徐 健,李 國 忠,徐 堅,肖 瀟,趙 保 成,付珺琳
(長江科學(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。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)運而生。
“智慧水利”依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及3S等科技手段,實現(xiàn)水利信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、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,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),通過計算機網(wǎng)絡(luò),將多源異構(gòu)的空間地理數(shù)據(jù)按照一定的運行機制進行組織、管理并發(fā)布,提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、專題查詢及統(tǒng)計分析等功能,實現(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象,進行智慧水利信息平臺的設(shè)計與實現(xiàn)。
平臺在充分整合現(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)化的水利信息平臺架構(gòu)體系,包括數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)管理層、服務(wù)層、接口層、認證層、應(yīng)用層和運營管理層等[3],總體框架如圖1所示。
(1) 數(shù)據(jù)存儲層是指數(shù)據(jù)庫的物理存儲層,包括工程項目數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、水雨情數(shù)據(jù)、水土保持數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)等。
(2) 數(shù)據(jù)管理層是指對數(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)層是指對數(shù)據(jù)庫進行服務(wù)封裝的層,通過數(shù)據(jù)及信息服務(wù)引擎實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的服務(wù)功能。
(4) 接口層是指在服務(wù)層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對數(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、水土保持數(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)一認證接口,通過項目設(shè)計統(tǒng)一的用戶管理及認證機制,實現(xiàn)對用戶的統(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)運營管理層是針對整個硬件、數(shù)據(jù)及軟件的安全運行管理,主要包括安全管理、服務(wù)管理、日志管理、統(tǒng)計分析等[5]。
WebGIS是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來完善和優(yōu)化傳統(tǒng)GIS的一項新興技術(shù),其核心在于采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)Internet環(huán)境下的空間信息管理及發(fā)布,以實現(xiàn)空間信息的操作及共享。WebGIS基于B/S架構(gòu),可以實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式部署,通過因特網(wǎng)實現(xiàn)服務(wù)器端與客戶端之間的互聯(lián)互通??蛻舳瞬捎肳eb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),并進行各種空間檢索及分析[6-7]。
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,是目前比較先進的輕量級3D繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),它通過給OpenGLES2.0增加JavaScript綁定,實現(xiàn)JavaScript和OpenGLES2.0的結(jié)合,進而為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染,最終實現(xiàn)基于Web瀏覽器的三維系統(tǒng)開發(fā)及跨平臺應(yīng)用[8-9]。
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,它簡潔靈活,讓前端開發(fā)更快速、簡單,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、平板及手機設(shè)備,真正實現(xiàn)跨平臺自適應(yīng),使一個網(wǎng)頁可以在不同終端設(shè)備、不同分辨率下自動調(diào)整頁面布局,以達到最優(yōu)客戶端顯示效果[10]。
ECharts是百度推出的一款可視化開源開發(fā)框架,基于HTML5 Canvas,是一個純JavaScript圖表庫,底層依賴輕量級的矢量圖形庫ZRender,提供直觀、生動、可交互、可個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算等特性大大增強了用戶體驗,通過配置項的設(shè)置,就可以控制數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式和視覺效果,強化了用戶對數(shù)據(jù)進行挖掘、整合的能力。大數(shù)據(jù)時代來臨,ECharts給重新定義數(shù)據(jù)圖表提供了完美的工具[11-12]。
SpringBoot是一個由Pivotal團隊提供的用于簡化Spring開發(fā)的框架,約定大于配置,去繁就簡,使Spring的開發(fā)能更快的上手[13],優(yōu)點主要體現(xiàn)在:① 快速創(chuàng)建獨立運行的Spring項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自動依賴及版本控制;④ 大量的自動配置,簡化開發(fā),也可修改默認值;⑤ 無需配置xml,無代碼生成,開箱即用;⑥ 準(zhǔn)生產(chǎn)環(huán)境的運行時應(yīng)用監(jiān)控;⑦ 與云計算的天然集成。
