“洞庭湖數字水利”的建設思路

余元君左仲元陶雪輝唐　瑜

（1.湖南省洞庭湖水利工程管理局　長沙市　410007；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院　長沙市　410007）

“洞庭湖數字水利”的建設思路

余元君1左仲元2陶雪輝2唐瑜1

（1.湖南省洞庭湖水利工程管理局長沙市410007；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市410007）

洞庭湖數字水利建設是構建洞庭湖現代水利管理體系的重要內容，是促進洞庭湖水利管理、提高洞庭湖治理效益的重要途徑。文章文基于“數字流域”和“數字水利”框架和大數據、云計算、物聯網等新技術，根據洞庭湖水利管理實際需求，分析了洞庭湖數字水利的定位，提出了洞庭湖數字水利建設的總體目標和任務、系統架構與關鍵技術和主要建設內容。

數字水利信息化洞庭湖

前言

洞庭湖是我國第二大淡水湖，是長江重要的調蓄湖泊和國際重要濕地，素有“魚米之鄉”和“天下糧倉”的美譽，擔負著長江流域生態安全、水安全和國家糧食安全的重大責任，對構建和諧湖南、生態湖南和維系健康長江舉足輕重。

2014年4月國務院批復了《洞庭湖生態經濟區規劃》，規劃明確加快信息基礎設施建設，推動信息技術與經濟社會建設各領域融合發展，提高信息資源共享和公共信息服務水平，建設“數字洞庭”。《洞庭湖生態經濟區水利專項規劃》進一步提出了到2020年基本構建洞庭湖生態經濟區建設水利綜合支撐體系的發展目標。要求依托新理念、新思路、新技術，健全管理制度，推進信息化建設，強化管理能力建設，構建現代水利管理體系。

湖南省洞庭湖水利工程管理局于2015年7月著手啟動《湖南省洞庭湖數字水利工程》的規劃與建設工作，旨在通過以水利基礎信息和水利管理日常工作為基礎，運用新一代信息技術和3S技術，加強與國土、氣象、林業、環保等其他行業的信息銜接，匯聚和處理洞庭湖相關水利信息，建立覆蓋湖區范圍的防洪減災、水資源綜合調度體系和水環境監測體系，為湖區水工程管理、水資源配置、防洪調度、水生態環境治理提供動態、全面、及時的虛擬現實環境和管理決策支持，促進洞庭湖區內涉水事務管理從粗放式向精細式轉變，提高水利管理效能。

1　洞庭湖數字水利建設的定位

洞庭湖數字水利工程是“湖南數字水利”不可分割、重要的有機組成部分，同時也是洞庭湖生態經濟區規劃的“數字洞庭”的一個行業領域應用。

洞庭湖數字水利工程要實現縱向和橫向的貫通。縱向是在“湖南數字水利”內，在湖南水利信息化中承上啟下，確保國家、省和市（縣）三級框架的上下聯通，構成“湖南數字水利”的信息流以及防汛減災、水資源綜合利用和保護、水利工程管理等各項水利事務業務應用系統的主干通道。橫向上與數字洞庭銜接，在國家、省統一的基礎地理框架下，實現與國土基礎地理空間數據庫、公眾服務平臺的聯通機制，確保基礎地理信息的一致、最新，另外，在“數字洞庭”機制下，實現專題信息的共享、集成和疊加。

鑒于目前“湖南數字水利”和“數字洞庭”均未啟動規劃設計和建設，洞庭湖數字水利工程作為其示范工程，應高瞻遠矚，重視規劃和頂層設計，避免不兼容或重復建設。

2　洞庭湖數字水利建設的總體目標與任務

洞庭湖數字水利工程建設的總體目的是：基于“數字流域”和“數字水利”的框架，廣泛利用大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術，以及3S（GIS、GPS、RS）技術、計算機虛擬仿真技術，統一規范技術標準，整合各類信息資源，整合與完善各類業務應用系統，建立科學、系統的專業技術數學模型，構建規范、統一的洞庭湖數字水利空間和水利管理綜合數據庫平臺，建立洞庭湖水利業務應用綜合管理體系與和新型服務體系，建立洞庭湖流域及其重點地區、重要工程的數字化（虛擬）環境，全面提升洞庭湖區水利管理效率，大力提升洞庭湖綜合治理輔助決策與科學研究技術支撐水平，最大程度發揮洞庭湖水利工程綜合效益，提高湖區社會經濟與生態環境可持續發展保障能力。

主要建設任務為：以“一臺”（洞庭湖水利綜合管理平臺）、“一庫”（洞庭湖水利綜合數據庫）、“一圖”（洞庭湖水利專題圖）和“六大綜合應用體系”（河道湖泊管理、水利工程管理、防汛抗旱減災決策支持、水資源綜合利用和保護、知識管理、水利綜合服務）為核心內容的“兩個中心”（數據中心和災備中心）建設。

