大數(shù)據(jù)在水利工程中的應(yīng)用

李 燕，楊石磊

（1.貴州大學(xué)明德學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 大數(shù)據(jù)與水利大數(shù)據(jù)

1.1 大數(shù)據(jù)概述

近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的快速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到了大數(shù)據(jù)的重要性，各個(gè)領(lǐng)域都在積極研究和運(yùn)用大數(shù)據(jù)解決問(wèn)題。大數(shù)據(jù)，從字面理解就是海量數(shù)據(jù)的意思，除此以外還有不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，總結(jié)為4個(gè)“V”：（1）巨大的數(shù)據(jù)量（volume）；（2）繁多的數(shù)據(jù)類(lèi)型（variety）；（3）超低的價(jià)值密度（value）；（4）較快的處理速度（velocity）。如何從巨大的數(shù)據(jù)中挖掘出其潛藏的價(jià)值才是大數(shù)據(jù)的意義所在，只有被合理利用的數(shù)據(jù)才能稱(chēng)之為大數(shù)據(jù)，不然只是一堆數(shù)據(jù)[1]。

1.2 水利大數(shù)據(jù)

陳軍飛等[2]提出水利作為國(guó)家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在日常工作中已經(jīng)積累了大量有關(guān)的數(shù)據(jù)，再加上傳感網(wǎng)、射頻技術(shù)、遙感等技術(shù)的發(fā)展，采集水利數(shù)據(jù)的能力得到提升，能收集到更多更廣的數(shù)據(jù)。這些水利數(shù)據(jù)主要包括水位流量關(guān)系、水文氣象、地形地質(zhì)、水生態(tài)等實(shí)測(cè)信息，還有生態(tài)環(huán)境、人文經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)災(zāi)害及互聯(lián)網(wǎng)等通過(guò)水利普查或者其他輔助手段得到的數(shù)據(jù)。結(jié)合大數(shù)據(jù)的概念，陳軍飛等總結(jié)了水利大數(shù)據(jù)的概念為由水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（包括水文氣象、地質(zhì)、水位流量、水土保持、農(nóng)田水利、災(zāi)害、水利工程建設(shè)管理等）、水利相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)（包括人口、環(huán)境等）以及由社會(huì)公眾提供的數(shù)據(jù)（主要是網(wǎng)絡(luò)上提供的圖片、文字、音頻和視頻等）構(gòu)成的，并且在合理時(shí)間內(nèi)難以用常規(guī)分析方法獲取、存儲(chǔ)、處理和分析的數(shù)據(jù)集，所以需要采用大數(shù)據(jù)相關(guān)的處理方法對(duì)其進(jìn)行分析和處理從而實(shí)現(xiàn)水利管理的決策。

傳統(tǒng)水利數(shù)據(jù)分析方法和水利大數(shù)據(jù)的研究方法有很多不同之處，主要包括：前者通常是基于抽樣數(shù)據(jù)，而后者則是基于海量數(shù)據(jù)也就是數(shù)據(jù)總體進(jìn)行分析；前者通常是基于某個(gè)專(zhuān)業(yè)或某個(gè)部門(mén)內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而后者則是跨專(zhuān)業(yè)、跨部門(mén)進(jìn)行的多維度和多角度的數(shù)據(jù)分析。

2 水利工程的建設(shè)程序

本文將從水利工程規(guī)劃、建設(shè)和管理階段的出發(fā)，介紹大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

項(xiàng)目建議書(shū)、可行性研究、初步設(shè)計(jì)和施工詳圖設(shè)計(jì)階段又稱(chēng)為規(guī)劃設(shè)計(jì)階段[3]，主要任務(wù)是明確工程的任務(wù)與綜合利用要求；擬定總體布置，選擇主要工程位置、工程形式、工程規(guī)模與主要參數(shù)；研究工程實(shí)施程序與運(yùn)用方式；估算工程費(fèi)用、工程效益；評(píng)價(jià)工程隊(duì)環(huán)境的影響，并綜合論證建設(shè)項(xiàng)目的必要性和合理性[4]。施工詳圖設(shè)計(jì)是在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物各個(gè)部位進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，供后期施工使用。

建設(shè)實(shí)施階段主要是指主體工程的建設(shè)實(shí)施，項(xiàng)目法人按照批準(zhǔn)的建設(shè)文件，組織工程建設(shè)，保證項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[5]。

運(yùn)營(yíng)管理階段要充分發(fā)揮水利工程的效用，實(shí)現(xiàn)防洪、減災(zāi)、水資源合理調(diào)度和使用等目的，因地制宜保障不同水域工程的排水、過(guò)水、調(diào)水、蓄水能力和使用效果[6]。

3 大數(shù)據(jù)在不同階段的應(yīng)用

水利部門(mén)已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)，而且隨著遙感等技術(shù)的發(fā)展，水利數(shù)據(jù)的提取技術(shù)也得到了提高。再結(jié)合大數(shù)據(jù)優(yōu)異處理數(shù)據(jù)的方法，大數(shù)據(jù)在水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越多。

