楊 宇,談娟娟
(寧波弘泰水利信息科技有限公司,浙江 寧波 315000)
信息技術(shù)在感應(yīng)、傳輸和計(jì)算、業(yè)務(wù)應(yīng)用和服務(wù)模式上,對(duì)水利工作產(chǎn)生變革性的深刻影響,在水文監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、水利工程運(yùn)行管理、水資源監(jiān)控調(diào)度、水生態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)、水土保持監(jiān)測(cè)和水行政管理等領(lǐng)域得到廣泛有效的應(yīng)用,隨著信息化技術(shù)的不斷演進(jìn)和發(fā)展,驅(qū)動(dòng)當(dāng)今社會(huì)變革的不僅僅是無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò),還有無(wú)所不在的計(jì)算、數(shù)據(jù)和知識(shí)[1]?!盎ヂ?lián)網(wǎng) +”、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)及思想的不斷發(fā)展和應(yīng)用,為水利信息化的快速發(fā)展改革提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
2015 年 8 月,國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要的通知》[2](國(guó)發(fā)〔2015〕50 號(hào)),提出“大數(shù)據(jù)成為提升政府治理能力的新途徑”。2017 年 5 月,水利部已正式印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)水利大數(shù)據(jù)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[3],明確了將實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略作為“十三五”時(shí)期堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、培育發(fā)展新動(dòng)力、拓展發(fā)展新空間的重要抓手。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展、國(guó)家政策的推動(dòng),大數(shù)據(jù)技術(shù)在水利領(lǐng)域發(fā)展和應(yīng)用具有很大潛力和價(jià)值[4]。利用大數(shù)據(jù)分析手段,進(jìn)一步探索大數(shù)據(jù)分析在水利管理中的應(yīng)用方向,逐步拓展水利大數(shù)據(jù)體系,優(yōu)化水利大數(shù)據(jù)分析平臺(tái),充分利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)推動(dòng)水利管理模式轉(zhuǎn)變。
隨著我國(guó)水利信息化建設(shè)的開(kāi)展,數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、存儲(chǔ)與管理等方面的基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善,水利領(lǐng)域積累的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大且每年仍大量增加[5]。此外,要適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水利綜合管理,水利大數(shù)據(jù)體系的構(gòu)建必須進(jìn)行關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)的擴(kuò)充,包括相關(guān)行業(yè)及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。水利大數(shù)據(jù)整合模式如圖1 所示。
圖1 水利大數(shù)據(jù)整合模式
水利行業(yè)數(shù)據(jù)涉及水利管理、水利工程設(shè)施、水文氣象、基礎(chǔ)空間地理等水利靜態(tài)數(shù)據(jù),還包括實(shí)時(shí)水情、水文水質(zhì)、水閘泵站、水資源等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息,以及水利工程、水資源、防汛減災(zāi)、水政執(zhí)法等大量水利業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)。以現(xiàn)有的水利數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ),進(jìn)行水利大數(shù)據(jù)體系的建設(shè)完善。
現(xiàn)有的水利管理,是以水利部門(mén)為主,環(huán)保、農(nóng)業(yè)、國(guó)土等其他政府部門(mén)兼有職責(zé)[6],提取與水利管理相關(guān)的外部門(mén)數(shù)據(jù),進(jìn)行水利大數(shù)據(jù)體系擴(kuò)充。主要包括以下 5 類:
1)人口、GDP、城市綠地面積、水價(jià)、節(jié)水指標(biāo)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);
2)降雨、氣溫、蒸發(fā)、濕度、歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)等氣象數(shù)據(jù);
3)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、排污、水土保持、污水治理等環(huán)保數(shù)據(jù);
4)排水、供水、排澇、管網(wǎng)分布、雨污分流等市政管理數(shù)據(jù);
5)灌溉面積、作物、養(yǎng)殖、農(nóng)藥化肥施用、農(nóng)村飲用水等農(nóng)林?jǐn)?shù)據(jù)。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)在人們的生活和工作中的影響越來(lái)越大,社會(huì)其他部門(mén)、相關(guān)團(tuán)體和公民也越來(lái)越多地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)參與或涉及水利監(jiān)督和管理[7],由此而產(chǎn)生的與水利有關(guān)的(包括系統(tǒng)和非系統(tǒng)的、間接相關(guān)的)數(shù)據(jù),比如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)以網(wǎng)站、論壇、微信、微博和博客等方式發(fā)布的有關(guān)信息,可以被利用和挖掘,獲取網(wǎng)上信息對(duì)大數(shù)據(jù)分析有著很大的意義。