（1）建立基于云架構的洞庭湖水利綜合管理平臺。

基于云架構，采用大數據、云計算、云應用等技術，完善服務器群、存儲和網絡安全體系，建立數據中心和災備中心等基礎設施建設，搭建水利空間和水利管理綜合數據庫，整合完善各類業務應用，構建可提供資源服務、平臺服務、軟件服務的云應用服務體系，實現基礎IT設施資源、數據資源集約化、效益最大化，形成支撐洞庭湖數字水利工程“集成開發、多級應用”的功能布局，以及各項業務應用“云端部署、終端應用”的云平臺。

（2）建立集中、統一、規范的洞庭湖水利綜合數據庫。

完善流域數字化監測體系并整合湖區流域基本信息及水利工程、氣象、水文、水環境、地形、地質、社會經濟、土地利用等海量信息，建立以地理空間信息、水利基礎信息、專題應用信息等數據為主體，多源、多尺度、多維、多種類的洞庭湖數字水利綜合數據庫，實現數據動態采集、數據自動轉換、數據安全共享，支撐洞庭湖區水利工程建設和管理工作。

（3）建立基于空間分析模型的洞庭湖水利專題圖。

基于GIS平臺，利用洞庭湖數字水利空間數據庫及專題圖層的數字線劃圖數據、數字正射影像數據、數字高程模型數據和數字柵格地圖數據、多角度現場圖片等，在虛擬現實技術、計算仿真技術支持下，形成洞庭湖三維虛擬現實模型，通過與數據庫連接，利用數學模型和空間分析功能，建立基于空間分析模型的洞庭湖水利專題圖，為河湖管理、洞庭湖水利工程建設與管理、防洪減災決策、水資源利用和水生態保護、科學研究等提供可視化支持。

（4）構建統一架構的洞庭湖水利綜合管理六大應用體系。

在統一的技術架構下，集成和融合現有業務應用，按照智慧協同的思路完善各類專業技術和決策支持模型、水利空間分析模型，建立和完善全省河道湖泊管理、洞庭湖水利工程管理、洞庭湖防汛抗旱減災決策支持、洞庭湖區水資源綜合利用與保護、洞庭湖水利知識管理、洞庭湖水利服務等綜合應用體系，提升洞庭湖水利監控自動化和管理決策智能化水平，提高洞庭湖水利管理效率。

3　洞庭湖數字水利的系統架構與關鍵技術

3.1系統架構

洞庭湖數字水利建設的基本思路為利用水利廳信息中心設立基于云平臺的數據中心，另設立異地災備中心，通過虛擬技術進行資源分配與管理。利用現有水利網絡和業務應用系統，對洞庭湖水利管理業務各個環節進行實時監測和信息傳輸，通過自動監測、人工巡測、匯總統計、外部交換等方式，將基礎數據、實時數據、統計等數據傳輸到數據中心，完成數據分類、整合、存儲，在中間件與其他服務協作機制下，支撐上層的管理應用。所有管理業務系統集中部署在云平臺數據中心，通過統一門戶、統一地圖、統一授權管理，實現各類業務綜合管理應用，通過采用瀏覽器方式和個性化服務定制，向洞庭湖水利應用、政務應用、公眾等各用戶群體等提供統一的數據資源管理、分析及服務，滿足各類用戶的使用需求。系統架構如圖1所示。

洞庭湖數字水利的核心為基礎設施層、平臺層、應用服務層構成的云平臺。基于云技術、云平臺的統一技術標準體系、統一運維管理體系以及容災備災措施等安全體系，確保數據與應用安全穩健。

圖1　洞庭湖數字水利系統架構圖

3.2關鍵技術

（1）基于地理信息框架設計洞庭湖水利空間數據庫平臺。

洞庭湖數字水利工程應按照國家基礎地理空間框架進行空間信息平臺的設計、建庫、開發，應按有關技術規范進行空間數據的組織、分級、存儲和管理，制定目錄和交換、在線服務等規則與體系，確保洞庭湖數字水利工程基礎地理信息與 “數字湖南”、“數字洞庭”和“湖南數字水利”的一致性和交換兼容性。

（2）基于Web GIS的業務應用一張圖展現。

洞庭湖數字水利工程采用基于WebGIS的一張圖展現模式。所有業務應用系統需在統一的空間信息平臺支撐下進行開發、應用，所有的專題圖層應用需共享統一的空間數據庫，利用相同的基礎地理空間要素與屬性，采用統一的分類、基礎編碼體系以及數據交換規則，展現方式上基于Web GIS技術，在統一基礎地圖上，按照業務功能展現專業圖層。專業圖層統一規劃，風格保持一致。

（3）基于SOA的應用軟件架構設計。

洞庭湖數字水利平臺以及各類業務應用系統將基于SOA進行設計、開發，以使得業務功能容易組合、業務應用更加方便。

（4）基于空間分析服務與行業應用模型結合。

洞庭湖數字水利平臺不僅提供洞庭湖河湖、蓄滯洪區、水利工程等地理信息的瀏覽、查詢和發布等基本的服務，還需要提供面向業務應用的深層次行業分析模型。例如水文水沙模型、洪水演進與洪水風險分析模型、水資源的調度供需模型、水環境模型、地理與工程三維模型、各類業務應用管理模型等。為了滿足這些深層次的行業應用的需要，洞庭湖數字水利需采用開放的空間分析服務實現與行業應用模型的結合。這些空間分析服務應提供完整的空間信息服務建設框架，服務的創建者與引用者可以在本地以靈活的方式自定義分析功能，并集成專業的行業分析模型，最終發布為可在Web上調用的空間分析成果或虛擬現實場景。

