王 梁,王偉明,孫晨紅,王駿飛

（1.陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司，710100，西安；2.西安空間無線電技術(shù)研究所，710100，西安）

“十四五”以來，國家十分重視衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展，國家層面及省市地方政策都大力支持衛(wèi)星遙感技術(shù)及應(yīng)用。在河湖長制方面，國務(wù)院、水利部出臺各類指導(dǎo)意見鼓勵(lì)積極利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段與遙感影像數(shù)據(jù)，匯同河湖長制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建新型河湖長制信息服務(wù)體系。

一、現(xiàn)狀與需求

1.河湖長制全流域監(jiān)測需求

我國境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河流、湖泊、小流域溝溪等多分布在丘陵山區(qū)及盆谷地，現(xiàn)有監(jiān)測手段大多為監(jiān)測站點(diǎn)預(yù)警、河長巡河及公眾上報(bào)，但監(jiān)測點(diǎn)位分布與巡河區(qū)域選擇存在不足，無法滿足全流域、大范圍、持續(xù)性監(jiān)管需求。河湖長制監(jiān)測對象為全體河流水域及岸線，衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠提供全覆蓋、多手段、多時(shí)相的觀測與分析。

2.多源數(shù)據(jù)融合分析需求

各類水利業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)會產(chǎn)生大量動態(tài)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)，以及河湖長制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)分散、缺少整合，對河湖長管理工作支撐不足，難以發(fā)揮整體效能。為全面提升河湖長制管理效率，需匯集多個(gè)系統(tǒng)、整合多種來源的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與分析。

3.河湖長制管理與智能考評需求

省、市、縣不同級河長關(guān)注要素不同，發(fā)現(xiàn)問題后不能快速決策分析與解決，并且當(dāng)前巡河管理、考核尚未實(shí)現(xiàn)信息化、智能化，巡河人員管理與考核難以考證與量化。因此需要針對市、縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）河湖長制分級管理，整合現(xiàn)有各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻與遙感數(shù)據(jù)，服務(wù)于各級領(lǐng)導(dǎo)、工作人員、社會公眾的不同層次、不同主體的查詢、上報(bào)和考評。

二、系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)與思路

基于高分遙感技術(shù)的河湖長制管理信息系統(tǒng)是依托航天“系統(tǒng)工程”思想，從水資源管理、水資源保護(hù)、水資源調(diào)度、應(yīng)急保障等需求出發(fā)，以數(shù)據(jù)為核心，構(gòu)建基于高分遙感技術(shù)的“感、傳、智、用”體系化智慧水利解決方案。系統(tǒng)以航天衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)為抓手，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)為支撐，響應(yīng)國家相關(guān)政策，積極利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段與遙感影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建以天空地一體化監(jiān)測、大數(shù)據(jù)挖掘與人工智能分析、信息化與輔助決策為特點(diǎn)的河湖長制管理信息系統(tǒng)，解決河湖長制河道管理、非法采砂、侵占岸線、大范圍水污染等監(jiān)管難問題，實(shí)現(xiàn)河湖長制發(fā)現(xiàn)解決問題快速化、績效考核精準(zhǔn)化、管理精細(xì)化、決策智能化。最終以感知能力共建共享、數(shù)據(jù)融合挖掘、應(yīng)用示范推廣、產(chǎn)業(yè)升級帶動為特點(diǎn)打造水利樣板工程，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善，保障可持續(xù)發(fā)展。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)組成

河湖長制管理信息系統(tǒng)由信息采集與接入系統(tǒng)、河長數(shù)據(jù)處理中心、河長數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺、遙感水利綜合應(yīng)用系統(tǒng)、“河長一張圖”GIS 管理系統(tǒng)、河湖長制移動應(yīng)用系統(tǒng)組成，形成“一張采集網(wǎng)、一個(gè)數(shù)據(jù)中心、一套共享平臺、一個(gè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)、三種展現(xiàn)形式（PC、App、公眾號/小程序）”的一體化河湖長制管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)河湖長制管理要素全覆蓋、流程全監(jiān)管、功能全方位。系統(tǒng)功能組成如圖1。

