面向智慧水利的遼寧省水利一張圖建設(shè)方案探討

祖 佳

(遼寧朝陽市水文局，遼寧 朝陽 122000)

2021年全國水利工作會議明確提出要“充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，加快智慧水利建設(shè)”[1]。水利一張圖是落實(shí)智慧水利建設(shè)的重要抓手。近年來隨著“云、物、大、移、智”相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，云平臺技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、高分辨率空間網(wǎng)格及面向服務(wù)的體系架構(gòu)日益成熟，特別是國產(chǎn)自主衛(wèi)星遙感信息資源保障能力持續(xù)增強(qiáng)及其應(yīng)用服務(wù)不斷推廣和普及，為水利一張圖建設(shè)提供了大量新的技術(shù)、方法和資源[2]。地理信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用能有力推動信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)的深度融合，水利一張圖為打造數(shù)字孿生流域和實(shí)現(xiàn)“四預(yù)(預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案)”功能提供信息資源支撐，為有力推進(jìn)場景數(shù)字化、模擬智慧化、決策精準(zhǔn)化提供了服務(wù)平臺保障[3]。建設(shè)遼寧省水利一張圖平臺是通過數(shù)字賦能手段驅(qū)動水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化的現(xiàn)實(shí)需要。近些年來，國內(nèi)對于水利一張圖的建設(shè)取得一定的成果[4- 14]，但對于其建設(shè)框架研究還較少，尤其是在當(dāng)前面向智慧水利及數(shù)字孿生流域建設(shè)的研究還相對較少。本文面向當(dāng)前智慧水利發(fā)展要求分別，從建設(shè)總體框架、主要技術(shù)路線等方面進(jìn)行深入探討，提出面向智慧水利的遼寧省水利一張圖建設(shè)方案。研究成果對于其他省份水利一張圖建設(shè)具有參考和借鑒價(jià)值。

1 總體架構(gòu)

1.1 邏輯架構(gòu)

水利一張圖的總體邏輯架構(gòu)主要采用分布式集群進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，從而提升數(shù)據(jù)存儲能力和運(yùn)行能力，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定可靠?？傮w架構(gòu)主要包括“四橫兩縱”，四橫為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺服務(wù)層、應(yīng)用層；兩縱為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、運(yùn)維保障體系?？傮w邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水利一張圖總體邏輯框架

在總體邏輯框架中，基礎(chǔ)設(shè)施層是支撐水利一張圖系統(tǒng)運(yùn)行的主要軟硬件環(huán)境。利用物理服務(wù)器和基礎(chǔ)云平臺的計(jì)算資源池和存儲資源池為該系統(tǒng)分配必要的計(jì)算資源和存儲資源。數(shù)據(jù)資源層是水利一張圖空間專題數(shù)據(jù)庫，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，數(shù)據(jù)主體由基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)提取和規(guī)范化處理生成，并加工成可以進(jìn)行分層展現(xiàn)的數(shù)據(jù)圖層，數(shù)據(jù)資源池用來存儲水利一張圖相關(guān)的對象數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)離散地理空間對象數(shù)據(jù)和連續(xù)空間數(shù)據(jù)。平臺服務(wù)層在面向服務(wù)體系架構(gòu)下，服務(wù)支撐平臺主要提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)和地圖服務(wù)?？蔀樯蠈訕I(yè)務(wù)應(yīng)用如河湖長制、水資源、中小河流等提供服務(wù)。應(yīng)用層是水利一張圖綜合信息系統(tǒng)，主要包括數(shù)字看板、地圖瀏覽、查詢統(tǒng)計(jì)、專題分析、三維展示、問題反饋、數(shù)據(jù)糾錯和地圖標(biāo)會功能。為各業(yè)務(wù)用戶提供查看和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)窗口。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系在現(xiàn)有水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架下，以現(xiàn)有相關(guān)信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，新增水利一張圖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范。主要包括數(shù)據(jù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范、運(yùn)維規(guī)范等內(nèi)容。運(yùn)維保障體系是系統(tǒng)正常運(yùn)行的軟環(huán)境，建立健全和一張圖平臺運(yùn)行管理與維護(hù)的相關(guān)制度與規(guī)范，保證水利一張圖正常而可靠地運(yùn)行。

1.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

地理空間數(shù)據(jù)庫用于存儲離散空間對象數(shù)據(jù)和連續(xù)空間數(shù)據(jù)。水利空間對象數(shù)據(jù)庫用于存儲規(guī)范化處理的水利對象數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等關(guān)系型數(shù)據(jù)，以及經(jīng)過處理加工后的非關(guān)系型的水利空間數(shù)據(jù)。針對已建信息化項(xiàng)目采用WebService接口形式進(jìn)行交互，空間數(shù)據(jù)通過OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)形式實(shí)現(xiàn)共享交換。數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

