空間信息技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用回顧與展望

鄭學(xué)東

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010; 2.武漢市智慧流域工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

空間信息技術(shù)(Spatial Information Technology)是20世紀(jì)60年代興起的一門(mén)新興技術(shù)，并在我國(guó)得到迅速發(fā)展?？臻g信息技術(shù)的核心包括“3S”技術(shù)，即衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)[1]。目前空間信息技術(shù)已不僅僅只包括傳統(tǒng)的“3S”技術(shù)，還與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、BIM(建筑信息模型)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在防汛抗旱、流域生態(tài)演變、大型水利工程全生命周期管理、水利普查、河湖水庫(kù)“清四亂”、智慧流域綜合管理平臺(tái)建設(shè)、流域規(guī)劃管理等領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應(yīng)用。

“3S”技術(shù)包括遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)，是在對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中貫穿空間信息數(shù)據(jù)獲取、分析、管理和更新全過(guò)程的重要技術(shù)。其中，遙感是通過(guò)遠(yuǎn)程電磁波特性的觀測(cè)手段，具有可遠(yuǎn)程探測(cè)、動(dòng)態(tài)性、高分辨率和多類(lèi)型傳感器的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。早期全球定位系統(tǒng)特指美國(guó)國(guó)防部研制的一種全天候的，空間基準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶(hù)段三部分組成，該系統(tǒng)已建成了覆蓋全球的衛(wèi)星，廣泛應(yīng)用于軍事和民用多個(gè)領(lǐng)域；隨著無(wú)線(xiàn)電空間定位系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)已成為一個(gè)廣義定義，包括美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略以及我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；目前我國(guó)自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)已完成全面組網(wǎng)，并在2020年正式提供全球服務(wù)，在國(guó)土資源、氣象測(cè)報(bào)、地震預(yù)報(bào)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，現(xiàn)與三大系統(tǒng)并稱(chēng)全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。地理信息系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)門(mén)管理、使用地理信息數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，其主要特點(diǎn)是對(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、分級(jí)、分層管理、組合、分析、處理等，以及通過(guò)二維、三維形式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，其優(yōu)點(diǎn)在于可以通過(guò)計(jì)算機(jī)將所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始映射。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已在水利行業(yè)各項(xiàng)業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用。

目前，以物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的新興技術(shù)飛速發(fā)展，正在全球范圍內(nèi)引發(fā)新一輪科技革命。新一代信息技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用將帶來(lái)革命性影響，強(qiáng)有力地推動(dòng)水利現(xiàn)代化進(jìn)程。這些新興技術(shù)的發(fā)展，提升了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、整理、存儲(chǔ)、分析和共享水利多源數(shù)據(jù)和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，并催生了水利行業(yè)發(fā)展新業(yè)態(tài)。

2 空間信息技術(shù)水利行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景

流域綜合管理信息化、智慧化是當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。空間信息技術(shù)和新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為水利行業(yè)帶來(lái)新變革。以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、5G為代表的新技術(shù)新業(yè)態(tài)迅速興起，不斷推動(dòng)水利行業(yè)發(fā)生深刻變革。

“智慧流域”是“智慧地球”的衍生概念。作為智慧地球的具體體現(xiàn)形式之一，智慧流域是流域信息化發(fā)展的高級(jí)階段。在“智慧流域”新理念、新市場(chǎng)、新契機(jī)和新需求的強(qiáng)烈沖擊下，空間信息技術(shù)以其多尺度、多維度、一站式、高效效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)將在“智慧流域”綜合管理中發(fā)揮巨大作用?？臻g信息技術(shù)與新一代信息技術(shù)融合，構(gòu)建航天、低空、水面、水下、地面、地下的“空-天-水-地”多平臺(tái)、多載體水利數(shù)據(jù)獲取技術(shù)體系與框架，集成多智能化傳感器，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與防洪除澇減災(zāi)、防旱抗旱調(diào)度、水資源綜合配置、水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)、水土保持、水利綜合管理等領(lǐng)域深度融合，實(shí)現(xiàn)流域信息全面實(shí)時(shí)感知、海量數(shù)據(jù)信息高效處理和可視化智能分析等，將助推水利行業(yè)新發(fā)展，為后水電時(shí)代傳統(tǒng)水利行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)注入了新動(dòng)能。

