智慧水利信息平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以福建省沙縣智慧水利信息平臺(tái)為例

徐 健，李 國(guó) 忠，徐 堅(jiān)，肖 瀟，趙 保 成，付珺琳

(長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，湖北 武漢 430010)

信息技術(shù)的快速發(fā)展使得信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為一種世界性的大趨勢(shì)。水利信息化就是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，深入挖掘和有效利用信息資源，促進(jìn)信息共享和資源優(yōu)化配置，提高應(yīng)急決策的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)水利工程管理的信息化及智能化。新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷滲透使得水利信息化程度不斷提高，“智慧水利”也應(yīng)運(yùn)而生。

“智慧水利”依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及3S等科技手段，實(shí)現(xiàn)水利信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、應(yīng)用及共享，建成標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的水利應(yīng)用管理平臺(tái)，形成較為完善的信息化管理體系，有效提升水利綜合管理能力，有力推動(dòng)水利現(xiàn)代化建設(shè)[1]。

WebGIS作為一種結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與地理信息技術(shù)的新技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將多源異構(gòu)的空間地理數(shù)據(jù)按照一定的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行組織、管理并發(fā)布，提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、專題查詢及統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)信息的操作共享與輔助決策[2]。本文基于WebGIS技術(shù)，以福建省沙縣作為研究對(duì)象，進(jìn)行智慧水利信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)在充分整合現(xiàn)有的水利信息化硬件設(shè)施與軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，力求搭建一套完整、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)化的水利信息平臺(tái)架構(gòu)體系，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)管理層、服務(wù)層、接口層、認(rèn)證層、應(yīng)用層和運(yùn)營(yíng)管理層等[3]，總體框架如圖1所示。

(1) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是指數(shù)據(jù)庫的物理存儲(chǔ)層，包括工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)等。

(2) 數(shù)據(jù)管理層是指對(duì)數(shù)據(jù)管理的操作層，有元數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)入庫等[4]。

(3) 服務(wù)層是指對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行服務(wù)封裝的層，通過數(shù)據(jù)及信息服務(wù)引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的服務(wù)功能。

(4) 接口層是指在服務(wù)層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)操作的具體接口，包括水利工程數(shù)據(jù)服務(wù)接口、空間數(shù)據(jù)服務(wù)接口、水文數(shù)據(jù)服務(wù)接口、水雨情數(shù)據(jù)服務(wù)接口、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)接口、水資源數(shù)據(jù)服務(wù)接口等。

圖1 平臺(tái)框架Fig.1 Platform frame work

(5) 訪問控制層是指數(shù)據(jù)、信息及軟件提供服務(wù)的統(tǒng)一認(rèn)證接口，通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)統(tǒng)一的用戶管理及認(rèn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的統(tǒng)一安全管理。

(6) 應(yīng)用層是指面向用戶提供的應(yīng)用系統(tǒng)層，包括智慧水利一張圖、水資源管理子系統(tǒng)、水利工程管理子系統(tǒng)、采砂管理子系統(tǒng)、水利視頻管理子系統(tǒng)等。

(7)運(yùn)營(yíng)管理層是針對(duì)整個(gè)硬件、數(shù)據(jù)及軟件的安全運(yùn)行管理，主要包括安全管理、服務(wù)管理、日志管理、統(tǒng)計(jì)分析等[5]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 WebGIS

WebGIS是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來完善和優(yōu)化傳統(tǒng)GIS的一項(xiàng)新興技術(shù)，其核心在于采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)Internet環(huán)境下的空間信息管理及發(fā)布，以實(shí)現(xiàn)空間信息的操作及共享。WebGIS基于B/S架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式部署，通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端與客戶端之間的互聯(lián)互通。客戶端采用Web瀏覽器，用戶可以通過瀏覽器訪問不同服務(wù)器上發(fā)布的空間數(shù)據(jù)，并進(jìn)行各種空間檢索及分析[6-7]。

