基于GIS網格化的河長制信息資源模型

高 磊，黃華東，談 震，劉 敏，杜 政

(南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，江蘇 南京 211106)

河湖治理由于涉及部門眾多，綜合性影響因素多，一直是長期困擾環境、民生發展的重點問題，2016年12月，《關于全面推行河長制的意見》的中央文件印發，標志著河長制從地方實踐探索正式上升成為國家意志[1]；2017年3月，在十二屆全國人大第五次會議上，“全面推行河長制”首次被寫入政府工作報告。這一系列國家政策的出臺表明河長制制度已基本完備。目前，全國各地都掀起河長制改革的熱潮，水利部也出臺了具體的督導意見，標志著中國的河湖治理進入了一個新時期[2]。

河長制工作的推行通常成立由地方主要黨政領導為河長，水利廳(局)牽頭的河長辦，協同各相關部門，以省、市、縣、鄉、村多級全面落實河長制的相關工作[3]。由于河長制涉及全方位的河湖信息監測監管和多部門間的業務協同，信息化支撐就非常重要，因此在各地河長制的政策落實、建設過程中，信息化系統的建設對河長制的落地起到了重要作用。而信息化系統的建設，主要是圍繞河長制六大任務開展的監測監管、工作協同、民眾交互等領域的功能開發與應用，而這3個功能領域內的數據信息資源如何整合、流轉，則是河長制信息化系統能夠取得成功的關鍵；河長制信息化系統除需要整合水利、環保、林業、國土等多個部門的監測信息數據外，還需處理民眾投訴、河長巡河等監管類信息數據，這使得基于河長制信息資源模型的信息整合變得非常重要，對系統應用成功與否起到關鍵性作用。

目前水利、環保行業都已有相關的數據庫信息模型規范標準，但主要是覆蓋水情、水質數據監測范圍，同時，由于側重點不同，不同領域內的規范標準的結構、內容有一定的出入，因此需要一種通用的、標準化的覆蓋河長制各類信息需求的模型規范體系[1,4]。本文提出一種河長制信息化的資源模型結構，旨在為河長制應用系統的建設落地提供支撐。

1 模型建立

河長制信息資源模型應以河湖體系為核心，以河長制行政區劃分段，形成河湖模型，在此基礎上設計各類型數據目錄存儲結構，使各類數據均與主體河湖模型對象關聯。同時針對河湖模型對象，利用GIS空間數據處理方法，根據行政區劃將分級管轄河段對象空間網格化，形成基于河湖模型的GIS空間網格化河湖資源空間數據對象，利用GIS的空間分析功能，將不同類型的數據資源與對應段的河湖資源對象自動關聯，從而提供數據服務，支撐整個河長制監測監管信息的運轉[5]。

1.1 河湖模型

1.1.1 河湖目錄

河長制信息化中，河流按照水利學的分類方法，以流域、水系、河流等層次結構劃分，設定河湖目錄以流域為根節點、依次以主外鍵關系建立水系、河流的對象實體，在河流層級及以下層級，支持基于鏈表結構的層級模型對象拓展，實現河流與上游支流、下游支流一對多、多對一的關聯關系，河流層級數、類型屬性可按需擴展，為河湖體系提供統一、通用、可擴展的模型結構,將河長制管理的河流信息按照流域與水系特點進行存儲，其結構可擴展，完成河流層級的模型存儲。在此基礎之上建立河長制所涉及的多層管理層級的模型結構。在目前河長制的實際實施過程中，絕大部分省級層面為最高級別，基本層級為省、市、縣、鄉(鎮)、村五級體系[3]。該層結構較為簡單，可直接通過層級信息模型完成對應河長制管理單位、河長及河長制工作人員的信息存儲。

河湖資源模型和管理層級模型之間可通過橋接或多對多映射的關系建立關聯，但這是一種弱關聯，其目的是建立河湖資源與對應層級的河長、河長辦公室之間的關聯關系，不涉及實體間的關聯操作，后續進一步對河湖資源做網格化處理，將河流劃分為管轄河段，從而為后續河長制信息系統的應用開發提供河湖模型服務[6-7]。

1.1.2 GIS網格化

河湖模型的建設為河長制與河湖管理提供了河流信息及河長制各層級間的管轄范圍與對象信息，但由于河長制是以一條河流的管轄范圍劃分的，如縣級河長對某條河流在縣內河段管理，而在一些應用場景中，如市的不同區管轄范圍，存在河流左右岸的劃分，同時河流岸線規劃是河長制建設的基礎要求，應當嚴格落實規劃岸線分區管理要求[8]，這使得單純的河湖模型無法提供河長制基本管理單元的模型支撐，因此，需對河湖資源模型中的河流信息根據河長制的管轄范圍進一步劃分。河段網格化是建立在河流GIS模型的基礎上，將河流資源模型轉換成具備拓撲空間關系的GIS對象模型，根據河流對象精度劃分的不同，分別以GIS空間對象類型的線、面對象為基本單元，對河流及其支流GIS建模，并建立與河湖模型中對象的映射關系，實現河流水文信息與空間信息統一管理。從而形成河湖GIS模型庫。在建立河系GIS模型的基礎上，進行河湖網格化工作。網格化是將河湖根據管轄范圍劃分進行分段分塊，建立河湖網格化GIS對象及其屬性信息，并通過分段截面，建立河湖網格化拓撲關系。圖1為河長制河湖資源GIS網格化示意圖。從圖1可以看出，GIS網格化核心是通過GIS分段斷面，與現有河湖GIS對象進行空間計算，編輯、合并、裁剪形成新的河湖管理區段，區段與區段之間通過劃分斷面進行關聯，形成統一的空間拓撲關聯關系，在網格化的劃分過程中，主要分為以下兩種情況。

