智慧水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板建設(shè)的原則與分工

趙永軍,張紅麗,程 復(fù)

(水利部 水土保持監(jiān)測中心,北京 100053)

近年來,水利部將推進(jìn)智慧水利建設(shè)作為推動(dòng)新時(shí)期水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一,并將智慧水利視為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志。水利部編制印發(fā)的《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》提出,“十四五”期間智慧水利建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)是建設(shè)數(shù)字孿生流域,構(gòu)建“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,強(qiáng)化水利網(wǎng)絡(luò)安全體系,優(yōu)化智慧水利保障體系。水土保持作為其中的N項(xiàng)業(yè)務(wù)之一,同步開展了智慧水土保持建設(shè)的相關(guān)工作。2022年,水利部辦公廳印發(fā)了《“十四五”時(shí)期智慧水土保持建設(shè)工作方案》,明確建設(shè)全國水土保持一張圖的目標(biāo),提出了水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板和數(shù)字化場景建設(shè)與集成的任務(wù)安排。

1 水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板概念與用途

所謂水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板,是按照孿生流域建設(shè)的有關(guān)要求,集成覆蓋流域空間的多源、多分辨率、多時(shí)態(tài)的基礎(chǔ)測繪成果,將流域下墊面或周邊環(huán)境等變化慢、更新需求頻率較低的基礎(chǔ)地理信息數(shù)字化并建成一張圖,作為水土保持治理管理和搭載模型運(yùn)算的基礎(chǔ)底座,是具有穩(wěn)定性、全覆蓋、多尺度、可交互等特征的一系列圖層。

水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板是水土保持治理管理的基礎(chǔ)。在過去幾十年,水行政主管部門主要是依托行政管理經(jīng)驗(yàn),對管轄范圍內(nèi)的水土流失及相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行治理管理,以實(shí)體的行政區(qū)域或責(zé)任范圍來劃界,對其中的自然地理、社會經(jīng)濟(jì)、水土流失等信息以表格或圖件形式進(jìn)行加工分析,對水土保持監(jiān)督或綜合治理工作進(jìn)行管理。在推進(jìn)智慧水利的新階段,需要克服以往的管理單元較大、定位不夠精細(xì)、加工分析較慢等缺陷,利用地理信息系統(tǒng)、遙感影像、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、定位導(dǎo)航等技術(shù),在數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上,快速便捷地對水土保持活動(dòng)進(jìn)行治理管理,提高精準(zhǔn)度、工作效率和質(zhì)量水平。同時(shí),數(shù)據(jù)底板也是規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工管理的基礎(chǔ)。高精度、較新的數(shù)據(jù)底板,可以用于水土保持措施布局規(guī)劃、效益分析,甚至可以用于土石方量計(jì)算、施工管理和智能施工放樣。

在智慧水土保持建設(shè)中,數(shù)據(jù)底板是決定智慧程度的關(guān)鍵要素之一。相對于模型的其他有效輸入而言,數(shù)據(jù)底板具有穩(wěn)定性,較長時(shí)段內(nèi)不會發(fā)生較大的變化(如DEM),因此數(shù)據(jù)底板在研究或管轄范圍上應(yīng)做到全覆蓋,以搭載模型并提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和邊界條件。數(shù)據(jù)底板還具有多尺度的特征,不同的專業(yè)用途專注于特定的尺度,不同層級的用戶所關(guān)注的要素和重點(diǎn)不同,因此應(yīng)制成不同精度的數(shù)據(jù)底板,以滿足不同用戶的差異化需求。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和工作的經(jīng)濟(jì)性,不同層級的數(shù)據(jù)底板還應(yīng)具有聯(lián)動(dòng)交互功能,這種交互可不考慮雙向,重點(diǎn)是下一層級的高分辨率圖層底板的有關(guān)信息應(yīng)通過尺度擴(kuò)展等數(shù)據(jù)模型進(jìn)行概化,提煉出相應(yīng)信息供上一層級的圖層底板數(shù)據(jù)更新。

2 水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板的現(xiàn)狀與問題

在國家級(含流域管理機(jī)構(gòu))和地方有關(guān)省(自治區(qū)、直轄市)的水土保持信息管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用中,已經(jīng)積累了不少底板類數(shù)據(jù),在推進(jìn)水土保持信息化方面發(fā)揮了重要作用,但與智慧水土保持建設(shè)的需求相比,仍存在不少問題,具體如下。

1)數(shù)據(jù)一致性較差。地形、土壤、植被等自然地理數(shù)據(jù)和人口、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)及環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的精度、坐標(biāo)、時(shí)效和格式不完全一致,實(shí)現(xiàn)覆蓋全國或整個(gè)區(qū)域、流域的情況較少,不少數(shù)據(jù)沒有做到圖、庫對應(yīng),完整性和準(zhǔn)確性存疑,還不能滿足智慧水土保持建設(shè)的相關(guān)要求。

