單森華，王戰(zhàn)友，封 敏，林 平，林 明

(1. 四創(chuàng)科技有限公司，福州 350100；2. 廣東省防汛搶險(xiǎn)技術(shù)保障中心，廣州 510635)

1 概述

我國(guó)河湖水系發(fā)達(dá)，根據(jù)《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》，我國(guó)流域面積為50 km2及以上河流共計(jì)45 203條[1]。河流與河流之間存在上下游、干支流關(guān)系，河流與涉河工程之間也存在上下游關(guān)系[2]。根據(jù)河長(zhǎng)制工作要求，流經(jīng)各省、市、縣的河段要分級(jí)分段設(shè)立河長(zhǎng)[3]，因此，河流之間還存在分段關(guān)系。為了進(jìn)行河湖管理，各地已先后開(kāi)展河流標(biāo)繪工作，取得了一定成果。但是，標(biāo)繪成果主要以圖冊(cè)或者以空間矢量圖層方式為用戶提供服務(wù)，未進(jìn)行河流空間數(shù)據(jù)融合與挖掘，導(dǎo)致數(shù)據(jù)價(jià)值未能充分發(fā)揮。為此有必要探索一種兼顧空間關(guān)系的河湖數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

數(shù)據(jù)融合是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將各類零散分布的數(shù)據(jù)整合為一體，不僅可以改進(jìn)數(shù)據(jù)獲取模式，還可以提高數(shù)據(jù)獲取效率，從中提取有價(jià)值的信息[4-5]，并根據(jù)這些信息做出最合理的決策。本文提出了一種兼顧空間關(guān)系的河流數(shù)據(jù)融合技術(shù)，系統(tǒng)性體現(xiàn)河流與河流之間、河流與河段之間、河流與涉河工程之間的空間關(guān)系，提高河流空間數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。

2 河流數(shù)據(jù)融合現(xiàn)狀

河湖管理涉及保障水安全、保護(hù)水資源、防治水污染、改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)等各項(xiàng)業(yè)務(wù)[6]，關(guān)注對(duì)象包括河流、湖泊、水庫(kù)、堤防、水閘、泵站、水源地、取用水戶、工礦企業(yè)、污水處理廠、入河湖排污口等，各個(gè)對(duì)象均存在空間屬性。為了更好管理保護(hù)河湖，我國(guó)大多數(shù)省份已經(jīng)開(kāi)展河流標(biāo)繪工作，但是大多數(shù)部門在開(kāi)展河流數(shù)據(jù)融合時(shí)，主要針對(duì)其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，未充分考慮空間數(shù)據(jù)的融合。這些空間數(shù)據(jù)主要以圖層方式進(jìn)行管理，不同圖層之間通過(guò)統(tǒng)一坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加，水系、排污口、水庫(kù)3個(gè)圖層疊加的過(guò)程與結(jié)果見(jiàn)圖1。此類空間數(shù)據(jù)管理方式未將不同對(duì)象之間的空間關(guān)系，如不同河流之間的干支游關(guān)系、河流與水利工程之間的攔蓄關(guān)系、河流與取水口之間的供水關(guān)系、排污口與取水口之間的影響關(guān)系等進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合，空間數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘能力有限[7]。

3 河流空間數(shù)據(jù)融合研究

3.1 河流編碼擴(kuò)展

《中國(guó)河流代碼》(SL 249—2012)因代碼容量不足，已無(wú)法滿足河湖管理業(yè)務(wù)的需要[8]。河湖編碼是河湖管理的基礎(chǔ)性工作[9]，廣東省基于《中國(guó)河流代碼》將河流編碼擴(kuò)充至16位，較好解決了干支流關(guān)系容量不足的問(wèn)題，但未考慮河湖分段管理的需要[10]。因此，要求對(duì)編碼再次進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)一套兼顧干支流以及分段等空間關(guān)系的河湖編碼規(guī)則(如圖2所示)。該編碼前16位沿用廣東省河湖編碼規(guī)則，根據(jù)河流分級(jí)支流關(guān)系進(jìn)行編碼，用于河流干支流關(guān)系建模；第17～28位為行政區(qū)劃碼，參考中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)用區(qū)劃代碼和城鄉(xiāng)劃分代碼(截止到2018年10月31日)[11]，用于河流分段建模；第29和30位為輔助碼。