4　洞庭湖數字水利的主要建設內容

4.1洞庭湖水利信息化頂層設計

以信息技術和3S技術為基礎，基于 “數字流域”、“數字水利”和國家有關技術標準等統一規范框架，實現信息資源規劃和技術架構體系頂層設計，完成信息資源整編分類、編碼體系制訂，水利業務分析及信息流程分析、水利綜合數據庫設計、數據交換與接口設計、進行技術架構論證，平臺基礎設施規劃等，建立洞庭湖數字水利平臺建設與運行管理技術標準。

4.2基礎數據收集與整理

加強對勘測設計、建設、管理、科研工作中水文、地形、地質等既有資料的收集整理，同時加強橫向聯系，收集和整合國土、水文、氣象、環保等部門相關資料。基礎數據的收集范圍主要包括基礎地理信息、工程測量資料、工程地質和水文地質資料、水文資料、氣象資料、水質資料、水利工程建設與運行管理資料、社會經濟數據、水利科技檔案資料等。

4.3洞庭湖水利管理應用數學模型

根據收集的水利基礎資料，針對河湖管理、水利工程建設與運行、防汛抗旱、水資源調控和水環境監控等水利管理事務，綜合運用水文、水力學、河流動力學、氣象學、環境學、管理學和數學等相關知識體系，建立水文氣象要素特征值統計分析、基礎水文分析等基礎應用和洞庭湖區水文水沙數學模型、洪水風險與防洪調度模型、水資源供需與配置模型、水環境評價與水生態調度模型等輔助決策模型，實現水利管理精細化、輔助決策智能化。

4.4洞庭湖水利專題圖

（1）洞庭湖水利工程分布圖。

依托洞庭湖數字水利的空間數據庫和GIS平臺，以湖南水利普查工作成果為基礎，基于1∶1萬DEM地形數據，2.5 m分辨率航測正射影像數據，以及區域1∶10 000的DLG矢量數據和工程局部區域1∶500～1∶5 000的DLG矢量數據（建筑物1∶500，堤防1∶2 000，河湖水下地形1∶2 000～1∶5 000），根據工程分類、規模、應用目的等建立洞庭湖水利工程分層數據，制作洞庭湖水利工程分布圖。

（2）洞庭湖水利空間仿真分析模型。

建立洞庭湖區表面模型、數字高程模型，結合正射影像、航拍圖片，重點地區、重要工程等結合BIM技術建立洞庭湖三維虛擬現實模型，通過與數據庫連接，利用數學模型和空間分析功能，輔助設計、施工和建設管理，分析和路演洞庭湖以及堤垸等工程演變情況。

4.5洞庭湖數字水利平臺

基于云架構的洞庭湖數字水利平臺建設主要包括基礎層、數據層、平臺層、應用層等建設。見圖2。

圖2　洞庭湖數字水利平臺應用層架構

（1）基礎層。

基礎層主要是“數據中心”和“災備中心”兩個中心的硬件設施資源和基礎支撐軟件，按網絡架構分為出口互聯區域、網絡資源池、計算資源池、存儲資源池、災備資源池等幾個層次。

（2）數據層。

數據層是“洞庭湖數字水利工程”的核心組成部分，應按照數據資源標準化與管理，實現數據資源橫向集成、縱向貫通、全局共享的運轉模式。“洞庭湖數字水利工程”數據邏輯組成包括數據存儲、數據組織、數據處理、資源管理、數據服務支撐等。洞庭湖水利綜合數據庫包括空間信息數據庫、基礎信息數據庫、監測數據庫、業務應用專題數據庫、知識管理數據庫、多媒體數據庫、元數據庫建設等。

（3）平臺層。

平臺層包括用戶中心、協作中心、資源中心、管理中心、應用中心等五大中心，主要為三類用戶提供應用服務。一是為平臺運營方提供應用審核、服務權限審核等服務；二是為應用開發者提供服務調用、應用接入、應用生命周期管理等服務；三是為最終用戶提供在線訪問、下載使用等服務。

（4）應用層。

在統一的空間數據平臺與技術架構、技術標準下，通過完善基礎監測體系，合理利用已經開發的應用系統，完善或重構洞工局現有河道保潔監控系統、項目管理系統、湖區排澇管理系統、檔案資料管理系統等業務應用系統，接入和集成水利廳行政資源管理系統、湖南省防汛抗旱信息系統、湖南省水利普查查詢系統、湖南省水文綜合服務平臺、湖南省洪水風險圖管理與應用系統等其他部門相關業務應用，做到數據共享和互通互補，進一步完善和強化理和輔助決策，最終構建以河湖管理、水利工程管理、防汛減災、水資源管理、知識管理、水利服務等六大應用體系為核心的綜合管理平臺。

余元君（1972-），男，工學學士，高級工程師，從事水利工程管理工作。

（2016-01-27）