2)專題數(shù)據(jù)積累不多。可用于水土保持監(jiān)測、監(jiān)督和治理的土地利用、DEM、土壤侵蝕數(shù)據(jù)較少,可供水土保持專業(yè)模型研制、驗(yàn)證的數(shù)據(jù)種類不多,時(shí)間系列也不夠長,制約著水土保持大尺度機(jī)理模型的研發(fā)和參數(shù)率定工作,影響著水土保持業(yè)務(wù)管理的精細(xì)化程度。

3)數(shù)據(jù)更新維護(hù)不及時(shí)。一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)老舊,更新不及時(shí)。例如,民政部門對行政區(qū)劃每年都會有一些調(diào)整,而在使用時(shí)很難找到研究年度的對應(yīng)數(shù)據(jù)。交通、水系、地形數(shù)據(jù)和水土保持業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)亦然。

4)信息化意識不強(qiáng)。數(shù)據(jù)底板,是信息化工作的基礎(chǔ),應(yīng)按照不同的工作需求逐步予以數(shù)字化并長期積累。從水土保持預(yù)防監(jiān)督、治理和監(jiān)測領(lǐng)域來看,普遍存在著編碼不一、數(shù)據(jù)零散、精度不一、時(shí)間系列短、缺少元數(shù)據(jù)等情況,反映出信息化意識還不夠強(qiáng)、數(shù)字化程度滯后于管理需求,影響了數(shù)據(jù)價(jià)值的充分挖掘。信息化建設(shè)需要方方面面的數(shù)據(jù),任何一個(gè)用戶,既是信息的使用方,也可能是另一信息的提供方?；鶎右痪€的用戶,需注意所生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可能用途和精度,做到實(shí)用經(jīng)濟(jì);信息化專業(yè)用戶,需注意系列積累、數(shù)據(jù)整編和元數(shù)據(jù),讓其他用戶適應(yīng)匹配。

5)共享程度低。智慧水土保持涉及多方面的數(shù)據(jù),但大多分散在不同的部門或用戶進(jìn)行存儲和更新管理,在制作數(shù)據(jù)底板時(shí),會遇到水土保持專業(yè)內(nèi)、水利系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)資源相對容易獲取,而跨行業(yè)、跨部門的數(shù)據(jù)共享較難等現(xiàn)象,還存在著更新不及時(shí)、格式不一致、精度損耗大等問題。

6)需求不明確。智慧水土保持工作尚處于起步階段,數(shù)據(jù)底板還趨向于一套標(biāo)準(zhǔn),沒有做到分級響應(yīng)。對國家級用戶,智慧水土保持的主要需求以業(yè)務(wù)督查和績效考核為主,而項(xiàng)目法人或縣級用戶則以質(zhì)量控制和進(jìn)度管理為主。前者需要的范圍更廣,后者需要的精度更細(xì)。當(dāng)前,尚未對用戶群進(jìn)行分類,不同的數(shù)據(jù)底板需求還沒有完全厘定清楚,還需要針對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行細(xì)分。

3 數(shù)據(jù)底板的分級

3.1 數(shù)據(jù)底板的分級原則

針對不同用戶群,可將數(shù)據(jù)底板分為不同層級。構(gòu)建分級的數(shù)據(jù)底板,應(yīng)遵循以下原則。

1)簡潔實(shí)用原則。構(gòu)成數(shù)據(jù)底板的各圖層,組成要素應(yīng)主題鮮明、簡潔明了,不宜過分繁雜,將不同類別、不同屬性的信息混在一起,而應(yīng)聚焦某一主題,便于用戶加載和組裝。

2)對應(yīng)事權(quán)原則。在水土保持業(yè)務(wù)管理中,縣級用戶和項(xiàng)目法人是重點(diǎn)用戶,他們多是水土保持業(yè)務(wù)的直接組織者,職責(zé)更為明確和具體,管理地域較小;而地市級、省級和國家級則以管理、指導(dǎo)、督辦為主,管理地域更廣。在數(shù)據(jù)底板建設(shè)中,應(yīng)分別考慮兩類用戶對底板數(shù)據(jù)精度的需求。

3)有機(jī)銜接原則。針對相應(yīng)的事權(quán),數(shù)據(jù)底板應(yīng)按照一數(shù)一源、一碼一源的規(guī)則,根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯將責(zé)任方數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集,形成系統(tǒng)完整、上下銜接、數(shù)據(jù)唯一、時(shí)空關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)底板有機(jī)體。