2.1 防汛抗旱減災(zāi)

我國(guó)東部位于東亞季風(fēng)區(qū)，受獨(dú)特地形地貌和氣候條件影響，是世界上受氣象災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一[3]。在眾多氣象災(zāi)害中，洪澇和干旱是影響面最廣、損失最大的兩大類(lèi)型災(zāi)害。

防汛抗旱工作事關(guān)百姓生命財(cái)政安全，影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。防汛抗旱部門(mén)擁有海量的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，如雨情、水情、旱情、工情、災(zāi)情、險(xiǎn)情、氣象等實(shí)時(shí)信息，以及相關(guān)的地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。這些海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)分散在不同業(yè)務(wù)部門(mén)，難以共享和協(xié)同化分析，導(dǎo)致信息資源利用率低，政府和決策部門(mén)工作效率低。

目前，空間信息技術(shù)和新一代信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于防汛抗旱減災(zāi)的各個(gè)方面。同時(shí)，隨著智能水網(wǎng)等概念的提出，科研人員運(yùn)用3S技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等，構(gòu)建了一系列防汛抗旱指揮系統(tǒng)，我國(guó)防汛抗旱減災(zāi)工作步入互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代。

在實(shí)際應(yīng)用中，基于水利部搭建的水利基礎(chǔ)設(shè)施云、全國(guó)水利“一張圖”、眾源地理數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資源，結(jié)合衛(wèi)星通訊網(wǎng)和移動(dòng)通訊網(wǎng)，構(gòu)建了“數(shù)字防汛”“數(shù)字抗旱”體系，從決策支持、預(yù)案管理、洪水演進(jìn)、撤離路線(xiàn)規(guī)劃、數(shù)據(jù)調(diào)查、災(zāi)情上報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)通訊等方面實(shí)現(xiàn)防汛抗旱指揮的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、即時(shí)化、互動(dòng)化[4-6]。同時(shí)，在新一代信息技術(shù)的支持下，推進(jìn)數(shù)據(jù)信息感知(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)更新(大數(shù)據(jù)技術(shù))、數(shù)據(jù)多維分析(數(shù)據(jù)挖掘技術(shù))、決策支持(無(wú)人機(jī)技術(shù))、情景精細(xì)化模擬(三維GIS)、模擬專(zhuān)家預(yù)測(cè)(人工智能)、水位和旱情智能識(shí)別(圖像識(shí)別技術(shù))等，可進(jìn)一步提高防汛抗旱指揮的科學(xué)化、智慧化、共享化水平。

2.2 水利工程全生命周期管理

伴隨水利業(yè)務(wù)擴(kuò)展、智慧化體系推進(jìn)，水利工程建設(shè)與管理工作需要不斷自我創(chuàng)新，逐步將自動(dòng)化、智能化和智慧化的方向發(fā)展[7-8]。

不管在水利工程建設(shè)與管理的哪個(gè)階段，都會(huì)涉及到海量、類(lèi)型繁雜的數(shù)據(jù)，且隨著工程的推進(jìn)和運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，這些數(shù)據(jù)將呈海量態(tài)勢(shì)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的報(bào)表性管理方式已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化管理需求。區(qū)塊鏈技術(shù)的引入將很好地解決這一難題。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本，數(shù)據(jù)塊一旦經(jīng)過(guò)確認(rèn)上鏈后就很難篡改，且?guī)в袝r(shí)間戳，可完整映射數(shù)據(jù)全生命過(guò)程，可信任性和安全性很高，其特性與水利工程全生命周期數(shù)據(jù)的管理與存檔需要有較高耦合性。

