楊 歡，喬 延 軍，劉 莉 芳

(長江水利委員會 網(wǎng)絡(luò)與信息中心，湖北 武漢 430010)

1 “一張圖”服務(wù)平臺建設(shè)歷程

近年來，空間信息技術(shù)因其表達(dá)的直觀性、多維性、交互性等特點，在水旱災(zāi)害防御[1-4]、水資源管理[5-7]、水土保持[8-10]、河湖岸線管理與保護[11-12]以及水政執(zhí)法[13-14]等水利業(yè)務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。長江委自2005年起，即啟動了以“一張圖”為載體的空間信息平臺建設(shè)工作。2005年，長江委完成了“一張圖”1.0版的建設(shè)，實現(xiàn)了長江委水行政管理相關(guān)數(shù)據(jù)資源的空間集成展現(xiàn)[15]；2012年，完成了“一張圖”2.0版的建設(shè)，實現(xiàn)了與外部數(shù)據(jù)服務(wù)資源的集成，提高了空間數(shù)據(jù)的時效性，豐富了數(shù)據(jù)資源，同時實現(xiàn)了自身數(shù)據(jù)服務(wù)的對外開放，支撐了各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)；2014年，長江委開展了長江委資源整合項目建設(shè)，整合了水利普查、國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，并完成了“一張圖”3.0版的建設(shè)，構(gòu)建了完整統(tǒng)一的“一張圖”服務(wù)體系，加強了空間信息技術(shù)與業(yè)務(wù)工作的融合，并初步實現(xiàn)了基于移動互聯(lián)網(wǎng)的空間服務(wù)，為內(nèi)外業(yè)協(xié)同工作提供了基礎(chǔ)。目前，長江委正在開展“一張圖”4.0版的建設(shè)，結(jié)合新時代水利改革發(fā)展總基調(diào)的要求，力爭在水利行業(yè)監(jiān)管和智能化決策分析方面取得突破。

作為長江委資源整合項目的主要成果之一，長江委“一張圖”服務(wù)平臺形成了“4個1加N”的整體架構(gòu)，即：1個“一張圖”應(yīng)用系統(tǒng)、1個“一張圖”管理系統(tǒng)、1個“一張圖”門戶、1套配套管理制度以及N個以“一張圖”服務(wù)平臺為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

在水旱災(zāi)害防御管理方面，長江委通過防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程的建設(shè)，基于“一張圖”服務(wù)平臺，可提供水利部和流域各省報送的基礎(chǔ)地理空間信息、水雨情信息，以及18類水利工程空間信息、基本屬性信息、設(shè)計指標(biāo)信息、防洪特征信息等數(shù)據(jù)服務(wù)[16]；支撐了水雨情監(jiān)視、洪水預(yù)報、防洪調(diào)度、洪災(zāi)評估、綜合決策等主要業(yè)務(wù)[17]。

然而，隨著全球氣候變化和極端天氣事件頻發(fā)、長 江流域中下游水沙條件發(fā)生變化、水利工程的不斷建設(shè)投運和流域治理不斷深入，水旱災(zāi)害防御工作面臨新的挑戰(zhàn)，已建應(yīng)用系統(tǒng)離滿足新時期水旱災(zāi)害防御工作“強監(jiān)管”要求仍存在一定的差距，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意Fig.1 Overall architecture of the system

(1) 水雨情監(jiān)測重告警、輕處置，影響監(jiān)管的實效性；

(2) 對調(diào)度體系的重要組成部分——長江兩岸洲灘民垸的運用情況掌握不夠全面，影響調(diào)度科學(xué)決策；

(3) 險情監(jiān)管現(xiàn)場上報和處置監(jiān)督手段不足，影響監(jiān)管效率等。

為了有效應(yīng)對2020年流域性大洪水所帶來的挑戰(zhàn)，進一步落實“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)，長江委提前謀劃、精心部署，對長江委“一張圖”服務(wù)平臺3.0版進行了架構(gòu)升級、功能擴展和展現(xiàn)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)完成了長江委防汛“一張圖”系統(tǒng)，為全面把握防汛抗災(zāi)形勢、保障流域防洪安全提供了支撐。

