基于GIS和物聯(lián)網(wǎng)的河湖信息化管理系統(tǒng)研究

熊大紅，利仕發(fā)，梁永康

（1.陽江開放大學(xué)，廣東 陽江 529500；2.陽江市陽西縣水務(wù)局，廣東 陽西 529800；3.廣州原子互動信息科技有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

綠水青山就是金山銀山，河、湖、水庫是人們賴以生產(chǎn)生活的重要資源和生態(tài)屏障，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳做出了全面推行河長制的戰(zhàn)略部署，要求立足新時代，貫徹綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的理念，必須落實好保護水資源、保障水安全、防治水污染、改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)、管理保護水域岸線、強化執(zhí)法監(jiān)管的河湖管理任務(wù)[1-2]。由于現(xiàn)有河湖管護力量相對不足，因此考慮應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，整合縣域相關(guān)管理資源與力量，強化河湖信息化管理，具有重要的研究價值和現(xiàn)實意義[3-5]。本研究以廣東省陽西縣河湖管理為研究對象，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）進行河湖圖紙的矢量化和柵格化管理以及轉(zhuǎn)換運算，考量和推進河湖管理范圍的合理化劃定和管理；引入物聯(lián)網(wǎng)理論技術(shù)和方法，開展河道信息智能感知組網(wǎng)，建設(shè)河長制管理綜合信息服務(wù)平臺，推動縣、鎮(zhèn)、村三級河長以及與水務(wù)、公安、自然資源等有關(guān)的縣級行政管理部門的信息共享和工作協(xié)同與聯(lián)動。截至2021年12月中旬已助力水務(wù)綜合執(zhí)法和相關(guān)救援行動120余次，取得了較顯著的成效。陽西縣在2019年度、2020年度全市全面推行河長制工作考核中連續(xù)兩年獲得“優(yōu)秀”。

1 研究區(qū)域的河湖概況

陽西縣隸屬廣東省陽江市，位于廣東省西南部沿海，陽江市西面，地處東經(jīng)111°22'28''～111°48'43''、北緯21°29'～21°55'。陽西縣大體可分為沿海地帶和山區(qū)地帶兩大部分。沿海地帶主要為沖積平原，縣內(nèi)海岸線全長126.6千米，全縣沙灘岸段占海岸線總長度的40%，較長的有溪頭鎮(zhèn)的藍袍灣海灘、上洋鎮(zhèn)的河北海灘、沙扒鎮(zhèn)的月亮灣海灘和海濱浴場海灘。山區(qū)地帶主要有新圩、塘口以及程村、織篢兩鎮(zhèn)的西北部。陽西縣西北部地區(qū)河流眾多，河網(wǎng)交錯，河流分布均衡，在航運、養(yǎng)殖、灌溉、發(fā)電、供水等方面起到十分重要的作用。縣境內(nèi)多年平均河川徑流量達1 627億立方米，集雨面積100平方公里以上的河流主要有豐頭河、織篢河、儒洞河和上洋河，小河流共57條。根據(jù)中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于全面推行河長制的意見》，廣東省委辦公廳、廣東省人民政府辦公廳印發(fā)的《廣東省全面推行河長制工作方案》，中共陽江市委辦公室、陽江市人民政府辦公室印發(fā)的《陽江市全面推行河長制工作方案》文件指導(dǎo)，陽西縣委縣政府正式印發(fā)了《陽西縣全面推行河長制工作方案》，建立縣、鎮(zhèn)、村三級河長體系，將全縣61條河流、48座水庫、44座山塘納入河長制管理，并從保護水資源、保障水安全、防治水污染、改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)和加強水域岸線管理保護等方面推進河長制各項工作。在水域岸線管理保護方面，為明確河湖保護管理邊界，加強河道管理，自2019年起，陽西縣逐步開展縣內(nèi)河流河湖管理范圍劃定工作，至今已全部完成縣內(nèi)50平方千米以上的河流劃界203.74千米，完成20%縣內(nèi)50平方千米以下的河流劃界133.18千米。同時，為進一步落實好河湖管理保護，加強河湖管理與信息化建設(shè)工作，陽西縣于2019年開啟智慧水務(wù)河湖管理信息化工作研究和探索，逐步在儒洞河、陂底水庫和茅垌水庫開展信息化建設(shè)和管理，并結(jié)合“數(shù)字陽西”建設(shè)打造了智慧水務(wù)河湖信息化管理“數(shù)字河長”平臺，加強了對飲用水源保護區(qū)的信息化管理工作。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與河湖信息管理

