匯聚海量數據 深化應用場景 開創(chuàng)智慧水土保持

姜德文

(1.水利部水土保持監(jiān)測中心，100053，北京；2.中國水土保持學會預防監(jiān)督專委會，100083，北京)

數字技術與實體經濟的深度融合，催生了繼農業(yè)經濟、工業(yè)經濟之后的經濟新業(yè)態(tài)新模式，成為當今世界搶抓發(fā)展新動能、搶占國際競爭新優(yōu)勢的焦點[1]。中國“十四五”發(fā)展規(guī)劃和2035年遠景目標綱要謀劃加快數字化發(fā)展，建設數字中國的新目標，提出“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”要求，2021年10月中央政治局專題就數字經濟健康發(fā)展進行了集體學習研究，2021年12月國務院發(fā)布《“十四五”數字經濟發(fā)展規(guī)劃》。近期水利部印發(fā)《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》，2022年水利部水土保持工作要點作出了加快建設智慧水土保持的工作安排，智慧水土保持要為水土保持高質量發(fā)展提供強力驅動和有力支撐[2-3]。

智慧水土保持的基礎是高質量海量數據的生產，迫切需要挖掘、匯聚中國水土保持海量數據，開拓科學、精準、實用的豐富應用場景，以智慧水土保持推進水土保持高質量發(fā)展。

1 智慧水土保持的數據屬性基礎與現狀問題

1.1 支撐智慧水土保持的數據要求

支撐和服務于智慧水土保持的數據應具備以下特征：一是數據的屬性要滿足可統(tǒng)計、可計算、可分析、可預測等要求，如數字、圖形、特征描述、成果展示等都不能是普通的文字文本或紙質資料，要變?yōu)橛嬎銠C可識別、可分類、可運算、可表達的數字信息，通過大數據為智慧決策和管理提供支撐；二是數據資源要有一定的時間系列，以日、次連續(xù)積累的數據，如水土保持監(jiān)測站點的觀測數據等，數據系列一般應在10 a以上，以年為周期的區(qū)域數據，如土壤侵蝕遙感調查數據、土地利用、林草植被普查數據等數據系列一般在20～30 a以上，以確保對客觀世界的全面、系統(tǒng)表達；三是數據生產過程具有質量控制關口、專家評價機制保障，成為可信任、可運用的資源，如水土流失動態(tài)監(jiān)測、流域綜合治理、生產建設項目水土保持等專業(yè)方向的數據，經過數據錄入、校核、審核、審查等質量檢驗制度和流程把關；四是數據進行了脫敏、脫密處理，運用中不關聯信息安全問題；五是數據可共享、可開放，為互聯互通更大數據資源提供支撐。據調查，目前水利部本級水土保持數據存儲量超過40TB[4-7]。

1.2 現有數據資源服務于智慧水土保持存在的不足

一是海量數據大多在沉睡，沒有發(fā)揮出更大效用，許多數據資料都封存在檔案、資料室中，處于封閉或半封閉狀態(tài)，沒有成為可調用、可共享的資源；二是大量數據是以紙質材料存貯，不是可直接獲取、計算、分析的數據，需要進行大量的數據轉換工作，使其成為活的數據，有些數據由于沒有資料歸檔、長期保存制度，珍貴的歷史數據面臨遺失，急需搶救性搜集、整理、入庫歷史數據；三是某些數據缺乏質量保障體系，可靠性不足，如果要利用需經進一步過濾、審核；四是數據的加工、處理、分析能力較弱，不能有效支撐智慧水土保持的要求[7-9]。

2 土壤侵蝕海量數據與水土保持智慧應用

2.1 區(qū)域土壤侵蝕大數據

土壤侵蝕數據是水土保持最基礎的數據，區(qū)域屬性數據主要有全國土壤侵蝕普查數據、省級普查數據、大江大河流域調查數據等。新中國成立初期調查、全國土壤侵蝕第1次、第2次、第3次、第4次普查和調查數據，各省(自治區(qū)、直轄市)獨立開展的普查數據等等，形成了海量數據。普查成果主要有區(qū)域的土壤侵蝕總面積及其微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕的面積，有分行政區(qū)(縣以上)匯總數據、分流域(長江、黃河等7大江河及其二級、三級支流)數據，數據類型有統(tǒng)計數據，有土壤侵蝕分布矢量圖等[10]。普查由政府及其行政主管部門相對定期組織，有成熟的技術路線和成果質量控制。

