面向智慧水利的遼寧省水利一張圖建設方案探討

祖 佳

(遼寧朝陽市水文局，遼寧 朝陽 122000)

2021年全國水利工作會議明確提出要“充分運用物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術，加快智慧水利建設”[1]。水利一張圖是落實智慧水利建設的重要抓手。近年來隨著“云、物、大、移、智”相關技術的飛速發展，云平臺技術、數據挖掘技術、高分辨率空間網格及面向服務的體系架構日益成熟，特別是國產自主衛星遙感信息資源保障能力持續增強及其應用服務不斷推廣和普及，為水利一張圖建設提供了大量新的技術、方法和資源[2]。地理信息技術的廣泛應用能有力推動信息技術與水利業務的深度融合，水利一張圖為打造數字孿生流域和實現“四預(預報、預警、預演、預案)”功能提供信息資源支撐，為有力推進場景數字化、模擬智慧化、決策精準化提供了服務平臺保障[3]。建設遼寧省水利一張圖平臺是通過數字賦能手段驅動水利治理體系和治理能力現代化的現實需要。近些年來，國內對于水利一張圖的建設取得一定的成果[4- 14]，但對于其建設框架研究還較少，尤其是在當前面向智慧水利及數字孿生流域建設的研究還相對較少。本文面向當前智慧水利發展要求分別，從建設總體框架、主要技術路線等方面進行深入探討，提出面向智慧水利的遼寧省水利一張圖建設方案。研究成果對于其他省份水利一張圖建設具有參考和借鑒價值。

1 總體架構

1.1 邏輯架構

水利一張圖的總體邏輯架構主要采用分布式集群進行數據存儲，從而提升數據存儲能力和運行能力，使系統運行更穩定可靠。總體架構主要包括“四橫兩縱”，四橫為基礎設施層、數據資源層、平臺服務層、應用層；兩縱為標準規范體系、運維保障體系。總體邏輯架構如圖1所示。

圖1 水利一張圖總體邏輯框架

在總體邏輯框架中，基礎設施層是支撐水利一張圖系統運行的主要軟硬件環境。利用物理服務器和基礎云平臺的計算資源池和存儲資源池為該系統分配必要的計算資源和存儲資源。數據資源層是水利一張圖空間專題數據庫，是系統的基礎和核心，數據主體由基礎地理空間數據提取和規范化處理生成，并加工成可以進行分層展現的數據圖層，數據資源池用來存儲水利一張圖相關的對象數據、關系數據、元數據離散地理空間對象數據和連續空間數據。平臺服務層在面向服務體系架構下，服務支撐平臺主要提供各類數據服務和地圖服務。可為上層業務應用如河湖長制、水資源、中小河流等提供服務。應用層是水利一張圖綜合信息系統，主要包括數字看板、地圖瀏覽、查詢統計、專題分析、三維展示、問題反饋、數據糾錯和地圖標會功能。為各業務用戶提供查看和管理數據的服務窗口。標準規范體系在現有水利技術標準體系框架下，以現有相關信息系統標準為基礎，新增水利一張圖相關標準

規范。主要包括數據規范、服務規范、運維規范等內容。運維保障體系是系統正常運行的軟環境，建立健全和一張圖平臺運行管理與維護的相關制度與規范，保證水利一張圖正常而可靠地運行。

1.2 數據架構

地理空間數據庫用于存儲離散空間對象數據和連續空間數據。水利空間對象數據庫用于存儲規范化處理的水利對象數據、關系數據、元數據等關系型數據，以及經過處理加工后的非關系型的水利空間數據。針對已建信息化項目采用WebService接口形式進行交互，空間數據通過OGC標準服務形式實現共享交換。數據架構如圖2所示。

1.3 信息資源架構

根據統籌規劃、資源整合的原則，滿足水利一張圖模式發展和未來信息化建設需求，從水利基礎數據、水利業務數據2個維度提出信息資源架構，通過服務支撐平臺實現對現數據在一張圖和業務應用之間的快速轉換，保持數據的動態更新和優化調整，在統一標準規范和運維體系下建設遼寧省水利一張圖，實現水利信息的無縫瀏覽和信息查詢統計分析，最終實現數據的綜合展示。信息資源架構如圖3所示。

