成都市水生態工程信息管理平臺建設研究

梁 吉 欣

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

成都市水生態工程信息管理平臺建設研究

梁 吉 欣

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

以《成都市水生態系統2025規劃》中涉及的信息化建設內容為背景，本文研究了成都市水生態工程信息管理平臺的技術架構，闡述了水生態工程數據庫建設、水生態工程全生命周期的信息平臺建設、水生態工程公眾服務系統建設等內容，并總結了成都市水生態工程信息管理平臺的關鍵技術并分析其應用前景。本文的研究對國內城市水生態信息化建設具有指導和借鑒意義。

水生態； 信息管理平臺； GIS

1 研究背景

成都因水而生、因水而興，都江堰水利工程超越千年的科學建設和延續千年的維修利用，成就了“水旱從人”的天府之國。

但近年來，隨著成都市社會經濟的發展，特別是工業化、城鎮化的深入推進，成都同全國很多城市一樣，面臨著“水缺”、“水患”、“水臟”等嚴峻考驗。基于上述背景，成都市委市政府提出“科學規劃、梯次推進和完善河流水系建設，推動城市轉型升級”的戰略方針。成都市水務局于2013年底啟動了“成都市梯次推進河流水系生態建設實施規劃”編制工作，最終形成了《成都市水生態系統2025規劃》。

《成都市水生態系統2025規劃》立足于構建良好生態系統，以“保護自然水源、優化千年水網、建設活水成都”為目標，通過“突出河流主線、構建生態廊道；加強河湖濕地連通，優化水網格局；建設海綿城市，統籌流域治理；推進智能水務，提升管理水平”的規劃措施，著力在“防澇治澇、供水安全、水環境整治、水生態修復、水景觀提升”等方面。該規劃涉及水源開發、節水治污、飲用水源地保護、河道綜合整治、農田水利建設、河湖濕地、水系連通、濱水綠道、再生水利用、中心城區海綿城市構建與內澇防治等工程建設，同時也突出在城市智慧水生態方面的信息化建設。

《成都市水生態系統2025規劃》中的智能水生態信息化建設包含：中心城區暴雨內澇監測預報預警系統建設、府南河水質實時監測系統建設、中心城區非生活用水戶遠程監控系統建設、中心城區排水管網數字化管理系統建設、水庫動態監管系統建設、農村飲水安全工程動態監管系統建設、水資源實時監控與管理信息系統建設等11個專業信息化項目，涉及水污染、水利用、水資源、水安全、水設施等多個方面，可以預見，成都市智能水生態信息化項目的順利推進實施，將極大提升成都市在全國城市智能水生態信息化應用方面的廣度和深度，以及城市水生態方面的智能化管理水平。

目前,中國電建集團已開展了大量城市水生態相關項目，由于水生態工程規劃、設計、施工、運維管理等各階段工作信息化條件差異較大，如何統籌考慮集團內部相關信息技術優勢資源，結合成都市水生態系統工程建設，開展面向水生態與地下空間業務的市場分析、規劃設計、施工、運維平臺服務建設，構建可適應上述業務的信息管理平臺，是本論文研究的主要方向，以期為企業和政府提高水生態工程綜合管理水平提供信息技術支撐手段。

2 平臺技術架構

2.1 總體架構

成都市水生態工程信息管理平臺集成水生態工程相關數據，充分利用物聯網、GIS及BIM可視化等技術手段，構建滿足成都市水生態規劃設計、建設、運維全生命周期的信息化支撐平臺。

平臺采用SOA架構，提供組件化、可擴展的業務服務，滿足跨硬件平臺、跨操作系統的要求，支持多種主流數據庫和中間件產品，具備良好的平臺互操作能力，可保障業務信息在集成大屏、Web及桌面終端、移動終端貫通，形成“一屏多端”的總體架構方案。