而云平臺(tái)、GIS、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入與綜合應(yīng)用有助于水利工程運(yùn)管階段中涉及的多源要素采集和更新優(yōu)化，同時(shí)集成互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等多類(lèi)型通訊手段傳輸信息資源，全面有效地管理和存儲(chǔ)水利工程各階段的數(shù)據(jù)和信息資源，再利用云計(jì)算中心、專(zhuān)家智庫(kù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析，最終通過(guò)局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)或者云服務(wù)平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)水利工程智慧化運(yùn)行管理。

2.3 水利工程對(duì)生態(tài)環(huán)境影響監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

我國(guó)在環(huán)境發(fā)展報(bào)告中對(duì)我國(guó)水生態(tài)環(huán)境和水利建設(shè)作出了中肯的分析，指出我國(guó)的大型水利項(xiàng)目導(dǎo)致了生態(tài)負(fù)效應(yīng)[9]。因此，對(duì)水利工程全生命周期過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響監(jiān)測(cè)與評(píng)估就顯得尤為重要。

全生命周期、全鏈條的水利工程環(huán)境影響監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作對(duì)基礎(chǔ)信息的實(shí)時(shí)性、高效性有一定要求，空間信息技術(shù)和新一代信息技術(shù)為其提供了基本保障。

在水利工程建成投入運(yùn)行后，由于大壩對(duì)河流的截流和控流，下游水量減少，水體自?xún)裟芰档?，易在回水區(qū)、庫(kù)灣發(fā)生突發(fā)水污染事件，針對(duì)這些區(qū)域應(yīng)開(kāi)展長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。傳統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測(cè)方式通常為點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)，結(jié)果具有一定局限性，而基于遙感技術(shù)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)具有大范圍、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在快速分析河湖水庫(kù)水質(zhì)變化趨勢(shì)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)GIS技術(shù)，可開(kāi)展水質(zhì)變化趨勢(shì)演變、水污染走向預(yù)測(cè)等。同樣，空間信息技術(shù)也可在岸線(xiàn)淤蝕變化特征分析工作發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

此外，針對(duì)水電清潔能源溫室氣體減排效益評(píng)估工作中，通過(guò)常規(guī)的點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估大壩建設(shè)和水庫(kù)反周期蓄水等人類(lèi)活動(dòng)向水庫(kù)水體輸入碳物質(zhì)對(duì)區(qū)域溫室氣體同類(lèi)時(shí)空分布模式產(chǎn)生的影響和擾動(dòng)。因此，結(jié)合空間信息技術(shù)和新一代信息技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)遙感反演、地面觀測(cè)和原位實(shí)驗(yàn)構(gòu)建立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展水庫(kù)溫室氣體源匯變化研究，從而定量評(píng)估碳物質(zhì)輸送數(shù)量與途徑。

2.4 河湖管理工作

河湖管理保護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及上下游、左右岸、不同行政區(qū)域和行業(yè)。為維護(hù)河湖健康生命、保障國(guó)家水安全，2016年國(guó)家出臺(tái)了河長(zhǎng)制的相關(guān)文件，河長(zhǎng)制在全國(guó)范圍內(nèi)全面推行。

空間信息技術(shù)和新一代信息技術(shù)為基于“河(湖)長(zhǎng)制”的河湖管理提供了新思路、新方法。多地開(kāi)展了河長(zhǎng)制管理信息平臺(tái)建設(shè)工作，將河湖管理工作與3S技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新時(shí)代的信息技術(shù)力量相結(jié)合，通過(guò)天上看、地上查、民眾報(bào)等形式，將河湖管理工作由線(xiàn)下制度管理轉(zhuǎn)為線(xiàn)上管理、民眾監(jiān)督的形式，借助平臺(tái)消除河湖管理盲區(qū)，打破傳統(tǒng)管護(hù)壁壘，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、共享化、全民參與的河湖管理模式[10-17]。

