智慧水利信息平台设计与实现——以福建省沙县智慧水利信息平台为例

徐 健，李 国 忠，徐 坚，肖 潇，赵 保 成，付珺琳

(长江科学院 空间信息技术应用研究所，湖北 武汉 430010)

信息技术的快速发展使得信息化、网络化、智能化成为一种世界性的大趋势。水利信息化就是充分利用现代信息技术，深入挖掘和有效利用信息资源，促进信息共享和资源优化配置，提高应急决策的科学性，实现水利工程管理的信息化及智能化。新一代互联网技术的不断渗透使得水利信息化程度不断提高，“智慧水利”也应运而生。

“智慧水利”依托互联网、物联网、云计算及3S等科技手段，实现水利信息数据的采集、存储、管理、应用及共享，建成标准化、智能化的水利应用管理平台，形成较为完善的信息化管理体系，有效提升水利综合管理能力，有力推动水利现代化建设[1]。

WebGIS作为一种结合互联网技术与地理信息技术的新技术，通过计算机网络，将多源异构的空间地理数据按照一定的运行机制进行组织、管理并发布，提供空间数据浏览、专题查询及统计分析等功能，实现信息的操作共享与辅助决策[2]。本文基于WebGIS技术，以福建省沙县作为研究对象，进行智慧水利信息平台的设计与实现。

1 总体设计

平台在充分整合现有的水利信息化硬件设施与软件系统的基础上，力求搭建一套完整、标准、结构化的水利信息平台架构体系，包括数据存储层、数据管理层、服务层、接口层、认证层、应用层和运营管理层等[3]，总体框架如图1所示。

(1) 数据存储层是指数据库的物理存储层，包括工程项目数据、空间数据、水文数据、水雨情数据、水土保持数据、水资源数据等。

(2) 数据管理层是指对数据管理的操作层，有元数据编辑、数据导出、数据转换、数据更新、数据编辑、数据入库等[4]。

(3) 服务层是指对数据库进行服务封装的层，通过数据及信息服务引擎实现对外部数据的服务功能。

(4) 接口层是指在服务层的基础上实现对数据操作的具体接口，包括水利工程数据服务接口、空间数据服务接口、水文数据服务接口、水雨情数据服务接口、水土保持数据服务接口、水资源数据服务接口等。

图1 平台框架Fig.1 Platform frame work

(5) 访问控制层是指数据、信息及软件提供服务的统一认证接口，通过项目设计统一的用户管理及认证机制，实现对用户的统一安全管理。

(6) 应用层是指面向用户提供的应用系统层，包括智慧水利一张图、水资源管理子系统、水利工程管理子系统、采砂管理子系统、水利视频管理子系统等。

(7)运营管理层是针对整个硬件、数据及软件的安全运行管理，主要包括安全管理、服务管理、日志管理、统计分析等[5]。

2 关键技术

2.1 WebGIS

WebGIS是利用互联网技术来完善和优化传统GIS的一项新兴技术，其核心在于采用网络协议实现Internet环境下的空间信息管理及发布，以实现空间信息的操作及共享。WebGIS基于B/S架构，可以实现系统的分布式部署，通过因特网实现服务器端与客户端之间的互联互通。客户端采用Web浏览器，用户可以通过浏览器访问不同服务器上发布的空间数据，并进行各种空间检索及分析[6-7]。

2.2 WebGL

WebGL(WebGraphicsLibrary)是一种无需加装专用渲染插件即可在Web浏览器中渲染3D图形的绘图协议，是目前比较先进的轻量级3D绘图技术标准，它通过给OpenGLES2.0增加JavaScript绑定，实现JavaScript和OpenGLES2.0的结合，进而为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，最终实现基于Web浏览器的三维系统开发及跨平台应用[8-9]。

2.3 Bootstrap前端框架

Bootstrap是当前比较受欢迎的集HTML、CSS和JS与一体的开源响应式UI框架，它简洁灵活，让前端开发更快速、简单，所有开发者都能快速上手，旨在解决页面兼容性问题。网站和应用能在Bootstrap的帮助下通过同一份代码快速、有效地适配电脑、平板及手机设备，真正实现跨平台自适应，使一个网页可以在不同终端设备、不同分辨率下自动调整页面布局，以达到最优客户端显示效果[10]。

