面向智慧水利的辽宁省水利一张图建设方案探讨

祖 佳

(辽宁朝阳市水文局，辽宁 朝阳 122000)

2021年全国水利工作会议明确提出要“充分运用物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术，加快智慧水利建设”[1]。水利一张图是落实智慧水利建设的重要抓手。近年来随着“云、物、大、移、智”相关技术的飞速发展，云平台技术、数据挖掘技术、高分辨率空间网格及面向服务的体系架构日益成熟，特别是国产自主卫星遥感信息资源保障能力持续增强及其应用服务不断推广和普及，为水利一张图建设提供了大量新的技术、方法和资源[2]。地理信息技术的广泛应用能有力推动信息技术与水利业务的深度融合，水利一张图为打造数字孪生流域和实现“四预(预报、预警、预演、预案)”功能提供信息资源支撑，为有力推进场景数字化、模拟智慧化、决策精准化提供了服务平台保障[3]。建设辽宁省水利一张图平台是通过数字赋能手段驱动水利治理体系和治理能力现代化的现实需要。近些年来，国内对于水利一张图的建设取得一定的成果[4- 14]，但对于其建设框架研究还较少，尤其是在当前面向智慧水利及数字孪生流域建设的研究还相对较少。本文面向当前智慧水利发展要求分别，从建设总体框架、主要技术路线等方面进行深入探讨，提出面向智慧水利的辽宁省水利一张图建设方案。研究成果对于其他省份水利一张图建设具有参考和借鉴价值。

1 总体架构

1.1 逻辑架构

水利一张图的总体逻辑架构主要采用分布式集群进行数据存储，从而提升数据存储能力和运行能力，使系统运行更稳定可靠。总体架构主要包括“四横两纵”，四横为基础设施层、数据资源层、平台服务层、应用层；两纵为标准规范体系、运维保障体系。总体逻辑架构如图1所示。

图1 水利一张图总体逻辑框架

在总体逻辑框架中，基础设施层是支撑水利一张图系统运行的主要软硬件环境。利用物理服务器和基础云平台的计算资源池和存储资源池为该系统分配必要的计算资源和存储资源。数据资源层是水利一张图空间专题数据库，是系统的基础和核心，数据主体由基础地理空间数据提取和规范化处理生成，并加工成可以进行分层展现的数据图层，数据资源池用来存储水利一张图相关的对象数据、关系数据、元数据离散地理空间对象数据和连续空间数据。平台服务层在面向服务体系架构下，服务支撑平台主要提供各类数据服务和地图服务。可为上层业务应用如河湖长制、水资源、中小河流等提供服务。应用层是水利一张图综合信息系统，主要包括数字看板、地图浏览、查询统计、专题分析、三维展示、问题反馈、数据纠错和地图标会功能。为各业务用户提供查看和管理数据的服务窗口。标准规范体系在现有水利技术标准体系框架下，以现有相关信息系统标准为基础，新增水利一张图相关标准

规范。主要包括数据规范、服务规范、运维规范等内容。运维保障体系是系统正常运行的软环境，建立健全和一张图平台运行管理与维护的相关制度与规范，保证水利一张图正常而可靠地运行。

1.2 数据架构

地理空间数据库用于存储离散空间对象数据和连续空间数据。水利空间对象数据库用于存储规范化处理的水利对象数据、关系数据、元数据等关系型数据，以及经过处理加工后的非关系型的水利空间数据。针对已建信息化项目采用WebService接口形式进行交互，空间数据通过OGC标准服务形式实现共享交换。数据架构如图2所示。

1.3 信息资源架构

根据统筹规划、资源整合的原则，满足水利一张图模式发展和未来信息化建设需求，从水利基础数据、水利业务数据2个维度提出信息资源架构，通过服务支撑平台实现对现数据在一张图和业务应用之间的快速转换，保持数据的动态更新和优化调整，在统一标准规范和运维体系下建设辽宁省水利一张图，实现水利信息的无缝浏览和信息查询统计分析，最终实现数据的综合展示。信息资源架构如图3所示。