基于“3S”技術(shù)和新一代信息技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，全方位為河湖管理業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐：①基礎(chǔ)信息管理，通過(guò)整合已有數(shù)據(jù)資源，匯集流域內(nèi)江河庫(kù)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、涉河水利工程數(shù)據(jù)、地方河湖長(zhǎng)管理制度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)河湖庫(kù)的信息查詢(xún)；②涉河湖工程項(xiàng)目信息管理，基于地理信息平臺(tái)和三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域涉河工程多維信息協(xié)同管理，及河湖庫(kù)岸線(xiàn)、劃界動(dòng)態(tài)監(jiān)管；③采砂監(jiān)管，集成無(wú)人機(jī)巡河/湖、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、遙感智能識(shí)別等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)河段、敏感水域的全方位智能監(jiān)視及數(shù)據(jù)傳輸，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采砂、沿河作業(yè)船只、沿岸堆砂場(chǎng)等；④“清四亂”常態(tài)化監(jiān)管，通過(guò)音視頻傳輸、圖像智能識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)輿情爬取等技術(shù)，為督查處理方案提供數(shù)據(jù)依據(jù)，提高“四亂”現(xiàn)象監(jiān)管時(shí)效性。增強(qiáng)河湖監(jiān)管的針對(duì)性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性，有效推動(dòng)河湖生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，為強(qiáng)監(jiān)管提供更加現(xiàn)代化、智能化、信息化的技術(shù)支撐。

2.5 水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

自20世紀(jì)80年代遙感、GIS、圖像識(shí)別技術(shù)被引入水土流失調(diào)查工作后，通過(guò)遙感影像開(kāi)展水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作就成為了常態(tài)[18-23]。

融合地面監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)、遙感影像監(jiān)測(cè)等手段，通過(guò)人機(jī)交互方式，水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了年度全國(guó)范圍全覆蓋，監(jiān)測(cè)成果越來(lái)越深化、細(xì)化，空間信息技術(shù)對(duì)水土保持工作的支撐作用越來(lái)越強(qiáng)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成效持續(xù)發(fā)展。在新一代信息技術(shù)的支持下，建成了全國(guó)水土保持信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“一級(jí)部署，五級(jí)應(yīng)用”管理模式。該系統(tǒng)包含監(jiān)督管理、綜合治理和監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)三大子系統(tǒng)，保證了“同一張圖”上的水土保持信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同；建設(shè)了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)督管理數(shù)據(jù)庫(kù)、綜合治理數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)和遙感監(jiān)管數(shù)據(jù)庫(kù)，保證了系統(tǒng)的可持續(xù)性。為全面提升水土保持工作信息化水平，開(kāi)展水土流失自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及信息化管理，水土環(huán)境脆弱地區(qū)土壤評(píng)估，水土流失情況預(yù)測(cè)等工作提供技術(shù)支撐[24-26]。

在水利信息化持續(xù)推進(jìn)大背景下，“3S”、移動(dòng)通信、智能終端、遙感遙測(cè)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段在水土保持工作中加大應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)物理水土保持與數(shù)字水土保持全要素動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、暢通信息交互和深度融合，大力提升水土保持工作的信息化、數(shù)字化、智能化水平，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、綜合治理規(guī)劃、水土流失智能防治、水土保持措施成效智慧評(píng)價(jià)等，為防治水土流失、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

3 應(yīng)用研究成果

自2005年起，長(zhǎng)江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所(后簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)科院空間所)就開(kāi)始基于GIS、遙感、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代高新技術(shù)，探索水利業(yè)務(wù)智慧化管理模式，促進(jìn)空間信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)多維融合。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在智慧流域信息管理與決策支持平臺(tái)研發(fā)、空天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建、流域水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)與應(yīng)急管理等工作中取得了一系列優(yōu)秀成果。

3.1 “智慧流域”信息管理與決策支持平臺(tái)建設(shè)