水利一張圖子系統(tǒng)是開展水利業(yè)務(wù)活動的地圖載體及相關(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行平臺[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),為項目落實提供精確定位,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、水土保持數(shù)據(jù)庫、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫等,實現(xiàn)對水利相關(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)機制,實現(xiàn)專題業(yè)務(wù)模塊的服務(wù)化、組件化、模型化管理,以信息化帶動管理精細化,從而實現(xiàn)信息共享、數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)共享。
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征收、地下水、計劃用水、節(jié)約用水、水功能區(qū)、水源地等信息)組織起來,實現(xiàn)對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行動態(tài)查詢和管理,提供地圖展示、瀏覽、定位和查詢等功能。水資源費征收管理界面如圖4所示。
圖4 水資源費征收管理界面Fig.4 Interface of water resource fee collection management
(2) 智能監(jiān)測預(yù)警。對管轄范圍內(nèi)的水資源進行智能監(jiān)控,設(shè)置預(yù)警閾值,對于超量取排水以及水量、水位、水質(zhì)相關(guān)參數(shù)超標(biāo)等問題及時排查、及時預(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、渠道及水資源費征收等業(yè)務(wù)的精細化管理,建立了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò),完善了水資源實時監(jiān)測及生態(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)傳遞到終端平臺進行智能計算,實現(xiàn)對目標(biāo)的監(jiān)測預(yù)警,進而提高水資源監(jiān)管能力。
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) 項目管理。以地圖POI形式對所有建設(shè)項目進行管理,可對項目進行快速查詢定位,并且能夠查看項目對應(yīng)的基本信息,提供當(dāng)前項目進度展示功能。
(2) 資料管理。對水利工程項目文件材料進行管理,收集、保存有價值的文字、聲像及圖表,實現(xiàn)對工程項目資料的電子歸檔,對工程項目建設(shè)情況進行整體把握,歸檔后員工可以按照權(quán)限取用,從單位層面實現(xiàn)核心資料的管控。
(3) 資金管理。對資金來源、使用情況、撥付審核等情況加以管理,可快速查詢資金信息、使用情況及項目計劃等,并且能夠?qū)ο嚓P(guān)的信息進行統(tǒng)計分析。
系統(tǒng)實現(xiàn)了項目管理、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。
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),針對沙縣管轄區(qū)域內(nèi)河道采砂船動態(tài)監(jiān)控的需求,從河道采砂管理部門的實際出發(fā),設(shè)計的基于WebGIS的數(shù)字信息采集、處理、傳輸、存儲、可視化及輸入輸出的軟硬件技術(shù)平臺。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,可通過對船舶點名查看、設(shè)置形態(tài)、定時發(fā)送、報警發(fā)送等多種方式獲得靜態(tài)或動態(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,還能對船舶歷史行程情況進行查詢和回放。
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中繪制報警區(qū)域(如禁采區(qū)),船舶一旦進入報警區(qū)域,控制中心會自動進行報警,提示管理人員進行處理。
系統(tǒng)的運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。
水利視頻管理子系統(tǒng)能達到無人值班、少人值守的要求,視頻監(jiān)控系統(tǒng)是自動化監(jiān)控系統(tǒng)的補充。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) 遠程監(jiān)控。監(jiān)控中心可對各個單位的監(jiān)控圖像實現(xiàn)遠程監(jiān)看,能方便、迅速地對遠程監(jiān)控點的圖像、聲音、各種報警信號等進行訪問和控制。支持多通道視頻點播,可選擇查看多路實時網(wǎng)絡(luò)視頻進行多畫面同步監(jiān)控。
(2) 錄像管理。用戶能夠按照指定設(shè)備、通道、時間、報警信息等要素,對存放在DVR、NVR和集中存儲設(shè)備中的海量錄像數(shù)據(jù)進行快速檢索。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行備份。
系統(tǒng)利用寬帶網(wǎng)絡(luò)將獨立、分散的視頻監(jiān)測點位進行聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)同網(wǎng)段、跨區(qū)域的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理以及資源共享,為管理決策者提供一種擴大視覺和聽覺范圍的直觀管理工具,實現(xiàn)可視化監(jiān)控和調(diào)度,使生產(chǎn)、調(diào)控運行更為高效、安全。
在“水利工程補短板,水利行業(yè)強監(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為例,論述了“智慧水利”的構(gòu)建思路及實踐經(jīng)驗,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)信息進行了數(shù)字化整合,實現(xiàn)對信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理與三維應(yīng)用展示,進一步奠定水資源精細化管理的基礎(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)對重點監(jiān)控點、重點區(qū)域進行智能監(jiān)控,對超過警戒值的區(qū)域進行告警提示,使管理者可以及時、快速、高效地處理應(yīng)對和指揮調(diào)度。