2.2 區(qū)域大數據的智慧水土保持開發(fā)場景

一是通過幾期普查數據、分布的對比，智能獲取變化較大的易治理、成效明顯區(qū)域，以及治理難度大、成效不顯著的區(qū)域，甚至可以精準到圖斑、地塊、地類，進而根據侵蝕因子特征智能計算、分析適宜的治理、自然修復、加強保護的分區(qū)、分類的分布數據，并精準對位于實地；二是根據土壤侵蝕及其強度的判別要素數據(如早期的土地利用類型、地面坡度、植被覆蓋率3因子，后期的降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡度、坡長、水土保持工程措施、生物措施、耕作技術措施7因子)變化情況，深度統(tǒng)計分析變化規(guī)律，更加科學、準確地提出合理的普查周期，既減輕人力物力財力的負擔，又能及時掌握變化狀況；三是普查中不同地類的解譯圖班野外復核數據，深度挖掘國家、流域、省地建立的海量解譯標志，建立標準化、規(guī)范化的全國大數據，為人工智能自動識別提供堅實基礎和條件，全國第1次水利普查中抽樣調查的3萬3 000多個定位調查點數據要為區(qū)域調查提供智能化數據標準；四是開發(fā)公共服務網絡和APP應用平臺，讓公眾可查詢所關注區(qū)域或流域的水土流失狀況，了解到變化情況，自動形成更為直觀、公眾更為喜歡的變化圖、卡通動畫等，可下載、可保存，讓更多的公眾、學生參與到水土保持科普、宣傳、社會監(jiān)督等工作中，不斷提高公眾的水土保持生態(tài)文明意識，增強獲得感、參與感、成就感。

2.3 監(jiān)測點觀測數據的深度開發(fā)

全國各級各類水土保持試驗站、監(jiān)測站，如黃土高原的西峰、天水、綏德試驗站新中國成立前后連續(xù)幾十年定位觀測，北方土石山區(qū)、東北黑土區(qū)、西南紫色土區(qū)、東南紅壤丘陵區(qū)的長期觀測站，以及中國科學院系統(tǒng)的野外生態(tài)站、高校與研究所的長期定位觀測站等，都積累了大量的水土保持觀測、研究數據。如不同坡度、不同土地利用類型、不同水土保持措施的徑流、泥沙數據，小流域尺度的降雨、徑流、水土流失量數據，水利部中小河流徑流泥沙數據，特大暴雨后的水土流失調查數據等，經過對大數據統(tǒng)計、計算，可建立坡面土壤侵蝕預測預報模型，小流域水土流失模型(北京、河南、貴州等省、黃河及長江等流域已建立了水土流失預報數學模型)[8]，進而通過相關大數據的綜合計算、智能分析，開展不同暴雨情景下的水土保持預報，為防汛調度、防洪減災、公共安全提供適時預報預警，并據此提出實用的防范預案。

3 山水林田湖草系統(tǒng)治理海量數據與綜合治理智慧應用

3.1 山水林田湖草系統(tǒng)治理智慧應用

山水林田湖草系統(tǒng)治理是水土保持的生命力所在，綜合是水土保持事業(yè)和學科最大的優(yōu)勢[11]。20世紀80年代起，中國創(chuàng)造了以小流域為單元的綜合治理新理論、新技術，頒布了一系列國家標準，在全國各地創(chuàng)建了一大批成功的實踐案例。應通過對技術措施體系、圖件、影像等的大數據梳理、入庫、提煉，形成智慧應用。一是形成完整成套的系統(tǒng)治理模式，針對全國水土保持117個三級區(qū)劃類型，分別提出山水林田湖草系統(tǒng)治理的水土保持主導功能評價指標體系，工程、植物、農業(yè)技術等各項措施配置模式，治理與產業(yè)開發(fā)有機結合的生態(tài)經濟系統(tǒng)，實現圖文并茂的智能化推送，面向實施一線的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、面向社會資本投入的企業(yè)、面向建設與管理的農戶提供智能化、自動化服務。二是充分集成高校、研究所、科研單位的科技成果，開發(fā)植物措施智能配置APP遠程服務(可分為山水林田湖草沙綜合治理和生產建設項目水土保持生態(tài)修復)，使用者只需點擊地理定位，系統(tǒng)將運用平臺的當地水、土、氣、生等自然條件大數據，生態(tài)保護與修復成功案例模式庫，植被建設、生態(tài)修復及相關產業(yè)開發(fā)規(guī)劃、政策等智慧庫，即時反饋植物措施配置方式、樹草種選擇、種植技術、管護要點等技術指南，推送簡明、易懂、實用的信息，精準指導企業(yè)、農戶的生態(tài)修復與生態(tài)產業(yè)開發(fā)。三是集成各地生態(tài)清潔小流域成功案例[12]，形成可推廣、可復制的模式，向企業(yè)、村鎮(zhèn)推送水源涵養(yǎng)型、防洪保安型、休閑康養(yǎng)型、生態(tài)文化等不同模式的總體布局、綜合配套、建設運維方式等指導，更大范圍、更高時效服務鄉(xiāng)村振興、高質量發(fā)展。

