基于關鍵指標的水保時空大數據多維可視化研究與實現
——以陜西省“水土保持一張圖”指標體系建設為例

李瑞平，王曉晶，李文龍

(航天宏圖信息技術股份有限公司,北京 100195)

自2009年提出“一張圖”的概念以來，逐漸從狹義的基礎地理信息庫的總集發展成業務應用系統的建設，目前已成為實現信息資源整合共享、推動信息技術與業務深度融合的重要抓手[1]。隨著水土保持信息化建設的逐步開展與完善，各級水行政主管部門對于數據共享和信息服務的要求與日俱增。2021年12月，水利部印發《水土保持“十四五”實施方案》，要求結合水土保持智慧化管理需求，健全水土保持數據庫，形成“水土保持一張圖”。這就要求水行政主管部門在開展預防監督、監測評價、綜合治理等業務管理應用系統建設的同時，還應考慮“水土保持一張圖”建設，對相對分散或獨立的水土保持信息資源及相關的其他業務資源進行綜合管理、深入挖掘、集成應用，使其更好地為智慧化模擬和精準化決策服務。

2013年以來，陜西省陸續開展了多項、多期水土保持信息化建設項目工作，積累了大量數據。但是水土保持業務中指標項眾多，面對海量多源異構的水土保持業務數據，如何科學、準確把握關鍵性指標，高效、綜合應用水土保持時空數據，簡明、生動詮釋水土保持業務工作成果，是建立陜西省“水土保持一張圖”面臨的主要問題之一。目前水土保持數據可視化研究多針對可視化技術本身或針對少量單一業務數據進行可視化探索[2-3]，鮮見面向水土保持業務展示及統計需求、關注全量水土保持業務數據綜合可視化方法的研究。基于對陜西省水土保持信息化資源的梳理和分析，提出了適宜于陜西省“水土保持一張圖”的關鍵指標體系，構建了時空大數據管理平臺，對全量水土保持數據的可視化方法進行了研究并最終得以實現。

1 陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系建設

1.1 技術流程

水土保持數據涉及柵格、矢量、屬性三大類，同時具有較強的空間和時間特征[4]。為實現全量數據可視化，從展示維度和統計維度兩方面分析水土保持數據可視化需求，在此基礎上梳理并建立陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系，建設技術流程見圖1。

圖1 陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系建設技術流程

1.2 展示維度分析

從可視化角度出發，構建通用型水土保持數據展示框架，旨在通過通用框架+針對性設計，達到面向多層級用戶、覆蓋全流程數據、清晰表達業務狀態、直觀反映發展趨勢、凸顯業務特色的目標。

(1)應用場景。從可視化角度考慮3種應用場景，即宏觀、中觀、微觀。宏觀頁面即總覽頁，實現綜合統計結果的可視化，主要用于展示全域的總體情況；中觀頁面即附加篩選條件的宏觀頁面，實現特定時間和空間下統計結果的可視化，主要用于展示某一特定空間尺度(如某市、某流域等)在特定時間段內(一般以年為單位)的總體情況；微觀頁面即詳情頁，實現全量原始監測及業務數據的可視化，主要用于顯示某個項目或專項工作的詳細信息。

按照陜西省水土保持各領域可視化需求，分別針對宏觀、中觀、微觀三種應用場景，構建通用型水土保持數據展示框架，完成頁面布局設計，滿足不同領域、不同層級用戶的水土保持業務管理需要。

(2)3D展示技術。隨著3D技術的快速發展與普及，水土保持業務中也積累了越來越多的3D空間數據。3D展示與2D展示相比，效果更加真實立體，但同時耗費的計算資源也成倍增長。因此，將3D技術應用于水土保持可視化時要注重平衡業務需求與運行效率，綜合考慮應用3D技術的必要性與可行性。其中，必要性方面主要考慮業務與地形要素的相關性，可行性方面主要考慮是否可獲取符合業務要求的3D數據支撐、配備計算資源是否足以支撐快速展示等。