對河湖圖件等信息通過掃描儀、計算機等工具進行存儲和處理，而行政邊界、交通干線、土地利用類型等數(shù)據(jù)信息通常是用矢量化的方法輸入計算機或以矢量數(shù)據(jù)存儲在計算機中的，需要將通過掃描等方式獲取的河湖圖件信息（柵格數(shù)據(jù)）進行矢量化轉(zhuǎn)換，以便實現(xiàn)信息化管理目的。假設(shè)河湖管理范圍劃定為由多個拐點連線成的N條邊構(gòu)成的多邊形，可細分切塊成N-2個三角形，利用相似三角形面積和邊長比例關(guān)系，可得到河湖掃描圖件與GIS矢量圖形的比例關(guān)系為[6-7]：

其中：R表示兩個相似多邊形的邊長比例；S1、S2分別表示兩個相似多邊形的面積。同時，將矢量數(shù)據(jù)直接用于與遙感、攝像頭、傳感器及其網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)的多元復(fù)合信息分析處理比較復(fù)雜，因此需要進行矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，便于進行交點分析、疊合分析等計算處理。河湖圖件數(shù)字化存儲和GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理是實現(xiàn)河湖信息化管理的基本方法。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)信息處理和信息服務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）從字面上可理解為物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，Bill Gates于1995年在《The Road Ahead》中最早提到了物聯(lián)網(wǎng)[8]，之后物聯(lián)網(wǎng)逐步得到重視和廣泛應(yīng)用[9-10]。實際上，物聯(lián)網(wǎng)是包含人、機、物三類實體的一種“物物感知、人物互聯(lián)、人人互通”的高效能、智能化網(wǎng)絡(luò)，通過智能識別和感知技術(shù)，利用智能設(shè)備感知和獲取物體及其周邊環(huán)境信息，再由網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備設(shè)施進行信息的傳輸，最終經(jīng)智能信息處理技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)對物理世界的智能化管理與控制。智能服務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)的重要特征。在結(jié)構(gòu)上常將物聯(lián)網(wǎng)分為物理感知層、信息傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層三層。

在河湖信息化管理平臺（系統(tǒng)）的研發(fā)中，引入物聯(lián)網(wǎng)理念和技術(shù)，物理感知層以傳感器及其網(wǎng)絡(luò)、攝像頭為主，實現(xiàn)對河湖狀態(tài)信息及其周圍環(huán)境信息的感知與獲??；信息傳輸層通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或者下一代互聯(lián)網(wǎng)（IPv6），實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸和計算，提供數(shù)據(jù)傳輸和信息整合功能；應(yīng)用服務(wù)層通過將信息轉(zhuǎn)化為內(nèi)容提供服務(wù)，實現(xiàn)縣、鎮(zhèn)、村三級河長及有關(guān)單位對河湖管理范圍的巡視、有關(guān)圖文信息的查詢輸出、堤壩狀態(tài)顯示和預(yù)先警示，以及河長制管理成員單位所需的信息服務(wù)提供等功能。

2.3 河湖管理信息化建設(shè)

一是突出政策引領(lǐng)，推進“互聯(lián)網(wǎng)+河長制”。以中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于全面推行河長制的意見》和廣東省委辦公廳、廣東省人民政府辦公廳印發(fā)的《廣東省全面推行河長制工作方案》以及地方有關(guān)政策為指導(dǎo)依據(jù)，以保護水資源、保障水安全、防治水污染、改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)、管理保護水域岸線、強化執(zhí)法監(jiān)管為主要任務(wù)，以“互聯(lián)網(wǎng)+河長制”為重要抓手，引入物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建感知和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立健全河長制信息管理平臺，全方位提升治河管河能力。二是促進部門協(xié)同，推進資源整合。構(gòu)建河湖信息化管理平臺，整合水務(wù)、環(huán)保、住建、自然資源規(guī)劃等相關(guān)行業(yè)信息資源，為管理平臺提供數(shù)據(jù)，讓河湖管理規(guī)劃更加科學(xué)、生態(tài)效益和社會效益更加顯著、治水更加有效。三是彰顯技術(shù)優(yōu)勢，拓展公眾參與。充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓河湖“會說話”，搭建“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺，主動讓河湖管護工作接受社會監(jiān)督，引導(dǎo)廣大群眾主動參與，把公眾從旁觀者變成河道治理的參與者和監(jiān)督者，實現(xiàn)“共治共享、共建共管”。四是試點先行、探索經(jīng)驗、逐步推廣。落實“河長制”信息化管理，提高河湖管護規(guī)范化、信息化、法制化水平，切實提升管理效率和效能。