3.1 大數(shù)據(jù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段要確定水利工程的總體布置、主要工程位置、工程規(guī)模等，在確定這些之前要先得到工程所在地的地形圖、水文氣象及地質(zhì)等數(shù)據(jù)，而這些都能通過(guò)大數(shù)據(jù)方法解決。

首先是大數(shù)據(jù)在地形圖繪制中的應(yīng)用。韓平等[7]提出經(jīng)過(guò)多年努力雖然已經(jīng)獲取了大量多種類(lèi)的地理信息數(shù)據(jù)，但還是存在覆蓋面不廣、獲取手段單一、精度無(wú)法滿(mǎn)足要求等缺點(diǎn)，而空間信息和位置大數(shù)據(jù)能彌補(bǔ)這些不足。廖克[8]提出我國(guó)通過(guò)多年的努力通過(guò)遙感、已有的各種比例尺地形圖、普查以及移動(dòng)通信等手段已經(jīng)累積了大量的地理數(shù)據(jù)，且今后數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速度和精度還會(huì)極大提高。今后關(guān)鍵工作是各類(lèi)大數(shù)據(jù)的融合，建立智能化的應(yīng)用模型可以自動(dòng)生成綜合評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等專(zhuān)業(yè)的制圖軟件。

其次是大數(shù)據(jù)在獲得水文氣象信息中的應(yīng)用。陳軍飛等[2]提出大數(shù)據(jù)可以基于海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，跟傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)抽樣分析相比得到的結(jié)果更可靠。艾萍等[9]應(yīng)用遙感、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星定位和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，加上地面水文監(jiān)測(cè)站形成了一個(gè)空天地一體的水文信息感知系統(tǒng)，將來(lái)能成為智慧水利的數(shù)據(jù)支撐。

最后是大數(shù)據(jù)在工程地質(zhì)中的應(yīng)用。朱月琴等[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Hadoop的地質(zhì)大數(shù)據(jù)融合挖掘框架，這個(gè)框架使用HDFS技術(shù)存儲(chǔ)地質(zhì)文件，采用MapReduce對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行改造，通過(guò)Hive平臺(tái)快速查詢(xún)結(jié)果。在這些基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)地質(zhì)大數(shù)據(jù)的可視化。潘寶玉等[11]提出了多種地質(zhì)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理方法，認(rèn)為三維可視化是地質(zhì)大數(shù)據(jù)最好的顯示方式。雖然地質(zhì)大數(shù)據(jù)的研究還處在起步階段，但具有很好的發(fā)展前景[12]。

3.2 大數(shù)據(jù)在施工階段的應(yīng)用

鐘登華等[13]設(shè)計(jì)的智慧大壩由大壩空間層、主動(dòng)感知層、自動(dòng)傳輸層、智能分析層和智能管理決策層5個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，最后可以實(shí)現(xiàn)水利工程施工多目標(biāo)實(shí)時(shí)優(yōu)化，施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制，大壩穩(wěn)定性自動(dòng)分析，水庫(kù)調(diào)度分析，設(shè)備維護(hù)方案制定，地震、超標(biāo)洪水、滑坡等突發(fā)事件智能應(yīng)急處理等。

3.3 大數(shù)據(jù)在運(yùn)營(yíng)管理階段的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)洪旱災(zāi)害的管理，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，再結(jié)合洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)，可以提高洪澇災(zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性且延長(zhǎng)預(yù)測(cè)期。水資源配置方面，可以對(duì)水資源調(diào)度、水量分配、用水戶(hù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，隨時(shí)調(diào)整水庫(kù)的供水分配和蓄泄水量[2]。

3.4 大數(shù)據(jù)在其他方面的應(yīng)用

除此以外，大數(shù)據(jù)在其他方面還有許多應(yīng)用。例如，可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土流失的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[14-15]；羅鵬等[16]運(yùn)用WebGIS建立了大型灌區(qū)水利信息的綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)閘門(mén)、水質(zhì)、水雨情、渠道等信息的綜合管理及自動(dòng)化辦公；吳思等[17]提出了大數(shù)據(jù)在管線(xiàn)挖掘中的應(yīng)用思路，對(duì)今后市政管網(wǎng)空間分布及合理布置規(guī)劃提供了很大幫助。

4 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)在水利工程中的應(yīng)用是必然的發(fā)展趨勢(shì)，一方面是因?yàn)楹退こ逃嘘P(guān)的部門(mén)已經(jīng)積累了大量的水利大數(shù)據(jù)，另一方面是遙感、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展使得大數(shù)據(jù)技術(shù)越來(lái)越進(jìn)步。大數(shù)據(jù)在水利工程中的應(yīng)用還處于起步階段，在未來(lái)通過(guò)人們不斷努力研究會(huì)成為解決水利工程問(wèn)題的重要手段。