城市水土保持信息化建设的设计与思考

沈盛彧，程冬兵，赵元凌，王志刚，张平仓

(长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430010)

20世纪末，随着遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、计算机网络及虚拟现实等高新技术被广泛应用于社会经济的各个领域，全球信息化建设迎来了一次发展高潮。信息化水平作为衡量一个国家或地区现代化水平的重要标志，已成为评价国家综合实力、国际竞争力的关键因素[1]。党中央、国务院将大力推进信息化作为我国在21世纪头20年经济建设和改革的一项主要任务，水利部党组也明确提出当前和今后一个时期，加快水利信息化步伐、以水利信息化带动水利现代化是一项事关水利发展全局的重大战略任务。水土保持信息化是水利信息化工作的重要组成部分，也是水土保持工作健康持续稳步发展的重要支撑[2]。但是当前我国城市水土保持工作普遍存在水土保持监测手段、监督方式及相关行政管理业务信息化程度低的问题[3-4]，与城市水利现代化管理不相适应，更难以适应经济社会高速发展与大数据时代信息化管理的要求。如果水行政主管部门对城市水土流失现状、建设项目动态、生态治理成效、土石方综合利用等水土保持相关信息难以实时掌控，又缺少水土流失突发事件预警信息技术，则无法全面、动态地统筹决策和布局，将严重影响水土保持工作高效管理和社会化服务水平。

为落实生态型、低碳发展的城市建设理念，促进海绵城市、智慧城市建设，本研究采取“一盘棋”式统筹发展思路，以“水保为主、突显特色”为原则，设计了城市水土保持信息化建设的“一张图、一个窗口、四大系统、一个大数据中心、一套数据采集、三个配套” (简称“114113方案”)，希望能为各地开展水土保持信息化建设提供参考。

1 城市水土保持信息化总体框架

为实现城市水土保持信息化，在深入调查分析当前国内外水土保持业务工作流程及信息化建设现状的基础上，构建了城市水土保持信息化建设总体框架。其中，“智慧水土保持”是追逐的愿景，“一张图” 展现了决策所需的水土流失发生发展趋势、生产建设项目信息、土石方信息等，“一个窗口”是信息公开和互联互通的实现途径，“四大系统”满足了各项业务高效精细化管理的需求，“一个大数据中心”用于储存和处理水土保持相关的各项数据，“一套数据采集”是水土保持相关数据信息采集的必要手段，“三个配套”是水土保持信息化基础工作和运行维护的必备条件。构建的城市水土保持信息化建设总体框架见图1。

2 城市水土保持信息化建设内容

2.1 “一张图”

(1)水土流失发生发展趋势。根据设定的统计时段及选定的空间范围，将城市水土流失动态变化信息在地图上实时显示，可实现水土流失强度分级、时空分布的统计和查询，并形成报表，供主管部门决策使用。

(2)生产建设项目信息。对生产建设项目水土保持工作全过程信息进行空间可视化，实现生产建设项目水土保持方案管理、监督检查、监测监理、设施验收、行政执法等信息的综合查询和专题式统计，以及防治责任范围、项目位置、扰动图斑、水土保持措施布局等相关信息的空间定位与查询。利用重点关注项目水土流失预测预警功能，对重大水土流失突发事件进行自动化预警与分析，为主管部门决策提供依据。

图1 城市水土保持信息化建设总体框架

(3)生态治理项目信息。根据传统水土保持生态治理项目业务管理的要求，基于地理信息系统和空间信息技术，实现项目前期工作、进度执行、检查验收、效益评价等各环节信息的空间化、可视化与统计查询，通过实施前、施工期和竣工后项目区遥感影像，以及措施布局图和竣工验收图，全过程规范水土保持生态治理项目建设管理行为，实时评价项目实施效果，为主管部门宏观决策提供依据。

(4)土石方信息。根据批复的生产建设项目水土保持方案，分析项目土石方平衡情况，对项目的挖填土石方信息和土石方综合利用信息在“一张图”中进行空间可视化发布，供主管部门处置违法弃土、弃石行为时参考。

2.2 “一个窗口”

(1)信息发布。通过城市水务部门门户网站、微信公众号等渠道，定期发布水土保持法律法规、水土流失现状及动态变化、水土保持工作开展情况、水土保持成效等，及时、准确地进行水土保持信息公开、重要新闻事件发布、水土保持政策宣传，满足公众的知情权。

(2)部省区上传下达。根据水利部、流域、省、市、区县水行政主管部门业务管理需求和信息化系统数据标准、格式要求等，定制相应的水土保持信息数据传输格式，实时对接各级水土保持信息化系统，实现数据的无缝传输，一键上传下达水土保持业务数据，保证各级水行政主管部门之间信息通畅，提供及时的决策支持。

(3)部门间互联互通。提供市、区县政府发展改革、国土规划、环境保护、交通、住房建设等部门信息系统的兼容数据接口，构建快速、稳定、通畅的信息化共享通道，实现城市水土保持信息的跨部门互联互通。