3 陽西縣智慧水務(wù)河長制工作信息化管理探索

全面推行河長制是以習(xí)近平同志為核心的黨中央從人與自然和諧共生、加快推進生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略高度作出的重大決策部署，是破解我國新老水問題、保障國家水安全的重大制度創(chuàng)新。為響應(yīng)中央、省、市全面推行河長制工作中的“互聯(lián)網(wǎng)+河長制”工作要求，充分利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，搭建“互聯(lián)網(wǎng)+河長制”平臺，建成一套“橫向到邊、縱向到底、先進實用”的河長制綜合管理平臺。2019年，以位于陽西縣與茂名市電白區(qū)邊界的跨界河流儒洞河為示范，針對該河流飲用水源保護及跨界跨地區(qū)管理等問題，陽西縣組織實施了智慧水務(wù)河長制管理信息系統(tǒng)項目。通過合理布點和河道信息智能感知音視頻監(jiān)控組網(wǎng)，為平臺提供數(shù)據(jù)來源；建設(shè)河長制指揮中心，包括服務(wù)器群建設(shè)、應(yīng)用支撐服務(wù)建設(shè)和河湖數(shù)據(jù)服務(wù)建設(shè)，為平臺提供應(yīng)用服務(wù)支撐保障。創(chuàng)建陽西縣首個應(yīng)用于水務(wù)的智慧水務(wù)數(shù)字河長管理平臺，如圖1所示。該平臺能夠滿足日常對河道治理監(jiān)管數(shù)據(jù)信息預(yù)警需求，為遠程執(zhí)法取證提供視頻數(shù)據(jù)，強化縣水務(wù)、公安、自然資源等相關(guān)部門以及鎮(zhèn)、村的信息共享和管理聯(lián)動，支持天氣、位置等自然數(shù)據(jù)信息與實時感知的河道堤防信息、岸線監(jiān)管信息的整合與綜合應(yīng)用，突破時空限制實現(xiàn)河道智能監(jiān)管。

圖1 陽西縣智慧水務(wù)數(shù)字河長管理平臺

4 應(yīng)用成效分析

4.1 陽西縣的河湖分布特征

陽西縣東南兩面瀕臨大海，海岸線達126.6千米，是大小河流的出口，西北部地區(qū)河流眾多，河網(wǎng)交錯，河流分布均衡，縣境內(nèi)多年平均河川徑流量達1 627億立方米。同時，縣內(nèi)部分河湖管護范圍與生態(tài)林、公益林、基本農(nóng)田保護區(qū)等重點保護區(qū)域重疊，需要多部門協(xié)同做好有關(guān)工作，實施河湖清淤，涉岸線及周邊區(qū)域項目也須綜合論證，共同守好公益、生態(tài)管護“紅線”，強化綜合治理效應(yīng)。

4.2 陽西縣河湖保護與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾

隨著陽西縣社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，河湖管理保護方面也出現(xiàn)了一些新問題，如存在侵占河道養(yǎng)殖、超標(biāo)排污、圍墾河庫、非法采砂等現(xiàn)象。為了更好地解決這些河湖問題，陽西縣建立健全了三級河長體系，在每條河流水庫落實河長，明確河長職責(zé)。在各級河長的牽頭整治下，有效地解決了一批河湖問題，如完成清理全縣入河排污口41次，完成全部飲用水源保護區(qū)范圍內(nèi)違規(guī)養(yǎng)殖清理，嚴(yán)厲打擊了盜采河砂行為，查處繳獲一批非法盜采河砂的器械，基本杜絕了大規(guī)模盜采河砂行為。雖已形成有效治理保護，但對于重點飲用水源保護區(qū)的管護仍存在一些問題，如在河道周邊傾倒垃圾問題、螞蟻搬家式盜采河砂等問題。

4.3 陽西縣智慧水務(wù)河湖管理信息系統(tǒng)示范應(yīng)用成效

為了有效解決上述問題，加強飲用水源保護區(qū)河道管護工作，2019年陽西縣以儒洞河為示范，實施了智慧水務(wù)河長制管理信息系統(tǒng)項目，突破了管理力量不足的問題，克服了日常監(jiān)管中存在的不足，24小時的在線監(jiān)管和動態(tài)分析系統(tǒng)可以及時反映和反饋河湖狀況，對于一些河道周邊傾倒垃圾、螞蟻搬家式盜采河砂行為都起到了很好的遏制作用。同時，對于流動性強、生長快的水浮蓮，也能及時發(fā)現(xiàn)并安排人員清理，大大節(jié)省了清理成本。截至2021年12月中旬已助力水務(wù)綜合執(zhí)法和相關(guān)救援行動120余次，取得了顯著成效。陽西縣在2019年度、2020年度全市全面推行河長制工作考核中連續(xù)兩年獲得“優(yōu)秀”。

5 結(jié) 語

根據(jù)全面推行河長制的工作要求，結(jié)合工作實際，用GIS的方法，強化河湖自然位置及其周邊區(qū)域的地理信息管理，合理確定河湖管理范圍和不同的保護級別，統(tǒng)籌處理，使河湖保護與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展；引入物聯(lián)網(wǎng)的理念和技術(shù)，突破時空限制，打造智慧水務(wù)，實施信息化管理，提高工作效率和公眾參與度；針對河湖管護與林地、耕地和自然保護區(qū)等重疊的現(xiàn)狀，建議相關(guān)部門利用信息技術(shù)等手段，強化部門和區(qū)域聯(lián)動，提升河湖管護和綜合管理效能。