大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)以水利數(shù)據(jù)中心及高速互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施,以互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系為架構(gòu),以Hadoop,Spark,BI(Business Intelligence)等關(guān)鍵技術(shù)及組件為支撐,通過(guò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、挖掘和交互式可視化分析為用戶提供水利大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理及分析服務(wù),實(shí)現(xiàn)水利大數(shù)據(jù)潛在關(guān)系的深入挖掘,為水利管理提供大數(shù)據(jù)分析支持。總體框架如圖2 所示。
1)資源層。依托水利數(shù)據(jù)中心,整合相關(guān)水雨情、工程管理、水利業(yè)務(wù)管理等水利數(shù)據(jù);融合外部門(mén)相關(guān)數(shù)據(jù),包括氣象、環(huán)保、統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù);采集互聯(lián)網(wǎng)上與水利相關(guān)的公眾輿情、新聞動(dòng)態(tài)等數(shù)據(jù)。
圖2 水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體框架圖
2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)層。包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理,上層應(yīng)用數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)清單查詢等中心。
a. 統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集。通過(guò) Kafka 作為統(tǒng)一采集平臺(tái)的消息管理層,靈活的對(duì)接、適配各種數(shù)據(jù)源采集(如集成 flume),提供靈活、可配置的數(shù)據(jù)采集能力。
b. 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。利用 Spark 和 Hadoop技術(shù),構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)最為核心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理能力中心,提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,滿足數(shù)據(jù)的交互需求。
c. 上層應(yīng)用數(shù)據(jù)中心。為了更好地滿足數(shù)據(jù)獲取需求,通過(guò) RDBMS(關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)),提供高度匯總的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),滿足常規(guī)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表需求,降低使用門(mén)檻。
d. 大數(shù)據(jù)查詢中心。對(duì)大數(shù)據(jù)明細(xì)查詢需求,則通過(guò)構(gòu)建 HBase 集群,提供大數(shù)據(jù)快速查詢能力,滿足對(duì)大數(shù)據(jù)的查詢獲取需求。
3)BI 應(yīng)用層。構(gòu)建統(tǒng)一的 BI 應(yīng)用中心,通過(guò)基礎(chǔ)報(bào)表、分析報(bào)告等形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示滿足業(yè)務(wù)需求,體現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值。
4)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。包括大數(shù)據(jù)應(yīng)用相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、GB/T 8567—1988《計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)文件編制指南》、GB 3453《數(shù)據(jù)通信基本型控制規(guī)程》、IEEE 802.3《網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等內(nèi)容。
5)信息安全體系。包括網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份機(jī)制和設(shè)備、數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制機(jī)制和數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)等內(nèi)容。
6)水利大數(shù)據(jù)分析?;跇?gòu)建的大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái),結(jié)合水利管理實(shí)際業(yè)務(wù)需求,進(jìn)行基礎(chǔ)水情工情、防洪防旱、水資源供需、工程管理等分析。
基于本次構(gòu)建的大數(shù)據(jù)應(yīng)用框架,利用目前較為成熟的開(kāi)源軟件(Hadoop,Spark 等)自主研發(fā)水利大數(shù)據(jù)分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)水利大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析計(jì)算,以及應(yīng)用成果的可視化展示。
1)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算。Apache 軟件基金會(huì)的Hadoop 項(xiàng)目已成為一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng),可以直接用于大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析計(jì)算[8]。Hadoop 是一個(gè)非??煽?、高效并且具有可擴(kuò)展性的分布式軟件開(kāi)發(fā)框架,其可以在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)接受并完成大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。Hadoop 集群是典型 Master/slaves 結(jié)構(gòu),由 1 個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成。中心節(jié)點(diǎn) Master 是一個(gè)服務(wù)器,運(yùn)行著負(fù)責(zé)管理文件系統(tǒng)的 NameNode 和管理任務(wù)執(zhí)行的 Jobtracker。分布式子節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行著負(fù)責(zé)管理其附帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的DataNode 和負(fù)責(zé)任務(wù)執(zhí)行的 Tasktracker。大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)主要利用 Hadoop 的五大關(guān)鍵技術(shù)如下:
a. 分布式文件系統(tǒng)(HDFS)。它存儲(chǔ) Hadoop 集群中所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的文件;
b. 資源管理任務(wù)調(diào)度(Yarn)。Yarn 以層級(jí)化隊(duì)列的方式組織和劃分資源,對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度;
c. 離線計(jì)算(Map/Reduce)。Map/Reduce 不僅可以進(jìn)行離線數(shù)據(jù)的大批量處理,也滿足了實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理的需求。
d. 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)(HIVE)。HIVE 不是簡(jiǎn)單地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),而是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“再組織”,從源數(shù)據(jù)庫(kù)文件中獲得原始數(shù)據(jù),按照決策的主題要求形成數(shù)據(jù),有助于進(jìn)行決策分析。
e. 數(shù)據(jù)查詢(HBase)。HBase 技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的查詢及高效發(fā)布。
2)大數(shù)據(jù)分析挖掘。Spark 作為 Apache 軟件基金會(huì)的頂級(jí)項(xiàng)目之一,是 Apache 組織推出的一種分布式處理框架,Spark 跟 MapReduce 類似,用作大數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算,在大數(shù)據(jù)并行計(jì)算上是無(wú)可匹敵的。Spark 具有 MapReduce 的優(yōu)點(diǎn),但與MapReduce 不同的是,Spark 可以將 Job 的中間輸出結(jié)果保存在內(nèi)存中,在下一個(gè) Job 的計(jì)算中不需要再次讀取 HDFS,從而能夠加快計(jì)算的速度,因此Spark 更適合用來(lái)作需要多次迭代的計(jì)算,特別是數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法[9]。Spark 立足于內(nèi)存計(jì)算,其性能和速度都優(yōu)于 MapReduce,對(duì)于編程者來(lái)說(shuō)更易于使用,更符合低延時(shí)、迭代計(jì)算的大數(shù)據(jù)應(yīng)用?;?Hadoop 的 Spark 分析結(jié)構(gòu)如圖3 所示,選用 Yarn 作為 Spark 集群的 Cluster Manager,HDFS 作為 Spark 集群的 Data Manager。
圖3 基于 Hadoop 的 Spark 生態(tài)結(jié)構(gòu)
3)大數(shù)據(jù)可視化展示。BI 在傳統(tǒng)企業(yè)中,是一套完整的解決方案,將數(shù)據(jù)有效整合,快速制作出報(bào)表以作出決策[10]。BI 是達(dá)成業(yè)務(wù)管理的應(yīng)用工具,因此,水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析可采用 BI 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示。
BI 工具主要有 2 種用途:a. 利用 BI 制作自動(dòng)化報(bào)表;b. 使用其可視化功能進(jìn)行分析。BI 的優(yōu)點(diǎn)在于它提供比 Excel 更豐富的可視化功能。面向水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析需求,基于 BI 實(shí)現(xiàn)各類水利統(tǒng)計(jì)報(bào)表、分析報(bào)告的自動(dòng)生成,以及海量水利大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析成果等信息的可視化展示。結(jié)合水利業(yè)務(wù)管理應(yīng)用,以區(qū)域水資源供需分析為例,水利數(shù)據(jù)大屏設(shè)計(jì)及展示效果如圖4 和 5 所示。
基于云環(huán)境構(gòu)建分布式集群架構(gòu),集群架構(gòu)可采用一對(duì)多的模式:1 個(gè)主節(jié)點(diǎn),多個(gè)從節(jié)點(diǎn),隨著數(shù)據(jù)量的增加、計(jì)算能力的擴(kuò)大,可在一對(duì)多的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加主節(jié)點(diǎn)及從節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分布式計(jì)算需求。
圖4 水利數(shù)據(jù)大屏設(shè)計(jì)
圖5 水利數(shù)據(jù)大屏展示效果圖
利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析研究區(qū)水雨情特征,水利工程建設(shè)情況,為區(qū)域來(lái)水情況分析,區(qū)域汛情災(zāi)情預(yù)警預(yù)報(bào),工程防洪和供水能力分析提供基礎(chǔ)支撐。
1)水雨情分析。從研究區(qū)水情特征出發(fā),應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)的水情分析,綜合分析梅雨期降雨、臺(tái)風(fēng)影響及旱情影響等,辨識(shí)區(qū)域來(lái)水量的年內(nèi)變化特征及變化趨勢(shì)。
2)水利工程分析。從研究區(qū)工情特征出發(fā),應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)的水利工程建設(shè)、運(yùn)行、管理等情況分析,結(jié)合不同區(qū)域地形特點(diǎn)、水雨情特征及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況,辨識(shí)區(qū)域水利工程建設(shè)程度。