從精細(xì)化、流程化、模式化、標(biāo)準(zhǔn)化需求出發(fā)，在智慧水利信息平臺(tái)研發(fā)方面開(kāi)展了多項(xiàng)研究與實(shí)踐。通過(guò)研究智慧水利綜合業(yè)務(wù)管理框架體系，結(jié)合基于時(shí)間維度的空間信息技術(shù)，形成了新一代信息技術(shù)下的水利綜合業(yè)務(wù)信息化建設(shè)思路，建立時(shí)間和空間相結(jié)合的智慧水利綜合管理系統(tǒng)，對(duì)各類(lèi)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以及成果數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)管理全過(guò)程跟蹤管理，推進(jìn)了智慧水利關(guān)鍵性技術(shù)研究進(jìn)展。

自主研發(fā)的流域綜合管理精細(xì)化與智能化管理平臺(tái)，水災(zāi)害應(yīng)急決策支持平臺(tái)，水環(huán)境管理平臺(tái)，地災(zāi)預(yù)警平臺(tái)、水利大數(shù)據(jù)共享管理平臺(tái)等已實(shí)際應(yīng)用于多項(xiàng)水利業(yè)務(wù)工作中。相關(guān)成果獲得多項(xiàng)省部級(jí)科技獎(jiǎng)項(xiàng)，并推廣至多個(gè)水利業(yè)務(wù)管理部門(mén)，在水利綜合管理工作中發(fā)揮著重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[27-31]。

典型案例分述如下：

(1)廣州市增城區(qū)水利信息化綜合管理平臺(tái)。以現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字流域、云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、地理信息工程等技術(shù)手段為基礎(chǔ)，研發(fā)了增城區(qū)水利綜合管理平臺(tái)。平臺(tái)整合增城區(qū)水務(wù)局內(nèi)外資源，提升了不同子信息系統(tǒng)利用效率；集成的三維地形展示和實(shí)時(shí)視頻傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了跨網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)頁(yè)端在線(xiàn)播放，提高了視頻監(jiān)控管理能力；配備的移動(dòng)APP，構(gòu)建了移動(dòng)端互聯(lián)網(wǎng)+水利信息化的管理模式，有效地提升了日常工作效率、降低了行政管理成本。

(2)長(zhǎng)江流域野外觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。長(zhǎng)江流域野外觀測(cè)站數(shù)據(jù)共享平臺(tái)是新一代野外觀測(cè)數(shù)據(jù)共享門(mén)戶(hù)，平臺(tái)致力于消除野外觀測(cè)數(shù)據(jù)管理中存在的孤島現(xiàn)象，解決信息不對(duì)稱(chēng)造成的數(shù)據(jù)獲取困難。該平臺(tái)系統(tǒng)可提供對(duì)長(zhǎng)江流域野外觀測(cè)數(shù)據(jù)集的目錄發(fā)布、數(shù)據(jù)共享及信息獲取功能，為長(zhǎng)江流域及其他水利行業(yè)的數(shù)據(jù)管理提供基礎(chǔ)平臺(tái)支撐和數(shù)據(jù)互操作理論支持。

(3)洞庭湖防洪蓄洪系統(tǒng)。首次將激光LiDAR(激光探測(cè)及測(cè)距)技術(shù)引入水利行業(yè)。通過(guò)激光LiDAR采集該區(qū)域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，結(jié)合已有的工程、人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用等數(shù)據(jù)，建立“數(shù)字洞庭湖”示范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下的圍垸各類(lèi)數(shù)據(jù)瀏覽、查詢(xún)和分析；系統(tǒng)集成洪水演進(jìn)模型，實(shí)現(xiàn)了試點(diǎn)區(qū)域分洪淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)分析，災(zāi)情評(píng)估和制定災(zāi)民撤退方案制定，為洞庭湖防洪蓄洪提供可視化決策支持。

