城市水土保持信息化建設的設計與思考

沈盛彧，程冬兵，趙元凌，王志剛，張平倉

(長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430010)

20世紀末，隨著遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、計算機網絡及虛擬現實等高新技術被廣泛應用于社會經濟的各個領域，全球信息化建設迎來了一次發展高潮。信息化水平作為衡量一個國家或地區現代化水平的重要標志，已成為評價國家綜合實力、國際競爭力的關鍵因素[1]。黨中央、國務院將大力推進信息化作為我國在21世紀頭20年經濟建設和改革的一項主要任務，水利部黨組也明確提出當前和今后一個時期，加快水利信息化步伐、以水利信息化帶動水利現代化是一項事關水利發展全局的重大戰略任務。水土保持信息化是水利信息化工作的重要組成部分，也是水土保持工作健康持續穩步發展的重要支撐[2]。但是當前我國城市水土保持工作普遍存在水土保持監測手段、監督方式及相關行政管理業務信息化程度低的問題[3-4]，與城市水利現代化管理不相適應，更難以適應經濟社會高速發展與大數據時代信息化管理的要求。如果水行政主管部門對城市水土流失現狀、建設項目動態、生態治理成效、土石方綜合利用等水土保持相關信息難以實時掌控，又缺少水土流失突發事件預警信息技術，則無法全面、動態地統籌決策和布局，將嚴重影響水土保持工作高效管理和社會化服務水平。

為落實生態型、低碳發展的城市建設理念，促進海綿城市、智慧城市建設，本研究采取“一盤棋”式統籌發展思路，以“水保為主、突顯特色”為原則，設計了城市水土保持信息化建設的“一張圖、一個窗口、四大系統、一個大數據中心、一套數據采集、三個配套” (簡稱“114113方案”)，希望能為各地開展水土保持信息化建設提供參考。

1 城市水土保持信息化總體框架

為實現城市水土保持信息化，在深入調查分析當前國內外水土保持業務工作流程及信息化建設現狀的基礎上，構建了城市水土保持信息化建設總體框架。其中，“智慧水土保持”是追逐的愿景，“一張圖” 展現了決策所需的水土流失發生發展趨勢、生產建設項目信息、土石方信息等，“一個窗口”是信息公開和互聯互通的實現途徑，“四大系統”滿足了各項業務高效精細化管理的需求，“一個大數據中心”用于儲存和處理水土保持相關的各項數據，“一套數據采集”是水土保持相關數據信息采集的必要手段，“三個配套”是水土保持信息化基礎工作和運行維護的必備條件。構建的城市水土保持信息化建設總體框架見圖1。

2 城市水土保持信息化建設內容

2.1 “一張圖”

(1)水土流失發生發展趨勢。根據設定的統計時段及選定的空間范圍，將城市水土流失動態變化信息在地圖上實時顯示，可實現水土流失強度分級、時空分布的統計和查詢，并形成報表，供主管部門決策使用。

(2)生產建設項目信息。對生產建設項目水土保持工作全過程信息進行空間可視化，實現生產建設項目水土保持方案管理、監督檢查、監測監理、設施驗收、行政執法等信息的綜合查詢和專題式統計，以及防治責任范圍、項目位置、擾動圖斑、水土保持措施布局等相關信息的空間定位與查詢。利用重點關注項目水土流失預測預警功能，對重大水土流失突發事件進行自動化預警與分析，為主管部門決策提供依據。

圖1 城市水土保持信息化建設總體框架

(3)生態治理項目信息。根據傳統水土保持生態治理項目業務管理的要求，基于地理信息系統和空間信息技術，實現項目前期工作、進度執行、檢查驗收、效益評價等各環節信息的空間化、可視化與統計查詢，通過實施前、施工期和竣工后項目區遙感影像，以及措施布局圖和竣工驗收圖，全過程規范水土保持生態治理項目建設管理行為，實時評價項目實施效果，為主管部門宏觀決策提供依據。