3.2 重點工程智能跟蹤與管理

近幾年來，水利部在全國開展水土保持重點工程“圖斑精細化”管理，對坡耕地治理、東北黑土區(qū)侵蝕溝治理、黃土高原塬面保護、病險淤地壩除險加固、水土保持工程建設以獎代補等重點工程實施精準管理，系統(tǒng)中錄入了重點治理項目的前期規(guī)劃設計、計劃下達、項目實施、檢查驗收等基本信息，數據量有0.26 TB。應系統(tǒng)總結以往對重點工程的工程位置、實施范圍、完成面積與工程量、措施成效等遙感信息監(jiān)管技術路線、關鍵技術，特別是提升智能定位、監(jiān)測、計算、判別技術，對淤地壩、黑土地侵蝕溝治理等工程，進行建設位置、土石方工程量、控制侵蝕溝擴展的成效等智能監(jiān)測、工程量復核。運用中小流域數字地形、地質、降水、徑流、泥沙、土地利用與植被、人居等大數據，構建流域壩系規(guī)劃布局的多目標非線性數學模型，開展以中尺度流域為單元的壩系智能規(guī)劃，科學、精準、高效布局和建設，提升淤地壩規(guī)劃建設水平和成效。對大型淤地壩的降雨、徑流、水位自動化監(jiān)測，開展智能洪水演算、預報、預警，支撐下游重要設施和人居安全的防洪預案。

3.3 水土保持功能與生態(tài)修復質量評價

運用水土保持動態(tài)監(jiān)測、重點工程監(jiān)管、普查、監(jiān)測站點長期定位觀測等大數據，構建保持水土、涵養(yǎng)水源、修復生態(tài)等水土保持功能分析評價指標體系，對地方政府、各相關部門治理成果的水土保持功能、生態(tài)系統(tǒng)質量與穩(wěn)定性等實施智能監(jiān)測、分析、評價，推進水土流失治理由數量向質量提升的轉變。

3.4 智慧農業(yè)智慧水利的綜合推廣應用

水土保持既是生態(tài)保護與修復的重要內容，又是發(fā)展農業(yè)生產、促進鄉(xiāng)村振興的重要路徑，要廣泛吸收、推廣智慧農業(yè)、智慧水利等現代科學技術，促進數字經濟為廣大的農村、農戶的高質量發(fā)展注入新動力[13]。重點攻關3個關鍵環(huán)節(jié)：一是廣泛而精準的萬物感知，耕地、果園、水利設施、農業(yè)機械等生產要素，通過引進、研發(fā)各類全自動、全天候的儀器、設備，適時、準確監(jiān)測到相關信息，做到萬物互聯互通，實現土壤、氣候等環(huán)境感知，種植、生長、花果、病蟲害等狀態(tài)自動感知，機械、設備等定點定位感知。二是科學智能決策，通過對長期研究成果的系統(tǒng)挖掘，人工智能的深度學習，運用感知到的海量信息和決策要素識別判別，實現科學智能決策。三是感知的信息、下達的決策等實現遠程、適時傳輸、分送，各類設施設備機械做到自動控制，如生產過程中灌溉、施肥、打藥，后期收獲、運輸、倉儲等，都能按決策指令自動操控，自主完成，并做到全過程可視化管理。

