余元君左仲元陶雪輝唐　瑜

（1.湖南省洞庭湖水利工程管理局　長沙市　410007；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院　長沙市　410007）

“洞庭湖數(shù)字水利”的建設(shè)思路

余元君1左仲元2陶雪輝2唐瑜1

（1.湖南省洞庭湖水利工程管理局長沙市410007；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院長沙市410007）

洞庭湖數(shù)字水利建設(shè)是構(gòu)建洞庭湖現(xiàn)代水利管理體系的重要內(nèi)容，是促進洞庭湖水利管理、提高洞庭湖治理效益的重要途徑。文章文基于“數(shù)字流域”和“數(shù)字水利”框架和大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，根據(jù)洞庭湖水利管理實際需求，分析了洞庭湖數(shù)字水利的定位，提出了洞庭湖數(shù)字水利建設(shè)的總體目標和任務(wù)、系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)和主要建設(shè)內(nèi)容。

數(shù)字水利信息化洞庭湖

前言

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是長江重要的調(diào)蓄湖泊和國際重要濕地，素有“魚米之鄉(xiāng)”和“天下糧倉”的美譽，擔負著長江流域生態(tài)安全、水安全和國家糧食安全的重大責任，對構(gòu)建和諧湖南、生態(tài)湖南和維系健康長江舉足輕重。

2014年4月國務(wù)院批復了《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》，規(guī)劃明確加快信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動信息技術(shù)與經(jīng)濟社會建設(shè)各領(lǐng)域融合發(fā)展，提高信息資源共享和公共信息服務(wù)水平，建設(shè)“數(shù)字洞庭”?！抖赐ズ鷳B(tài)經(jīng)濟區(qū)水利專項規(guī)劃》進一步提出了到2020年基本構(gòu)建洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設(shè)水利綜合支撐體系的發(fā)展目標。要求依托新理念、新思路、新技術(shù)，健全管理制度，推進信息化建設(shè)，強化管理能力建設(shè)，構(gòu)建現(xiàn)代水利管理體系。

湖南省洞庭湖水利工程管理局于2015年7月著手啟動《湖南省洞庭湖數(shù)字水利工程》的規(guī)劃與建設(shè)工作，旨在通過以水利基礎(chǔ)信息和水利管理日常工作為基礎(chǔ)，運用新一代信息技術(shù)和3S技術(shù)，加強與國土、氣象、林業(yè)、環(huán)保等其他行業(yè)的信息銜接，匯聚和處理洞庭湖相關(guān)水利信息，建立覆蓋湖區(qū)范圍的防洪減災(zāi)、水資源綜合調(diào)度體系和水環(huán)境監(jiān)測體系，為湖區(qū)水工程管理、水資源配置、防洪調(diào)度、水生態(tài)環(huán)境治理提供動態(tài)、全面、及時的虛擬現(xiàn)實環(huán)境和管理決策支持，促進洞庭湖區(qū)內(nèi)涉水事務(wù)管理從粗放式向精細式轉(zhuǎn)變，提高水利管理效能。

1　洞庭湖數(shù)字水利建設(shè)的定位

洞庭湖數(shù)字水利工程是“湖南數(shù)字水利”不可分割、重要的有機組成部分，同時也是洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃的“數(shù)字洞庭”的一個行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。

洞庭湖數(shù)字水利工程要實現(xiàn)縱向和橫向的貫通。縱向是在“湖南數(shù)字水利”內(nèi)，在湖南水利信息化中承上啟下，確保國家、省和市（縣）三級框架的上下聯(lián)通，構(gòu)成“湖南數(shù)字水利”的信息流以及防汛減災(zāi)、水資源綜合利用和保護、水利工程管理等各項水利事務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的主干通道。橫向上與數(shù)字洞庭銜接，在國家、省統(tǒng)一的基礎(chǔ)地理框架下，實現(xiàn)與國土基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫、公眾服務(wù)平臺的聯(lián)通機制，確?；A(chǔ)地理信息的一致、最新，另外，在“數(shù)字洞庭”機制下，實現(xiàn)專題信息的共享、集成和疊加。