平臺總體架構見圖1。

圖1 平臺總體架構

2.2 網絡結構

基于政務電建云、互聯網與局域網等構建水生態工程信息管理平臺運行的網絡環境，云計算中心通過公網出口與互聯網連接，水生態工程規劃設計、施工建設、運維管理及相關政府部門通過互聯網訪問平臺數據。提供移動網絡的運營商通過公網出口與互聯網連接，通過互聯網獲取云計算中心提供的數據與服務，再通過移動網絡為授權的移動端設備提供系統訪問服務。

平臺網絡拓撲圖見圖2。

圖2 平臺網絡拓撲結構

2.3 應用體系

成都市水生態工程信息管理平臺應用于水生態工程規劃、設計、施工、運維等全生命周期各個階段，服務于水生態工程建設相關單位：

(1)水生態工程數據采集與匯交系統、規劃設計系統主要用戶為工程規劃設計相關單位；

(2)水生態工程建設管理系統主要用戶為工程施工建設相關單位；

(3)水生態工程運行監控系統、公眾服務系統、集成展示系統主要用戶為政府部門、運維管理等相關單位。

平臺應用體系見圖3。

3 基于全生命周期的平臺建設研究

3.1 水生態工程數據庫建設

3.1.1 基礎地理數據庫

基礎地理數據庫存儲的主要包括4D產品(DEMDOMDLGDRG)和空間元數據信息。DEM、DOM采用國家高程數據交換格式CNSDTF-DEM，影像、圖像采用tiff、img交換格式。矢量數據采用KML/GML國際標準標記語言。該類數據主要來自于專業測繪機構通過勘測并制作發布的地理信息數據，提供日常工作基本要素數據、用于表達地面起伏狀態的幾何數據和地表紋理數據(見圖4)。

3.1.2 水生態工程專題數據庫

成都市水生態工程專題數據庫主要用于存儲水生態工程規劃、設計、建設、運行全過程中產生各類專業數據，以及水生態設計、建設涉及的工程及附屬設施三維模型數據(見圖5)。

圖3 平臺應用體系

圖4 成都市基礎地理數據庫

圖5 成都市水生態工程專題數據庫

由圖5可知，成都市水生態工程專題數據庫主要包括：

(1)水資源數據庫。主要有城市河流水系、湖泊、人工灌渠、閘門、大壩、用水及雨污管網等水資源相關數據；

(2)水環境數據庫。主要包括水質、水溫等監測數據、河流水體污染治理等相關數據；

(3)水安全數據庫。主要包括城市河流防洪、防澇、防旱等工程設施及城市水情、水質監測相關數據；

(4)水經濟數據庫。主要包括水資源調度、污水處理廠、自來水廠等水資源利用消費數據；

(5)水景觀數據庫。包括河道景觀治理、沿線景觀、商業地產及住宅分布等數據。

3.2 水生態工程全生命周期的信息平臺建設

3.2.1 水生態工程數據采集與匯交系統

系統基于成都市水生態數據資源及指標體系建立的水生態工程數據庫，實現成都市水生態工程規劃、設計、建設、運營等各階段各類數據的輸入、更新、編輯、檢索等功能，形成較為完善的數據采集與匯交機制，從而構建為成都市水生態系統項目群提供數據資源收集、整理、存放、檢索與共享的信息管理平臺(見圖6)。

3.2.2 水生態工程規劃設計系統

為滿足水生態工程規劃設計階段業務需求，開發水生態工程規劃設計系統，系統在統一的二三維可視化環境下集成水生態工程規劃設計人員科學理念及規劃設計成果數據，滿足業務系統多項目、多部門、多人員、多版本的規劃、設計數據輸入、修改、查詢與展示，可實現水生態工程規劃方案協同設計，設計流程管理、方案比選、方案查詢、方案可視化展示、方案匯報演示等功能，為工程規劃方案的科學性和設計方案的優化提供數字化、信息化手段(見圖7)。

3.2.3 水生態工程建設管理系統

利用先進的物聯網、云計算、GIS、網絡通訊等新一代信息及數字化技術，集成水生態工程施工進度、質量、投資、安全等工程建設信息，研發并建立水生態工程建設管理系統，為水生態工程進度、質量、投資等綜合管理提供決策輔助，為全面提升成都市水生態工程建設水平提供技術支撐(見圖8)。