2.4 ECharts图表库

ECharts是百度推出的一款可视化开源开发框架，基于HTML5 Canvas，是一个纯JavaScript图表库，底层依赖轻量级的矢量图形库ZRender，提供直观、生动、可交互、可个性化定制的可视化数据图表。创新的数据视图、值域漫游及拖拽重计算等特性大大增强了用户体验，通过配置项的设置，就可以控制数据呈现形式和视觉效果，强化了用户对数据进行挖掘、整合的能力。大数据时代来临，ECharts给重新定义数据图表提供了完美的工具[11-12]。

2.5 SpringBoot后端框架

SpringBoot是一个由Pivotal团队提供的用于简化Spring开发的框架，约定大于配置，去繁就简，使Spring的开发能更快的上手[13]，优点主要体现在：① 快速创建独立运行的Spring项目以及主流框架集成；② 使用嵌入式的Servlet容器，应用无需打包成war包；③ starters自动依赖及版本控制；④ 大量的自动配置，简化开发，也可修改默认值；⑤ 无需配置xml，无代码生成，开箱即用；⑥ 准生产环境的运行时应用监控；⑦ 与云计算的天然集成。

3 功能设计与实现

3.1 水利一张图子系统

水利一张图子系统是开展水利业务活动的地图载体及相关服务体系(如图2～3所示)，它基于水利业务数据库，梳理现有系统与新建系统的需求，提供统一的运行环境和技术框架，为系统的集成建设提供通用应用服务，为数据资源的整合及共享信息提供运行平台[14]。

图2 二维水利一张图Fig.2 2D Map of water conservancy

图3 三维水利一张图Fig.3 3D Map of water conservancy

(1) 空间信息服务。水利一张图最基本的服务是共享权威地理信息数据，为项目落实提供精确定位，为应用系统和数据交换共享提供依据。各部门办事人员使用普通浏览器即可在线浏览、查询各个部门的基础地理信息资源，如基础地形数据、水文数据、水利工程数据等。

(2) 信息汇聚。以水利一张图为载体，叠加基础空间数据库、基础水利工程数据库、水文数据库、水雨情数据库、工情数据库、水资源数据库、水土保持数据库、社会经济数据库等，实现对水利相关数据的采集、汇集、查询和分析等功能。在水利一张图的基础上，叠加上专题图以及业务应用图，实现水利数据的二、三维一体的可视化展示。

通过水利一张图的全面建设，能够最大化提升各类水利业务数据成果的利用率及直观性，通过将不同格式数据所需的地理信息服务(图形浏览、定位查询、空间分析等)、属性查询、统计分析、专题图件发布等服务加以封装，建立标准的数据共享服务机制，实现专题业务模块的服务化、组件化、模型化管理，以信息化带动管理精细化，从而实现信息共享、数据共享和业务共享。

3.2 水资源管理子系统

水资源管理子系统是基于水资源网络和数据采集平台建设的综合业务管理系统，为水资源信息服务以及水资源业务管理提供统一的基础框架。

(1) 综合信息管理。将水资源管理和决策过程中需要的各种信息(包括雨情、水情、取水许可与水资源费征收、地下水、计划用水、节约用水、水功能区、水源地等信息)组织起来，实现对各类水利要素诸如空间位置分布、名称、所在行政区、所在河流等基本信息进行动态查询和管理，提供地图展示、浏览、定位和查询等功能。水资源费征收管理界面如图4所示。

图4 水资源费征收管理界面Fig.4 Interface of water resource fee collection management

(2) 智能监测预警。对管辖范围内的水资源进行智能监控，设置预警阈值，对于超量取排水以及水量、水位、水质相关参数超标等问题及时排查、及时预警，有效提升水资源管理的水平。生存流量监控界面如图5所示。系统实现了取水许可、水功能区、水库水源地、水利风景区、水厂、渠道及水资源费征收等业务的精细化管理，建立了物联网络，完善了水资源实时监测及生态下泄流量监控，设备通过物联网将采集的数据传递到终端平台进行智能计算，实现对目标的监测预警，进而提高水资源监管能力。