圖1 河長制河湖資源GIS網格化示意圖

a. 連續性的河湖網格劃分。基本是在原有河湖結構上的線性連接，通過劃分斷面，分割不同的河湖網格，劃分后的管理河段通過GIS劃分斷面進行關聯，如某條市級河流，根據不同區的管理范圍劃分為3段1、2、3，斷面為A、B，其空間拓撲關系見圖2。

圖2 連續性河湖空間拓撲關系

b. 有并行管理分支的河湖網格劃分。針對河流左右岸劃分為不同河流管理行政區的情況，將河流GIS線、面對象進一步細化為左右岸部分，如單條矢量線型代表的河流，根據前后斷面劃分為左右岸兩條矢量線，并與截面裁剪；針對面對象，將該區域河段根據實際管轄劃分，劃分為左右岸兩塊矢量面對象，并與截面進行裁剪。如某條市級河流，根據不同區的管理范圍劃分為3段1、2、3，斷面為A、B，其中第2段分為左右岸管理，首先將第2段切分為2L、2R兩個空間對象，并與斷面進行切分，得到該段的左右岸對象，其空間拓撲關系見圖3。

圖3 并行管理河湖空間拓撲關系

1.2 數據目錄

河長制信息化在水利數據的基礎上，整合了環保、林業、國土等多個部門的相關數據，是一個綜合性的數據資源整合應用[7]。以具備空間屬性的關系型河湖模型為基礎，圍繞河湖模型對象，組織各類數據的存儲、管理與交互。梳理河長制數據資源目錄，對所需的數據類型進行歸類抽象，建設相關的數據庫表。這些數據信息的存儲管理，可按大類分庫分布式存儲，通過統一的河湖模型進行信息的組織與關聯，其中各類監測信息按類別分表存儲，減少冗余，提高關系庫的讀寫效率，便于后期庫表水平、垂直切分，進一步減少行業習慣的影響，形成統一、標準、放開的數據資源目錄。目前河長制數據資源整合中，涉及的信息類型多、數據量大，按照所涉及的監測監管信息類別進行分類，各類不同數據源均與河湖模型對象建立關聯關系，為河長制信息系統數據查詢提供不同數據源信息支撐。河長制數據大致有以下幾類。

a. 河湖監測信息類：包括水位、雨量、流量、水質、排污量等各類河湖水情、水質等，該類信息以測站、測值形式進行分表關聯存儲，其中測站具備位置信息。

b. 河湖監控信息類。包括視頻，閘門、泵站等各類水利工程的監控信息，根據自動化對象不同，設計相應的自動化資源與監控數據存儲結構。其中，視頻以組件的形式記錄視頻位置、路由、網絡地址、通道等信息；水利工程記錄位置，同時根據工程監控對象記錄不同類別的控制點、信號點，并存儲相應監控數據。

c. 河湖監管類。主要包括巡河事件、投訴事件等，這些信息與河湖監測信息類似，但不同處是通過人工的方式上報監管信息。如河長巡河過程中發現的具體河湖問題、群眾投訴的具體問題，這些事件在存儲相關屬性的基礎上，記錄事件位置。

d. 河湖日常管理類。主要是上下級河長辦、河長辦與同級相關職能部門間的人員與日常管理類信息資源的存儲[5]。記錄河長、河長制相關人員信息；日常交辦、督辦任務，任務的流轉、完成情況，以及相關文檔的存儲管理。

e. 河湖長效治理類。主要包括一河一策、一河一檔等河湖治理方案、治理工程、長效管制過程中的文檔管理存儲。

2 模型對比

選取SL324—2005《基礎水文數據庫表結構及標識符標準》、HJ723—2014《環境信息數據字典規范》兩個領域內比較有代表的數據模型國家行業標準進行對比分析，兩個領域的模型結構如圖4和圖5所示。