圖6 水生態工程數據采集與匯交系統架構

圖7 水生態工程規劃設計系統

圖8 水生態工程建設管理系統

3.2.4 水生態工程運行監控系統

水生態工程基礎設施建成投入運行后，為了實現業主單位和運維單位對成都市水生態工程的全面管控與應急決策分析能力，需要利用物聯網、云計算、大數據、GIS等技術，研發水生態工程運行監控系統。系統通過各類水位、水質、雨量、視頻等監測設備實時感知城市水生態工程系統的運行狀態，將海量水生態信息進行技術分析與處理，實現成都市水生態工程運維管理的信息化、數字化和智能化(見圖9)。

圖9 水生態工程運行監控系統

3.2.5 水生態工程集成展示系統

系統融合應用計算機網絡、GIS等技術，對成都市水生態工程建設過程中涉及的主要空間對象進行標識和展示，集成規劃、設計、施工、運行等全生命周期的工程規劃、工程設計、建設管理、運行監控等信息，形成“水生態工程一張圖”，提供相關信息的查詢、分析與利用，創建水生態工程輔助管理和決策支持的集成展示系統，供相關設計、管理人員決策、會商及日常輔助管理使用(見圖10)。

3.3 水生態工程公眾服務系統建設

(1)水生態工程信息資源門戶網站。成都市水生態工程信息資源門戶網站作為包括手機APP在內的水生態行業門戶網站，實現水生態工程建設相關信息的公開，為投資方、規劃設計方、建設方、運維方及政府相關部門提供在線辦事、信息資源下載上報等各種公共服務。

(2)微信企業號信息發布系統。基于微信為企業客戶提供的移動服務，快速建立成都市水生態工程信息管理應用入口，實現水生態工程設計、生產、協作及運營管理的移動化，其主要功能包括：及時面向用戶推送水生態行業動態、工程進展、現場視頻、圖片、水雨情、日常動態管理、突發事件等信息。系統需滿足企業靈活、復雜以及高安全性的要求,如：應用可定制、僅通訊錄成員能關注、無限制的主動群發消息，開放且權限控制的接口，保密消息，應用快速部署、消息提醒更精確等，對于社會公眾也可通過微信公眾號提供水生態工程建設相關的信息發布和查詢服務(見圖11)。

圖10 水生態工程集成展示系統

圖11 微信企業號信息發布系統

4 平臺建設的關鍵技術

4.1 水生態指數數據資源體系構建技術

研究與成都市城市水生態指數相關的數據指標，包括全國各級城市基礎影像、城市地形、城市水系、溝渠、水庫湖泊、濕地、污水處理廠、自來水廠、水源地、已有水環境基礎設施及項目分布、水資源規劃利用現狀、土地利用現狀、城市綠地分布、自然系人文保護區分布、人口分布等城市水生態規劃靜態類數據；同時，也包括城市污染、用水、污水、供水、綠色環境指數、輿論民情、經濟水平、發展規劃、發展理念等動態類數據。

將上述數據按照空間、時間、指標三個維度進行劃分，建立涵蓋城市水生態市場分析及規劃設計相關的數據指標體系。該指標體系的建立，可為成都市水生態信息管理平臺建設提供統一的標準數據體系(見圖12)。

圖12 基于多維度的水生態數據指標體系

4.2 基于多維、多源、多尺度的數據挖掘技術

從空間、時間、指標三個維度，進行城市水生態數據指標體系研究和建設，以指標體系為指導，進行多維、多源、多尺度的水生態數據資源倉庫建設。其次建立企業內部數據、政府部門和合作機構數據以及公開數據的可持續性、動態更新獲取方法，對獲取數據進行清洗、抽取、轉換和加工，進入水生態數據倉庫，建立動態持續的數據更新機制(見圖13)。