1.3 信息資源架構(gòu)

根據(jù)統(tǒng)籌規(guī)劃、資源整合的原則，滿足水利一張圖模式發(fā)展和未來信息化建設(shè)需求，從水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)2個維度提出信息資源架構(gòu)，通過服務(wù)支撐平臺實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)數(shù)據(jù)在一張圖和業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的快速轉(zhuǎn)換，保持?jǐn)?shù)據(jù)的動態(tài)更新和優(yōu)化調(diào)整，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和運(yùn)維體系下建設(shè)遼寧省水利一張圖，實(shí)現(xiàn)水利信息的無縫瀏覽和信息查詢統(tǒng)計(jì)分析，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合展示。信息資源架構(gòu)如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

圖3 信息資源交互架構(gòu)圖

1.4 技術(shù)架構(gòu)

技術(shù)架構(gòu)的軟硬件和中間件產(chǎn)品均需要滿足當(dāng)前國產(chǎn)化的要求，采用主流語言進(jìn)行運(yùn)行平臺上層環(huán)境的開發(fā)。水利一張圖存在數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)集中展示的特點(diǎn)，開發(fā)過程中采用前后端分離技術(shù)進(jìn)行服務(wù)段和前端顯示設(shè)計(jì)開發(fā)，提升前端的快速響應(yīng)。后端主流核心包含數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)引擎搜索、安全體系架構(gòu)、模塊組件以及日志管理等內(nèi)容。前端主流核心主要包含JS框架、統(tǒng)一用戶驗(yàn)證、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)組件、在線編輯數(shù)據(jù)功能組件等。通過NodeJS服務(wù)器將前端作物服務(wù)橋接層引入到NodeJS層進(jìn)行運(yùn)行腳本編輯，大量的邏輯運(yùn)算通過后端服務(wù)環(huán)境進(jìn)行預(yù)先計(jì)算以及圖層顯示等工作，從而強(qiáng)化前端的運(yùn)行流暢性。特定需求的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)靜態(tài)化為.JSON數(shù)據(jù)文件，并將靜態(tài)資源如JS、CSS和.JSON放置于服務(wù)器端，搭建Node.JS作為橋接層，從而提升訪問性能。技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 技術(shù)架構(gòu)

1.5 安全架構(gòu)設(shè)計(jì)

水利一張圖建設(shè)按照網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)三級建設(shè)要求進(jìn)行安全防護(hù)，分別從技術(shù)部分和管理部分防護(hù)，其中技術(shù)部分包括：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全程度、網(wǎng)絡(luò)通訊安全等級、邊界防護(hù)水平、計(jì)算環(huán)境安全程度等，在管理部分主要為：安全管理制度及機(jī)構(gòu)設(shè)置，人員管理能力、建設(shè)期網(wǎng)絡(luò)安全保障和運(yùn)維水平。本項(xiàng)目的建設(shè)主要已應(yīng)用為主，針對應(yīng)用安全重點(diǎn)在身份認(rèn)證、權(quán)限管理、三員分立、安全審計(jì)、信息安全標(biāo)識等方面進(jìn)行建設(shè)，確保業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全。安全架構(gòu)如圖5所示。

2 主要建設(shè)內(nèi)容

2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)

根據(jù)水利一張圖在建設(shè)、應(yīng)用和管理中存在的信息屬性層級、數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)品分類、地圖分層顯示標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)劃分和安全管理標(biāo)準(zhǔn)不一致的問題，在水利信息化標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，研編系列技術(shù)規(guī)范和管理辦法，以規(guī)范水利一張圖使用管理和應(yīng)用服務(wù)、遙感影像數(shù)據(jù)及成果共享、身份認(rèn)證和數(shù)字證書管理等工作，有效保障水利一張圖建設(shè)與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)水利一張圖持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。

2.2 數(shù)據(jù)資源建設(shè)

支撐水利工作應(yīng)用的數(shù)據(jù)資源，主要是現(xiàn)有防汛抗旱、水利工程建設(shè)與管理、水利政務(wù)、水資源管理、水土保持、移民管理成果等類數(shù)據(jù)資源。將對象數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)的抽取、規(guī)范化處理、存儲和管理。包括數(shù)據(jù)規(guī)范化處理、空間專題數(shù)據(jù)庫建設(shè)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)等功能。

(1)數(shù)據(jù)抽取

根據(jù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合形成的數(shù)據(jù)資源池中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐類抽取，根據(jù)對象數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取。抽取后為水利一張圖系統(tǒng)做數(shù)據(jù)支撐。