(4)土石方信息。根據批復的生產建設項目水土保持方案，分析項目土石方平衡情況，對項目的挖填土石方信息和土石方綜合利用信息在“一張圖”中進行空間可視化發布，供主管部門處置違法棄土、棄石行為時參考。

2.2 “一個窗口”

(1)信息發布。通過城市水務部門門戶網站、微信公眾號等渠道，定期發布水土保持法律法規、水土流失現狀及動態變化、水土保持工作開展情況、水土保持成效等，及時、準確地進行水土保持信息公開、重要新聞事件發布、水土保持政策宣傳，滿足公眾的知情權。

(2)部省區上傳下達。根據水利部、流域、省、市、區縣水行政主管部門業務管理需求和信息化系統數據標準、格式要求等，定制相應的水土保持信息數據傳輸格式，實時對接各級水土保持信息化系統，實現數據的無縫傳輸，一鍵上傳下達水土保持業務數據，保證各級水行政主管部門之間信息通暢，提供及時的決策支持。

(3)部門間互聯互通。提供市、區縣政府發展改革、國土規劃、環境保護、交通、住房建設等部門信息系統的兼容數據接口，構建快速、穩定、通暢的信息化共享通道，實現城市水土保持信息的跨部門互聯互通。

2.3 “四大系統”

(1)水土保持監測系統。①全市水土流失動態監測。基于地理信息系統、網絡與數據庫技術，搭建地理空間基礎框架，利用衛星高分遙感影像、無人機航拍影像、智能終端、微型智能探測等多種手段(根據實際情況互為補充)，獲取和更新植被、土地利用、水土保持措施等易變化信息，調用城市地形地貌、土壤等基本信息，結合水源地、重點流域、果林地、耕地、未利用地等監測數據，根據降水等實時變化信息，采用全國水利普查水力侵蝕模型估算土壤侵蝕量，實現對城市水土流失的時空分布、變化趨勢及其防治效果的動態監控，全面提升科學決策水平。特別是針對重點關注項目，在生產建設全過程使用無人機航拍并輔助三維建模實現擾動土地狀況、取土棄土、水土保持措施和水土流失情況的全面定量監控。②固定監測點定位監測數據上報與管理。完善全市水土流失監測點布局，建立健全監測數據庫，實現網絡化、實時化管理，并逐步實現可視化管理。通過網絡系統實現監測點數據的實時采集、及時存儲、分類匯總、數據歸檔和本地封存，有效管理所獲得的數據，為其他應用系統提供數據支持。③生產建設項目水土保持監測管理。與生產建設項目管理系統相協調銜接，通過制定水土保持監測數據上報和匯交制度機制，對區域生產建設范圍內的工程建設擾動土地面積、水土流失災害隱患、水土流失及其造成的危害、水土保持工程建設情況、水土流失防治效果等數據進行網絡化采集、存儲、處理和分析，評價生產建設項目的水土保持情況，為生產建設項目水土保持設施驗收提供快捷數據支持，為水土保持部門監督執法提供翔實可靠的依據。④重點關注項目水土流失預測預警。調用重點關注項目占地、防治責任范圍、建設周期等基本信息，利用高分辨率衛星遙感影像、無人機航拍影像、現場實拍、傳感器監測等多種手段，高頻率更新下墊面地形、物質組成、地表覆蓋、水土保持措施等易變化信息，采用生產建設項目水力侵蝕模型，根據降水等實時變化信息預測土壤侵蝕量，通過對土壤侵蝕量分等定級，在地圖上實時顯示其水土流失風險等級，同時結合現場水土保持動態監測開展情況，實現針對重點關注項目區和項目區重點部位危害的預測預警，為主管部門應對突發水土流失事件和決策部署提供數據支撐，全面提升科學管理水平。