3.3 水利工程管理子系统

水利工程管理子系统是通过整合水利工程数据库以及其它一些相关信息建立的管理系统。水利工程管理界面如图6所示。

图5 生态流量监控界面Fig.5 Interface of ecological flow monitoring

图6 水利工程管理界面Fig.6 Interface of water project management

(1) 项目管理。以地图POI形式对所有建设项目进行管理，可对项目进行快速查询定位，并且能够查看项目对应的基本信息，提供当前项目进度展示功能。

(2) 资料管理。对水利工程项目文件材料进行管理，收集、保存有价值的文字、声像及图表，实现对工程项目资料的电子归档，对工程项目建设情况进行整体把握，归档后员工可以按照权限取用，从单位层面实现核心资料的管控。

(3) 资金管理。对资金来源、使用情况、拨付审核等情况加以管理，可快速查询资金信息、使用情况及项目计划等，并且能够对相关的信息进行统计分析。

系统实现了项目管理、资料管理及资金管理等功能，从而提高用户的工作效率和管理水平。

3.4 采砂管理子系统

采砂管理子系统是采用北斗卫星导航、传感器、无线传输数据(GPRS)、数码摄像(DC)、Web、数据库和地理信息系统(GIS)等技术，针对沙县管辖区域内河道采砂船动态监控的需求，从河道采砂管理部门的实际出发，设计的基于WebGIS的数字信息采集、处理、传输、存储、可视化及输入输出的软硬件技术平台。采砂管理界面如图7所示。

(1) 采砂船管理。24 h连续不断提供被监控船舶的位置信息，可通过对船舶点名查看、设置形态、定时发送、报警发送等多种方式获得静态或动态数据信息[15]。管理者可以查看采砂船的属性信息，如船名、采砂功率、吸砂管径、抓斗容量、作业方式、采砂许可证、所属采砂区等，还能对船舶历史行程情况进行查询和回放。

图7 采砂管理界面Fig.7 Interface of sand mining management

(2) 采砂区管理。可在电子地图中绘制报警区域(如禁采区)，船舶一旦进入报警区域，控制中心会自动进行报警，提示管理人员进行处理。

系统的运行为河道管理提供了便利，全方位改善了河道采砂管理，提高了河道采砂管理工作的效率。

3.5 水利视频管理子系统

水利视频管理子系统能达到无人值班、少人值守的要求，视频监控系统是自动化监控系统的补充。水利视频管理界面如图8所示。

图8 水利视频管理界面Fig.8 Interface of water conservancy video management

(1) 远程监控。监控中心可对各个单位的监控图像实现远程监看，能方便、迅速地对远程监控点的图像、声音、各种报警信号等进行访问和控制。支持多通道视频点播，可选择查看多路实时网络视频进行多画面同步监控。

(2) 录像管理。用户能够按照指定设备、通道、时间、报警信息等要素，对存放在DVR、NVR和集中存储设备中的海量录像数据进行快速检索。系统提供4路录像文件同步回放的服务功能，支持正常播放、快速播放、慢速播放、逐帧播放、画面暂停、进度拖放、图像抓拍等操作，支持回放图像的缩放及全屏显示，支持录像文件的批量下载，可将中心存储服务器和DVR、NVR上的视频录像文件下载到客户终端本地磁盘上进行备份。

系统利用宽带网络将独立、分散的视频监测点位进行联网，实现同网段、跨区域的统一监控、统一存储、统一管理以及资源共享，为管理决策者提供一种扩大视觉和听觉范围的直观管理工具，实现可视化监控和调度，使生产、调控运行更为高效、安全。

4 结 语

在“水利工程补短板，水利行业强监管”的总体工作基调下，水利信息化建设显得尤为重要。本文以福建省沙县智慧水利信息平台为例，论述了“智慧水利”的构建思路及实践经验，建立了一套集可视化、数字化、信息化、智能化于一体的综合管理体系，促进了沙县水利信息化的发展，提升了水利行业监管能力，具体体现在：① 将辖区内水利数据信息进行了数字化整合，实现对信息数据和业务的统一管理与三维应用展示，进一步奠定水资源精细化管理的基础，提高信息共享和综合应用水平；② 采用人工智能、物联网技术对重点监控点、重点区域进行智能监控，对超过警戒值的区域进行告警提示，使管理者可以及时、快速、高效地处理应对和指挥调度。