(4)水利工程建管系統(tǒng)。利用遙感、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，為鄂北水資源配置工程建設(shè)與管理局構(gòu)建了項(xiàng)目建設(shè)管理信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以水利工程建設(shè)管理相關(guān)規(guī)程規(guī)范為基礎(chǔ)，基于Web的水利工程建設(shè)全過(guò)程管理標(biāo)準(zhǔn)信息庫(kù)，類(lèi)似成果成功運(yùn)用到云南省阿崗水庫(kù)工程建設(shè)管理信息系統(tǒng)建設(shè)工作中。

3.2 空天地一體化監(jiān)測(cè)

“空天地一體化”監(jiān)測(cè)是融合衛(wèi)星遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)、人工作業(yè)、信息平臺(tái)等多元監(jiān)測(cè)、信息整合手段的“立體監(jiān)測(cè)”系統(tǒng)。

長(zhǎng)科院空間所綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、機(jī)載/車(chē)載LiDAR等新技術(shù)構(gòu)建“空天地水”立體感知體系。深入研究了時(shí)空連續(xù)多元信息獲取途徑分析、時(shí)空連續(xù)多元信息傳輸體系、數(shù)據(jù)組織索引模型、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用與軟件平臺(tái)研發(fā)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影及三維建模、移動(dòng)式水質(zhì)多參數(shù)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備等內(nèi)容，提出了消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影及三維建模技術(shù)，自主研發(fā)了全要素水文監(jiān)測(cè)智能無(wú)人船裝備與技術(shù)，針對(duì)水土流失的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，以及水庫(kù)水體溫室氣體源匯變化監(jiān)測(cè)方法等，形成了從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)生產(chǎn)、信息系統(tǒng)、模型計(jì)算到結(jié)果評(píng)估的完整解決方案。在三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查、小流域山洪災(zāi)害調(diào)查、水土保持監(jiān)測(cè)、移民實(shí)物指標(biāo)調(diào)查、水庫(kù)遙感執(zhí)法與監(jiān)測(cè)、河湖庫(kù)岸線(xiàn)巡查、大比例尺地形圖測(cè)繪、水利設(shè)施三維建模、水資源調(diào)查、河湖庫(kù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水庫(kù)溫室氣體源匯變化監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域均取得了很好的應(yīng)用效果[19,23,32-41]。

典型案例分述如下：

(1)衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水政執(zhí)法。綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)和GPS測(cè)量技術(shù)等開(kāi)展水政執(zhí)法遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作，同步研發(fā)了“長(zhǎng)江流域衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”平臺(tái)。建立了新型水政監(jiān)察工作模式，推動(dòng)水行政執(zhí)法業(yè)務(wù)工作的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化等方面進(jìn)行了有益的探索，對(duì)推進(jìn)依法治水，對(duì)加快流域水資源嚴(yán)格管理及加大水行政執(zhí)法能力等方面具有非常重大的意義。

(2)湖庫(kù)溫室氣體立體監(jiān)測(cè)。聚焦湖庫(kù)溫室氣體源匯變化重大問(wèn)題開(kāi)展了一系列的科學(xué)研究，開(kāi)展了湖庫(kù)溫室氣體觀測(cè)工作，積累了大量寶貴的原位觀測(cè)資料，建立了基于衛(wèi)星遙感與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合湖庫(kù)溫室氣體立體監(jiān)測(cè)體系。在三峽水庫(kù)溫室氣體源匯通量變化分析、清江流域梯級(jí)水庫(kù)溫室氣體源匯變化機(jī)理與高原河流湖泊碳物質(zhì)輸送遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制等方面取得了豐碩成果，為厘清以三峽水庫(kù)為代表的長(zhǎng)江流域梯級(jí)水庫(kù)溫室氣體源匯變化基本規(guī)律、水電清潔能源可持續(xù)發(fā)展、高原河湖氣候變化響應(yīng)機(jī)制等方面提供了支撐。