2.2 WebGL

WebGL(WebGraphicsLibrary)是一種無需加裝專用渲染插件即可在Web瀏覽器中渲染3D圖形的繪圖協(xié)議，是目前比較先進(jìn)的輕量級(jí)3D繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它通過給OpenGLES2.0增加JavaScript綁定，實(shí)現(xiàn)JavaScript和OpenGLES2.0的結(jié)合，進(jìn)而為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，最終實(shí)現(xiàn)基于Web瀏覽器的三維系統(tǒng)開發(fā)及跨平臺(tái)應(yīng)用[8-9]。

2.3 Bootstrap前端框架

Bootstrap是當(dāng)前比較受歡迎的集HTML、CSS和JS與一體的開源響應(yīng)式UI框架，它簡(jiǎn)潔靈活，讓前端開發(fā)更快速、簡(jiǎn)單，所有開發(fā)者都能快速上手，旨在解決頁面兼容性問題。網(wǎng)站和應(yīng)用能在Bootstrap的幫助下通過同一份代碼快速、有效地適配電腦、平板及手機(jī)設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)自適應(yīng)，使一個(gè)網(wǎng)頁可以在不同終端設(shè)備、不同分辨率下自動(dòng)調(diào)整頁面布局，以達(dá)到最優(yōu)客戶端顯示效果[10]。

2.4 ECharts圖表庫

ECharts是百度推出的一款可視化開源開發(fā)框架，基于HTML5 Canvas，是一個(gè)純JavaScript圖表庫，底層依賴輕量級(jí)的矢量圖形庫ZRender，提供直觀、生動(dòng)、可交互、可個(gè)性化定制的可視化數(shù)據(jù)圖表。創(chuàng)新的數(shù)據(jù)視圖、值域漫游及拖拽重計(jì)算等特性大大增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，通過配置項(xiàng)的設(shè)置，就可以控制數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式和視覺效果，強(qiáng)化了用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、整合的能力。大數(shù)據(jù)時(shí)代來臨，ECharts給重新定義數(shù)據(jù)圖表提供了完美的工具[11-12]。

2.5 SpringBoot后端框架

SpringBoot是一個(gè)由Pivotal團(tuán)隊(duì)提供的用于簡(jiǎn)化Spring開發(fā)的框架，約定大于配置，去繁就簡(jiǎn)，使Spring的開發(fā)能更快的上手[13]，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：① 快速創(chuàng)建獨(dú)立運(yùn)行的Spring項(xiàng)目以及主流框架集成；② 使用嵌入式的Servlet容器，應(yīng)用無需打包成war包；③ starters自動(dòng)依賴及版本控制；④ 大量的自動(dòng)配置，簡(jiǎn)化開發(fā)，也可修改默認(rèn)值；⑤ 無需配置xml，無代碼生成，開箱即用；⑥ 準(zhǔn)生產(chǎn)環(huán)境的運(yùn)行時(shí)應(yīng)用監(jiān)控；⑦ 與云計(jì)算的天然集成。

3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 水利一張圖子系統(tǒng)

水利一張圖子系統(tǒng)是開展水利業(yè)務(wù)活動(dòng)的地圖載體及相關(guān)服務(wù)體系(如圖2～3所示)，它基于水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，梳理現(xiàn)有系統(tǒng)與新建系統(tǒng)的需求，提供統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境和技術(shù)框架，為系統(tǒng)的集成建設(shè)提供通用應(yīng)用服務(wù)，為數(shù)據(jù)資源的整合及共享信息提供運(yùn)行平臺(tái)[14]。

圖2 二維水利一張圖Fig.2 2D Map of water conservancy

圖3 三維水利一張圖Fig.3 3D Map of water conservancy

(1) 空間信息服務(wù)。水利一張圖最基本的服務(wù)是共享權(quán)威地理信息數(shù)據(jù)，為項(xiàng)目落實(shí)提供精確定位，為應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換共享提供依據(jù)。各部門辦事人員使用普通瀏覽器即可在線瀏覽、查詢各個(gè)部門的基礎(chǔ)地理信息資源，如基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水利工程數(shù)據(jù)等。