圖13 基于多維、多源、多尺度的數據挖掘技術

4.3 傾斜攝影快速建模技術

隨著空間地理信息數據獲取技術的不斷發展，國內越來越多的城市開展了如火如荼的傾斜攝影數據采集。本平臺利用PhotoMesh實景建模技術，通過攝影測量原理，可以將多種源數據、分辨率、任意數據量的照片轉化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網格模型。具體來說，它通過對獲得的傾斜影像、街景數據、拍攝照片等不同數據源數據進行同名點選取、多視匹配、三角網(TIN)構建、自動賦予紋理等步驟，最終得到三維模型，實現城市級大量三維模型及水生態景觀模型的快速構建(見圖14、15)。

圖14 PhotoMesh技術流程 圖15 金馬河現狀傾斜攝影建模

4.4 GIS與BIM融合技術

平臺融合GIS與BIM技術，著力解決GIS和BIM之間的互通性問題，實現GIS與BIM之間格式轉換、數據通訊等方面的標準化及其技術流程。BIM軟件對模型的承載量本身有限，Skyline作為主流三維GIS平臺，可以不受任何限制的打開、調用管理不同BIM軟件創建的模型，進行無縫大場景瀏覽，并且不丟失模型的屬性信息。集成GIS與BIM系統的優勢，可以集成水生態工程規劃設計、建設管理、運營等階段的業務數據，以更好的三維可視化效果滿足水生態工程業務管理需求(見圖16)。

圖16 GIS與BIM融合技術

4.5 物聯感知技術

物聯感知技術提供對成都市水生態工程建設相關環境的智能感知能力，通過芯片、傳感器、RFID、攝像頭等手段實現對城市范圍內水生態工程基礎設施、環境、建筑、安全等方面的識別、信息采集、監測和控制，為水生態工程建設管理、運行監測等提供智能化數據采集和技術支撐(見圖17)。

圖17 物聯感知技術

4.6 基于規劃設計流程管理的GIS技術

基于成都市水生態工程設計、校核、審查等規劃設計流程，利用Skyline三維平臺軟件, 在統一的GIS可視化環境下集成水生態工程規劃設計人員科學理念及規劃設計成果數據，滿足業務系統多項目、多部門、多人員、多版本的規劃、設計數據輸入、修改、查詢與展示，可實現水生態工程規劃方案協同設計，設計流程管理、方案比選、方案查詢、方案可視化展示、方案匯報演示等功能(見圖18)。

5 應用前景分析

通過本平臺的建設，可以形成基于電建云，以城市水生態業務為核心的信息化解決方案，具有以下幾個方面應用前景：

圖18 基于規劃設計流程管理的GIS技術

(1)為成都市政府相關部門、水生態工程建設相關企業提供規劃設計、建設管理、運營等數據支撐服務，提高相關企業對水生態工程的規劃設計、施工建設、運維管理等能力；

(2)可為成都市水生態系統建設相關政府部門、規劃、設計、建設、運營等單位提供統一的信息管理平臺，以信息化助力水生態工程建設管理水平的提高；

(3)后期可以為科學制定各級地方政府水生態規劃服務，促進城市及區域間水生態業務跨域合作，遠期可以服務于國內政府水生態業務主管部門、國內水生態業務相關規劃設計及建設企業、投融資企業。

(4)對國內其他城市水生態信息管理系統建設和智慧城市建設具有示范和借鑒作用。

6 結 論

成都市水生態工程信息管理平臺集成成都市域范圍內的水資源、水環境相關數據資源、規劃方案和工程項目信息，充分利用物聯網、GIS及BIM可視化等技術手段，基于電建云等基礎設施環境，構建滿足成都市水生態規劃設計、建設、運維全過程的信息化支撐平臺，筆者結合水生態工程項目應用實踐，對平臺建設的技術架構、關鍵技術、應用前景等方面進行了研究，可以對國內其他城市水生態信息化建設提供參考價值。

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2017-01-12

梁吉欣(1983-)，男，江西景德鎮人，碩士，高級工程師，從事三維地理信息系統應用及研發工作。

X171.4;P208

：B

：1003-9805(2017)03-0038-08