(3)水環(huán)境立體監(jiān)測(cè)研究及應(yīng)用?；谶b感技術(shù)，在巢湖、武漢東湖、丹江口水庫(kù)、漢江中下游重點(diǎn)河段和可可西里區(qū)域高原湖泊群開(kāi)展了水環(huán)境立體監(jiān)測(cè)工作及湖泊面積變化遙感監(jiān)測(cè)工作，評(píng)估了大型湖泊水環(huán)境、重點(diǎn)水庫(kù)、河流水質(zhì)狀況，湖泊、河流岸線(xiàn)變化情況，為及時(shí)了解湖泊、水庫(kù)水體污染狀況，岸線(xiàn)變化趨勢(shì)，為預(yù)防和控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生和發(fā)展提供必要依據(jù)，為河湖庫(kù)岸線(xiàn)整治工作做輔助支撐，為無(wú)資料高原區(qū)域采集了寶貴的基礎(chǔ)資料。

3.3 流域水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)與應(yīng)急管理

空間信息技術(shù)對(duì)于重大自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與評(píng)估具有特殊的優(yōu)勢(shì)和潛力，尤其是對(duì)水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估與應(yīng)急管理。長(zhǎng)科院空間所運(yùn)用數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，開(kāi)展流域水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)與應(yīng)急管理相關(guān)技術(shù)研究。形成了洪水快速模擬技術(shù)，有效解決了基于TB級(jí)海量地形數(shù)據(jù)洪水演進(jìn)快速計(jì)算問(wèn)題；提出了GIS支持下的一二維耦合水污染擴(kuò)散模擬方法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜水系下的水污染擴(kuò)散精細(xì)化仿真；提出了云GIS環(huán)境下數(shù)學(xué)模型調(diào)用與共享服務(wù)方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)模型在GIS框架下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、物理實(shí)現(xiàn)和消息通信，解決了異構(gòu)環(huán)境下的模型共享與服務(wù)技術(shù)難題；提出了適宜于長(zhǎng)江流域的多源遙感干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)體系，為流域中尺度的防汛抗旱工作提供了精確及時(shí)的數(shù)據(jù)資料和決策支持依據(jù)[42-48]。

典型案例分述如下：

(1)流域干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估?；陂L(zhǎng)江流域水資源循環(huán)特點(diǎn)，構(gòu)建了長(zhǎng)江流域干旱過(guò)程動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估體系，為流域中尺度的防汛抗旱工作提供了精確及時(shí)的數(shù)據(jù)資料和決策支持依據(jù)。為南方濕潤(rùn)地區(qū)復(fù)雜下墊面環(huán)境下的水利抗旱減災(zāi)工作提供有效技術(shù)保障。實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)抗旱向主動(dòng)防旱的轉(zhuǎn)變，為區(qū)域防旱抗旱能力的提升提供了科技支撐，可極大降低干旱災(zāi)害造成的工農(nóng)業(yè)損失。

(2)洪水演進(jìn)快速精細(xì)化模擬?；诰?xì)尺度的洪水情景分析理論與方法，引入突變理論，以解決洪水風(fēng)險(xiǎn)影響指標(biāo)不確定性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)基于精細(xì)尺度的洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃。建立了一套基于情景分析和突變理論的蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，為洪水風(fēng)險(xiǎn)的精細(xì)化、定量化評(píng)估提供技術(shù)支撐。

4 總結(jié)與展望

空間信息技術(shù)和新一代信息技術(shù)的發(fā)展快速推進(jìn)水利現(xiàn)代化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。精細(xì)化、智能化是當(dāng)今水利行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，結(jié)合新時(shí)代水利高質(zhì)量發(fā)展要求，在提高流域智慧化、智能化管理，大型水利工程全生命周期、全鏈條精細(xì)化管理，維護(hù)河湖庫(kù)健康生態(tài)、水旱災(zāi)害立體監(jiān)測(cè)、評(píng)估與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，水旱災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)與決策支持等方面開(kāi)展系統(tǒng)的、多維的科學(xué)研究，整體提升水利科研水平，力求推進(jìn)后水電時(shí)代傳統(tǒng)水利行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。今后應(yīng)大力開(kāi)展如下方面工作：