(2)數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

將各水利對象的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、關(guān)系(包含業(yè)務(wù)關(guān)系和空間關(guān)系)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，按照水利一張圖標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，為水利一張圖提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)空間專題數(shù)據(jù)庫建設(shè)

根據(jù)水利一張圖系統(tǒng)建設(shè)需要，建設(shè)水利一張圖空間專題數(shù)據(jù)庫，用于存儲加工優(yōu)化處理后的水利對象數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和社會發(fā)展數(shù)據(jù)等，供水利一張圖綜合信息系統(tǒng)使用。

(4)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對水利對象數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)更新。包括數(shù)據(jù)聯(lián)動更新子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)、更新數(shù)據(jù)反向推送子系統(tǒng)等。

2.3 服務(wù)支撐平臺建設(shè)

可以通過水利一張圖的服務(wù)支撐平臺來構(gòu)建“水利一張圖+”的業(yè)務(wù)應(yīng)用，將業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)和一張圖標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無縫銜接后，提高數(shù)據(jù)動態(tài)更新和優(yōu)化調(diào)整。各類水利對象數(shù)據(jù)以水利一張圖為基礎(chǔ)進(jìn)行專題服務(wù)的拓展應(yīng)用，推動業(yè)務(wù)按照信息流重組的方式進(jìn)行優(yōu)化，提高不同業(yè)務(wù)之間協(xié)調(diào)發(fā)展。包括地圖服務(wù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)服務(wù)開發(fā)、服務(wù)共享、服務(wù)管理、開發(fā)中心和資源推送等6個子系統(tǒng)開發(fā)。

(1)地圖服務(wù)生產(chǎn)

使用GIS平臺軟件制作和生產(chǎn)地圖服務(wù)，并發(fā)布成標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)。

(2)數(shù)據(jù)服務(wù)開發(fā)

數(shù)據(jù)服務(wù)開發(fā)主要是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分級分類，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的Webservice接口服務(wù)(REST風(fēng)格)，對有需求的市縣或業(yè)務(wù)部門提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口。在此基礎(chǔ)上完成服務(wù)制作和數(shù)據(jù)緩存，然后發(fā)布成數(shù)據(jù)服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)供用戶調(diào)用。

(3)服務(wù)共享

建立一張圖與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享閉環(huán)，通過服務(wù)共享建立與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的聯(lián)系，推動一張圖服務(wù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的良性互動，促進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提升和服務(wù)效果不斷改進(jìn)。

(4)服務(wù)管理

服務(wù)管理主要是利用服務(wù)總線等技術(shù)對數(shù)據(jù)服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)和統(tǒng)一管理，為用戶提供服務(wù)注冊、訪問權(quán)限設(shè)置、查詢、調(diào)用等功能。

(5)開發(fā)中心

開發(fā)中心主要針對對外提供的數(shù)據(jù)服務(wù)和地圖服務(wù)，支撐業(yè)務(wù)定制開發(fā)，提供相應(yīng)的服務(wù)說明、開發(fā)指南、示例代碼等。

(6)資源推送

資源推送是實(shí)現(xiàn)服務(wù)基本信息與資源目錄之間的數(shù)據(jù)推送，將服務(wù)描述信息推送到資源目錄，可在資源目錄模塊實(shí)現(xiàn)對服務(wù)資源檢索與瀏覽。

2.4 水利一張圖綜合信息系統(tǒng)建設(shè)

水利一張圖綜合信息系統(tǒng)建設(shè)包括數(shù)據(jù)看板子系統(tǒng)、地圖瀏覽子系統(tǒng)、查詢統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)、專題分析子系統(tǒng)、三維展示子系統(tǒng)、問題反饋?zhàn)酉到y(tǒng)、數(shù)據(jù)糾錯子系統(tǒng)、地圖標(biāo)繪子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上圖子系統(tǒng)、服務(wù)上圖子系統(tǒng)等10個子系統(tǒng)建設(shè)。

(1)數(shù)字看板子系統(tǒng)

數(shù)字看板展示現(xiàn)有資源匯總數(shù)及重點(diǎn)業(yè)務(wù)信息，包括如當(dāng)前系統(tǒng)在線人數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、遙感影像、密度圖、區(qū)域統(tǒng)計(jì)、年訪問量、用戶總數(shù)、督查、問題反饋排行、糾錯意見采納排行及熱點(diǎn)服務(wù)調(diào)用次數(shù)等。可快速、直觀了解數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行情況等信息。

(2)地圖瀏覽子系統(tǒng)

通過開發(fā)相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索瀏覽。包括瀏覽工具、地圖工具、圖層管理、服務(wù)目錄、全文檢索、條件查詢、空間查詢、關(guān)聯(lián)查詢等功能。

(3)查詢統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)