2 防汛“一張圖”系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

防汛“一張圖”應(yīng)用系統(tǒng)在長江委“一張圖”服務(wù)平臺的基礎(chǔ)上，面向水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)需求，以SOA設(shè)計理念開展總體架構(gòu)設(shè)計。防汛“一張圖”系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)層、支撐服務(wù)層和應(yīng)用層等3層，其總體架構(gòu)如圖1所示。

(1) 數(shù)據(jù)層。包括河流、湖泊、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，雨量、水位、流量等水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)，水庫、水閘、堤防等工險情數(shù)據(jù)，移動設(shè)備填報的現(xiàn)場巡查數(shù)據(jù)，這些由長江委中心數(shù)據(jù)庫、長江委水雨情數(shù)據(jù)庫、長江委“一張圖”APP數(shù)據(jù)庫提供支撐。

(2) 服務(wù)支撐層。包括長江委“一張圖”服務(wù)平臺支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計服務(wù)、告警計算服務(wù)和綜合辦公服務(wù)等。其中，長江委“一張圖”服務(wù)平臺支撐服務(wù)主要面向空間對象，以O(shè)GC WMS、WMTS、WFS的形式提供地圖服務(wù)；系統(tǒng)以RSET接口的形式提供數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、計算等服務(wù)，集成長江委綜合辦公系統(tǒng)公文流轉(zhuǎn)服務(wù)。

(3) 應(yīng)用層。包括地圖基本功能、汛情監(jiān)測告警處置、圩垸運用監(jiān)測、工險情巡查監(jiān)督等主要功能。

2.2 功能設(shè)計

2.2.1地圖基本功能

長江委防汛“一張圖”系統(tǒng)以“一張圖”服務(wù)平臺為基礎(chǔ)，提供基礎(chǔ)的地圖瀏覽功能、豐富的地圖切換功能和自由的專題選擇功能。

(1) 地圖瀏覽。提供地圖縮放、漫游、平移、全圖顯示、圖層控制等瀏覽功能。

(2) 底圖切換。針對用戶對地圖視覺感官的不同需求，提供長江委線劃圖、水利部線劃圖、水利部地形圖、天地圖線劃圖、天地圖地形圖、天地圖影像圖、ArcGIS線劃圖以及Google影像圖等9類底圖，用戶可以根據(jù)自身需求，切換不同的底圖。

(3) 專題選擇。用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)場景選擇和切換斷面告警、汛期險情、堤防安全檢查等不同專題，同時支持動態(tài)擴展水土保持、水資源管理、河湖管理等其他業(yè)務(wù)專題。

2.2.2汛情監(jiān)測告警處置

選取能夠?qū)崟r監(jiān)控流域重要水系節(jié)點和控制性水利工程的斷面進行數(shù)據(jù)整合和告警閾值劃定，斷面范圍主要覆蓋長江干支流重要水系節(jié)點、具有調(diào)節(jié)能力的大型水庫、大型涵閘、泵站、引調(diào)水工程等。目前系統(tǒng)已實現(xiàn)了流域內(nèi)483個重要控制斷面的實時監(jiān)測和告預(yù)警。

(1) 水雨情實時監(jiān)測。防汛“一張圖”系統(tǒng)提供對重要控制斷面的水雨情實時監(jiān)測功能，以動態(tài)數(shù)值、值列表、過程線等方式展示其當(dāng)前和歷史水位、流量、雨量、水庫蓄量等信息。