(1)開(kāi)展水利全要素五維感知研究。結(jié)合大力推進(jìn)水利信息化基礎(chǔ)建設(shè)大背景，深入開(kāi)展“天-空-地-網(wǎng)-人”五維立體感知體系構(gòu)建、水利感知網(wǎng)總體邏輯架構(gòu)與體系研究。開(kāi)展水利專(zhuān)用衛(wèi)星研制及組網(wǎng)，地面監(jiān)測(cè)站組網(wǎng)互聯(lián)、信息傳輸，互聯(lián)網(wǎng)資源信息深度爬取收集、智能辨析，開(kāi)展異構(gòu)環(huán)境下的數(shù)據(jù)同化分析、模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)研究工作，構(gòu)建衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面監(jiān)測(cè)、互聯(lián)網(wǎng)采集、人工智能/模型模擬的立體監(jiān)測(cè)體系，擴(kuò)大江河湖庫(kù)全要素感知范圍，構(gòu)建數(shù)據(jù)匯集、服務(wù)與共享平臺(tái)，提升感知智能水平，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)、宏觀精準(zhǔn)的水利整體態(tài)勢(shì)及多角度、多維度局部狀態(tài)的準(zhǔn)確認(rèn)知和管理。

(2)提高水利大數(shù)據(jù)綜合利用率。水利大數(shù)據(jù)是智慧水利建設(shè)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、傳輸、分析及利用管理能力是提高水利大數(shù)據(jù)綜合利用率的關(guān)鍵。在新一代傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、5G傳輸?shù)燃夹g(shù)支持下，同時(shí)結(jié)合信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，開(kāi)展多元水利數(shù)據(jù)感知、匯集、處理分析、融合管理等關(guān)鍵技術(shù)研究。優(yōu)化水利大數(shù)據(jù)采集方式和分析能力，深度挖掘水利數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系；加強(qiáng)區(qū)塊鏈技術(shù)在水利大數(shù)據(jù)管理中應(yīng)用，解決水利行業(yè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)冗余和信息孤島問(wèn)題，優(yōu)化水利大數(shù)據(jù)管理模式；結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，建立不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的水利數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜，細(xì)化水利數(shù)據(jù)解讀方法；建設(shè)水利大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，以水利一張圖為基礎(chǔ)、為窗口，整合分布水利數(shù)據(jù)資源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、平臺(tái)等為水利業(yè)務(wù)需求提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)；研制覆蓋水利大數(shù)據(jù)全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)化體系和安全體系，保證數(shù)據(jù)的持續(xù)生命力和全鏈條安全性。

(3)加大人工智能與水利業(yè)務(wù)深度融合研究。目前在人工智能降雨預(yù)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)預(yù)警等方面得到了應(yīng)用，并具有很好的應(yīng)用前景。拓展人工智能在水利業(yè)務(wù)中的應(yīng)用深度與廣度，開(kāi)展基于人工智能AI的水利大數(shù)據(jù)挖掘、信息融合、數(shù)字孿生、模擬分析和AI深度學(xué)習(xí)等關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建水利全要素透徹感知與全網(wǎng)互聯(lián)體系，完善水利專(zhuān)家?guī)臁I(yè)務(wù)模型池，建設(shè)水利業(yè)務(wù)深度學(xué)習(xí)方法庫(kù)、算法庫(kù)、機(jī)器認(rèn)知庫(kù)、知識(shí)圖譜庫(kù)共享平臺(tái)，面向江河調(diào)度、政府監(jiān)管、工程運(yùn)行保障、綜合決策和公共服務(wù)等水利業(yè)務(wù)全方位應(yīng)用需求，建立融合高效、智能分析、主動(dòng)服務(wù)的智能化應(yīng)用。