)水土保持業(yè)務(wù)指標(biāo)的年度、跨期變化分析。②實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目及綜合治理工程等項(xiàng)目進(jìn)度、狀態(tài)，以及水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、淤地壩相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)等業(yè)務(wù)指標(biāo)，需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

(3)分類維度。在水土保持業(yè)務(wù)中，涉及多種業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)等級(jí)，各業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)等級(jí)間的對(duì)比是水土保持業(yè)務(wù)常見的統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)容。①監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。包括水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)類型、水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)級(jí)別、水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)來源、土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)、植被覆蓋度等級(jí)、土地利用類型、水土保持措施類型等。②監(jiān)督管理。包括生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目所屬行業(yè)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目批復(fù)級(jí)別、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)狀態(tài)、監(jiān)督檢查結(jié)果類型、行政處罰類型、責(zé)任追究類型、信用監(jiān)管類型、違法違規(guī)類型、查處進(jìn)度類型等。③綜合治理。包括項(xiàng)目類型、資金來源、水土保持措施類型、項(xiàng)目進(jìn)度、圖斑精細(xì)化核查類型、淤地壩類型、科技示范園級(jí)別等。

(4)交叉維度。根據(jù)水土保持業(yè)務(wù)需求，通常需要融合多個(gè)維度對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析。此種情況較多，在此選擇典型情況舉例說明：①水土流失情況對(duì)比。展示各級(jí)別水土流失的年度變化情況，融合了水土流失強(qiáng)度級(jí)別和年度信息，實(shí)現(xiàn)了兩年度間各級(jí)別水土流失面積對(duì)比。②方案管理。展示各級(jí)別批復(fù)水土保持方案生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量的連年變化情況，融合了批復(fù)級(jí)別及年度信息，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)量實(shí)現(xiàn)了各年度、各級(jí)別批復(fù)項(xiàng)目數(shù)量對(duì)比。③淤地壩類型統(tǒng)計(jì)。展示全省及各市的大、中、小型淤地壩數(shù)量，融合了行政區(qū)劃及淤地壩類型，通過統(tǒng)計(jì)資料，實(shí)現(xiàn)各市、各類型淤地壩數(shù)量對(duì)比。

1.4 關(guān)鍵指標(biāo)體系

通過水土保持信息化建設(shè)，陜西省構(gòu)建了覆蓋水土保持規(guī)劃、水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)督、水土保持治理等多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的陜西省水土保持信息基礎(chǔ)平臺(tái)；模型資源方面包括了兩區(qū)動(dòng)態(tài)劃定、土壤流失評(píng)價(jià)、土壤侵蝕潛在危險(xiǎn)度、消長(zhǎng)分析、重點(diǎn)治理工程安排建議共5個(gè)業(yè)務(wù)模型；數(shù)據(jù)資源方面積累了各類數(shù)據(jù)近4 TB。總體來說，陜西省信息化成果已初具規(guī)模。

表1為陜西省水土保持信息資源指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知，基于陜西省水土保持信息資源，分業(yè)務(wù)、分類型梳理數(shù)據(jù)，提取各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，共確定業(yè)務(wù)指標(biāo)項(xiàng)260個(gè)、數(shù)據(jù)條目31 300條、統(tǒng)計(jì)項(xiàng)153個(gè)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提取了各業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標(biāo)項(xiàng)，并基于業(yè)務(wù)需求明確了展示維度和統(tǒng)計(jì)維度，建立了陜西省“水土保持一張圖”指標(biāo)體系，具體見表2。

表1 陜西省水土保持信息資源指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 陜西省“水土保持一張圖”設(shè)計(jì)

2.1 總體框架

圖2為陜西省“水土保持一張圖”總體框架。陜西省“水土保持一張圖”依托于陜西省水土保持信息基礎(chǔ)平臺(tái)，在已有軟硬件及基礎(chǔ)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的環(huán)境上搭建，在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行升級(jí)，使其滿足時(shí)空大數(shù)據(jù)管理及挖掘需求?？傮w采用B/S的架構(gòu)方式，基于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)和WebGIS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括預(yù)防監(jiān)督、綜合治理、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、淤地壩管理、科技示范園5部分內(nèi)容。

表2 陜西省“水土保持一張圖”關(guān)鍵指標(biāo)體系

2.2 時(shí)空大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

全省全量水土保持?jǐn)?shù)據(jù)具有海量、多源、異構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)具有較強(qiáng)的時(shí)空特性[4]。時(shí)空大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)在原有數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，通過結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，融合了空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)兩套數(shù)據(jù)管理體系，支持水土保持時(shí)空大數(shù)據(jù)更新、治理及服務(wù)。

(1)時(shí)空數(shù)據(jù)更新。時(shí)空數(shù)據(jù)更新主要指各種渠道、各種類型的原始數(shù)據(jù)匯集，包括天、空遙感數(shù)據(jù)，地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)及引接共享數(shù)據(jù)等，匯集過程中需標(biāo)注數(shù)據(jù)的匯集時(shí)間、空間特性、業(yè)務(wù)屬性等信息。