4 生產建設項目海量數據與水土保持智慧監(jiān)管及服務

4.1 生產建設項目海量數據

全國每年審查審批的水土保持方案有3萬～5萬多個，近20多年許可的生產建設項目的海量數據資源十分豐富。隨著監(jiān)管工作的深入展開，水利部在部級、七大江河流域機構、省級、地市級、縣區(qū)級5級部署了生產建設項目水土保持管理系統(tǒng)，水土保持方案開始錄入管理系統(tǒng)。據統(tǒng)計，到2020年底縣以上水行政主管部門錄入生產建設項目水土保持方案35萬多個，數據量達4.62 TB。水土保持方案文本、數據表、圖件等資料均掃描存入系統(tǒng)，其中方案特性表的數據和特征信息錄入了系統(tǒng)，近幾年又將生產建設項目水土流失防治責任范圍的矢量數據錄入了系統(tǒng)。錄入的數據主要有4大類。一是項目類別、規(guī)模、所在地、工程投資、開完工時間、占地面積、土石方挖填量等17組基本數據與信息；二是水土保持方案設計水平年(即驗收年)，涉及的流域管理機構、水土流失重點預防區(qū)和重點治理區(qū)，項目所在地的地貌類型、土壤侵蝕類型，現狀土壤侵蝕強度，容許土壤流失量等5組水土保持與環(huán)境信息；三是土壤流失預測量，防治標準等級，防治責任范圍面積，設計水平年的6項目標值(水土流失總治理度、土壤流失控制比、渣土擋護率、表土保護率、林草植被恢復率、林草覆蓋率)，工程措施、植物措施、臨時措施工程量及投資，水土保持監(jiān)測費、監(jiān)理費、水土保持補償費等22組水土流失防治目標及任務類數據與信息；四是項目法人、方案編制機構地址、聯系人、電話、傳真、電子信箱等17組工作聯絡信息。水土保持方案有法律法規(guī)確定的法定義務與責任，有國家頒布的一系列技術標準，經過了方案編制單位質量控制，建設單位審核，評審專家及審查機構技術審查，行政管理部門審批，具有較高的可靠性。水土保持監(jiān)督管理系統(tǒng)中還有大量的生產建設項目水土保持監(jiān)測、監(jiān)理、驗收、監(jiān)督檢查等數據。此外，19個省開發(fā)部署了省級水土保持信息管理系統(tǒng)。這些海量數據和信息，為水土保持智慧監(jiān)管提供了重要基礎數據。近幾年，水利部在全國開展了生產建設項目信息化監(jiān)管，應用衛(wèi)星、無人機等遙感監(jiān)測信息，對生產建設活動實施區(qū)域監(jiān)管、對生產建設項目實施項目監(jiān)管，大大提高了監(jiān)管覆蓋面和監(jiān)管效率，數據量超過20 TB。根據水利部要求從2021年起，中西部地區(qū)、東北三省、北京、天津和河北等省每年至少開展2次省級遙感監(jiān)管，其他省份每年至少開展3次遙感監(jiān)管，海量數據將大為增加。

4.2 智慧水土保持監(jiān)管深度開發(fā)

首先，實現智慧“放管服”分類管理，根據生產建設項目的海量數據統(tǒng)計、分析，運用相關大數據、互聯網、區(qū)塊鏈等信息，判別生產建設項目的水土流失影響程度、所在區(qū)域的水土保持敏感度、工程規(guī)模的大小，從水土保持管理角度科學合理地將生產建設項目分類A、B、C 3類[14]，并由此區(qū)分其報告的編制格式與內容(報告書、報告表、登記備案表等)，以及后續(xù)設計、施工、監(jiān)測、監(jiān)理、驗收等不同的分類管理方式，使行政管理部門科學有效管理，簡化程序加快項目落地建設，后續(xù)水土保持工作合理簡明。第二，創(chuàng)新智能審核審批，提升許可時效與質量，對水土保持影響較小的B類、C類項目，通過遠程平臺或手機APP自主申報，系統(tǒng)根據后臺大數據及項目數據，給出審批意見及后續(xù)工作提示，建設單位可遠程自主打印受理清單、審批文件。對需經專家審查的項目，系統(tǒng)根據專業(yè)要求智能抽取專家、分發(fā)報告、完成專家審查，對涉及水土保持敏感區(qū)的項目，系統(tǒng)自主與后臺大數據比對，預判影響，給出相應警示，使管理與服務更加惠民、高效，減輕企業(yè)負擔，進一步優(yōu)化營商環(huán)境，促進項目盡早落地。第三，智能后續(xù)跟蹤，通過項目地理坐標、國土部門等審批信息互聯，智能確認具體項目、開工及地表擾動情況，智能發(fā)現并判斷“未批先建”違規(guī)項目[15]；根據水土保持措施后續(xù)設計圖件、結合監(jiān)測、監(jiān)理報告數據、衛(wèi)星與無人機信息化監(jiān)管數據等，系統(tǒng)自動跟蹤措施落地情況，判別水土流失防控效果，發(fā)現嚴重水土流失現象自主預警，向相關各方發(fā)出警示；智能化判別“未驗先投”的違規(guī)項目，向監(jiān)管部門推送信息，提示監(jiān)管。第四，棄渣場嚴重水土流失風險預警，根據棄渣場、取土場位置與防護措施圖，聯動棄渣場周邊人居與基礎設施敏感點情況、降雨及洪水預報等大數據，結合棄渣場運行及防護狀況，智能分析風險，實時向建設單位、主管部門發(fā)出預警，提示事先防控預案，智慧防災減災。智能判別“未批先棄”的違規(guī)項目和違規(guī)圖斑，向主管部門主動推送違規(guī)項目待核查信息，預警提醒，下達督查指令，對整改措施落實情況、防治效果實施自動跟蹤監(jiān)測。第五，按“守信承諾、失信懲戒”新機制，對參建各方(建設、設計、施工、水土保持方案、監(jiān)測、監(jiān)理、驗收評估等)違反水土保持信用“兩單”情形智能預判，主動向監(jiān)督管理部門、行業(yè)自律組織的服務星級評價部門、參建各方推送警示，向信用平臺適時推送列入“兩單”名單，助力信用監(jiān)管。