鑒于目前“湖南數(shù)字水利”和“數(shù)字洞庭”均未啟動規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)，洞庭湖數(shù)字水利工程作為其示范工程，應(yīng)高瞻遠矚，重視規(guī)劃和頂層設(shè)計，避免不兼容或重復建設(shè)。

2　洞庭湖數(shù)字水利建設(shè)的總體目標與任務(wù)

洞庭湖數(shù)字水利工程建設(shè)的總體目的是：基于“數(shù)字流域”和“數(shù)字水利”的框架，廣泛利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，以及3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)、計算機虛擬仿真技術(shù)，統(tǒng)一規(guī)范技術(shù)標準，整合各類信息資源，整合與完善各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，建立科學、系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)數(shù)學模型，構(gòu)建規(guī)范、統(tǒng)一的洞庭湖數(shù)字水利空間和水利管理綜合數(shù)據(jù)庫平臺，建立洞庭湖水利業(yè)務(wù)應(yīng)用綜合管理體系與和新型服務(wù)體系，建立洞庭湖流域及其重點地區(qū)、重要工程的數(shù)字化（虛擬）環(huán)境，全面提升洞庭湖區(qū)水利管理效率，大力提升洞庭湖綜合治理輔助決策與科學研究技術(shù)支撐水平，最大程度發(fā)揮洞庭湖水利工程綜合效益，提高湖區(qū)社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展保障能力。

主要建設(shè)任務(wù)為：以“一臺”（洞庭湖水利綜合管理平臺）、“一庫”（洞庭湖水利綜合數(shù)據(jù)庫）、“一圖”（洞庭湖水利專題圖）和“六大綜合應(yīng)用體系”（河道湖泊管理、水利工程管理、防汛抗旱減災(zāi)決策支持、水資源綜合利用和保護、知識管理、水利綜合服務(wù)）為核心內(nèi)容的“兩個中心”（數(shù)據(jù)中心和災(zāi)備中心）建設(shè)。

（1）建立基于云架構(gòu)的洞庭湖水利綜合管理平臺。

基于云架構(gòu)，采用大數(shù)據(jù)、云計算、云應(yīng)用等技術(shù)，完善服務(wù)器群、存儲和網(wǎng)絡(luò)安全體系，建立數(shù)據(jù)中心和災(zāi)備中心等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，搭建水利空間和水利管理綜合數(shù)據(jù)庫，整合完善各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，構(gòu)建可提供資源服務(wù)、平臺服務(wù)、軟件服務(wù)的云應(yīng)用服務(wù)體系，實現(xiàn)基礎(chǔ)IT設(shè)施資源、數(shù)據(jù)資源集約化、效益最大化，形成支撐洞庭湖數(shù)字水利工程“集成開發(fā)、多級應(yīng)用”的功能布局，以及各項業(yè)務(wù)應(yīng)用“云端部署、終端應(yīng)用”的云平臺。

（2）建立集中、統(tǒng)一、規(guī)范的洞庭湖水利綜合數(shù)據(jù)庫。

完善流域數(shù)字化監(jiān)測體系并整合湖區(qū)流域基本信息及水利工程、氣象、水文、水環(huán)境、地形、地質(zhì)、社會經(jīng)濟、土地利用等海量信息，建立以地理空間信息、水利基礎(chǔ)信息、專題應(yīng)用信息等數(shù)據(jù)為主體，多源、多尺度、多維、多種類的洞庭湖數(shù)字水利綜合數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)采集、數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)安全共享，支撐洞庭湖區(qū)水利工程建設(shè)和管理工作。