圖1 河湖長制管理信息系統(tǒng)功能組成

2.系統(tǒng)架構(gòu)

河湖長制管理信息系統(tǒng)建設(shè)總體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)服務(wù)、平臺支撐、業(yè)務(wù)服務(wù)、前端應(yīng)用等6 層，總體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 河湖長制管理信息系統(tǒng)框架

①數(shù)據(jù)采集層：通過衛(wèi)星遙感、視頻、固定監(jiān)測站等手段獲取河湖空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水利信息的全面接入。

②網(wǎng)絡(luò)傳輸層：綜合利用天基、地基網(wǎng)絡(luò)為信息的采集與更新提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

③數(shù)據(jù)服務(wù)層：構(gòu)建水利公用數(shù)據(jù)庫、河湖長制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫等，存儲河湖水文、管理、監(jiān)測、遙感等數(shù)據(jù)，并向不同用戶提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

④平臺支撐層：河湖長數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺將資源進(jìn)行整合，為業(yè)務(wù)層各系統(tǒng)提供顯示工具集、分析工具集和業(yè)務(wù)工具集。

⑤業(yè)務(wù)服務(wù)層：包括“河湖長一張圖”GIS 管理系統(tǒng)、河湖長制移動應(yīng)用系統(tǒng)、遙感水利綜合應(yīng)用系統(tǒng)。

⑥前端應(yīng)用層：系統(tǒng)應(yīng)用場景分為河湖長主要使用移動端App，河湖長辦主要使用PC 端的WEB 網(wǎng)站，社會公眾主要使用微信小程序，委辦單位主要使用PC 端的WEB 網(wǎng)站。

3.系統(tǒng)流程

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

河湖長制管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源包括各類傳感器數(shù)據(jù)、航空遙感數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、河長移動端獲取的數(shù)據(jù)及已有系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)進(jìn)入河長數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理、存儲、管理及發(fā)布，為系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支撐，河長數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了與底層的數(shù)據(jù)中心資源的信息交互，為上層河長管理應(yīng)用系統(tǒng)中的各項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供部署環(huán)境和業(yè)務(wù)構(gòu)件。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖3。

圖3 河湖長制管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

（2）系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

河湖長制管理信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)（事件）處理流程以大網(wǎng)格為基礎(chǔ)，即鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街）級的行政區(qū)域?yàn)楹娱L責(zé)任范圍。主要流程為發(fā)現(xiàn)問題—數(shù)據(jù)傳輸—反映問題—信息平臺—相關(guān)部門—現(xiàn)場處理—信息反饋—公開公示。河湖長制管理業(yè)務(wù)受理事件來源是多方位的，包括已有信息系統(tǒng)、河長版App、微信公眾號、巡河上報(bào)、公眾舉報(bào)、執(zhí)法監(jiān)管上報(bào)、遙感監(jiān)測（衛(wèi)星、無人機(jī)）等手段，根據(jù)發(fā)現(xiàn)問題的不同來源其業(yè)務(wù)處理流程也不同。河湖長制業(yè)務(wù)流程如圖4。

圖4 河湖長制管理信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

4.遙感監(jiān)測工作模式

遙感對地觀測技術(shù)監(jiān)測范圍大、周期短、獲取信息速度快、信息量大，可以獲取多尺度、快速、宏觀、動態(tài)的數(shù)據(jù)。遙感水利綜合應(yīng)用系統(tǒng)充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)的優(yōu)勢，面向河長六大任務(wù)與職責(zé)，利用衛(wèi)星資源包括高分系列、資源系列、高景一號、委遙一/二號、天繪一號、風(fēng)云系列等衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)影像數(shù)據(jù)，為河湖長制監(jiān)測提供空間分辨率0.5~16 m、月/季/年不同時(shí)相的水資源生態(tài)環(huán)境管理、水環(huán)境監(jiān)測、水土保持、水利工程監(jiān)測、防汛抗旱衛(wèi)星遙感監(jiān)測專題圖，提供違法程度監(jiān)測報(bào)告、評價(jià)分析，作為處置決策依據(jù)。通過遙感監(jiān)測的多項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行水質(zhì)分類及富營養(yǎng)化程度判定，結(jié)合環(huán)境保護(hù)、水環(huán)境管理等專業(yè)知識，對流域生態(tài)修復(fù)及保護(hù)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。遙感水利綜合應(yīng)用業(yè)務(wù)流程如圖5 所示，可用遙感衛(wèi)星監(jiān)測內(nèi)容及星源分析見表1。