表1詳細(xì)說(shuō)明了河湖編碼位、編碼取值范圍以及編碼規(guī)則。

a 水系圖層

b 排污口圖層

c 水庫(kù)圖層

d 圖層疊加

圖2 河湖編碼擴(kuò)展示意

表1 河湖編碼擴(kuò)展說(shuō)明

3.2 干支流關(guān)系聚合

基于河流代碼前16位構(gòu)建河流與河段之間的干支流關(guān)系。

1) 提取河流代碼前3位，獲取主干河流甲。

2) 遍歷前3位為河流甲的所有河湖，提取第4、5位不為0，且第6～15位為0的河流乙(數(shù)量大于或等于1)，作為主干河流甲的一級(jí)支流，建立河流甲、乙之間干支流關(guān)系并存儲(chǔ)。

3) 遍歷前5位為河流乙的所有河湖，提取第6位不為0，且第7～15位為0的河流丙(數(shù)量大于或等于1)，作為河流乙的一級(jí)支流和河流甲的二級(jí)支流，建立河流乙、丙之間干支流關(guān)系并存儲(chǔ)，西江干流及其一級(jí)支流、二級(jí)支流關(guān)系構(gòu)建結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 西江干支流關(guān)系構(gòu)建示意

4) 遍歷前6位為河流丙的所有河湖，提取第7位不為0，且第8～15位為0的河流丁(數(shù)量大于或等于1)，作為河流丙的一級(jí)支流，建立河流丙、丁之間干支流關(guān)系并存儲(chǔ)。

5) 以此類推，直至第15位不為0，結(jié)束遍歷。

6) 針對(duì)河流甲的所有支流，通過(guò)第16位對(duì)干支流關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)充描述。若第16位為非0數(shù)字時(shí)，將干支流關(guān)系備注為分叉支流；若第16位為字母時(shí)，將干支流關(guān)系備注為江心島分叉，并進(jìn)行存儲(chǔ)。

至此完成河流甲所有支流的關(guān)系聚合。

3.3 分段關(guān)系聚合

基于河流代碼第17～28位構(gòu)建河流與河段之間的分段關(guān)系。

1) 提取河流代碼前16位，獲取河流甲。

2) 遍歷前16位為河流甲的所有河段，提取第17、18位不為0，且第19～28位為0的河段乙(數(shù)量大于或等于0)，作為河流甲的省管河段，建立河流甲與河段乙的分段關(guān)系并存儲(chǔ)。如果數(shù)量為0，則表示河流甲不屬于省管河流。

3) 遍歷前18位為河段乙的所有河段，提取第19、20位不為0，且第21～28位為0的河段丙(數(shù)量大于或等于0)，作為河段乙的下級(jí)分段和河流甲的市管河段，建立河段乙、丙之間分段關(guān)系并存儲(chǔ)。如果數(shù)量為0，則表示河流甲不屬于市管河流。

4) 遍歷前20位為河段丙的所有河段，提取第21、22位不為0，且第23～28位為0的河段丁(數(shù)量大于或等于0)，作為河段丙的下級(jí)分段，建立河段丙、丁之間分段關(guān)系并存儲(chǔ)。如果數(shù)量為0，則表示河流甲不屬于縣管河流。

5) 遍歷前22位為河段丁的所有河段，提取第23～25位不為0，且第26～28位為0的河段戊(數(shù)量大于或等于0)，作為河段丁的下級(jí)分段，建立河段丁、戊之間分段關(guān)系并存儲(chǔ)。

6) 遍歷前25位為河段戊的所有河段，提取第26～28位不為0的河段己(數(shù)量大于或等于0)，作為河段戊的下級(jí)分段，建立河段戊、己之間分段關(guān)系并存儲(chǔ)。

至此完成河流甲所有分段關(guān)系聚合。

3.4 涉河對(duì)象關(guān)系聚合

基于干支流和分段關(guān)系聚合成果，通過(guò)流域空間拓?fù)潢P(guān)系建立河流與關(guān)注對(duì)象之間的空間關(guān)系。

1) 根據(jù)設(shè)定的集雨面積閾值，基于區(qū)域數(shù)字高程模型劃定小流域[12-13]，廣東省西江流域基于數(shù)字高程模型和流域提取工具劃分小流域的成果見(jiàn)圖4。