5 動態(tài)監(jiān)測及研究成果海量數據與水土保持智慧應用

5.1 全國水土保持動態(tài)監(jiān)測海量數據

全國土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測水利部及其七大流域機構已連續(xù)開展了十幾年，國家級23個水土流失重點預防區(qū)、17個重點治理區(qū)實施全面監(jiān)測，監(jiān)測范圍從重點防治區(qū)的94萬km2，輻射到所涉及縣區(qū)超過500萬km2，近幾年各省的動態(tài)監(jiān)測也陸續(xù)開展，實現了全國水土保持動態(tài)監(jiān)測全覆蓋，數據量有18.34 TB，海量的監(jiān)測數據和成果非常豐碩。水利部、各省水行政主管部門每年發(fā)布《水土保持公報》[16]，公布動態(tài)監(jiān)測數據和成果，包括大江大河徑流、泥沙數據，國家級和省級重點防治區(qū)年度土壤侵蝕總面積及分級強度面積、土壤侵蝕年度分布圖，典型流域、控制站、徑流小區(qū)的降水、徑流、泥沙數據，水利部、各省及其地市、縣區(qū)審批水土保持方案數量、生產建設項目水土保持驗收數量，全國水土流失年度治理數據、水土保持重點工程治理面積與成效，等等。

5.2 智慧水土保持管理深度開發(fā)與服務

一是區(qū)域動態(tài)監(jiān)測數據智能服務于地方政府水土保持目標考核，省、地市、縣區(qū)水土流失治理任務完成情況、土壤侵蝕強度降低狀況、人為活動新增水土流失的管控情況、水土流失防治與生態(tài)保護修復成效等等，不再靠統(tǒng)計數據、自查報告，而是運用高分遙感監(jiān)測數據，智能科學分析成果，更加客觀、準確、高效，每年向社會公開以縣域為單位的動態(tài)監(jiān)測數據，增強領導干部的責任感、使命感，社會公眾的知情權與參與權。二是服務于生態(tài)文明考核、美麗中國評價中，年度監(jiān)測數據分享于國家生態(tài)文明目標任務考核、GEP計算、美麗中國評價等定量指標中，支撐科學準確評價。三是年度動態(tài)監(jiān)測成果與重要生態(tài)功能區(qū)(特別是涵養(yǎng)水源、保持水土的多個主導功能區(qū))監(jiān)測評價結合，與生態(tài)紅線(水土保持型、水源涵養(yǎng)型、防風固沙型等)監(jiān)測管控深度融合，更深層服務于國家重大生態(tài)保護與修復的決策和管理。四是動態(tài)監(jiān)測技術方法提升，通過多年動態(tài)監(jiān)測變化規(guī)律、重點變化區(qū)大數據分析，智能跟蹤監(jiān)測重點區(qū)域，提升監(jiān)測效率。