從陜西省水土保持業務和數據情況來看，現階段主要有3項業務適宜應用3D技術：①生產建設項目監管(微觀)，應用于重點生產建設項目的高陡邊坡等水土流失易發區域、大型取土場、棄渣場等，3D視圖下水土流失防護措施及相關水土流失風險顯示更清晰、直觀；②綜合治理工程管理(微觀)，應用于治理工程所在小流域，3D視圖下小流域治理措施及分布合理性更易判別；③淤地壩管理(微觀)，應用于淤地壩所在管理區域，3D視圖下淤地壩壩體、溢洪道、泄水洞、監測設施等的位置及分布更清晰、直觀。

1.3 統計維度分析

從業務管理角度出發，梳理常見水土保持數據統計分析維度，旨在通過探索數據統計分析模式，提升數據資產價值，指導行業管理分析與決策。

(1)空間維度。空間上，根據管理需求的不同，實現多種分割尺度下水土保持業務數據的統計分析。①行政區劃。根據管理的職責權限，需要從行政管理角度按照省、市、縣、鄉、村等行政區劃單元進行業務指標統計分析。②流域邊界。根據水土流失發生發展特點，需要從集水匯水角度按照流域、小流域等不同單元進行業務指標統計分析。③水土保持分區。根據區域水土流失防治目標，需要從水土保持功能分區角度按照水土保持一級區、二級區、三級區進行業務指標統計分析。④其他。根據其他個性化業務需求，應實現基于自定義空間劃分單元進行業務指標統計分析的功能。

(2)時間維度。時間上，主要有兩方面的需求：①時序對比分析。考慮到業務的持續性、連貫性和可追溯性，需要實現水土保持業務指標的年度、跨期變化分析。②實時運行監測。對于生產建設項目及綜合治理工程等項目進度、狀態，以及水土保持監測站點、淤地壩相關監測參數等業務指標，需要實現實時動態運行監測。

(3)分類維度。在水土保持業務中，涉及多種業務類型和業務等級，各業務類型、業務等級間的對比是水土保持業務常見的統計分析內容。①監測評價。包括水土保持監測站點類型、水土保持監測站點級別、水土保持監測站點來源、土壤侵蝕強度等級、植被覆蓋度等級、土地利用類型、水土保持措施類型等。②監督管理。包括生產建設項目所屬行業、生產建設項目批復級別、生產建設項目建設狀態、監督檢查結果類型、行政處罰類型、責任追究類型、信用監管類型、違法違規類型、查處進度類型等。③綜合治理。包括項目類型、資金來源、水土保持措施類型、項目進度、圖斑精細化核查類型、淤地壩類型、科技示范園級別等。

(4)交叉維度。根據水土保持業務需求，通常需要融合多個維度對業務數據進行統計及對比分析。此種情況較多，在此選擇典型情況舉例說明：①水土流失情況對比。展示各級別水土流失的年度變化情況，融合了水土流失強度級別和年度信息，實現了兩年度間各級別水土流失面積對比。②方案管理。展示各級別批復水土保持方案生產建設項目數量的連年變化情況，融合了批復級別及年度信息，通過統計數量實現了各年度、各級別批復項目數量對比。③淤地壩類型統計。展示全省及各市的大、中、小型淤地壩數量，融合了行政區劃及淤地壩類型，通過統計資料，實現各市、各類型淤地壩數量對比。

1.4 關鍵指標體系

通過水土保持信息化建設，陜西省構建了覆蓋水土保持規劃、水土保持監測、水土保持監督、水土保持治理等多個業務系統的陜西省水土保持信息基礎平臺；模型資源方面包括了兩區動態劃定、土壤流失評價、土壤侵蝕潛在危險度、消長分析、重點治理工程安排建議共5個業務模型；數據資源方面積累了各類數據近4 TB?？傮w來說，陜西省信息化成果已初具規模。

表1為陜西省水土保持信息資源指標統計結果。由表1可知，基于陜西省水土保持信息資源，分業務、分類型梳理數據，提取各業務數據及其統計指標，共確定業務指標項260個、數據條目31 300條、統計項153個。在此基礎上，進一步提取了各業務關鍵指標項，并基于業務需求明確了展示維度和統計維度，建立了陜西省“水土保持一張圖”指標體系，具體見表2。