圖4 小流域劃分示意

2) 基于小流域劃分成果，遍歷所有村級(jí)河段，根據(jù)河段空間地理坐標(biāo)集，將小流域與村級(jí)河段關(guān)聯(lián)，建立小流域與村級(jí)河段之間一對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系，廣東省西江流域各村級(jí)河段與小流域關(guān)聯(lián)聚合后的成果見(jiàn)圖5，所有村級(jí)河段均唯一關(guān)聯(lián)至一個(gè)小流域。

圖5 小流域與河段關(guān)系聚合示意

3) 基于小流域劃分成果，根據(jù)關(guān)注對(duì)象空間地理坐標(biāo)，將小流域與關(guān)注對(duì)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立小流域與關(guān)注對(duì)象之間一對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4) 以小流域?yàn)橥怄I，將村級(jí)河段與關(guān)注對(duì)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立村級(jí)河段與關(guān)注對(duì)象之間一對(duì)多或多對(duì)一的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將重點(diǎn)斷面、水庫(kù)、堤防、水閘、泵站、水源地、取用水戶、工礦企業(yè)、污水處理廠、入河湖排污口等關(guān)注對(duì)象與村級(jí)河段進(jìn)行聚合。鑒江高州段與其流域范圍內(nèi)所關(guān)注對(duì)象的聚合成果見(jiàn)圖6。

圖6 河段與關(guān)注對(duì)象關(guān)系聚合示意

5) 基于河流與河段之間的分級(jí)分段關(guān)系，遞歸構(gòu)建鎮(zhèn)級(jí)、縣級(jí)、市級(jí)、省級(jí)河段以及河流與關(guān)注對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并進(jìn)行存儲(chǔ)。西江干流各級(jí)河段與其流域范圍內(nèi)主要關(guān)注對(duì)象的聚合成果見(jiàn)圖7。

至此，河流與涉河對(duì)象之間的空間關(guān)系聚合完成。

圖7 河流與關(guān)注對(duì)象關(guān)系聚合示意

4 技術(shù)應(yīng)用成效

基于以上研究成果，以廣東省為試點(diǎn)開(kāi)展技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全省9.2萬(wàn)條河流(段)、577個(gè)湖泊(片)、867個(gè)水位斷面、299個(gè)流量斷面、808個(gè)水質(zhì)斷面、254個(gè)水土保持點(diǎn)、6萬(wàn)個(gè)取水口、5.9萬(wàn)個(gè)排污口等主要關(guān)注對(duì)象的空間、屬性、監(jiān)測(cè)、視頻數(shù)據(jù)融合，并在河湖信息查詢、河長(zhǎng)巡河等場(chǎng)景推廣應(yīng)用，取得了較好的效果(如圖8所示)。

(a)北江

(b)韓江

(c)西江

5 結(jié)語(yǔ)

本文以兼顧空間關(guān)系的河流數(shù)據(jù)融合技術(shù)為研究對(duì)象開(kāi)展了一系列的研究工作，包括河流編碼擴(kuò)展、干支流空間關(guān)系聚合、分段空間關(guān)系聚合以及涉河對(duì)象空間關(guān)系聚合，并在廣東省開(kāi)展技術(shù)應(yīng)用。研究結(jié)果表明，該技術(shù)解決了河流與涉河對(duì)象之間的空間關(guān)系自動(dòng)化融合難題，系統(tǒng)性體現(xiàn)了河流與涉河對(duì)象之間的空間關(guān)系，挖掘了河流空間數(shù)據(jù)的價(jià)值。在廣東省應(yīng)用推廣過(guò)程中，各級(jí)河長(zhǎng)能夠通過(guò)河流自動(dòng)關(guān)聯(lián)掌握上下游取水口、排污口分布情況，查看上下游水質(zhì)、水量、視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，極大提升了河長(zhǎng)巡河、監(jiān)督檢查工作效率，取得較好應(yīng)用成效。與以往空間圖層疊加、人工手動(dòng)關(guān)聯(lián)相比，本項(xiàng)研究成果提供了一種新的河流空間數(shù)據(jù)融合方案，能夠有效降低數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理成本，具有較高的推廣價(jià)值。