4)相對穩(wěn)定原則。在制作數(shù)據(jù)底板時(shí),應(yīng)選用變化較慢、相對穩(wěn)定的要素,如土壤類型、光熱情況、土地利用、水系道路等。在應(yīng)用于產(chǎn)匯流和土壤侵蝕模型計(jì)算時(shí),只需在數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上加載降雨、大風(fēng)等有效輸入,就可計(jì)算出相應(yīng)的匯流和侵蝕情況,以提供預(yù)測預(yù)警和決策支持。

5)經(jīng)濟(jì)可行原則。數(shù)據(jù)底板的精度越高,所需的成本就越高。在智慧水土保持建設(shè)中,應(yīng)根據(jù)需要與可能,在試點(diǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上不斷總結(jié),找出符合當(dāng)前要求且經(jīng)濟(jì)可行的一數(shù)多態(tài)解決方案,而不能過分強(qiáng)調(diào)較高的時(shí)空分辨率,花費(fèi)過多的資金和精力,加劇對算力資源的占用。

3.2 分級初步安排

數(shù)據(jù)底板建設(shè)不能考慮所有的可能需求,只能采用試點(diǎn)引路、急用先行的方式選擇必需的要素有序推進(jìn)。依據(jù)智慧水土保持的頂層設(shè)計(jì)和近期建設(shè)規(guī)劃,數(shù)據(jù)底板可分為L1、L2、L3三級。

L1級數(shù)據(jù)底板主要供公眾用戶使用,包括國家級、省級、地市級水利系統(tǒng)內(nèi)非水土保持專業(yè)的用戶,也可用于科普、科研等范疇。內(nèi)容上可包括水土保持監(jiān)測站點(diǎn)分布、水土保持示范園分布、以縣為單元的土壤侵蝕分布概況和水土保持區(qū)劃、以縣為單元的綜合治理規(guī)劃范圍、以小流域?yàn)閱卧木C合治理工程規(guī)劃期內(nèi)實(shí)施范圍等,同時(shí)共享氣候類型區(qū)、降水徑流等值線、土壤分區(qū)、植被分區(qū)、河流水系分布、城市規(guī)模等級、人口、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展分區(qū)等自然和社會經(jīng)濟(jì)類數(shù)據(jù),更新年限可初定為5～10 a。

L2級數(shù)據(jù)底板是水土保持業(yè)務(wù)管理的基礎(chǔ),是當(dāng)前階段數(shù)據(jù)底板建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容,主要供國家級、省級、地市級水土保持專業(yè)的用戶使用。內(nèi)容上除L1級的相關(guān)要素外,還應(yīng)增加縣域水土保持率、在建水土保持綜合治理工程的設(shè)計(jì)分區(qū)圖、在建生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍及渣場矢量和定位監(jiān)測點(diǎn)、遙感監(jiān)管發(fā)現(xiàn)的生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)圖斑等內(nèi)容,用于當(dāng)年的監(jiān)督檢查、督辦和考核等工作,更新頻率一般為每年更新。

L3級主要供縣級水土保持專業(yè)用戶和建設(shè)項(xiàng)目的項(xiàng)目法人使用。內(nèi)容上以在建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)布局為主,包括道路、水系、土壤、植被、地形、水土保持綜合治理工程的措施分布、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治分區(qū)和措施分布、水土保持監(jiān)測站點(diǎn)內(nèi)的小區(qū)布設(shè)等內(nèi)容,還包括相關(guān)的設(shè)計(jì)報(bào)告和自然、社會經(jīng)濟(jì)要素等信息,不必頻繁更新,可服務(wù)于整個(gè)項(xiàng)目的全生命周期,一般在項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)再按項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際情況更新一次。對縣級水土保持專業(yè)用戶,可按年度進(jìn)行整編匯集作為年度監(jiān)督管理的依據(jù)。

數(shù)據(jù)底板建設(shè)需考慮智慧水土保持建設(shè)的整體性、階段性和協(xié)同性,注重與智慧水利體系的銜接。近期,考慮到已有數(shù)據(jù)的情況,L1級數(shù)據(jù)底板的精度可初定為1∶5萬的比例尺或25 m的影像分辨率,L2級數(shù)據(jù)底板的精度可為1∶1萬的比例尺或2 m的影像分辨率,L3級數(shù)據(jù)底板的精度可為1∶2 000的比例尺或0.1～0.2 m的影像分辨率。隨著算力的發(fā)展,數(shù)據(jù)底板的精度可進(jìn)一步細(xì)化提高。

4 數(shù)據(jù)底板的建設(shè)分工與管理維護(hù)