圖4 環境信息數據模型結構

圖5 基礎水文數據模型結構

圖4建模共有5層，由水系開始進行頂層設計，下設河流、湖庫、水源地3類子級，每類子級下設對應水環境測站，行政區為測站分支屬性。水環境測站監測參數有PH，溶解氧，濁度、鉀鈉等等，種類多達幾十種。圖5建模共有6層，由流域開始頂層設計，向下水系、河流逐級分層，同樣河流細分出斷面子類型，水文測站監測參數類型比較少，一般為水位、雨量、瞬時流量、累計流量等幾種。環保監測數據與基礎水文監測數據相互獨立，數據目錄、建模層次、測值類型都有鮮明行業特色。水文監測將不同的監測對象與測站關聯，形成歷史數據表，方便測站數據統計，但相對降低了關系型數據查詢、管理效率；環保監測中，不同測站監測對象分為理化指標項目、非金屬無機物項目、金屬無機物項目、酚類有機物項目等，以及測站評價。這5類指標項目又細分為不同監測參數，方便按類組合查詢和統計水質監測指標，但數據查詢條件相對偏多，查詢相對復雜，因此，這兩種標準都不能直接用在河長制的系統建模中。本文提出的河長制信息資源模型兼顧兩種標準的優點，保證靈活性的同時提高了存儲效率。模型以河湖管理對象為核心，通過網格化建立河湖資源模型，建立關系的同時賦予管轄河段空間屬性，并梳理數據資源目錄，形成映射關系，完成多源、多部門數據整合。其中，河湖模型是核心，在此基礎上通過類別屬性或特征來對各類數據資源進行分類，歸并具有共同業務屬性或特征的河長制數據資源，以建立數據資源模型，做到不同維度的河長制信息對象數據“一數一源”，實現河長制數據資源采集、管理、查詢服務以及共享，以便河長制信息化系統有序、高效地管理和開發利用相關信息資源[3,9]。

3 模型應用

本模型體系已在長沙市河長制信息化系統應用，實現了基于“互聯網+”的河湖治理信息化工作模式。全市7名市級河長、107名縣級河長、754名鄉級河長、1231名村級河長、4729名村級片區河長及相關部門，都已通過該系統開展監測監管工作，有效地整合了水利、環保等部門數據，形成了以河湖模型為核心，河長制各類數據資源為基礎的河長制信息資源模型體系，在后臺模型庫的支持下，實現各類信息的高效存儲與流轉，列舉基于本模型的兩類應用場景及優勢。

a. 河長巡河與問題投訴。河長巡河和群眾問題投訴是河長制目前的主要功能[4]。在各級河長巡河過程中，發現問題后提交上報河長辦處理；群眾投訴是群眾在特定河段發現問題后投訴至河長辦，目前該項功能基本都是通過專業移動端APP或微信等通用工具進行投訴，而河長辦再通過系統進行處理。這個過程是一個完整的交互流程：問題發現上報——河長辦問題處理分發——相關職能部門參與處理——問題反饋——處理完畢。通過“互聯網+”的形式，為各個環節提供移動端和系統端的應用支撐。在這一過程中，針對巡河事件以及公眾投訴，特別是數量較多的公眾投訴，如何發起問題處理流程則是河長辦的主要工作之一，這部分工作量較大，現有的河長制信息化系統中，通常是將這部分任務直接匯聚到信息系統建設所在的河長辦，再由該級河長辦整體協調分發到下級河長辦或直接處理，而這部分工作，根據河長制目前省、市、縣、鄉的多級層級結構，往往信息化系統建設層級越高的河長辦，需要處理的工作量越大。本研究提出的河長制信息資源模型可通過河湖模型的GIS網格化實現問題事件在各級河長辦之間的自動流轉，根據投訴事件的具體位置，利用GIS網格化的河湖管理轄段的空間屬性，進行緩沖區分析，找出所屬河湖管理轄段，直接將該問題事件流轉至對應的河長辦，無須人工區分，從而大大提高了工作效率。同時，通過緩沖區空間分析，以位置信息為基準，還可以篩選過濾一批惡意、無關的投訴，進一步提高系統運行效率。

b. 河湖全景監控。河湖全景監控為河長、河長辦提供各類監測、監控、監管的可視化信息服務，及時處理問題。而目前河長制系統的信息展示中，偏重于監測類信息的展示。利用本文提出的河長制信息資源模型，整合水利、環保、林業、國土等機構相關數據入各類數據資源信息庫，以河湖模型為中心組織，根據河湖數據資源目錄的分類，將監測類信息、監管類信息、河湖基礎信息等各類信息(可擴展)，利用GIS不同主題數據層的形式進行綜合展示，從而為河長制全景監控功能提供結構良好、交互效率高、可擴展的全景監控功能[6]。在GIS圖層中，可方便將監測數據(水位、流量、雨量等)，告警信息(水質超標、投訴等)，管理設施(視頻、水利工程等)，周邊信息(相關排污口、污染企業等)在一張圖上進行全景展示，同時，根據河湖模型，可方便地顯示查詢右側對應的河長、河湖基礎信息、河長辦的日常工作情況，以及未處理及預警信息。基于網格化河湖資源模型，利用GIS主題數據圖層，可方便展示對應河長、河長辦管轄范圍的各類監測監管信息，在一張圖上完成日常工作，極大地提高了河長制信息化工作的效率[10-12]。

4 結 語

基于GIS網格化的河長制信息化系統圍繞河湖資源的模型結構與數據分類存儲方式，為河長制信

息化系統開發提供了數據資源的結構設計方法，提升了河長制信息化系統數據利用與管理的效率、資源整合水平以及開放性、標準化程度，對后續河長制信息化建設有一定的參考意義。