(2)生產建設項目管理系統。基于信息和網絡技術，實現水土保持方案受理、技術評審、行政審批、風險預評估、監督管理、設施驗收、資質管理等各項業務的信息化整合，使生產建設項目水土保持各類信息一致、互通和共享，并實現項目信息的高效高精度智能查詢檢索，為行政決策和監督檢查提供便利。

(3)生態治理項目管理系統。基于地理信息系統和信息化技術，以小流域為單元，按項目和行政區兩種空間邏輯進行一體化協同管理，以項目、項目區、小流域三級空間分布，將項目現狀和治理措施落實到1∶1萬圖斑，實現生態綜合治理項目的圖斑精細化管理。根據水土保持生態治理項目業務管理的要求，完成項目立項(包括規劃、建議書、可行性研究和初步設計等4個階段)、過程(監督檢查)、驗收(包括單項措施驗收、階段驗收和竣工驗收等3個階段)、效益評價、后評估等各環節的全面信息化管理、空間信息上圖，規范水土保持生態治理工程建設管理行為，提高項目管理效率和水平。

(4)文化建設系統。①科技示范園。可通過在水土保持科技示范園建立3D、4D或5D影院，分不同類型和場景展示，使觀眾從多維感官體驗水土流失過程、危害和水土保持效果，還可以在園區制作街景地圖，并發布于園區網站，公眾可通過網頁或APP模擬參觀體驗。②公眾參與。通過微信公眾號、官方微博、水土保持論壇、APP等多種渠道，及時、準確地對公眾進行水土保持科普知識宣傳，并讓公眾能便捷地參與制度建立、水土流失事件監督和相關討論等，滿足公眾的參與權和監督權。③科技協作。利用先進的項目管理和網絡技術，對科研項目全過程及內容(包括項目申報書、科研數據、驗收意見等)、主要科研單位及專家信息(包括基本信息、科研方向、承擔的科研項目、代表著作、所獲獎勵等)進行集中式管理和及時更新，實現水土保持科研信息的高效共享，推動科研成果的轉化推廣。

2.4 “一個大數據中心”

通過購置服務器及配套設備并將其安放于水務信息中心機房，或采用政府購買服務的方式租用商業云計算服務器，配備云存儲和云處理平臺，部署基礎數據庫、監測數據庫、生態治理項目數據庫、生產建設項目數據庫、綜合信息數據庫等。同時，配置必要的軟件平臺，包括數據庫軟件、殺毒軟件、單點登錄軟件、運維管理軟件、企業數據總線工具等。

2.5 “一套數據采集”

(1)基礎數據入庫。基礎數據主要包括基礎地理、遙感影像(如高分遙感影像)、社會經濟、自然條件(如水文、氣象)等數據。其中：基礎地理數據應包括1∶5萬、1∶1萬、1∶5 000的水系、地貌、土壤、植被、居民地、交通、行政區劃等DLG數據和DEM地形數據；遙感影像數據應包括多源、多時相的2.5～5 m、1～2.5 m、亞米級高分辨率遙感影像，以及30 m分辨率的多光譜遙感影像。社會經濟、自然條件等數據主要來自相關部門發布的信息。

(2)監測點布局。為實現城市水土流失監測評價全覆蓋，按照《水土保持監測技術規程》(SL 277—2002)監測點布局要求，為保障監測數據的準確性，兼顧經濟性和可行性，綜合考慮土地利用類型、重點關注項目、非法建設活動等因素，在全市設置生產建設項目、排水管網、果林地、耕地、未利用地、水源地、重點流域、機動監測點等各類型的監測點。其中：生產建設項目監測點主要針對重點關注項目，監測內容包括項目擾動范圍、擾動類型、土石方、下墊面變化等，采用無人機、視頻監測、智能終端等監測方法，每月監測一次，雨季每半月監測一次；果林地、耕地、未利用地監測點主要用于面上水土流失估算復核抽樣，監測內容主要包括地表覆蓋、物質組成、微地形等，采用現場人工判別，每季度監測一次；水源地、重點流域監測點主要監測泥沙量、水質等，用于復核匯水區水土流失強度，結合現有水文站點分布情況，重點流域已有水文站點的可通過內部數據共享的方式采集數據，還沒有水文站點或站點建設不成熟的，可采用補助共建的方式進行實時監測；機動監測點主要針對非法建設項目，監測內容包括擾動范圍、擾動類型、土石方、下墊面變化等，采用高分遙感影像、無人機、視頻監測、智能終端等監測方法，每月監測一次，雨季每半月監測一次。