4.1 建設(shè)分工

就L2級數(shù)據(jù)底板而言,應(yīng)采用全面普查的方式進(jìn)行建設(shè),由國家級用戶和省級用戶共同負(fù)責(zé),一般5 a或10 a普查一次。期間,根據(jù)需要通過購買或共享等方式對基礎(chǔ)信息進(jìn)行局部更新,對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)模型從L3級底板中抽取,每年進(jìn)行更新。

L3級數(shù)據(jù)底板,應(yīng)結(jié)合水土保持事權(quán)劃分,按照“誰生產(chǎn)數(shù)據(jù),誰負(fù)責(zé)入庫”的原則,將生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案、國家水土保持重點(diǎn)工程設(shè)計(jì)報(bào)告等所涉及的基礎(chǔ)地理信息和水土保持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上圖,并經(jīng)審查審批部門審核后入庫形成L3級數(shù)據(jù)底板。重要淤地壩和崩崗治理等單點(diǎn)工程,必要時(shí)可參照水利工程進(jìn)行L3級底板建設(shè)。顯然,L3級數(shù)據(jù)底板多以不連續(xù)的方式展現(xiàn),也可在L2級數(shù)據(jù)底板上用“打補(bǔ)丁”的方式予以細(xì)化。

L1級數(shù)據(jù)底板,可在L2級數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)模型進(jìn)行概化抽取獲得。為保持與數(shù)字孿生流域L1級數(shù)據(jù)底板的一致性,地理要素等基礎(chǔ)信息可直接通過智慧水利建設(shè)中的數(shù)字孿生流域共享而來,水土保持專業(yè)方面則由國家級和省級用戶負(fù)責(zé)建設(shè),并根據(jù)社會需求進(jìn)行建設(shè)與更新。

4.2 管理維護(hù)

國家級和省級用戶共同負(fù)責(zé)L1、L2級數(shù)據(jù)底板的建設(shè)與維護(hù),縣級和項(xiàng)目法人等負(fù)責(zé)L3級數(shù)據(jù)底板的管理維護(hù)。除集中普查外,L3級數(shù)據(jù)底板是L2級數(shù)據(jù)底板更新的信息來源主渠道,為保障數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確,省級有關(guān)部門應(yīng)加大對成果質(zhì)量的檢查,對負(fù)責(zé)審核的責(zé)任主體進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督。

對L2級向L1級提供更新信息,L3級向L2級提供更新信息,需開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行信息整合、質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)脫敏,實(shí)現(xiàn)信息傳導(dǎo)的自動(dòng)化、規(guī)范化。

5 預(yù)期成果與討論

5.1 預(yù)期成果

數(shù)據(jù)底板的建設(shè)成果主要是L1、L2、L3級的數(shù)據(jù)圖層,并根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行更新,表現(xiàn)形式為統(tǒng)一地理空間基準(zhǔn)的一年一張圖。圖層包括基礎(chǔ)信息和專業(yè)信息兩大類,基礎(chǔ)信息包括自然地理要素、社會經(jīng)濟(jì)、重點(diǎn)專題等信息,專業(yè)信息包括水土保持預(yù)防監(jiān)督、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持、國家水土保持重點(diǎn)工程、規(guī)劃和監(jiān)測等信息。水土保持預(yù)防監(jiān)督信息包括土壤侵蝕、各級水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)、崩塌滑坡危險(xiǎn)區(qū)、泥石流易發(fā)區(qū)、水土保持區(qū)劃、小流域劃分、土壤類型、坡度、土地利用、植被覆蓋等要素,還需關(guān)注空間管控制度“三區(qū)三線”等信息;生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息包括項(xiàng)目位置或邊界、擾動(dòng)范圍分區(qū)、防治措施平面布置及措施等級等要素;國家水土保持重點(diǎn)工程信息包括項(xiàng)目邊界、圖斑、措施規(guī)格與平面布置、淤地壩分布等要素;規(guī)劃和監(jiān)測信息包括近期實(shí)施規(guī)劃項(xiàng)目,國家級水土保持監(jiān)測站點(diǎn)位置,國家級水土保持示范園區(qū)、生態(tài)文明示范工程位置,執(zhí)法案件數(shù)量及辦結(jié)量,中央環(huán)保督察、中央巡視整改涉及項(xiàng)目等要素。

5.2 討論

數(shù)據(jù)底板的分級不是一成不變的,因其與經(jīng)費(fèi)和算力直接相關(guān),故短期內(nèi)應(yīng)按滿足工作急需和試點(diǎn)推進(jìn)為主,待應(yīng)用成熟后再予以大面積推廣。試點(diǎn)期間,數(shù)據(jù)底板建設(shè)所涉及的要素要有一定的冗余和適度的前瞻性,為精細(xì)化管理和科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。同時(shí),還需注意數(shù)據(jù)脫敏和信息安全工作。