江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)建設的實踐與探討

張 嬙，郭紅麗，吳 芳，李 盟，張 雪

(江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

當前，全球正處于信息化高速發(fā)展的時代，信息化水平已經(jīng)成為衡量一個國家和地區(qū)現(xiàn)代化水平的重要標志[1]。黨的十九大報告要求“增強改革創(chuàng)新本領，保持銳意進取的精神風貌，善于結(jié)合實際創(chuàng)造性推動工作，善于運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化手段開展工作”[2]。通過前期水利信息化工作的推進，目前江蘇省水利信息采集、數(shù)據(jù)存儲管理等設施基本配套，初步形成了對業(yè)務應用的支撐，提高了防汛抗旱、水資源和水行政管理水平，在改造傳統(tǒng)水利、發(fā)展民生水利、提高管理服務能力等方面發(fā)揮了重要作用。

水土保持信息化是水利信息化工作的重要組成部分，更是水土保持工作可持續(xù)發(fā)展的重要支撐，其對于踐行綠水青山就是金山銀山的理念，推動水土保持高質(zhì)量發(fā)展，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理具有重要作用。江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)于2018年開始建設，2019年開始逐步投入使用，全面提升了水土保持決策、管理和服務水平。

1 系統(tǒng)建設方案

江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)涵蓋了水土保持監(jiān)測評價、監(jiān)督管理等核心業(yè)務的信息化需求，包括水土保持預防監(jiān)督信息系統(tǒng)、水土保持監(jiān)測評價系統(tǒng)、水土保持綜合治理信息系統(tǒng)、移動終端采集處理系統(tǒng)、基礎信息管理系統(tǒng)共5個業(yè)務應用子系統(tǒng)，實現(xiàn)了以“云存儲和數(shù)據(jù)中心”為主要方式的水土保持信息存儲體系，形成了“小流域基本管理單元、區(qū)域和流域兩種邏輯”為主要思路的水土保持信息管理體系。

1.1 系統(tǒng)設計原則

江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)力求科學、合理、經(jīng)濟、系統(tǒng)，以最小的投資獲得完整、準確、及時的水土保持信息，以盡可能少的信息采集站點了解區(qū)域水土流失動態(tài)。因此，本項目遵循以下原則：

1.1.1 實用與先進

系統(tǒng)設計充分考慮江蘇省水土保持工作的特色和亮點，滿足江蘇省水土保持監(jiān)測、監(jiān)督和治理的基本業(yè)務管理需求，突出實用性。重點設計了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評價、土壤侵蝕計算和監(jiān)督分析評價等模型化、定量化的全國領先的水土保持分析系統(tǒng)。

1.1.2 可靠與可擴展

系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫設計遵循國家信息系統(tǒng)開發(fā)和水土保持數(shù)據(jù)庫設計的相關標準規(guī)范，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。同時，兼顧江蘇省水利信息化建設現(xiàn)狀和國家水土保持信息化建設的相關要求，預留了相關接口。

1.1.3 友好與可操作

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)清晰、嚴謹、界面友好、形象直觀、易于操作和管理，并能滿足今后數(shù)據(jù)持續(xù)管理的要求。

1.1.4 高效與安全

各類信息自下而上，可逐層提煉、歸納、合并，減少冗余，提高空間信息輸出效率和地理信息表達效果，面向較復雜應用，使系統(tǒng)能夠進行高效和快速的數(shù)據(jù)傳輸與處理。系統(tǒng)具有完善的安全保密措施，可防止機密資料的丟失和各種越權(quán)訪問。

1.1.5 需求與應用

以水土保持業(yè)務工作的新需求為導向，選擇實用先進的信息技術(shù)，建立可配置和易擴展的應用系統(tǒng)，通過水土保持信息化提高工作效率和成果質(zhì)量，全面促進水土保持核心業(yè)務的信息化應用體系建設。

1.1.6 整合與共享

以江蘇省水利信息化框架為基礎，充分利用水利信息化基礎資源，避免低水平的重復建設，通過統(tǒng)一的信息資源共享平臺，促進資源共享，節(jié)約成本，提高水土保持信息的利用效率。

1.2 水土保持預防監(jiān)督信息系統(tǒng)

實現(xiàn)了對生產(chǎn)建設項目水土保持方案的監(jiān)管，可對列入監(jiān)管項目的水土保持方案、動態(tài)監(jiān)督檢查信息進行持續(xù)更新和維護，并通過“天地一體化”監(jiān)管方式開展水土保持遙感監(jiān)管，便于業(yè)務人員全面、及時地掌握生產(chǎn)建設項目水土保持工作的落實情況。