表1 陜西省水土保持信息資源指標統計結果

2 陜西省“水土保持一張圖”設計

2.1 總體框架

圖2為陜西省“水土保持一張圖”總體框架。陜西省“水土保持一張圖”依托于陜西省水土保持信息基礎平臺，在已有軟硬件及基礎業務系統的環境上搭建，在此基礎上對數據庫進行升級，使其滿足時空大數據管理及挖掘需求?？傮w采用B/S的架構方式，基于時空數據庫和WebGIS技術進行設計，包括預防監督、綜合治理、監測評價、淤地壩管理、科技示范園5部分內容。

表2 陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系

2.2 時空大數據管理平臺

全省全量水土保持數據具有海量、多源、異構的特點，同時具有較強的時空特性[4]。時空大數據管理平臺在原有數據庫基礎上進行升級，通過結構化和非結構化數據庫結合，融合了空間數據和非空間數據兩套數據管理體系，支持水土保持時空大數據更新、治理及服務。

(1)時空數據更新。時空數據更新主要指各種渠道、各種類型的原始數據匯集，包括天、空遙感數據，地面監測數據，業務管理數據及引接共享數據等，匯集過程中需標注數據的匯集時間、空間特性、業務屬性等信息。

(2)時空數據治理。時空數據治理主要指按照規定的數據時空基準，通過數據格式轉換、數據一致性處理、數據空間化、數據建模等處理操作，實現數據的融合與更新。

(3)數據分析服務。數據分析服務主要包括統一數據服務、數據資產管理、智能數據研發等內容。統一數據服務支持數據服務申請、數據服務生成、數據服務發布等功能；數據資產管理支持在線資產全景可視、資產目錄管理、資產詳情查詢等功能；智能數據研發指通過可視化編排方式實現數據管理與服務功能。

圖2 陜西省“水土保持一張圖”總體框架

2.3 主要功能

(1)二、三維地圖展示。總覽頁及詳情頁中均設置地圖板塊，支持水土保持業務數據疊加及分析統計?？傆[頁中，針對不同業務展示其管理對象的概化空間點位分布，并通過圖標形狀、顏色等對其類別加以區分；基于面板快速展示管理對象分區域、分類型數量統計信息；支持通過年度軸實現不同年份統計數據的快速切換。詳情頁中，針對某一具體管理對象的范圍和內部空間結構進行精細化展示，針對預防監督、綜合治理、淤地壩管理等業務場景支持2D、3D切換，以輔助用戶解讀管理對象詳情，輔助管理決策。

(2)多元化數據統計?？傆[頁針對各業務關鍵指標，基于統計表、柱狀圖、餅狀圖、折線圖等，展示關鍵業務節點統計分析情況。決策者可通過直觀可視的方式，全面掌握水土保持業務運行和發展態勢，通過關鍵業務節點的關鍵指標，以及多項指標組合與關聯分析，真實、全面和動態地了解水土保持業務發展的各個方面，提高行業的前瞻性。

(3)感興趣時空篩選。總覽頁內，支持通過空間和時間篩選進行感興趣時空范圍內關鍵指標的統計數據查詢。面向不同層級用戶及特殊應用場景，決策者可根據實際需求，通過篩選起止時間、區域名稱或矢量范圍，快速查詢相應各關鍵業務節點關鍵指標的統計結果，支撐業務管理與決策。

(4)全量化詳情查詢。詳情頁內展示各業務的全過程信息，支撐用戶對業務管理單體對象的全量信息進行查看。通過地圖點選或關鍵字搜索進入詳情頁，基于地圖板塊展示具體管理對象的范圍和內部精細化結構，基于項目流程展示管理對象狀態、結論以及項目各階段基礎信息。

3 總結與展望

基于陜西省水土保持信息化資源，面向水土保持數據展示及統計分析需求，梳理并構建陜西省水土保持關鍵指標體系，在此基礎上升級建設時空大數據管理平臺，支持水土保持時空數據的更新、治理與服務，建設預防監督、綜合治理、監測評價、淤地壩管理、科技示范園等多個業務領域一張圖，支撐各級水行政主管部門監測業務運行狀態、查看業務管理成效、推測業務發展趨勢，服務水土保持智慧化模擬和精準化決策，有助于推進陜西全省水土保持行業健康、高質量發展。

隨著行業與技術的進一步發展，基于微服務架構，未來陜西“水土保持一張圖”可融合新的技術與理念，如數據挖掘、淤地壩BIM模型、數字孿生流域等，持續優化、完善服務功能，通過數字賦能，提升水土保持行業服務能力。