(2) 信息匯聚。以水利一張圖為載體，疊加基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)水利工程數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、水雨情數(shù)據(jù)庫、工情數(shù)據(jù)庫、水資源數(shù)據(jù)庫、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、匯集、查詢和分析等功能。在水利一張圖的基礎(chǔ)上，疊加上專題圖以及業(yè)務(wù)應(yīng)用圖，實(shí)現(xiàn)水利數(shù)據(jù)的二、三維一體的可視化展示。

通過水利一張圖的全面建設(shè)，能夠最大化提升各類水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)成果的利用率及直觀性，通過將不同格式數(shù)據(jù)所需的地理信息服務(wù)(圖形瀏覽、定位查詢、空間分析等)、屬性查詢、統(tǒng)計(jì)分析、專題圖件發(fā)布等服務(wù)加以封裝，建立標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)專題業(yè)務(wù)模塊的服務(wù)化、組件化、模型化管理，以信息化帶動(dòng)管理精細(xì)化，從而實(shí)現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)共享。

3.2 水資源管理子系統(tǒng)

水資源管理子系統(tǒng)是基于水資源網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集平臺(tái)建設(shè)的綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，為水資源信息服務(wù)以及水資源業(yè)務(wù)管理提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)框架。

(1) 綜合信息管理。將水資源管理和決策過程中需要的各種信息(包括雨情、水情、取水許可與水資源費(fèi)征收、地下水、計(jì)劃用水、節(jié)約用水、水功能區(qū)、水源地等信息)組織起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類水利要素諸如空間位置分布、名稱、所在行政區(qū)、所在河流等基本信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)查詢和管理，提供地圖展示、瀏覽、定位和查詢等功能。水資源費(fèi)征收管理界面如圖4所示。

圖4 水資源費(fèi)征收管理界面Fig.4 Interface of water resource fee collection management

(2) 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警。對(duì)管轄范圍內(nèi)的水資源進(jìn)行智能監(jiān)控，設(shè)置預(yù)警閾值，對(duì)于超量取排水以及水量、水位、水質(zhì)相關(guān)參數(shù)超標(biāo)等問題及時(shí)排查、及時(shí)預(yù)警，有效提升水資源管理的水平。生存流量監(jiān)控界面如圖5所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了取水許可、水功能區(qū)、水庫水源地、水利風(fēng)景區(qū)、水廠、渠道及水資源費(fèi)征收等業(yè)務(wù)的精細(xì)化管理，建立了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，完善了水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及生態(tài)下泄流量監(jiān)控，設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳遞到終端平臺(tái)進(jìn)行智能計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，進(jìn)而提高水資源監(jiān)管能力。

3.3 水利工程管理子系統(tǒng)

水利工程管理子系統(tǒng)是通過整合水利工程數(shù)據(jù)庫以及其它一些相關(guān)信息建立的管理系統(tǒng)。水利工程管理界面如圖6所示。

圖5 生態(tài)流量監(jiān)控界面Fig.5 Interface of ecological flow monitoring

圖6 水利工程管理界面Fig.6 Interface of water project management

(1) 項(xiàng)目管理。以地圖POI形式對(duì)所有建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行管理，可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行快速查詢定位，并且能夠查看項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的基本信息，提供當(dāng)前項(xiàng)目進(jìn)度展示功能。

(2) 資料管理。對(duì)水利工程項(xiàng)目文件材料進(jìn)行管理，收集、保存有價(jià)值的文字、聲像及圖表，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目資料的電子歸檔，對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)情況進(jìn)行整體把握，歸檔后員工可以按照權(quán)限取用，從單位層面實(shí)現(xiàn)核心資料的管控。

(3) 資金管理。對(duì)資金來源、使用情況、撥付審核等情況加以管理，可快速查詢資金信息、使用情況及項(xiàng)目計(jì)劃等，并且能夠?qū)ο嚓P(guān)的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理、資料管理及資金管理等功能，從而提高用戶的工作效率和管理水平。

3.4 采砂管理子系統(tǒng)

