龔琪慧，張 駿，胡 晶，劉 康

（長(zhǎng)江信達(dá)軟件技術(shù)（武漢）有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430014）

為落實(shí)綠色發(fā)展理念，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，2016 年 12 月中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)并實(shí)施《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》[1]。全國(guó)各地相繼建設(shè)河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)，采用信息化的手段推進(jìn)河長(zhǎng)制工作的實(shí)施。各地建立的河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)主要以河長(zhǎng)為中心，實(shí)現(xiàn)輔助河長(zhǎng)制工作的巡河管理、任務(wù)處置、事件管理、河長(zhǎng)考核、數(shù)據(jù)報(bào)送等功能[2-5]。在已建河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為有效解決河長(zhǎng)制工作中河長(zhǎng)履職監(jiān)管和河湖數(shù)據(jù)整合等難題，提出建設(shè)智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)和智能化手段對(duì)河長(zhǎng)制工作進(jìn)行監(jiān)督、管理、決策，以全面提升各級(jí)河長(zhǎng)、河長(zhǎng)制辦公室工作效率，以及政府科學(xué)管理、決策水平。

1 河長(zhǎng)制信息化現(xiàn)狀與問(wèn)題

目前雖然已通過(guò)建立和應(yīng)用河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)完成河長(zhǎng)巡河、問(wèn)題上報(bào)等河長(zhǎng)日常辦公履職主要任務(wù)，但隨著智能化水平的提高，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用推廣，河長(zhǎng)制管理的信息化工作與當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展存在差距，主要表現(xiàn)在河湖監(jiān)管水平較低、信息化資源共享程度低和精細(xì)化監(jiān)督管理水平較低等方面。

1.1 河長(zhǎng)制動(dòng)態(tài)感知水平不足

目前，全國(guó)各省市主要還是通過(guò)河長(zhǎng)線下巡河的方式對(duì)河湖進(jìn)行監(jiān)管，動(dòng)態(tài)感知水平不足。當(dāng)前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要依靠國(guó)控、市控等考核斷面進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，時(shí)效性較差，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)河湖水質(zhì)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)分析等需求。對(duì)于岸線管控中需要關(guān)注的岸線侵占、破壞、非法采砂等活動(dòng)，通常通過(guò)人工巡查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、預(yù)警預(yù)報(bào)等技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)，對(duì)監(jiān)督管理輔助支撐十分有限。要實(shí)現(xiàn)河湖精細(xì)化監(jiān)管，還需要水質(zhì)、視頻、遙感等多種前端感知設(shè)備的支持，提高動(dòng)態(tài)感知水平。

1.2 信息化資源共享程度低

河長(zhǎng)制工作涵蓋水資源、水域岸線、水環(huán)境、水污染、水生態(tài)及執(zhí)法監(jiān)管等六大任務(wù)，還包括各級(jí)河長(zhǎng)履職、一河一策實(shí)施監(jiān)督管理等工作，業(yè)務(wù)覆蓋面廣，工作過(guò)程數(shù)據(jù)繁多，河長(zhǎng)制管理要對(duì)相關(guān)領(lǐng)域信息采集、存量等數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一整合共享。

目前的河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)主要集成河流、河段、河長(zhǎng)制公示牌等基本河流檔案和一河一策報(bào)告等信息，對(duì)于河道劃界、岸線規(guī)劃、采砂規(guī)劃、水土保持等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及水污染、水生態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尚未整合或整合不充分。這些數(shù)據(jù)的缺失將影響河長(zhǎng)對(duì)河湖監(jiān)管情況的判斷，難以對(duì)各類(lèi)河湖數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和價(jià)值挖掘。

1.3 精細(xì)化監(jiān)督管理能力不足

由于河流動(dòng)態(tài)信息感知不足，先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用不充分，目前，各地的河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)河流、河段基本信息的統(tǒng)計(jì)，以及巡河問(wèn)題、事件的分析，難以為河流河段污染減排、一河一策精準(zhǔn)施策提供決策依據(jù)，無(wú)法對(duì)岸線從宏觀、中觀和微觀尺度進(jìn)行大面積連續(xù)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，難以主動(dòng)識(shí)別河流岸線問(wèn)題，無(wú)法做到為各層級(jí)河長(zhǎng)巡河及問(wèn)題處置提供定向、定點(diǎn)的精細(xì)化監(jiān)督和指導(dǎo)。

2 智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

隨著河長(zhǎng)制工作的深入推進(jìn)，精細(xì)化監(jiān)管的迫切需要，針對(duì)河長(zhǎng)制工作面臨的問(wèn)題，研究并應(yīng)用構(gòu)建智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)尤為重要。