(2)時(shí)空數(shù)據(jù)治理。時(shí)空數(shù)據(jù)治理主要指按照規(guī)定的數(shù)據(jù)時(shí)空基準(zhǔn)，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)一致性處理、數(shù)據(jù)空間化、數(shù)據(jù)建模等處理操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與更新。

(3)數(shù)據(jù)分析服務(wù)。數(shù)據(jù)分析服務(wù)主要包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、智能數(shù)據(jù)研發(fā)等內(nèi)容。統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)申請(qǐng)、數(shù)據(jù)服務(wù)生成、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布等功能；數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理支持在線資產(chǎn)全景可視、資產(chǎn)目錄管理、資產(chǎn)詳情查詢等功能；智能數(shù)據(jù)研發(fā)指通過可視化編排方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與服務(wù)功能。

圖2 陜西省“水土保持一張圖”總體框架

2.3 主要功能

(1)二、三維地圖展示?？傆[頁及詳情頁中均設(shè)置地圖板塊，支持水土保持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加及分析統(tǒng)計(jì)?？傆[頁中，針對(duì)不同業(yè)務(wù)展示其管理對(duì)象的概化空間點(diǎn)位分布，并通過圖標(biāo)形狀、顏色等對(duì)其類別加以區(qū)分；基于面板快速展示管理對(duì)象分區(qū)域、分類型數(shù)量統(tǒng)計(jì)信息；支持通過年度軸實(shí)現(xiàn)不同年份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的快速切換。詳情頁中，針對(duì)某一具體管理對(duì)象的范圍和內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化展示，針對(duì)預(yù)防監(jiān)督、綜合治理、淤地壩管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景支持2D、3D切換，以輔助用戶解讀管理對(duì)象詳情，輔助管理決策。

(2)多元化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)?？傆[頁針對(duì)各業(yè)務(wù)關(guān)鍵指標(biāo)，基于統(tǒng)計(jì)表、柱狀圖、餅狀圖、折線圖等，展示關(guān)鍵業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析情況。決策者可通過直觀可視的方式，全面掌握水土保持業(yè)務(wù)運(yùn)行和發(fā)展態(tài)勢(shì)，通過關(guān)鍵業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，以及多項(xiàng)指標(biāo)組合與關(guān)聯(lián)分析，真實(shí)、全面和動(dòng)態(tài)地了解水土保持業(yè)務(wù)發(fā)展的各個(gè)方面，提高行業(yè)的前瞻性。

(3)感興趣時(shí)空篩選?？傆[頁內(nèi)，支持通過空間和時(shí)間篩選進(jìn)行感興趣時(shí)空范圍內(nèi)關(guān)鍵指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢。面向不同層級(jí)用戶及特殊應(yīng)用場(chǎng)景，決策者可根據(jù)實(shí)際需求，通過篩選起止時(shí)間、區(qū)域名稱或矢量范圍，快速查詢相應(yīng)各關(guān)鍵業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，支撐業(yè)務(wù)管理與決策。

(4)全量化詳情查詢。詳情頁內(nèi)展示各業(yè)務(wù)的全過程信息，支撐用戶對(duì)業(yè)務(wù)管理單體對(duì)象的全量信息進(jìn)行查看。通過地圖點(diǎn)選或關(guān)鍵字搜索進(jìn)入詳情頁，基于地圖板塊展示具體管理對(duì)象的范圍和內(nèi)部精細(xì)化結(jié)構(gòu)，基于項(xiàng)目流程展示管理對(duì)象狀態(tài)、結(jié)論以及項(xiàng)目各階段基礎(chǔ)信息。

3 總結(jié)與展望

基于陜西省水土保持信息化資源，面向水土保持?jǐn)?shù)據(jù)展示及統(tǒng)計(jì)分析需求，梳理并構(gòu)建陜西省水土保持關(guān)鍵指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上升級(jí)建設(shè)時(shí)空大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，支持水土保持時(shí)空數(shù)據(jù)的更新、治理與服務(wù)，建設(shè)預(yù)防監(jiān)督、綜合治理、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、淤地壩管理、科技示范園等多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域一張圖，支撐各級(jí)水行政主管部門監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)、查看業(yè)務(wù)管理成效、推測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，服務(wù)水土保持智慧化模擬和精準(zhǔn)化決策，有助于推進(jìn)陜西全省水土保持行業(yè)健康、高質(zhì)量發(fā)展。

隨著行業(yè)與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于微服務(wù)架構(gòu)，未來陜西“水土保持一張圖”可融合新的技術(shù)與理念，如數(shù)據(jù)挖掘、淤地壩BIM模型、數(shù)字孿生流域等，持續(xù)優(yōu)化、完善服務(wù)功能，通過數(shù)字賦能，提升水土保持行業(yè)服務(wù)能力。