1.2.1 首 頁

省級和縣級通過地圖展示和列表查詢定位聯(lián)動方式展示項目全生命周期所有內(nèi)容，同時鏈接“天地一體化”監(jiān)管結(jié)果，進行影像圖斑對比?；诳臻g三維地圖、平面二維地圖、統(tǒng)計圖、統(tǒng)計表等多種展現(xiàn)手段，從行政區(qū)劃、小流域角度實現(xiàn)了對預防監(jiān)督數(shù)據(jù)的綜合展示，對生產(chǎn)建設項目的水保情況做整體信息的展示。

1.2.2 項目方案管理

水土保持監(jiān)督管理程序一般為：申報—登記—審批—收費—監(jiān)督檢查—驗收，即首先由生產(chǎn)建設單位或個人在生產(chǎn)建設項目動工之前，向水行政主管部門及其水土保持監(jiān)督管理機構(gòu)說明有可能產(chǎn)生水土流失的情況，水行政主管部門根據(jù)申報材料的情況，對所有相關的生產(chǎn)建設單位和個人分別登記，對其申報的水土保持方案進行審查批準，依法征收水土流失防治費和水土保持設施補償費，并對管理對象是否遵守法律、行政處理決定、行政處罰決定的情況進行監(jiān)督和檢查，最后按照技術(shù)標準和審批的水土保持方案，對其所建設的水土保持設施進行竣工驗收。

將生產(chǎn)建設項目水土保持方案編報和水土流失監(jiān)測、水土保持監(jiān)理及設施驗收等信息分階段錄入系統(tǒng)管理，實現(xiàn)水土保持管理機構(gòu)、方案編制單位、監(jiān)測單位和監(jiān)理單位4類用戶共同參與，實現(xiàn)水土保持方案審批、事中監(jiān)測監(jiān)管、驗收評估、規(guī)費征收等水土保持項目管理階段的要求和網(wǎng)絡化、實時化管理，有效提高了生產(chǎn)建設項目水土保持行政管理效率、動態(tài)監(jiān)管能力和社會服務水平。

1.2.3 項目監(jiān)管

設計資料矢量化是對生產(chǎn)建設項目設計資料(所有項目均有水土流失防治責任范圍圖，重點項目除水土流失防治責任范圍圖外，還包括水土保持措施布局圖及水土流失防治分區(qū)圖等設計圖件)進行管理，支持對其空間地理坐標信息和屬性信息的瀏覽、查詢、編輯和刪除等。

1.2.4 區(qū)域監(jiān)管

對特定區(qū)域開展生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)管工作，利用遙感開展區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)建設項目擾動狀況監(jiān)管，獲取區(qū)域生產(chǎn)建設項目空間分布、建設狀態(tài)和整體擾動狀況，同時可將省、市、縣三級用戶審批生產(chǎn)建設項目防治責任范圍及時入庫，包括遙感影像、解譯標志、擾動圖斑、合規(guī)性判斷成果、現(xiàn)場復核和成果整理審核成果等，實現(xiàn)生產(chǎn)建設項目合規(guī)性的分析評價，實現(xiàn)省、市、縣三級用戶對生產(chǎn)建設項目水土保持工作的實時監(jiān)控，為水行政主管部門開展監(jiān)管工作、查處“未批先建”“未驗先投”等違法行為提供依據(jù)。

1.3 水土保持監(jiān)測評價系統(tǒng)

水土保持監(jiān)測評價系統(tǒng)主要借助自動監(jiān)測設備、遙感衛(wèi)星、監(jiān)測評價移動終端，實現(xiàn)對定點監(jiān)測數(shù)據(jù)、區(qū)域動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，形成水土保持監(jiān)測成果報告。

1.3.1 定點監(jiān)測

定點監(jiān)測是為水土保持業(yè)務人員提供監(jiān)測點數(shù)據(jù)查詢與管理的工具，可為區(qū)域動態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐和成果校正等：實現(xiàn)監(jiān)測站運行維護、儀器設備工況信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理需求，包括徑流小區(qū)和控制站的徑流泥沙數(shù)據(jù)、降雨、氣溫、蒸發(fā)等氣象數(shù)據(jù)；實現(xiàn)省、市兩級水土保持管理機構(gòu)對各點采集數(shù)據(jù)的審核管理，包括坡面徑流場(含徑流小區(qū))、小流域控制站、雨量站等監(jiān)測點空間分布信息、設備設施信息、多媒體與管護等信息整理入庫管理；對監(jiān)測點上報的徑流、泥沙、降水、氣溫、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計和審核；自動獲取灌區(qū)類監(jiān)測、水文類監(jiān)測和工程類水情站網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，與水土保持定點監(jiān)測數(shù)據(jù)有機融合，輔助水土保持管理工作。