根據(jù)需求按照不同的統(tǒng)計(jì)維度及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以表格、統(tǒng)計(jì)圖、地圖專題圖方式展示查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

(4)專題分析子系統(tǒng)

利用業(yè)務(wù)共享的專題數(shù)據(jù)，開發(fā)業(yè)務(wù)專題。包括水旱災(zāi)害防御專題、水資源管理專題、水利工程專題、水土保持專題、河長制湖長制專題、農(nóng)村供水專題、視頻專題。

(5)三維展示子系統(tǒng)

依托三維地理信息系統(tǒng)(3D-GIS)、建筑信息模型(BIM)、傾斜攝影技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對水利工程的三維場景以及水旱災(zāi)害防御涉及的主要空間對象進(jìn)行建模；在水利一張圖系統(tǒng)中，提供三維場景空間對象集成信息的查詢?yōu)g覽、統(tǒng)計(jì)分析與三維展示，實(shí)現(xiàn)在水利一張圖系統(tǒng)中對水利工程項(xiàng)目建設(shè)全生命周期數(shù)字管理與應(yīng)用。

(6)問題反饋?zhàn)酉到y(tǒng)

在業(yè)務(wù)開展過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)問題可對數(shù)據(jù)完整情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行糾錯反饋。問題反饋后系統(tǒng)自動通過短信或郵件通知相關(guān)人員。在問題反饋管理后臺進(jìn)行審核，確定對反饋問題的采納與駁回。

(7)數(shù)據(jù)糾錯子系統(tǒng)

用戶在瀏覽數(shù)據(jù)時(shí)可隨時(shí)將發(fā)現(xiàn)的錯誤數(shù)據(jù)通過糾錯窗口進(jìn)行提交，在數(shù)據(jù)糾錯管理后臺進(jìn)行審核，審核通過后數(shù)據(jù)對象將根據(jù)糾錯信息進(jìn)行更新。

(8)地圖標(biāo)繪子系統(tǒng)

提供在地圖上點(diǎn)、線、面、文字的繪制，并對繪制的內(nèi)容進(jìn)行管理。

(9)數(shù)據(jù)上圖子系統(tǒng)

提供用戶在水利一張圖系統(tǒng)上傳本地?cái)?shù)據(jù)，并在水利一張圖系統(tǒng)中與系統(tǒng)現(xiàn)有服務(wù)、圖層進(jìn)行疊加查看瀏覽的功能。并對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

(10)服務(wù)上圖子系統(tǒng)

用戶通過水利一張圖系統(tǒng)添加用戶自己或共享過來的的地圖圖層服務(wù)，并在水利一張圖系統(tǒng)中與現(xiàn)有服務(wù)、圖層進(jìn)行疊加進(jìn)行查看瀏覽。并對添加的服務(wù)進(jìn)行管理。

2.5 運(yùn)維支撐平臺建設(shè)

主要包括運(yùn)維管理子系統(tǒng)、用戶行為管理、系統(tǒng)配置和安全保障等運(yùn)維支撐模塊。

(1)運(yùn)維管理子系統(tǒng)

提供對單點(diǎn)登錄、用戶管理、部門管理、權(quán)限管理、日志管理等功能。

(2)用戶行為記錄

對用戶登錄進(jìn)入一張圖后的操作進(jìn)行追蹤記錄，并且定期將記錄結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)，形成用戶足跡統(tǒng)計(jì)信息。便于分析用戶常用功能，可對常用功能進(jìn)行優(yōu)化或保障。

(3)系統(tǒng)配置

對系統(tǒng)的一些參數(shù)進(jìn)行配置，包括數(shù)據(jù)配置和地圖服務(wù)配置。

(4)安全保障

安全保障系統(tǒng)主要對水利一張圖系統(tǒng)中的信息訪問進(jìn)行安全控制，防止敏感信息泄露。

3 結(jié)論

(1)在水利一張圖的基礎(chǔ)上，可構(gòu)建“水利一張圖+”的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，從而實(shí)現(xiàn)水利一張圖標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)處理過程的無縫銜接，保障數(shù)據(jù)的常用常新和服務(wù)的優(yōu)化完善。

(2)水利一張圖可有效提高數(shù)據(jù)資源整合共享程度，避免各級水利部門空間數(shù)據(jù)的重復(fù)性建設(shè)，整體性降低空間數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新，提升智慧水利管理和服務(wù)水平。

(3)數(shù)據(jù)資源整合是水利一張圖建設(shè)關(guān)鍵所在，由于水利數(shù)據(jù)存儲分散，一數(shù)多源使得數(shù)據(jù)資源整合難度相對較大，后續(xù)還需要對水利數(shù)據(jù)資源整合技術(shù)進(jìn)行深入探討。