圖5 遙感在水利監(jiān)測領(lǐng)域中工作模式

表1 水利應(yīng)用遙感衛(wèi)星星源分析

5.系統(tǒng)角色配置

河湖長制管理信息系統(tǒng)以移動辦公終端與公眾服務(wù)終端為入口，各地聯(lián)絡(luò)員為協(xié)調(diào)，河長為主線，依托基層村級河長、工作人員與職能部門對事件的快速響應(yīng)，完成事件上通下達(dá)處理流程?；鶎友埠尤藛T利用辦公終端進(jìn)行巡河，公眾利用公眾服務(wù)移動端進(jìn)行監(jiān)督，都將信息上報(bào)至“河長一張圖”GIS 管理系統(tǒng)WEB 端，管理人員進(jìn)行派單、流轉(zhuǎn)、督辦等操作，詳見圖6。

圖6 河湖長制管理信息系統(tǒng)角色配置設(shè)計(jì)

6.組件拓?fù)潢P(guān)系

河湖長制管理信息系統(tǒng)組件拓?fù)湓O(shè)計(jì)，見圖7。

圖7 河湖長制管理信息系統(tǒng)組件拓?fù)湓O(shè)計(jì)

信息采集與接入：主要由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（監(jiān)視排污口、水利設(shè)施與工程、水質(zhì)監(jiān)測站）、水質(zhì)監(jiān)測傳感器、水位監(jiān)測傳感器、水體取樣裝置以及區(qū)域遙感數(shù)據(jù)中心組成，負(fù)責(zé)水利數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的采集。

網(wǎng)絡(luò)鏈路：負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶娱L數(shù)據(jù)處理中心，對外發(fā)布水利監(jiān)測信息產(chǎn)品，支撐應(yīng)用系統(tǒng)和共享服務(wù)平臺。鏈路主要分為兩種，即有線傳輸和無線傳輸。

河長數(shù)據(jù)處理中心：作為整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)為各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供硬件支撐環(huán)境、數(shù)據(jù)存儲空間以及網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。由網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備（VPN、路由器、交換機(jī)等）、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備（防火墻）以及各個(gè)應(yīng)用服務(wù)器組成。

應(yīng)用服務(wù)：負(fù)責(zé)河長業(yè)務(wù)信息發(fā)布、水利防汛信息發(fā)布等應(yīng)用服務(wù)，推送到各級水利應(yīng)用部門、會議指揮中心、用戶移動端等。

四、結(jié) 論

基于高分遙感技術(shù)的河湖長制管理信息系統(tǒng)集成河湖信息、河長信息、實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)（水位、水質(zhì)等）、實(shí)時(shí)視頻、無人機(jī)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等，構(gòu)建動態(tài)治水、管治合一的綜合河道監(jiān)督治理平臺。系統(tǒng)基于“GIS 一張圖”展示進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成具有特色的天空地一體化河長監(jiān)管模式，大力推進(jìn)以衛(wèi)星遙感應(yīng)用為特色的河湖長制相關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)對河湖長制的精準(zhǔn)管理、動態(tài)監(jiān)控和高效維護(hù)，提高河道業(yè)務(wù)管理能力和對外服務(wù)能力。

系統(tǒng)通過頂層設(shè)計(jì)消除信息孤島，以河湖長制為平臺加強(qiáng)部門間聯(lián)動，可有效解決涉水管理職能分散、交叉的不足，形成河湖管理保護(hù)合力，確保業(yè)務(wù)流程統(tǒng)一、數(shù)據(jù)完整，支持省、市、縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）四級管理，滿足河長制管理者、各級河長、社會公眾等多類用戶的需求，具有“ 看得見”“叫得應(yīng)”“用得好”的特點(diǎn)。