圖2 數據架構圖

圖3 信息資源交互架構圖

1.4 技術架構

技術架構的軟硬件和中間件產品均需要滿足當前國產化的要求，采用主流語言進行運行平臺上層環境的開發。水利一張圖存在數據和業務集中展示的特點，開發過程中采用前后端分離技術進行服務段和前端顯示設計開發，提升前端的快速響應。后端主流核心包含數據庫連接、數據引擎搜索、安全體系架構、模塊組件以及日志管理等內容。前端主流核心主要包含JS框架、統一用戶驗證、數據關聯結構組件、在線編輯數據功能組件等。通過NodeJS服務器將前端作物服務橋接層引入到NodeJS層進行運行腳本編輯，大量的邏輯運算通過后端服務環境進行預先計算以及圖層顯示等工作，從而強化前端的運行流暢性。特定需求的業務數據靜態化為.JSON數據文件，并將靜態資源如JS、CSS和.JSON放置于服務器端，搭建Node.JS作為橋接層，從而提升訪問性能。技術架構如圖4所示。

圖4 技術架構

1.5 安全架構設計

水利一張圖建設按照網絡安全等級保護三級建設要求進行安全防護，分別從技術部分和管理部分防護，其中技術部分包括：網絡環境安全程度、網絡通訊安全等級、邊界防護水平、計算環境安全程度等，在管理部分主要為：安全管理制度及機構設置，人員管理能力、建設期網絡安全保障和運維水平。本項目的建設主要已應用為主，針對應用安全重點在身份認證、權限管理、三員分立、安全審計、信息安全標識等方面進行建設，確保業務系統安全。安全架構如圖5所示。

2 主要建設內容

2.1 標準規范建設

根據水利一張圖在建設、應用和管理中存在的信息屬性層級、數據服務產品分類、地圖分層顯示標準、數據劃分和安全管理標準不一致的問題，在水利信息化標準體系的基礎上，研編系列技術規范和管理辦法，以規范水利一張圖使用管理和應用服務、遙感影像數據及成果共享、身份認證和數字證書管理等工作，有效保障水利一張圖建設與應用的標準化，促進水利一張圖持續、穩定發展。

2.2 數據資源建設

支撐水利工作應用的數據資源，主要是現有防汛抗旱、水利工程建設與管理、水利政務、水資源管理、水土保持、移民管理成果等類數據資源。將對象數據和地理空間數據的抽取、規范化處理、存儲和管理。包括數據規范化處理、空間專題數據庫建設和數據管理系統開發等功能。

(1)數據抽取

根據現有業務系統數據資源進行整合形成的數據資源池中的數據進行逐類抽取，根據對象數據和地理空間數據進行抽取。抽取后為水利一張圖系統做數據支撐。

(2)數據規范化處理

將各水利對象的基礎數據、水利業務數據、關系(包含業務關系和空間關系)數據和元數據，按照水利一張圖標準規范，對數據進行規范化處理，為水利一張圖提供數據支撐。

(3)空間專題數據庫建設

根據水利一張圖系統建設需要，建設水利一張圖空間專題數據庫，用于存儲加工優化處理后的水利對象數據、地理空間數據、基礎地理數據、遙感影像數據和社會發展數據等，供水利一張圖綜合信息系統使用。

(4)數據管理系統開發

數據管理系統主要實現對水利對象數據、地理空間數據的管理和維護更新。包括數據聯動更新子系統、數據維護子系統、更新數據反向推送子系統等。

2.3 服務支撐平臺建設

可以通過水利一張圖的服務支撐平臺來構建“水利一張圖+”的業務應用，將業務應用數據和一張圖標準進行無縫銜接后，提高數據動態更新和優化調整。各類水利對象數據以水利一張圖為基礎進行專題服務的拓展應用，推動業務按照信息流重組的方式進行優化，提高不同業務之間協調發展。包括地圖服務生產、數據服務開發、服務共享、服務管理、開發中心和資源推送等6個子系統開發。

(1)地圖服務生產

使用GIS平臺軟件制作和生產地圖服務，并發布成標準的地圖服務。

(2)數據服務開發

數據服務開發主要是按照相關標準規范對數據進行處理和分級分類，開發標準的Webservice接口服務(REST風格)，對有需求的市縣或業務部門提供數據服務接口。在此基礎上完成服務制作和數據緩存，然后發布成數據服務和標準地圖服務供用戶調用。

(3)服務共享

建立一張圖與相關業務系統之間的數據共享閉環，通過服務共享建立與相關業務系統的聯系，推動一張圖服務與業務系統應用的良性互動，促進數據質量不斷提升和服務效果不斷改進。