2.1 空天地一體化前端感知技術(shù)

實(shí)現(xiàn)智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)，需要對(duì)水資源、水域岸線、水污染、水環(huán)境及水生態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控，從以下方面構(gòu)建全方位的前端感知體系：

1）水質(zhì)水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)。建立水質(zhì)、水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控河流總體水質(zhì)情況，支撐河長(zhǎng)制工作人員及時(shí)掌握重點(diǎn)斷面的水質(zhì)時(shí)空變化，動(dòng)態(tài)了解水環(huán)境質(zhì)量狀況，可以在水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要一級(jí)支流入河口和重點(diǎn)場(chǎng)鎮(zhèn)下游布設(shè)站點(diǎn)。隨著河流水環(huán)境治理及監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)情況的變化，水質(zhì)、水量站網(wǎng)布設(shè)需重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析研究[6]。

2）工業(yè)企業(yè)污染溯源監(jiān)測(cè)。主要對(duì)工業(yè)企業(yè)偷排造成的水質(zhì)污染進(jìn)行溯源分析，支撐水污染的精準(zhǔn)監(jiān)管和治理。水質(zhì)全特征溯源技術(shù)以三維熒光[7-8]和水質(zhì)指紋技術(shù)[9-10]為核心，輔以常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)分析，依次查找污染排放源。首先采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)位上游水樣，再通過(guò)對(duì)上游水樣與監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水樣的水質(zhì)指紋比對(duì)確定污染源可能存在的位置。

3）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)對(duì)河流、岸線、水庫(kù)關(guān)鍵部位實(shí)施情況的掌握，輔助河長(zhǎng)制工作人員快速識(shí)別問(wèn)題。視頻監(jiān)控?cái)z像頭常分為以下3 種：a. 常規(guī)攝像頭。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)重要堤防、岸線、水庫(kù)、攔河建筑物水面情況，以及入河口處干支流水位的實(shí)施監(jiān)控。b. AI 智能攝像頭。通過(guò) AI 智能攝像頭，實(shí)現(xiàn)跨界水域及水面漂浮物現(xiàn)象易發(fā)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)水面漂浮物進(jìn)行識(shí)別并用紅色矩形框標(biāo)注，相關(guān)識(shí)別標(biāo)注示例如圖 1 所示。c. 熱成像與可見(jiàn)光雙光譜攝像頭。此類(lèi)攝像頭可對(duì)采砂船作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)控并抓拍。3 種不同類(lèi)型攝像頭，可滿(mǎn)足智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)視頻監(jiān)控需求。

圖 1 視頻 AI 識(shí)別水面漂浮物

4）無(wú)人機(jī)巡河。無(wú)人機(jī)航飛技術(shù)基于 GPS 和4G/5G 等技術(shù)，通過(guò)搭載的全景攝像頭回傳高清全景視頻，輔助河長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)在線巡河。無(wú)人機(jī)飛行高度一般在 100 m 左右，能迅速到達(dá)指定區(qū)域，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)航拍錄像。無(wú)人機(jī)航飛技術(shù)為河長(zhǎng)制工作的開(kāi)展提供了岸線數(shù)據(jù)支撐，為河長(zhǎng)巡河提供了新手段、新方式，為人力無(wú)法到達(dá)的地段和偏遠(yuǎn)地區(qū)巡河提供便利[11]。

5）衛(wèi)星遙感監(jiān)管。衛(wèi)星遙感可以實(shí)現(xiàn)水域岸線大尺度動(dòng)態(tài)監(jiān)管，通過(guò)對(duì)采集的遙感影像解譯，形成遙感監(jiān)測(cè)成果，為動(dòng)態(tài)掌握水面和岸線情況提供技術(shù)支撐。圍繞河長(zhǎng)制工作任務(wù)，通過(guò)衛(wèi)星遙感可以監(jiān)測(cè)水面范圍變化，岸線破壞和采砂碼頭狀況，水面養(yǎng)殖、水面漂浮物、工礦企業(yè)等對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響，以及遭受破壞的岸線是否修復(fù)等[12]。

2.2 數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)