2.3 “四大系统”

(1)水土保持监测系统。①全市水土流失动态监测。基于地理信息系统、网络与数据库技术，搭建地理空间基础框架，利用卫星高分遥感影像、无人机航拍影像、智能终端、微型智能探测等多种手段(根据实际情况互为补充)，获取和更新植被、土地利用、水土保持措施等易变化信息，调用城市地形地貌、土壤等基本信息，结合水源地、重点流域、果林地、耕地、未利用地等监测数据，根据降水等实时变化信息，采用全国水利普查水力侵蚀模型估算土壤侵蚀量，实现对城市水土流失的时空分布、变化趋势及其防治效果的动态监控，全面提升科学决策水平。特别是针对重点关注项目，在生产建设全过程使用无人机航拍并辅助三维建模实现扰动土地状况、取土弃土、水土保持措施和水土流失情况的全面定量监控。②固定监测点定位监测数据上报与管理。完善全市水土流失监测点布局，建立健全监测数据库，实现网络化、实时化管理，并逐步实现可视化管理。通过网络系统实现监测点数据的实时采集、及时存储、分类汇总、数据归档和本地封存，有效管理所获得的数据，为其他应用系统提供数据支持。③生产建设项目水土保持监测管理。与生产建设项目管理系统相协调衔接，通过制定水土保持监测数据上报和汇交制度机制，对区域生产建设范围内的工程建设扰动土地面积、水土流失灾害隐患、水土流失及其造成的危害、水土保持工程建设情况、水土流失防治效果等数据进行网络化采集、存储、处理和分析，评价生产建设项目的水土保持情况，为生产建设项目水土保持设施验收提供快捷数据支持，为水土保持部门监督执法提供翔实可靠的依据。④重点关注项目水土流失预测预警。调用重点关注项目占地、防治责任范围、建设周期等基本信息，利用高分辨率卫星遥感影像、无人机航拍影像、现场实拍、传感器监测等多种手段，高频率更新下垫面地形、物质组成、地表覆盖、水土保持措施等易变化信息，采用生产建设项目水力侵蚀模型，根据降水等实时变化信息预测土壤侵蚀量，通过对土壤侵蚀量分等定级，在地图上实时显示其水土流失风险等级，同时结合现场水土保持动态监测开展情况，实现针对重点关注项目区和项目区重点部位危害的预测预警，为主管部门应对突发水土流失事件和决策部署提供数据支撑，全面提升科学管理水平。

(2)生产建设项目管理系统。基于信息和网络技术，实现水土保持方案受理、技术评审、行政审批、风险预评估、监督管理、设施验收、资质管理等各项业务的信息化整合，使生产建设项目水土保持各类信息一致、互通和共享，并实现项目信息的高效高精度智能查询检索，为行政决策和监督检查提供便利。

(3)生态治理项目管理系统。基于地理信息系统和信息化技术，以小流域为单元，按项目和行政区两种空间逻辑进行一体化协同管理，以项目、项目区、小流域三级空间分布，将项目现状和治理措施落实到1∶1万图斑，实现生态综合治理项目的图斑精细化管理。根据水土保持生态治理项目业务管理的要求，完成项目立项(包括规划、建议书、可行性研究和初步设计等4个阶段)、过程(监督检查)、验收(包括单项措施验收、阶段验收和竣工验收等3个阶段)、效益评价、后评估等各环节的全面信息化管理、空间信息上图，规范水土保持生态治理工程建设管理行为，提高项目管理效率和水平。

(4)文化建设系统。①科技示范园。可通过在水土保持科技示范园建立3D、4D或5D影院，分不同类型和场景展示，使观众从多维感官体验水土流失过程、危害和水土保持效果，还可以在园区制作街景地图，并发布于园区网站，公众可通过网页或APP模拟参观体验。②公众参与。通过微信公众号、官方微博、水土保持论坛、APP等多种渠道，及时、准确地对公众进行水土保持科普知识宣传，并让公众能便捷地参与制度建立、水土流失事件监督和相关讨论等，满足公众的参与权和监督权。③科技协作。利用先进的项目管理和网络技术，对科研项目全过程及内容(包括项目申报书、科研数据、验收意见等)、主要科研单位及专家信息(包括基本信息、科研方向、承担的科研项目、代表著作、所获奖励等)进行集中式管理和及时更新，实现水土保持科研信息的高效共享，推动科研成果的转化推广。

2.4 “一个大数据中心”

通过购置服务器及配套设备并将其安放于水务信息中心机房，或采用政府购买服务的方式租用商业云计算服务器，配备云存储和云处理平台，部署基础数据库、监测数据库、生态治理项目数据库、生产建设项目数据库、综合信息数据库等。同时，配置必要的软件平台，包括数据库软件、杀毒软件、单点登录软件、运维管理软件、企业数据总线工具等。

2.5 “一套数据采集”