1.3.2 區(qū)域監(jiān)測

實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、野外調(diào)查單元原始數(shù)據(jù)管理、野外調(diào)查單元空間數(shù)據(jù)管理等功能；實現(xiàn)省、市兩級水土保持監(jiān)測管理機構(gòu)對水土流失年度動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、分析應用等功能，包括地形、降雨、植被、土壤K值、水土保持措施等水土流失影響因子，年度土壤侵蝕模數(shù)等數(shù)據(jù)和矢量圖的管理；實現(xiàn)水土流失動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析、應用等基本功能，滿足各級水土保持管理部門決策需求。

1.4 水土保持綜合治理信息系統(tǒng)

以治理項目和生態(tài)清潔小流域全周期管理為設計理念，實現(xiàn)綜合治理規(guī)劃、計劃及實施方案等項目檔案資料的管理和施工進度的監(jiān)管，為開展規(guī)劃設計復核和檢查驗收等日常管理工作提供數(shù)據(jù)支撐；同時，以設計圖斑為單元，輔助無人機、移動終端等信息化技術(shù)，對設計復核、在建核查、竣工驗收等多維度以“精細化”的方式進行監(jiān)管，提升水土流失綜合治理工程的管理水平和效率。

1.4.1 項目管理

小流域綜合治理項目流程數(shù)據(jù)管理主要對縣級上報的規(guī)劃、計劃、設計等階段的信息進行查詢、統(tǒng)計、導出，并可對上報的實施方案等信息進行審核。

1.4.2 信息化監(jiān)管

基于高分遙感影像，形成治理措施空間位置和范圍數(shù)據(jù)。實現(xiàn)在初步設計階段，將治理項目區(qū)初步設計圖以“圖斑”為最小單位上圖定位管理，支持“圖斑”與同期遙感影像定性對比分析，協(xié)助設計方案審查工作；實現(xiàn)在項目實施過程中，按階段以“圖斑”為最小單位顯示上圖項目實施進度圖，支持項目實施進度圖與項目初步設計圖定量對比分析，支持項目實施進度圖與同期遙感影像定量對比分析，協(xié)助項目實施過程進度和質(zhì)量監(jiān)管；實現(xiàn)在項目驗收階段，利用同期遙感影像，定性對比初步設計階段影像，定量對比分析初步設計圖，協(xié)助項目驗收工作。最終實現(xiàn)治理工程以“圖斑—小流域—項目區(qū)—縣—市—省”為主線的項目全周期精細化管理。

1.4.3 生態(tài)清潔小流域

實現(xiàn)江蘇省生態(tài)清潔小流域項目管理、治理效果評估及其他生態(tài)清潔小流域相關業(yè)務功能。圍繞治理項目不同階段(規(guī)劃—計劃—初設—招投標—實施—驗收)，針對縣級用戶，實現(xiàn)業(yè)務圖件及屬性數(shù)據(jù)在線入庫、管理功能，能夠?qū)I(yè)務信息進行查詢、統(tǒng)計、分析；實現(xiàn)生態(tài)清潔小流域治理和驗收圖斑的入庫、查詢、管理功能；實現(xiàn)生態(tài)清潔小流域水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)和自查報告的導入功能。針對省級用戶，實現(xiàn)水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、分析功能；實現(xiàn)小流域治理效益分析計算、評價評估及縣級自查報告評價，為江蘇省生態(tài)清潔小流域“以獎代補”制度實施提供技術(shù)支撐。

1.5 移動終端采集處理系統(tǒng)

本項目共涉及三個移動終端開發(fā)的工作，分別是水土保持監(jiān)測評價、水土保持預防監(jiān)督和水土流失綜合治理。為了方便統(tǒng)一管理，針對以上三個移動平臺，開發(fā)統(tǒng)一集成平臺，根據(jù)權(quán)限控制為不同類型用戶提供支持。移動終端采集系統(tǒng)實現(xiàn)了水土保持管理業(yè)務的在線同步監(jiān)控和離線數(shù)據(jù)處理、信息采集。