(4)服務管理

服務管理主要是利用服務總線等技術對數據服務和標準地圖服務進行協調和統一管理，為用戶提供服務注冊、訪問權限設置、查詢、調用等功能。

(5)開發中心

開發中心主要針對對外提供的數據服務和地圖服務，支撐業務定制開發，提供相應的服務說明、開發指南、示例代碼等。

(6)資源推送

資源推送是實現服務基本信息與資源目錄之間的數據推送，將服務描述信息推送到資源目錄，可在資源目錄模塊實現對服務資源檢索與瀏覽。

2.4 水利一張圖綜合信息系統建設

水利一張圖綜合信息系統建設包括數據看板子系統、地圖瀏覽子系統、查詢統計子系統、專題分析子系統、三維展示子系統、問題反饋子系統、數據糾錯子系統、地圖標繪子系統、數據上圖子系統、服務上圖子系統等10個子系統建設。

(1)數字看板子系統

數字看板展示現有資源匯總數及重點業務信息，包括如當前系統在線人數、基礎數據、遙感影像、密度圖、區域統計、年訪問量、用戶總數、督查、問題反饋排行、糾錯意見采納排行及熱點服務調用次數等。可快速、直觀了解數據及系統運行情況等信息。

(2)地圖瀏覽子系統

通過開發相關功能實現數據的檢索瀏覽。包括瀏覽工具、地圖工具、圖層管理、服務目錄、全文檢索、條件查詢、空間查詢、關聯查詢等功能。

(3)查詢統計子系統

根據需求按照不同的統計維度及統計指標對要素進行統計，以表格、統計圖、地圖專題圖方式展示查詢統計結果。

(4)專題分析子系統

利用業務共享的專題數據，開發業務專題。包括水旱災害防御專題、水資源管理專題、水利工程專題、水土保持專題、河長制湖長制專題、農村供水專題、視頻專題。

(5)三維展示子系統

依托三維地理信息系統(3D-GIS)、建筑信息模型(BIM)、傾斜攝影技術、云計算和大數據分析技術，對水利工程的三維場景以及水旱災害防御涉及的主要空間對象進行建模；在水利一張圖系統中，提供三維場景空間對象集成信息的查詢瀏覽、統計分析與三維展示，實現在水利一張圖系統中對水利工程項目建設全生命周期數字管理與應用。

(6)問題反饋子系統

在業務開展過程中發現數據問題可對數據完整情況和數據質量進行糾錯反饋。問題反饋后系統自動通過短信或郵件通知相關人員。在問題反饋管理后臺進行審核，確定對反饋問題的采納與駁回。

(7)數據糾錯子系統

用戶在瀏覽數據時可隨時將發現的錯誤數據通過糾錯窗口進行提交，在數據糾錯管理后臺進行審核，審核通過后數據對象將根據糾錯信息進行更新。

(8)地圖標繪子系統

提供在地圖上點、線、面、文字的繪制，并對繪制的內容進行管理。

(9)數據上圖子系統

提供用戶在水利一張圖系統上傳本地數據，并在水利一張圖系統中與系統現有服務、圖層進行疊加查看瀏覽的功能。并對上傳數據進行管理。

(10)服務上圖子系統

用戶通過水利一張圖系統添加用戶自己或共享過來的的地圖圖層服務，并在水利一張圖系統中與現有服務、圖層進行疊加進行查看瀏覽。并對添加的服務進行管理。

2.5 運維支撐平臺建設

主要包括運維管理子系統、用戶行為管理、系統配置和安全保障等運維支撐模塊。

(1)運維管理子系統

提供對單點登錄、用戶管理、部門管理、權限管理、日志管理等功能。

(2)用戶行為記錄

對用戶登錄進入一張圖后的操作進行追蹤記錄，并且定期將記錄結果匯總統計，形成用戶足跡統計信息。便于分析用戶常用功能，可對常用功能進行優化或保障。

(3)系統配置

對系統的一些參數進行配置，包括數據配置和地圖服務配置。

(4)安全保障

安全保障系統主要對水利一張圖系統中的信息訪問進行安全控制，防止敏感信息泄露。

3 結論

(1)在水利一張圖的基礎上，可構建“水利一張圖+”的業務應用體系，從而實現水利一張圖標準服務與業務應用數據處理過程的無縫銜接，保障數據的常用常新和服務的優化完善。

(2)水利一張圖可有效提高數據資源整合共享程度，避免各級水利部門空間數據的重復性建設，整體性降低空間數據獲取費用，實現業務應用協同創新，提升智慧水利管理和服務水平。

(3)數據資源整合是水利一張圖建設關鍵所在，由于水利數據存儲分散，一數多源使得數據資源整合難度相對較大，后續還需要對水利數據資源整合技術進行深入探討。