（3）建立基于空間分析模型的洞庭湖水利專題圖。

基于GIS平臺，利用洞庭湖數(shù)字水利空間數(shù)據(jù)庫及專題圖層的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和數(shù)字柵格地圖數(shù)據(jù)、多角度現(xiàn)場圖片等，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算仿真技術(shù)支持下，形成洞庭湖三維虛擬現(xiàn)實模型，通過與數(shù)據(jù)庫連接，利用數(shù)學模型和空間分析功能，建立基于空間分析模型的洞庭湖水利專題圖，為河湖管理、洞庭湖水利工程建設(shè)與管理、防洪減災(zāi)決策、水資源利用和水生態(tài)保護、科學研究等提供可視化支持。

（4）構(gòu)建統(tǒng)一架構(gòu)的洞庭湖水利綜合管理六大應(yīng)用體系。

在統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)下，集成和融合現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用，按照智慧協(xié)同的思路完善各類專業(yè)技術(shù)和決策支持模型、水利空間分析模型，建立和完善全省河道湖泊管理、洞庭湖水利工程管理、洞庭湖防汛抗旱減災(zāi)決策支持、洞庭湖區(qū)水資源綜合利用與保護、洞庭湖水利知識管理、洞庭湖水利服務(wù)等綜合應(yīng)用體系，提升洞庭湖水利監(jiān)控自動化和管理決策智能化水平，提高洞庭湖水利管理效率。

3　洞庭湖數(shù)字水利的系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

洞庭湖數(shù)字水利建設(shè)的基本思路為利用水利廳信息中心設(shè)立基于云平臺的數(shù)據(jù)中心，另設(shè)立異地災(zāi)備中心，通過虛擬技術(shù)進行資源分配與管理。利用現(xiàn)有水利網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，對洞庭湖水利管理業(yè)務(wù)各個環(huán)節(jié)進行實時監(jiān)測和信息傳輸，通過自動監(jiān)測、人工巡測、匯總統(tǒng)計、外部交換等方式，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，完成數(shù)據(jù)分類、整合、存儲，在中間件與其他服務(wù)協(xié)作機制下，支撐上層的管理應(yīng)用。所有管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)集中部署在云平臺數(shù)據(jù)中心，通過統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一地圖、統(tǒng)一授權(quán)管理，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)綜合管理應(yīng)用，通過采用瀏覽器方式和個性化服務(wù)定制，向洞庭湖水利應(yīng)用、政務(wù)應(yīng)用、公眾等各用戶群體等提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源管理、分析及服務(wù)，滿足各類用戶的使用需求。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

洞庭湖數(shù)字水利的核心為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、應(yīng)用服務(wù)層構(gòu)成的云平臺?；谠萍夹g(shù)、云平臺的統(tǒng)一技術(shù)標準體系、統(tǒng)一運維管理體系以及容災(zāi)備災(zāi)措施等安全體系，確保數(shù)據(jù)與應(yīng)用安全穩(wěn)健。

圖1　洞庭湖數(shù)字水利系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于地理信息框架設(shè)計洞庭湖水利空間數(shù)據(jù)庫平臺。

洞庭湖數(shù)字水利工程應(yīng)按照國家基礎(chǔ)地理空間框架進行空間信息平臺的設(shè)計、建庫、開發(fā)，應(yīng)按有關(guān)技術(shù)規(guī)范進行空間數(shù)據(jù)的組織、分級、存儲和管理，制定目錄和交換、在線服務(wù)等規(guī)則與體系，確保洞庭湖數(shù)字水利工程基礎(chǔ)地理信息與 “數(shù)字湖南”、“數(shù)字洞庭”和“湖南數(shù)字水利”的一致性和交換兼容性。

（2）基于Web GIS的業(yè)務(wù)應(yīng)用一張圖展現(xiàn)。

洞庭湖數(shù)字水利工程采用基于WebGIS的一張圖展現(xiàn)模式。所有業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)需在統(tǒng)一的空間信息平臺支撐下進行開發(fā)、應(yīng)用，所有的專題圖層應(yīng)用需共享統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫，利用相同的基礎(chǔ)地理空間要素與屬性，采用統(tǒng)一的分類、基礎(chǔ)編碼體系以及數(shù)據(jù)交換規(guī)則，展現(xiàn)方式上基于Web GIS技術(shù)，在統(tǒng)一基礎(chǔ)地圖上，按照業(yè)務(wù)功能展現(xiàn)專業(yè)圖層。專業(yè)圖層統(tǒng)一規(guī)劃，風格保持一致。