1.6 基礎信息管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)小流域信息的查詢管理，包括多區(qū)域、多時相的土地利用、植被類型、土壤類型、社會經(jīng)濟、區(qū)劃規(guī)劃、坡度坡長等，實現(xiàn)以小流域為單元統(tǒng)一對自然條件、社會經(jīng)濟、基礎地理和遙感影像數(shù)據(jù)進行空間化管理，實行行政與流域兩種邏輯管理數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)應用開發(fā)重點和難點分析

2.1 重點及應對策略

2.1.1 重點分析

一方面，水土保持信息化正處在高速發(fā)展的階段，近幾年來水利部以《水利部關于加強水土保持監(jiān)測工作的通知》(水?！?017〕36號)、《水利部辦公廳關于印發(fā)〈全國水土保持信息化工作2017—2018年實施計劃〉的通知》(辦水?！?017〕39號)、《水利部辦公廳關于推進水土保持監(jiān)管信息化應用工作的通知》(辦水?！?019〕198號)等指導性文件不斷推進全國信息化工作發(fā)展，信息化工作內(nèi)容和要求日新月異，給省級信息化建設工作增加了難度。本項目建設時間較長，將來會有新的算法、模型、組件等接入到江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)，來為各應用系統(tǒng)服務。因此，如何預留足夠的擴展空間，保證所建設的江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)有足夠高的擴展性，來滿足今后新的業(yè)務需求、新的業(yè)務系統(tǒng)、新的數(shù)據(jù)標準的不斷充實和接入，是應用開發(fā)過程中的一個重點。

另一方面，江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)涉及的用戶包括江蘇省水利廳農(nóng)水處、江蘇省水利廳信息中心、江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站、各設區(qū)市(縣、區(qū))水行政主管部門、各市水土保持監(jiān)測分站、各監(jiān)測點及社會各類從事水土保持相關業(yè)務的單位7類用戶，數(shù)據(jù)平臺和業(yè)務系統(tǒng)如何根據(jù)不同用戶級別和業(yè)務需求設置不同的顯示、查詢、統(tǒng)計、分析等內(nèi)容的權(quán)限，是保障系統(tǒng)安全性和實用性的重要因素。

2.1.2 應對策略

為了保障所建設的江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)有足夠高的擴展性，本項目在傳統(tǒng)架構(gòu)基礎上局部采用微服務技術(shù)架構(gòu)。微服務架構(gòu)風格是一種使用一套小服務來開發(fā)單個應用的途徑[3]，每個服務運行在自己的進程中，并使用輕量級機制通信，通常是HTTP、API。這些服務基于業(yè)務能力構(gòu)建，并能夠通過自動化部署機制來獨立部署，使用不同的編程語言和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)實現(xiàn)，并保持最低限度的集中式管理。

為保障功能可配置性及數(shù)據(jù)權(quán)限控制，本項目擬采用以下兩種措施：

(1)面向用戶的功能配置及權(quán)限控制。當用戶需求發(fā)生變化時，管理用戶可以使用軟件系統(tǒng)中的配置功能修改指定用戶的功能菜單及數(shù)據(jù)權(quán)限，修改完畢后，該指定用戶將在設置的權(quán)限內(nèi)使用系統(tǒng)。針對性、個性化的權(quán)限設置進一步保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，同時，也方便對不同類別用戶的分類管理。

(2)面向開發(fā)人員的功能配置及權(quán)限控制。將系統(tǒng)常用的功能集成形成系統(tǒng)框架，開發(fā)人員無需考慮底層的技術(shù)細節(jié)，可以完全專注于業(yè)務邏輯的設計，不必再為底層技術(shù)系統(tǒng)勞神費力，從而提高開發(fā)效率。

2.2 難點及應對策略

(1)江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)包含大量使用空間矢量地圖、二維遙感影像的功能，此類數(shù)據(jù)量較大、加載較慢，很容易影響系統(tǒng)訪問速度，用戶體驗差，如何保障地圖資源使用加載速度，以保證系統(tǒng)長期、有序、高效地運行是個難點。為保證涉及地圖、影像功能的訪問速度，將通過切片地圖服務和矢量切片方式來提高效率，即創(chuàng)建地圖緩存時，服務器會在若干個不同的比例級別上繪制整個地圖并存儲地圖的副本[4]，然后服務器可在用戶請求使用地圖時分發(fā)這些圖像。對于服務器來說，每次請求使用地圖時，返回緩存的圖像要比繪制地圖快得多。