(3)數據采集方法。針對不同監測需求，根據各項工作對空間、時間、光譜尺度的具體要求，經充分考察對比，引用國內外先進監測技術和設備，合理配置、組合使用高分遙感、無人機、視頻監測、智能終端、微型探測等一系列“空天地一體化”技術體系中的方法，為全面實現生產建設項目水土保持“天地一體化”監管、生態治理項目“圖斑精細化”管理、全市水土流失動態監測、重點關注項目水土流失預警、突發水土流失事件應急等提供技術和數據支撐。

(4)歷史數據入庫。將開展城市水土保持工作以來的所有生態治理項目、生產建設項目、科研協作項目，以及相關各類法律法規、標準制度、重要會議等紙質、電子資料，分不同發展階段和類型梳理整編后數字化，委托專業人員錄入生產建設項目、生態治理項目、科研協作和綜合信息等數據庫。

(5)高性能傳輸網絡。依托政府內網、國家水利骨干網、公共網絡通信資源和無線傳輸網絡，以水利專網為主，提升省、市、區級水土保持機構的數據交互共享網絡質量，完善從監測站點、移動采集系統到水土保持大數據中心的傳輸網絡，積極推進監測站點的自動化無線傳輸網絡建設。

2.6 “三個配套”

(1)信息化標準。收集整理現有城市水土保持領域的相關標準與規范，針對城市水土保持信息化建設內容，梳理城市水土保持信息化的標準需求，在國家、省級、市級及行業標準規范的基礎上制定適合城市水土保持信息化建設的實用性標準制度。

(2)系統安全與維護。①運行維護。制定應用系統運行維護管理制度，明確專職運行維護人員，落實崗位職責，加強運行維護人員專業技術培訓，規范故障處理和維護操作，落實運行維護經費。②安全保障。制定數據、系統、應用安全保障制度，嚴格數據的保密傳輸及存儲備份，提高系統對網絡攻擊、病毒入侵的防范能力，通過身份認證保障傳輸數據的完整性、真實性和權威性。③應急響應。制定水土保持應急響應制度，在市、區兩級分別針對可能發生的水土保持突發事件編制基于信息技術的可操作性強的處理預案，若發生突發事件，則可有秩序地進行處理，以減少損失。

(3)門戶網站。充分依托城市水務及水土保持行業已有的門戶網站資源，結合水土保持業務需求，推進信息發布、在線服務，構建水土保持信息共享與服務平臺，全面促進水土保持信息共享和業務協同。以“中國水土保持生態建設網”為龍頭和標準，采用統一門戶框架技術體系，建立統一標準、統一規范的單點登錄式市區水土保持部門的門戶網站群，實現分布式信息資源的有機整合，構建統一的水土保持信息對外發布與服務窗口。

3 結 語

為推進我國城市水土保持信息化進程，在綜合分析城市水土保持業務內容和流程的基礎上，結合當前主流的“3S”技術、計算機網絡等高新技術，提出了一整套城市水土保持信息化建設方案，從水土保持相關項目和業務數據的采集、管理、應用、支持決策等4個層面進行了詳細設計，希望能為各地開展水土保持信息化建設提供參考。未來，將結合城市水土保持信息化建設實施過程中出現的問題，針對多種高新技術的集成應用繼續進行研究。