(1)基础数据入库。基础数据主要包括基础地理、遥感影像(如高分遥感影像)、社会经济、自然条件(如水文、气象)等数据。其中：基础地理数据应包括1∶5万、1∶1万、1∶5 000的水系、地貌、土壤、植被、居民地、交通、行政区划等DLG数据和DEM地形数据；遥感影像数据应包括多源、多时相的2.5～5 m、1～2.5 m、亚米级高分辨率遥感影像，以及30 m分辨率的多光谱遥感影像。社会经济、自然条件等数据主要来自相关部门发布的信息。

(2)监测点布局。为实现城市水土流失监测评价全覆盖，按照《水土保持监测技术规程》(SL 277—2002)监测点布局要求，为保障监测数据的准确性，兼顾经济性和可行性，综合考虑土地利用类型、重点关注项目、非法建设活动等因素，在全市设置生产建设项目、排水管网、果林地、耕地、未利用地、水源地、重点流域、机动监测点等各类型的监测点。其中：生产建设项目监测点主要针对重点关注项目，监测内容包括项目扰动范围、扰动类型、土石方、下垫面变化等，采用无人机、视频监测、智能终端等监测方法，每月监测一次，雨季每半月监测一次；果林地、耕地、未利用地监测点主要用于面上水土流失估算复核抽样，监测内容主要包括地表覆盖、物质组成、微地形等，采用现场人工判别，每季度监测一次；水源地、重点流域监测点主要监测泥沙量、水质等，用于复核汇水区水土流失强度，结合现有水文站点分布情况，重点流域已有水文站点的可通过内部数据共享的方式采集数据，还没有水文站点或站点建设不成熟的，可采用补助共建的方式进行实时监测；机动监测点主要针对非法建设项目，监测内容包括扰动范围、扰动类型、土石方、下垫面变化等，采用高分遥感影像、无人机、视频监测、智能终端等监测方法，每月监测一次，雨季每半月监测一次。

(3)数据采集方法。针对不同监测需求，根据各项工作对空间、时间、光谱尺度的具体要求，经充分考察对比，引用国内外先进监测技术和设备，合理配置、组合使用高分遥感、无人机、视频监测、智能终端、微型探测等一系列“空天地一体化”技术体系中的方法，为全面实现生产建设项目水土保持“天地一体化”监管、生态治理项目“图斑精细化”管理、全市水土流失动态监测、重点关注项目水土流失预警、突发水土流失事件应急等提供技术和数据支撑。

(4)历史数据入库。将开展城市水土保持工作以来的所有生态治理项目、生产建设项目、科研协作项目，以及相关各类法律法规、标准制度、重要会议等纸质、电子资料，分不同发展阶段和类型梳理整编后数字化，委托专业人员录入生产建设项目、生态治理项目、科研协作和综合信息等数据库。

(5)高性能传输网络。依托政府内网、国家水利骨干网、公共网络通信资源和无线传输网络，以水利专网为主，提升省、市、区级水土保持机构的数据交互共享网络质量，完善从监测站点、移动采集系统到水土保持大数据中心的传输网络，积极推进监测站点的自动化无线传输网络建设。

2.6 “三个配套”

(1)信息化标准。收集整理现有城市水土保持领域的相关标准与规范，针对城市水土保持信息化建设内容，梳理城市水土保持信息化的标准需求，在国家、省级、市级及行业标准规范的基础上制定适合城市水土保持信息化建设的实用性标准制度。

(2)系统安全与维护。①运行维护。制定应用系统运行维护管理制度，明确专职运行维护人员，落实岗位职责，加强运行维护人员专业技术培训，规范故障处理和维护操作，落实运行维护经费。②安全保障。制定数据、系统、应用安全保障制度，严格数据的保密传输及存储备份，提高系统对网络攻击、病毒入侵的防范能力，通过身份认证保障传输数据的完整性、真实性和权威性。③应急响应。制定水土保持应急响应制度，在市、区两级分别针对可能发生的水土保持突发事件编制基于信息技术的可操作性强的处理预案，若发生突发事件，则可有秩序地进行处理，以减少损失。

(3)门户网站。充分依托城市水务及水土保持行业已有的门户网站资源，结合水土保持业务需求，推进信息发布、在线服务，构建水土保持信息共享与服务平台，全面促进水土保持信息共享和业务协同。以“中国水土保持生态建设网”为龙头和标准，采用统一门户框架技术体系，建立统一标准、统一规范的单点登录式市区水土保持部门的门户网站群，实现分布式信息资源的有机整合，构建统一的水土保持信息对外发布与服务窗口。

3 结 语

为推进我国城市水土保持信息化进程，在综合分析城市水土保持业务内容和流程的基础上，结合当前主流的“3S”技术、计算机网络等高新技术，提出了一整套城市水土保持信息化建设方案，从水土保持相关项目和业务数据的采集、管理、应用、支持决策等4个层面进行了详细设计，希望能为各地开展水土保持信息化建设提供参考。未来，将结合城市水土保持信息化建设实施过程中出现的问题，针对多种高新技术的集成应用继续进行研究。