在匯集前端感知數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，整合各部門(mén)河長(zhǎng)制相關(guān)數(shù)據(jù)，如水利部門(mén)的水資源、水域岸線、水土保持、水文、水利工程等基礎(chǔ)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，生態(tài)環(huán)境部門(mén)的各類(lèi)污染源、污染企業(yè)、污水處理廠、水質(zhì)等基礎(chǔ)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)部門(mén)的畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、屠宰場(chǎng)、農(nóng)用地、林地、生態(tài)濕地等基礎(chǔ)空間分布數(shù)據(jù)，交通部門(mén)的港口、碼頭等基礎(chǔ)空間分布數(shù)據(jù)，形成河長(zhǎng)制大數(shù)據(jù)中心，為各級(jí)河長(zhǎng)制工作人員提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)感知、快速研判和實(shí)時(shí)告警，為各級(jí)河長(zhǎng)及時(shí)掌握河湖動(dòng)態(tài)，合理調(diào)度指揮提供強(qiáng)有力的支撐。

2.3 AI 技術(shù)

AI 技術(shù)通常包括以下 3 種技術(shù)：

1）圖像識(shí)別技術(shù)。AI 圖像識(shí)別技術(shù)是指對(duì)視頻攝像頭采集到的視頻和圖像建立圖像識(shí)別模型，分析并提取圖像特征，建立分類(lèi)器，根據(jù)圖像特性進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比的技術(shù)。在河長(zhǎng)制工作中，利用前端布設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)備，采集視頻、圖像，基于深度學(xué)習(xí)算法，提出河湖水面線、水面漂浮物、采砂、垂釣、游泳等圖像識(shí)別算法，自動(dòng)識(shí)別河湖異常情況[13]，為各層級(jí)河長(zhǎng)主動(dòng)、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提供輔助支撐。

2）輿情分析技術(shù)。輿情分析主要針對(duì)河長(zhǎng)制相關(guān)、水環(huán)境污染、岸線侵占等現(xiàn)象和行為關(guān)鍵詞，通過(guò)文本挖掘、分析監(jiān)控生成結(jié)果對(duì)輿情進(jìn)行預(yù)警。

3）智能語(yǔ)音交互技術(shù)。即人機(jī)對(duì)話技術(shù)，包括自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和語(yǔ)音合成等技術(shù)[14]。通過(guò)智能語(yǔ)音交互技術(shù)，可以使社會(huì)公眾和河長(zhǎng)通過(guò)語(yǔ)音反映河湖問(wèn)題，河長(zhǎng)巡河過(guò)程更加方便快捷。

2.4 大數(shù)據(jù)技術(shù)

在智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)中，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)各類(lèi)前端感知數(shù)據(jù)及整合的各部門(mén)河長(zhǎng)制相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最大限度地挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，運(yùn)用熱點(diǎn)、熱力、模型、水質(zhì)評(píng)價(jià)、量化考核等分析手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智能運(yùn)用。另外，在數(shù)據(jù)可視化方面，應(yīng)用GIS、圖表、數(shù)據(jù)面板等多種數(shù)據(jù)可視化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)展現(xiàn)，形成河長(zhǎng)一張圖，為河湖監(jiān)管、河長(zhǎng)履職提供智能化的輔助支撐。以河長(zhǎng)巡河熱力分析為例，通過(guò)分析全部海量巡河軌跡數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間及空間維度的聚合分析，結(jié)合日歷圖、空間熱力圖等大數(shù)據(jù)可視化手段對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行展示。

通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，為河長(zhǎng)分析水質(zhì)惡化原因，輔助判斷水質(zhì)污染易發(fā)、頻發(fā)位置，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)污染偷排、隱秘排放的溯源分析提供支持。另外，應(yīng)用大量的水位、流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建一維水動(dòng)力水質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)測(cè)分析。在一定工況條件下，河流水質(zhì)變化受河流流量、流速的影響，通過(guò)河流流量、流速預(yù)測(cè)可實(shí)現(xiàn)河流水質(zhì)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)。通過(guò)擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)在枯水期、豐水期、暴雨、干旱等不同場(chǎng)景下河流水質(zhì)的預(yù)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)流量變化導(dǎo)致水質(zhì)變化時(shí)，及時(shí)預(yù)警提醒，為特殊場(chǎng)景下水質(zhì)提升提供輔助決策支撐，水質(zhì)預(yù)測(cè)分析界面示例如圖2 所示。從圖 2 可以看出：利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可對(duì)污染源下游斷面的污染物和濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并預(yù)測(cè)出污染物到達(dá)斷面的時(shí)間。

圖 2 水質(zhì)預(yù)測(cè)分析

通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)解決河長(zhǎng)數(shù)據(jù)無(wú)法有效利用、分析決策效率低下的問(wèn)題，提高了河長(zhǎng)的分析效率，為構(gòu)建健康河湖生態(tài)體系添磚加瓦。

3 智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)最終通過(guò)構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，架構(gòu)圖如圖 3 所示。6 層架構(gòu)具體分析如下：