图2 数据架构图

图3 信息资源交互架构图

1.4 技术架构

技术架构的软硬件和中间件产品均需要满足当前国产化的要求，采用主流语言进行运行平台上层环境的开发。水利一张图存在数据和业务集中展示的特点，开发过程中采用前后端分离技术进行服务段和前端显示设计开发，提升前端的快速响应。后端主流核心包含数据库连接、数据引擎搜索、安全体系架构、模块组件以及日志管理等内容。前端主流核心主要包含JS框架、统一用户验证、数据关联结构组件、在线编辑数据功能组件等。通过NodeJS服务器将前端作物服务桥接层引入到NodeJS层进行运行脚本编辑，大量的逻辑运算通过后端服务环境进行预先计算以及图层显示等工作，从而强化前端的运行流畅性。特定需求的业务数据静态化为.JSON数据文件，并将静态资源如JS、CSS和.JSON放置于服务器端，搭建Node.JS作为桥接层，从而提升访问性能。技术架构如图4所示。

图4 技术架构

1.5 安全架构设计

水利一张图建设按照网络安全等级保护三级建设要求进行安全防护，分别从技术部分和管理部分防护，其中技术部分包括：网络环境安全程度、网络通讯安全等级、边界防护水平、计算环境安全程度等，在管理部分主要为：安全管理制度及机构设置，人员管理能力、建设期网络安全保障和运维水平。本项目的建设主要已应用为主，针对应用安全重点在身份认证、权限管理、三员分立、安全审计、信息安全标识等方面进行建设，确保业务系统安全。安全架构如图5所示。

2 主要建设内容

2.1 标准规范建设

根据水利一张图在建设、应用和管理中存在的信息属性层级、数据服务产品分类、地图分层显示标准、数据划分和安全管理标准不一致的问题，在水利信息化标准体系的基础上，研编系列技术规范和管理办法，以规范水利一张图使用管理和应用服务、遥感影像数据及成果共享、身份认证和数字证书管理等工作，有效保障水利一张图建设与应用的标准化，促进水利一张图持续、稳定发展。

2.2 数据资源建设

支撑水利工作应用的数据资源，主要是现有防汛抗旱、水利工程建设与管理、水利政务、水资源管理、水土保持、移民管理成果等类数据资源。将对象数据和地理空间数据的抽取、规范化处理、存储和管理。包括数据规范化处理、空间专题数据库建设和数据管理系统开发等功能。

(1)数据抽取

根据现有业务系统数据资源进行整合形成的数据资源池中的数据进行逐类抽取，根据对象数据和地理空间数据进行抽取。抽取后为水利一张图系统做数据支撑。

(2)数据规范化处理

将各水利对象的基础数据、水利业务数据、关系(包含业务关系和空间关系)数据和元数据，按照水利一张图标准规范，对数据进行规范化处理，为水利一张图提供数据支撑。

(3)空间专题数据库建设

根据水利一张图系统建设需要，建设水利一张图空间专题数据库，用于存储加工优化处理后的水利对象数据、地理空间数据、基础地理数据、遥感影像数据和社会发展数据等，供水利一张图综合信息系统使用。

(4)数据管理系统开发

数据管理系统主要实现对水利对象数据、地理空间数据的管理和维护更新。包括数据联动更新子系统、数据维护子系统、更新数据反向推送子系统等。

2.3 服务支撑平台建设

可以通过水利一张图的服务支撑平台来构建“水利一张图+”的业务应用，将业务应用数据和一张图标准进行无缝衔接后，提高数据动态更新和优化调整。各类水利对象数据以水利一张图为基础进行专题服务的拓展应用，推动业务按照信息流重组的方式进行优化，提高不同业务之间协调发展。包括地图服务生产、数据服务开发、服务共享、服务管理、开发中心和资源推送等6个子系统开发。

(1)地图服务生产

使用GIS平台软件制作和生产地图服务，并发布成标准的地图服务。

(2)数据服务开发

数据服务开发主要是按照相关标准规范对数据进行处理和分级分类，开发标准的Webservice接口服务(REST风格)，对有需求的市县或业务部门提供数据服务接口。在此基础上完成服务制作和数据缓存，然后发布成数据服务和标准地图服务供用户调用。

(3)服务共享

建立一张图与相关业务系统之间的数据共享闭环，通过服务共享建立与相关业务系统的联系，推动一张图服务与业务系统应用的良性互动，促进数据质量不断提升和服务效果不断改进。