(2) 洪水分級告預(yù)警。依據(jù)《長江水情預(yù)警發(fā)布管理辦法(試行)》(長防總辦〔2014〕15號)，將洪水告警依據(jù)洪水量級及其發(fā)展態(tài)勢由低至高分為4個等級，依次用藍(lán)色、黃色、橙色、紅色表示，即洪水藍(lán)色告警(接近警戒水位/流量)、洪水黃色告警(達(dá)到警戒水位/流量)、洪水橙色告警(水位/流量重現(xiàn)期達(dá)到10～20 a)、洪水紅色告警(達(dá)到防洪設(shè)計水位/流量)。

防汛“一張圖”系統(tǒng)利用地圖、散點圖、餅圖、折線圖、表格等可視化形式，對達(dá)到告預(yù)警閾值的監(jiān)測斷面進行在線展示，并通過屏幕閃爍、聲音警報、手機短信等方式向相關(guān)用戶發(fā)出提醒。洪水分級告預(yù)警功能界面如圖2所示。

圖2 汛情監(jiān)測告預(yù)警功能界面Fig.2 Function interface of flood monitoring and warning

(3) 告預(yù)警信息處置。當(dāng)防汛“一張圖”系統(tǒng)發(fā)生洪水告預(yù)警后，管理人員可在線填寫跟蹤處置單記錄處置方式和處置意見。針對告預(yù)警事件的嚴(yán)重程度和緊急程度，用戶可選擇采取電話、發(fā)函通報、座談協(xié)調(diào)、實地督導(dǎo)等方式進行處置，防汛“一張圖”系統(tǒng)將無縫對接長江委綜合辦公系統(tǒng)進行公文的審批流轉(zhuǎn)。

2.2.3工、險情巡查監(jiān)督

整合長江中下游各省已有水利工程數(shù)據(jù)，填報匯集有圩垸運用和堤防巡查的數(shù)據(jù)，通過分層設(shè)色、熱力圖等方式統(tǒng)計分析圩垸運用和堤防險情在各省的分布及影響，助力長江流域防汛防災(zāi)監(jiān)管，保障重點地區(qū)防洪安全。目前防汛“一張圖”系統(tǒng)已全面匯集長江中下游湖北、湖南、江西、安徽、江蘇等5個省的相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1) 工情信息查詢。防汛“一張圖”系統(tǒng)整合了長江委資源整合項目、防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程、2018年長江流域片小型水庫安全運行專項督查等項目成果，提供流域內(nèi)4萬余座水庫、3萬余個水閘、3萬余個泵站、1萬余個堤防、50余個蓄滯洪區(qū)的空間定位功能，以及其所屬區(qū)域、工程類型、工程規(guī)模、設(shè)計指標(biāo)和管理單位等信息的查詢和統(tǒng)計功能。

(2) 圩垸運用監(jiān)測。防汛“一張圖”系統(tǒng)全面整合了長江中下游沿江5個省洲灘民垸的名稱、位置、性質(zhì)、規(guī)模、土地面積、耕地面積、人口等基本屬性，并通過信息填報，動態(tài)收集更新汛期所運用的洲灘民垸的數(shù)量、運用方式(漫溢、主動扒口、被動潰口、開閘進洪、自動進水等)、運用時間和所造成的損失，并以空間熱力圖的形式，在地圖上宏觀展現(xiàn)圩垸的運用現(xiàn)狀與潰決態(tài)勢。

(3) 堤防安全巡查?！耙粡垐D”系統(tǒng)通過桌面版與移動版的協(xié)同，為防汛人員提供堤防巡查及險情記錄功能。借助于移動版“一張圖”APP，巡查人員可通過手機、平板電腦等移動終端遠(yuǎn)程、實時記錄巡查過程，準(zhǔn)確標(biāo)記險情位置，在線采集險情現(xiàn)場照片、視頻和文字描述信息等；同時，移動版“一張圖”APP可自動記錄工作人員姓名、巡查時間、巡查軌跡，一并回傳至長江委“一張圖”數(shù)據(jù)庫。桌面版“一張圖”系統(tǒng)則為用戶提供巡查信息的集中展現(xiàn)和查詢統(tǒng)計功能，系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 工、險情巡查監(jiān)督功能界面Fig.3 Function interface of engineering and danger inspection and supervision