（3）基于SOA的應(yīng)用軟件架構(gòu)設(shè)計。

洞庭湖數(shù)字水利平臺以及各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)將基于SOA進行設(shè)計、開發(fā)，以使得業(yè)務(wù)功能容易組合、業(yè)務(wù)應(yīng)用更加方便。

（4）基于空間分析服務(wù)與行業(yè)應(yīng)用模型結(jié)合。

洞庭湖數(shù)字水利平臺不僅提供洞庭湖河湖、蓄滯洪區(qū)、水利工程等地理信息的瀏覽、查詢和發(fā)布等基本的服務(wù)，還需要提供面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的深層次行業(yè)分析模型。例如水文水沙模型、洪水演進與洪水風險分析模型、水資源的調(diào)度供需模型、水環(huán)境模型、地理與工程三維模型、各類業(yè)務(wù)應(yīng)用管理模型等。為了滿足這些深層次的行業(yè)應(yīng)用的需要，洞庭湖數(shù)字水利需采用開放的空間分析服務(wù)實現(xiàn)與行業(yè)應(yīng)用模型的結(jié)合。這些空間分析服務(wù)應(yīng)提供完整的空間信息服務(wù)建設(shè)框架，服務(wù)的創(chuàng)建者與引用者可以在本地以靈活的方式自定義分析功能，并集成專業(yè)的行業(yè)分析模型，最終發(fā)布為可在Web上調(diào)用的空間分析成果或虛擬現(xiàn)實場景。

4　洞庭湖數(shù)字水利的主要建設(shè)內(nèi)容

4.1洞庭湖水利信息化頂層設(shè)計

以信息技術(shù)和3S技術(shù)為基礎(chǔ)，基于 “數(shù)字流域”、“數(shù)字水利”和國家有關(guān)技術(shù)標準等統(tǒng)一規(guī)范框架，實現(xiàn)信息資源規(guī)劃和技術(shù)架構(gòu)體系頂層設(shè)計，完成信息資源整編分類、編碼體系制訂，水利業(yè)務(wù)分析及信息流程分析、水利綜合數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)交換與接口設(shè)計、進行技術(shù)架構(gòu)論證，平臺基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃等，建立洞庭湖數(shù)字水利平臺建設(shè)與運行管理技術(shù)標準。

4.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與整理

加強對勘測設(shè)計、建設(shè)、管理、科研工作中水文、地形、地質(zhì)等既有資料的收集整理，同時加強橫向聯(lián)系，收集和整合國土、水文、氣象、環(huán)保等部門相關(guān)資料?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的收集范圍主要包括基礎(chǔ)地理信息、工程測量資料、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料、水文資料、氣象資料、水質(zhì)資料、水利工程建設(shè)與運行管理資料、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、水利科技檔案資料等。

4.3洞庭湖水利管理應(yīng)用數(shù)學模型

根據(jù)收集的水利基礎(chǔ)資料，針對河湖管理、水利工程建設(shè)與運行、防汛抗旱、水資源調(diào)控和水環(huán)境監(jiān)控等水利管理事務(wù)，綜合運用水文、水力學、河流動力學、氣象學、環(huán)境學、管理學和數(shù)學等相關(guān)知識體系，建立水文氣象要素特征值統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)水文分析等基礎(chǔ)應(yīng)用和洞庭湖區(qū)水文水沙數(shù)學模型、洪水風險與防洪調(diào)度模型、水資源供需與配置模型、水環(huán)境評價與水生態(tài)調(diào)度模型等輔助決策模型，實現(xiàn)水利管理精細化、輔助決策智能化。