采砂管理子系統(tǒng)是采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、傳感器、無線傳輸數(shù)據(jù)(GPRS)、數(shù)碼攝像(DC)、Web、數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)，針對(duì)沙縣管轄區(qū)域內(nèi)河道采砂船動(dòng)態(tài)監(jiān)控的需求，從河道采砂管理部門的實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)的基于WebGIS的數(shù)字信息采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、可視化及輸入輸出的軟硬件技術(shù)平臺(tái)。采砂管理界面如圖7所示。

(1) 采砂船管理。24 h連續(xù)不斷提供被監(jiān)控船舶的位置信息，可通過對(duì)船舶點(diǎn)名查看、設(shè)置形態(tài)、定時(shí)發(fā)送、報(bào)警發(fā)送等多種方式獲得靜態(tài)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息[15]。管理者可以查看采砂船的屬性信息，如船名、采砂功率、吸砂管徑、抓斗容量、作業(yè)方式、采砂許可證、所屬采砂區(qū)等，還能對(duì)船舶歷史行程情況進(jìn)行查詢和回放。

圖7 采砂管理界面Fig.7 Interface of sand mining management

(2) 采砂區(qū)管理?？稍陔娮拥貓D中繪制報(bào)警區(qū)域(如禁采區(qū))，船舶一旦進(jìn)入報(bào)警區(qū)域，控制中心會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提示管理人員進(jìn)行處理。

系統(tǒng)的運(yùn)行為河道管理提供了便利，全方位改善了河道采砂管理，提高了河道采砂管理工作的效率。

3.5 水利視頻管理子系統(tǒng)

水利視頻管理子系統(tǒng)能達(dá)到無人值班、少人值守的要求，視頻監(jiān)控系統(tǒng)是自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充。水利視頻管理界面如圖8所示。

圖8 水利視頻管理界面Fig.8 Interface of water conservancy video management

(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控中心可對(duì)各個(gè)單位的監(jiān)控圖像實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)看，能方便、迅速地對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)的圖像、聲音、各種報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行訪問和控制。支持多通道視頻點(diǎn)播，可選擇查看多路實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻進(jìn)行多畫面同步監(jiān)控。

(2) 錄像管理。用戶能夠按照指定設(shè)備、通道、時(shí)間、報(bào)警信息等要素，對(duì)存放在DVR、NVR和集中存儲(chǔ)設(shè)備中的海量錄像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速檢索。系統(tǒng)提供4路錄像文件同步回放的服務(wù)功能，支持正常播放、快速播放、慢速播放、逐幀播放、畫面暫停、進(jìn)度拖放、圖像抓拍等操作，支持回放圖像的縮放及全屏顯示，支持錄像文件的批量下載，可將中心存儲(chǔ)服務(wù)器和DVR、NVR上的視頻錄像文件下載到客戶終端本地磁盤上進(jìn)行備份。

系統(tǒng)利用寬帶網(wǎng)絡(luò)將獨(dú)立、分散的視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)段、跨區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理以及資源共享，為管理決策者提供一種擴(kuò)大視覺和聽覺范圍的直觀管理工具，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控和調(diào)度，使生產(chǎn)、調(diào)控運(yùn)行更為高效、安全。

4 結(jié) 語

在“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的總體工作基調(diào)下，水利信息化建設(shè)顯得尤為重要。本文以福建省沙縣智慧水利信息平臺(tái)為例，論述了“智慧水利”的構(gòu)建思路及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立了一套集可視化、數(shù)字化、信息化、智能化于一體的綜合管理體系，促進(jìn)了沙縣水利信息化的發(fā)展，提升了水利行業(yè)監(jiān)管能力，具體體現(xiàn)在：① 將轄區(qū)內(nèi)水利數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了數(shù)字化整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理與三維應(yīng)用展示，進(jìn)一步奠定水資源精細(xì)化管理的基礎(chǔ)，提高信息共享和綜合應(yīng)用水平；② 采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)、重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行智能監(jiān)控，對(duì)超過警戒值的區(qū)域進(jìn)行告警提示，使管理者可以及時(shí)、快速、高效地處理應(yīng)對(duì)和指揮調(diào)度。