利用大數(shù)據(jù)技術(shù)預(yù)測(cè)研究區(qū)水文、水質(zhì)、水環(huán)境變化,從水資源供需分析、調(diào)配決策、應(yīng)急管理等方面進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)大數(shù)據(jù)決策分析。為制定更加可行、合理的水資源政策和方案提供大數(shù)據(jù)分析支持。
1)水資源供需分析。利用大數(shù)據(jù)評(píng)估研究區(qū)內(nèi)需水量,分析歷史供用水?dāng)?shù)據(jù),辨識(shí)研究區(qū)內(nèi)水資源供需矛盾,結(jié)合供需矛盾進(jìn)行各類用水預(yù)警分析。
2)水資源調(diào)配決策分析。通過(guò)對(duì)水量分配、水資源調(diào)度、用水戶及水權(quán)交易等數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的統(tǒng)計(jì)分析,可以實(shí)時(shí)調(diào)整水庫(kù)蓄泄水量和供水分配,從而高效地協(xié)調(diào)政府與市場(chǎng)關(guān)于水資源配置問(wèn)題的關(guān)系。
3)水資源應(yīng)急管理分析。隨著通信技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,通過(guò)對(duì)公民在網(wǎng)站、論壇、微信、微博等發(fā)布的突發(fā)水災(zāi)害事件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,關(guān)聯(lián)分析和挖掘利用,能夠?yàn)樗Y源監(jiān)測(cè)和預(yù)警、水資源應(yīng)急管理等提供依據(jù)。
大數(shù)據(jù)在洪旱災(zāi)害管理方面可以通過(guò)研究區(qū)內(nèi)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用,對(duì)洪旱災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè),通過(guò)洪水調(diào)度、水資源調(diào)配實(shí)現(xiàn)水資源的合理分配,從而有效地減少未來(lái)洪旱災(zāi)害帶來(lái)的損失。
1)防洪排澇調(diào)度決策分析。對(duì)研究區(qū)地形、水文特征、降雨、洪水、工程調(diào)度等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,根據(jù)降水預(yù)測(cè)來(lái)評(píng)估洪水流量、洪峰時(shí)間、洪災(zāi)影響,從大數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相應(yīng)的工程調(diào)度方案,以進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)的洪水調(diào)度決策與管理。
2)抗旱調(diào)度決策分析。對(duì)研究區(qū)地形、水文特征、降雨、旱情、工程調(diào)度等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,在對(duì)旱情形勢(shì)、旱情影響預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,從大數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相應(yīng)的旱情調(diào)度方案,以進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)的抗旱調(diào)度決策與管理。
通過(guò)對(duì)研究區(qū)地形、地質(zhì)、氣象、水雨情、蓄滯洪區(qū)空間分布,以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并構(gòu)建面向水利工程分析主題的多維大數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)水利工程大數(shù)據(jù)進(jìn)行重組和綜合,從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)區(qū)域工程運(yùn)行能力、管理效率等分析,為工程調(diào)度及運(yùn)行管理提供決策支持。
1)工程運(yùn)行能力分析。對(duì)研究區(qū)內(nèi)歷史洪澇災(zāi)害信息與工程調(diào)洪能力進(jìn)行大數(shù)據(jù)匹配分析,辨識(shí)水利工程對(duì)研究區(qū)防洪能力的影響大小,對(duì)研究區(qū)內(nèi)歷史旱情信息與工程供水能力進(jìn)行大數(shù)據(jù)匹配分析,辨識(shí)水利工程對(duì)研究區(qū)供水能力的影響大小,為水資源的優(yōu)化配置提供決策支持。
2)工程管理效率分析?;谒こ踢\(yùn)行管理的臺(tái)賬信息、日志等,對(duì)工程運(yùn)行管理水平進(jìn)行分析,辨識(shí)各類水利工程的運(yùn)行效率、工程信息化和標(biāo)準(zhǔn)化管理水平,促進(jìn)水利工程發(fā)揮運(yùn)行效益。
從水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析的角度出發(fā),探討了水利大數(shù)據(jù)體系建設(shè)、水利大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)及水利業(yè)務(wù)應(yīng)用分析的思路:1)以現(xiàn)有的水利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),融合外部門(mén)相關(guān)數(shù)據(jù),采集互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建水利大數(shù)據(jù)體系;2)以 Hadoop,Spark,BI 等關(guān)鍵技術(shù)及組件為支撐,通過(guò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分布式處理、大數(shù)據(jù)挖掘和交互式可視化分析搭建水利大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái);3)從水利業(yè)務(wù)管理的角度出發(fā),設(shè)計(jì)水資源、防汛防旱、水利工程等大數(shù)據(jù)應(yīng)用管理場(chǎng)景,以實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的水利業(yè)務(wù)管理及決策分析。通過(guò)數(shù)據(jù)體系、分析平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用 3 個(gè)層面的建設(shè),促進(jìn)信息數(shù)據(jù)的交互共享、數(shù)據(jù)潛在價(jià)值的挖掘,為水利管理能力的提升提供技術(shù)支持。
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