4.4洞庭湖水利專題圖

（1）洞庭湖水利工程分布圖。

依托洞庭湖數(shù)字水利的空間數(shù)據(jù)庫和GIS平臺，以湖南水利普查工作成果為基礎(chǔ)，基于1∶1萬DEM地形數(shù)據(jù)，2.5 m分辨率航測正射影像數(shù)據(jù)，以及區(qū)域1∶10 000的DLG矢量數(shù)據(jù)和工程局部區(qū)域1∶500～1∶5 000的DLG矢量數(shù)據(jù)（建筑物1∶500，堤防1∶2 000，河湖水下地形1∶2 000～1∶5 000），根據(jù)工程分類、規(guī)模、應(yīng)用目的等建立洞庭湖水利工程分層數(shù)據(jù)，制作洞庭湖水利工程分布圖。

（2）洞庭湖水利空間仿真分析模型。

建立洞庭湖區(qū)表面模型、數(shù)字高程模型，結(jié)合正射影像、航拍圖片，重點地區(qū)、重要工程等結(jié)合BIM技術(shù)建立洞庭湖三維虛擬現(xiàn)實模型，通過與數(shù)據(jù)庫連接，利用數(shù)學模型和空間分析功能，輔助設(shè)計、施工和建設(shè)管理，分析和路演洞庭湖以及堤垸等工程演變情況。

4.5洞庭湖數(shù)字水利平臺

基于云架構(gòu)的洞庭湖數(shù)字水利平臺建設(shè)主要包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層等建設(shè)。見圖2。

圖2　洞庭湖數(shù)字水利平臺應(yīng)用層架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)層。

基礎(chǔ)層主要是“數(shù)據(jù)中心”和“災(zāi)備中心”兩個中心的硬件設(shè)施資源和基礎(chǔ)支撐軟件，按網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為出口互聯(lián)區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)資源池、計算資源池、存儲資源池、災(zāi)備資源池等幾個層次。

（2）數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層是“洞庭湖數(shù)字水利工程”的核心組成部分，應(yīng)按照數(shù)據(jù)資源標準化與管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源橫向集成、縱向貫通、全局共享的運轉(zhuǎn)模式?！岸赐ズ?shù)字水利工程”數(shù)據(jù)邏輯組成包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)處理、資源管理、數(shù)據(jù)服務(wù)支撐等。洞庭湖水利綜合數(shù)據(jù)庫包括空間信息數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)應(yīng)用專題數(shù)據(jù)庫、知識管理數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫建設(shè)等。

（3）平臺層。

平臺層包括用戶中心、協(xié)作中心、資源中心、管理中心、應(yīng)用中心等五大中心，主要為三類用戶提供應(yīng)用服務(wù)。一是為平臺運營方提供應(yīng)用審核、服務(wù)權(quán)限審核等服務(wù)；二是為應(yīng)用開發(fā)者提供服務(wù)調(diào)用、應(yīng)用接入、應(yīng)用生命周期管理等服務(wù)；三是為最終用戶提供在線訪問、下載使用等服務(wù)。

（4）應(yīng)用層。

在統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)平臺與技術(shù)架構(gòu)、技術(shù)標準下，通過完善基礎(chǔ)監(jiān)測體系，合理利用已經(jīng)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，完善或重構(gòu)洞工局現(xiàn)有河道保潔監(jiān)控系統(tǒng)、項目管理系統(tǒng)、湖區(qū)排澇管理系統(tǒng)、檔案資料管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，接入和集成水利廳行政資源管理系統(tǒng)、湖南省防汛抗旱信息系統(tǒng)、湖南省水利普查查詢系統(tǒng)、湖南省水文綜合服務(wù)平臺、湖南省洪水風險圖管理與應(yīng)用系統(tǒng)等其他部門相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用，做到數(shù)據(jù)共享和互通互補，進一步完善和強化理和輔助決策，最終構(gòu)建以河湖管理、水利工程管理、防汛減災(zāi)、水資源管理、知識管理、水利服務(wù)等六大應(yīng)用體系為核心的綜合管理平臺。

余元君（1972-），男，工學學士，高級工程師，從事水利工程管理工作。

（2016-01-27）