(4) 險情監(jiān)督處置。通過移動版“一張圖”APP線上填報和各省水行政管理單位線下填報，系統(tǒng)動態(tài)地匯集了長江中下游沿江各省的堤防出險情況，包括險情名稱、險情數(shù)量、出險位置、所在堤防類型、險情類型、出險時間、出險處水情等，并對險情的處置情況、處置狀態(tài)、處置方式進行跟蹤和監(jiān)督，輔助實現(xiàn)了險情早發(fā)現(xiàn)、早處置。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

防汛“一張圖”系統(tǒng)在長江委“一張圖”服務(wù)平臺3.0版的基礎(chǔ)上更新升級了開發(fā)框架，采用主流的HTML5輕量化頁面渲染技術(shù)和MVC服務(wù)架構(gòu)進行系統(tǒng)搭建。利用ETL工具，支撐了多源數(shù)據(jù)的匯集整合；引入了大數(shù)據(jù)集群技術(shù)，提升了數(shù)據(jù)查詢的效率；引入了大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，豐富了地圖的可視化效果，在2020年汛期長江流域聯(lián)合滾動會商中，提供了強有力的信息支撐。

(1) 基于Mapbox GL技術(shù)的WebGIS系統(tǒng)框架搭建。防汛“一張圖”系統(tǒng)基于開源庫Mapbox GL搭建了本系統(tǒng)的地圖框架，使用WebGL渲染柵格瓦片地圖和矢量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了大量地圖要素的實時渲染，從而獲得了更流暢的動畫效果和交互體驗。

(2) 基于Elasticsearch集群的水利對象搜索引擎開發(fā)。Elasticsearch是一個分布式、高擴展、高實時的搜索與數(shù)據(jù)分析引擎，本系統(tǒng)利用Elasticsearch提供的RESTful接口搭建了水利對象搜索引擎，大幅提升了屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的查詢分析速度與穩(wěn)定性。

(3) 基于ECharts的水雨情監(jiān)測大數(shù)據(jù)可視化。ECharts具有可視化圖表及交互組件豐富、瀏覽器兼容性強、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，且支持空間數(shù)據(jù)可視化。防汛“一張圖”系統(tǒng)利用ECharts的增量渲染技術(shù)，對大數(shù)據(jù)進行分塊加載，實現(xiàn)了水文監(jiān)測斷面的空間分布、告警閃爍提醒和分區(qū)分類統(tǒng)計等動態(tài)展現(xiàn)功能，提升了圖表渲染速度，優(yōu)化了界面展示效果。

3 應(yīng)用實踐及成效

(1) 整合了多源信息資源，支撐了防汛會商綜合決策。長江委防汛“一張圖”系統(tǒng)是長江委持續(xù)推進信息化資源整合與共享的有力實踐，該系統(tǒng)在有效整合長江委資源整合項目、防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程、2018～2020年長江流域片小型水庫安全運行專項督查等項目所形成的基礎(chǔ)空間和水利空間數(shù)據(jù)、水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)、水利工程數(shù)據(jù)和經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進一步匯聚了長江流域中下游5個省份的圩垸運用數(shù)據(jù)和堤防險情數(shù)據(jù)，擴展了防汛抗洪信息整合共享范圍，為2020年汛期長江流域多次聯(lián)合滾動會商提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。