(4)服务管理

服务管理主要是利用服务总线等技术对数据服务和标准地图服务进行协调和统一管理，为用户提供服务注册、访问权限设置、查询、调用等功能。

(5)开发中心

开发中心主要针对对外提供的数据服务和地图服务，支撑业务定制开发，提供相应的服务说明、开发指南、示例代码等。

(6)资源推送

资源推送是实现服务基本信息与资源目录之间的数据推送，将服务描述信息推送到资源目录，可在资源目录模块实现对服务资源检索与浏览。

2.4 水利一张图综合信息系统建设

水利一张图综合信息系统建设包括数据看板子系统、地图浏览子系统、查询统计子系统、专题分析子系统、三维展示子系统、问题反馈子系统、数据纠错子系统、地图标绘子系统、数据上图子系统、服务上图子系统等10个子系统建设。

(1)数字看板子系统

数字看板展示现有资源汇总数及重点业务信息，包括如当前系统在线人数、基础数据、遥感影像、密度图、区域统计、年访问量、用户总数、督查、问题反馈排行、纠错意见采纳排行及热点服务调用次数等。可快速、直观了解数据及系统运行情况等信息。

(2)地图浏览子系统

通过开发相关功能实现数据的检索浏览。包括浏览工具、地图工具、图层管理、服务目录、全文检索、条件查询、空间查询、关联查询等功能。

(3)查询统计子系统

根据需求按照不同的统计维度及统计指标对要素进行统计，以表格、统计图、地图专题图方式展示查询统计结果。

(4)专题分析子系统

利用业务共享的专题数据，开发业务专题。包括水旱灾害防御专题、水资源管理专题、水利工程专题、水土保持专题、河长制湖长制专题、农村供水专题、视频专题。

(5)三维展示子系统

依托三维地理信息系统(3D-GIS)、建筑信息模型(BIM)、倾斜摄影技术、云计算和大数据分析技术，对水利工程的三维场景以及水旱灾害防御涉及的主要空间对象进行建模；在水利一张图系统中，提供三维场景空间对象集成信息的查询浏览、统计分析与三维展示，实现在水利一张图系统中对水利工程项目建设全生命周期数字管理与应用。

(6)问题反馈子系统

在业务开展过程中发现数据问题可对数据完整情况和数据质量进行纠错反馈。问题反馈后系统自动通过短信或邮件通知相关人员。在问题反馈管理后台进行审核，确定对反馈问题的采纳与驳回。

(7)数据纠错子系统

用户在浏览数据时可随时将发现的错误数据通过纠错窗口进行提交，在数据纠错管理后台进行审核，审核通过后数据对象将根据纠错信息进行更新。

(8)地图标绘子系统

提供在地图上点、线、面、文字的绘制，并对绘制的内容进行管理。

(9)数据上图子系统

提供用户在水利一张图系统上传本地数据，并在水利一张图系统中与系统现有服务、图层进行叠加查看浏览的功能。并对上传数据进行管理。

(10)服务上图子系统

用户通过水利一张图系统添加用户自己或共享过来的的地图图层服务，并在水利一张图系统中与现有服务、图层进行叠加进行查看浏览。并对添加的服务进行管理。

2.5 运维支撑平台建设

主要包括运维管理子系统、用户行为管理、系统配置和安全保障等运维支撑模块。

(1)运维管理子系统

提供对单点登录、用户管理、部门管理、权限管理、日志管理等功能。

(2)用户行为记录

对用户登录进入一张图后的操作进行追踪记录，并且定期将记录结果汇总统计，形成用户足迹统计信息。便于分析用户常用功能，可对常用功能进行优化或保障。

(3)系统配置

对系统的一些参数进行配置，包括数据配置和地图服务配置。

(4)安全保障

安全保障系统主要对水利一张图系统中的信息访问进行安全控制，防止敏感信息泄露。

3 结论

(1)在水利一张图的基础上，可构建“水利一张图+”的业务应用体系，从而实现水利一张图标准服务与业务应用数据处理过程的无缝衔接，保障数据的常用常新和服务的优化完善。

(2)水利一张图可有效提高数据资源整合共享程度，避免各级水利部门空间数据的重复性建设，整体性降低空间数据获取费用，实现业务应用协同创新，提升智慧水利管理和服务水平。

(3)数据资源整合是水利一张图建设关键所在，由于水利数据存储分散，一数多源使得数据资源整合难度相对较大，后续还需要对水利数据资源整合技术进行深入探讨。