1）智慧感知層。主要是河長(zhǎng)制相關(guān)的前端感知設(shè)備，即空天地一體化前端感知體系。系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)、4G/5G 無(wú)線傳輸?shù)确绞?，?duì)前端感知數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

2）基礎(chǔ)設(shè)施層。主要為系統(tǒng)運(yùn)行提供物理環(huán)境基礎(chǔ)，此外，采用云技術(shù)搭建系統(tǒng)部署環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

3）大數(shù)據(jù)中心層。負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、匯集、清洗、存儲(chǔ)和共享。通過(guò)數(shù)據(jù)資源目錄對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理，包括河長(zhǎng)制基礎(chǔ)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，水資源、水域岸線、水污染、水環(huán)境、水生態(tài)等基礎(chǔ)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4）支撐平臺(tái)層。負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺(tái)級(jí)和服務(wù)級(jí)支持，包括基礎(chǔ)支撐和使能平臺(tái)。基礎(chǔ)支撐平臺(tái)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)、權(quán)限、報(bào)表等服務(wù)，使能平臺(tái)結(jié)合業(yè)務(wù)提供一維水動(dòng)力水質(zhì)污染擴(kuò)散模型、視頻 AI 分析及輿情監(jiān)測(cè)等服務(wù)。

5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。是對(duì)河長(zhǎng)制業(yè)務(wù)應(yīng)用的功能實(shí)現(xiàn)，分為以下 3 個(gè)應(yīng)用部分：a. 基礎(chǔ)應(yīng)用部分。包括工作臺(tái)、巡河管理、任務(wù)處置、專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)、工作上報(bào)、考核管理、抽查督導(dǎo)、河流檔案等功能模塊。b. 河長(zhǎng)智慧監(jiān)管應(yīng)用。圍繞水資源、水域岸線、水污染、水環(huán)境、水生態(tài)等業(yè)務(wù)，充分利用基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)分析，基于 AI 視頻圖像識(shí)別的水面異常、水質(zhì)全特征溯源分析，遙感的水域岸線分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源、水域岸線、水污染、水環(huán)境、水生態(tài)的監(jiān)管，主要包括水資源預(yù)警、保護(hù)動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析，岸線、水域面積動(dòng)態(tài)、采砂、工業(yè)企業(yè)水污染溯源分析等監(jiān)管，水污染綜合統(tǒng)計(jì)分析，水面、水體異常監(jiān)管，精細(xì)化水質(zhì)、水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)管，水質(zhì)預(yù)測(cè)分析等功能。c. 綜合展示應(yīng)用。主要包括分業(yè)務(wù)專(zhuān)題的 LED 大屏綜合展示和一張圖。

圖 3 智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

6）用戶(hù)交互層。通過(guò)多種終端及展示形式，將系統(tǒng)應(yīng)用功能合理、直觀地向用戶(hù)表達(dá)，包括大屏、PC、移動(dòng)、平板、微信 5 個(gè)終端。五端功能相互銜接，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，用戶(hù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景通過(guò)不同應(yīng)用終端及時(shí)有效地獲取河長(zhǎng)制信息，隨時(shí)開(kāi)展線上工作。

智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)整套業(yè)務(wù)應(yīng)用基于 B/S 架構(gòu)，采用統(tǒng)一部署、分級(jí)使用的方式面向全省/市河長(zhǎng)制用戶(hù)體系，實(shí)現(xiàn)功能權(quán)限的分級(jí)管控、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分域控制，在有效確保權(quán)限與數(shù)據(jù)安全的基礎(chǔ)上，滿(mǎn)足各層級(jí)多元化的配置與管理需求。

4 結(jié)語(yǔ)

智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用覆蓋各層級(jí)河長(zhǎng)組織體系，圍繞河長(zhǎng)制六大任務(wù)，通過(guò)透徹感知全面覆蓋、數(shù)據(jù)資源整合開(kāi)發(fā)利用實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用智能提升，與主要為河長(zhǎng)提供輔助巡河的河長(zhǎng)制信息系統(tǒng)相比，能為各級(jí)河長(zhǎng)和河長(zhǎng)辦及責(zé)任單位提供主動(dòng)預(yù)警、統(tǒng)籌監(jiān)督、協(xié)同處置等更多智能化應(yīng)用。

本研究?jī)H初步對(duì)智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)提出關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方案，離成熟完善的智慧河長(zhǎng)系統(tǒng)還有一定差距，今后需在擴(kuò)大智慧監(jiān)管范圍、挖掘智慧化分析與應(yīng)用、提升公眾參與治水方面做出更深入的研究。