(2) 加強了水情告警處置和工、險情巡查監(jiān)督，支撐了防汛搶險工作。2020年入汛以來，長江流域先后發(fā)生了5次編號洪水，流域降雨量較常年同期偏多33%，其中，中下游降雨量偏多59%，長江干流堤防和洞庭湖、鄱陽湖重要堤防的防守壓力較大。長江委防汛“一張圖”系統(tǒng)聚焦水雨情監(jiān)測、洲灘民垸運用、堤段巡查防守和險情處置等防汛重點工作，基于長江委“一張圖”服務(wù)平臺，研發(fā)了長江流域汛情監(jiān)測告預(yù)警和工、險情巡查監(jiān)督等功能模塊，為全面掌握流域工、險情，統(tǒng)籌決策中下游圩垸“棄”與“守”，加強重要堤防和薄弱堤段巡查防守以及對監(jiān)督出險問題能夠及時整改提供了信息化支撐，提高了工作效率，積累了寶貴數(shù)據(jù)。據(jù)系統(tǒng)顯示，截至2020年7月30日，長江中下游5個省共運用洲灘民垸861處，總面積約為31.1萬hm2，涉及人口60萬余人，其中安徽省運用洲灘民垸數(shù)量占總數(shù)的50%以上；截至2020年8月11日，長江中下游5個省共發(fā)生險情4 348處，其中長江干堤228處，如圖4所示。而1998年長江大水期間，僅長江干堤便發(fā)生險情9 405處。長江流域汛情在較常年明顯偏重的情況下，實現(xiàn)了“水大損失小”的良好成效。

圖4 2020年長江中下游五省險情統(tǒng)計功能界面Fig.4 Functional interface of risk statistics for five provinces in the middle and lower reaches of the Changjiang River in 2020

(3) 創(chuàng)新了工作模式，促進了“一張圖”服務(wù)平臺與水利業(yè)務(wù)的深度融合。防汛“一張圖”系統(tǒng)在長江委“一張圖”服務(wù)平臺3.0版的基礎(chǔ)上，以2020年防汛搶險工作為契機，探索實踐了“工作基礎(chǔ)從圖上來、工作過程以圖協(xié)同、工作成果到圖上去”的空間信息服務(wù)思路，形成了“滾動預(yù)警、現(xiàn)場巡查、跟蹤處置”的全過程防洪監(jiān)管模式。通過開發(fā)框架的迭代更新和功能的升級擴展，推動了“一張圖”應(yīng)用數(shù)據(jù)由單一來源擴展到多來源，應(yīng)用形式由單一桌面應(yīng)用擴展到桌面移動協(xié)同應(yīng)用，應(yīng)用時機由事后應(yīng)用擴展到事前、事中、事后全過程應(yīng)用，促進了“一張圖”與治江管水業(yè)務(wù)的進一步融合。

4 結(jié) 論

長江委防汛“一張圖”系統(tǒng)秉持“邊整合、邊應(yīng)用、邊完善”的建設(shè)思路，在2020年長江流域防汛搶險工作中開展了探索與實踐，為保障流域防洪安全作出了積極貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，防汛“一張圖”系統(tǒng)在2020年汛期訪問量累計達(dá)到2萬余次，使用范圍廣泛，應(yīng)用效果良好?；诒疚难芯砍晒岢隽讼乱徊降难芯糠较?。

(1) 長江委防汛“一張圖”系統(tǒng)將積極擴展信息資源匯聚整合的范圍和數(shù)據(jù)類型，通過接入長江委內(nèi)外的視頻監(jiān)控源，直觀把握工程調(diào)度執(zhí)行情況以及重要站點的水情水勢動態(tài)；

(2) 通過收集衛(wèi)星遙感及無人機影像，提升基于防汛“一張圖”的分析研判能力，更加全面及時掌握和監(jiān)管流域洪旱災(zāi)情、蓄滯洪區(qū)內(nèi)非防洪工程建設(shè)、堰塞湖、分洪潰口險情等狀況；

(3) 進一步加強基于空間信息的態(tài)勢分析、遠(yuǎn)程會商和指揮能力，為不斷提高長江流域水旱災(zāi)害防御信息化水平、最大程度地減小流域水旱災(zāi)害損失提供信息化支撐。