(2)江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)是全省水土保持工作的信息化平臺，需要為監(jiān)管審批、領導決策、科學規(guī)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。為保障決策分析的可靠性、多樣性和直觀性，采用基于多維分析模型的數(shù)據(jù)組織讓數(shù)據(jù)的展示更加直觀，通過對數(shù)據(jù)進行聚合、細分和選取，提高了分析的靈活性，并可以從不同角度不同層面對數(shù)據(jù)進行細分和匯總，滿足不同分析的需求，挖掘數(shù)據(jù)價值。多維模型的建立是基于對聯(lián)機分析處理操作的優(yōu)化，比如基于各個維的索引、對于一些常用查詢所建的視圖等，如按行政區(qū)[全省—地級市—縣(市)]或按流域(全省—一級流域—二級流域—三級流域—小流域)來生成多維立方體。

3 系統(tǒng)運行情況分析

3.1 運行管理

江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)部署于省水利廳信息中心，地市通過水利專網(wǎng)實現(xiàn)應用端訪問和應用。

系統(tǒng)自2019年投入生產(chǎn)應用以來，為確保穩(wěn)定運行、發(fā)揮功能并逐步完善，先后組織了全省系統(tǒng)應用培訓、生產(chǎn)建設項目監(jiān)管專題培訓和監(jiān)測站管理專題培訓，提高了各級用戶對系統(tǒng)的使用熟練度。

3.2 運行成效

通過一年多的運行及功能完善，江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)在實際業(yè)務中發(fā)揮了積極作用。

一是支撐了2019年和2020年的全省遙感監(jiān)管加密工作，分別完成了全省15 235個和4 858個1 hm2以上疑似違規(guī)擾動圖斑的復核、認定、查處、整改，并通過系統(tǒng)實現(xiàn)了項目處置追蹤，大大提高了工作效率和監(jiān)管水平。

二是支撐了全省2020年第三季度監(jiān)測站點數(shù)據(jù)的整編工作，充分利用信息技術(shù)手段，實現(xiàn)了監(jiān)測站實時數(shù)據(jù)傳輸情況的記錄和告警、觀測數(shù)據(jù)的規(guī)范格式入庫，為各個監(jiān)測站季度觀測數(shù)據(jù)整編提供了支撐，真正發(fā)揮了信息化效益，減少了人為重復性工作量。

三是實現(xiàn)了生產(chǎn)建設項目批復信息的登記、防治責任范圍的上圖、監(jiān)測監(jiān)理過程材料的收集、驗收材料的入庫，目前共計實現(xiàn)了7 674個生產(chǎn)建設項目的在線監(jiān)管。

4 下一步改進計劃

按照 “以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”的發(fā)展思路，根據(jù)需要將進一步完善江蘇省水土保持信息化建設，通過科學研究與推廣，提高水土保持科技含量和技術(shù)水平。主要工作包括：升級完善集監(jiān)測評價、監(jiān)督管理、綜合治理等于一體的江蘇省水土保持信息系統(tǒng)，完善基礎數(shù)據(jù)庫建設，實現(xiàn)信息資源整合與共享，提高挖掘與信息應用水平；圍繞水土保持監(jiān)測監(jiān)督治理業(yè)務重點需求，增強目標考核、視頻監(jiān)控、預測預報、數(shù)據(jù)共享分析、在線監(jiān)管等“智慧水?！本C合體系信息化建設。

5 結(jié) 語

江蘇區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達、生產(chǎn)建設活動擾動強烈，人為水土流失嚴重，保護和合理利用水土資源、改善生態(tài)環(huán)境，必須靠強監(jiān)管來實現(xiàn)。江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)初步實現(xiàn)了水土保持核心業(yè)務信息化，形成了“基礎支撐、全面監(jiān)管、各級協(xié)同、示范帶動”的水土保持信息化體系，全面提高了江蘇省水土保持監(jiān)測工作的現(xiàn)代化水平和服務能力。但是，江蘇省水土保持信息化還處于初步建成階段，隨著水土保持工作的不斷深入，信息化建設也需要不斷強化。根據(jù)監(jiān)管能力現(xiàn)代化建設新需求，信息化平臺功能需要升級改造，擴大硬件存儲容量，運用人工智能、大數(shù)據(jù)、VR、數(shù)字孿生等技術(shù)，構(gòu)建水土保持智慧應用系統(tǒng)。