智慧水利信息平臺設計與實現
——以福建省沙縣智慧水利信息平臺為例

徐 健，李 國 忠，徐 堅，肖 瀟，趙 保 成，付珺琳

(長江科學院 空間信息技術應用研究所，湖北 武漢 430010)

信息技術的快速發展使得信息化、網絡化、智能化成為一種世界性的大趨勢。水利信息化就是充分利用現代信息技術，深入挖掘和有效利用信息資源，促進信息共享和資源優化配置，提高應急決策的科學性，實現水利工程管理的信息化及智能化。新一代互聯網技術的不斷滲透使得水利信息化程度不斷提高，“智慧水利”也應運而生。

“智慧水利”依托互聯網、物聯網、云計算及3S等科技手段，實現水利信息數據的采集、存儲、管理、應用及共享，建成標準化、智能化的水利應用管理平臺，形成較為完善的信息化管理體系，有效提升水利綜合管理能力，有力推動水利現代化建設[1]。

WebGIS作為一種結合互聯網技術與地理信息技術的新技術，通過計算機網絡，將多源異構的空間地理數據按照一定的運行機制進行組織、管理并發布，提供空間數據瀏覽、專題查詢及統計分析等功能，實現信息的操作共享與輔助決策[2]。本文基于WebGIS技術，以福建省沙縣作為研究對象，進行智慧水利信息平臺的設計與實現。

1 總體設計

平臺在充分整合現有的水利信息化硬件設施與軟件系統的基礎上，力求搭建一套完整、標準、結構化的水利信息平臺架構體系，包括數據存儲層、數據管理層、服務層、接口層、認證層、應用層和運營管理層等[3]，總體框架如圖1所示。

(1) 數據存儲層是指數據庫的物理存儲層，包括工程項目數據、空間數據、水文數據、水雨情數據、水土保持數據、水資源數據等。

(2) 數據管理層是指對數據管理的操作層，有元數據編輯、數據導出、數據轉換、數據更新、數據編輯、數據入庫等[4]。

(3) 服務層是指對數據庫進行服務封裝的層，通過數據及信息服務引擎實現對外部數據的服務功能。

(4) 接口層是指在服務層的基礎上實現對數據操作的具體接口，包括水利工程數據服務接口、空間數據服務接口、水文數據服務接口、水雨情數據服務接口、水土保持數據服務接口、水資源數據服務接口等。

圖1 平臺框架Fig.1 Platform frame work

(5) 訪問控制層是指數據、信息及軟件提供服務的統一認證接口，通過項目設計統一的用戶管理及認證機制，實現對用戶的統一安全管理。

(6) 應用層是指面向用戶提供的應用系統層，包括智慧水利一張圖、水資源管理子系統、水利工程管理子系統、采砂管理子系統、水利視頻管理子系統等。

(7)運營管理層是針對整個硬件、數據及軟件的安全運行管理，主要包括安全管理、服務管理、日志管理、統計分析等[5]。

2 關鍵技術

2.1 WebGIS

WebGIS是利用互聯網技術來完善和優化傳統GIS的一項新興技術，其核心在于采用網絡協議實現Internet環境下的空間信息管理及發布，以實現空間信息的操作及共享。WebGIS基于B/S架構，可以實現系統的分布式部署，通過因特網實現服務器端與客戶端之間的互聯互通。客戶端采用Web瀏覽器，用戶可以通過瀏覽器訪問不同服務器上發布的空間數據，并進行各種空間檢索及分析[6-7]。

2.2 WebGL

WebGL(WebGraphicsLibrary)是一種無需加裝專用渲染插件即可在Web瀏覽器中渲染3D圖形的繪圖協議，是目前比較先進的輕量級3D繪圖技術標準，它通過給OpenGLES2.0增加JavaScript綁定，實現JavaScript和OpenGLES2.0的結合，進而為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，最終實現基于Web瀏覽器的三維系統開發及跨平臺應用[8-9]。

2.3 Bootstrap前端框架

Bootstrap是當前比較受歡迎的集HTML、CSS和JS與一體的開源響應式UI框架，它簡潔靈活，讓前端開發更快速、簡單，所有開發者都能快速上手，旨在解決頁面兼容性問題。網站和應用能在Bootstrap的幫助下通過同一份代碼快速、有效地適配電腦、平板及手機設備，真正實現跨平臺自適應，使一個網頁可以在不同終端設備、不同分辨率下自動調整頁面布局，以達到最優客戶端顯示效果[10]。

2.4 ECharts圖表庫

ECharts是百度推出的一款可視化開源開發框架，基于HTML5 Canvas，是一個純JavaScript圖表庫，底層依賴輕量級的矢量圖形庫ZRender，提供直觀、生動、可交互、可個性化定制的可視化數據圖表。創新的數據視圖、值域漫游及拖拽重計算等特性大大增強了用戶體驗，通過配置項的設置，就可以控制數據呈現形式和視覺效果，強化了用戶對數據進行挖掘、整合的能力。大數據時代來臨，ECharts給重新定義數據圖表提供了完美的工具[11-12]。

2.5 SpringBoot后端框架

SpringBoot是一個由Pivotal團隊提供的用于簡化Spring開發的框架，約定大于配置，去繁就簡，使Spring的開發能更快的上手[13]，優點主要體現在：① 快速創建獨立運行的Spring項目以及主流框架集成；② 使用嵌入式的Servlet容器，應用無需打包成war包；③ starters自動依賴及版本控制；④ 大量的自動配置，簡化開發，也可修改默認值；⑤ 無需配置xml，無代碼生成，開箱即用；⑥ 準生產環境的運行時應用監控；⑦ 與云計算的天然集成。

3 功能設計與實現

3.1 水利一張圖子系統

水利一張圖子系統是開展水利業務活動的地圖載體及相關服務體系(如圖2～3所示)，它基于水利業務數據庫，梳理現有系統與新建系統的需求，提供統一的運行環境和技術框架，為系統的集成建設提供通用應用服務，為數據資源的整合及共享信息提供運行平臺[14]。

圖2 二維水利一張圖Fig.2 2D Map of water conservancy

圖3 三維水利一張圖Fig.3 3D Map of water conservancy

(1) 空間信息服務。水利一張圖最基本的服務是共享權威地理信息數據，為項目落實提供精確定位，為應用系統和數據交換共享提供依據。各部門辦事人員使用普通瀏覽器即可在線瀏覽、查詢各個部門的基礎地理信息資源，如基礎地形數據、水文數據、水利工程數據等。

(2) 信息匯聚。以水利一張圖為載體，疊加基礎空間數據庫、基礎水利工程數據庫、水文數據庫、水雨情數據庫、工情數據庫、水資源數據庫、水土保持數據庫、社會經濟數據庫等，實現對水利相關數據的采集、匯集、查詢和分析等功能。在水利一張圖的基礎上，疊加上專題圖以及業務應用圖，實現水利數據的二、三維一體的可視化展示。

通過水利一張圖的全面建設，能夠最大化提升各類水利業務數據成果的利用率及直觀性，通過將不同格式數據所需的地理信息服務(圖形瀏覽、定位查詢、空間分析等)、屬性查詢、統計分析、專題圖件發布等服務加以封裝，建立標準的數據共享服務機制，實現專題業務模塊的服務化、組件化、模型化管理，以信息化帶動管理精細化，從而實現信息共享、數據共享和業務共享。

3.2 水資源管理子系統

水資源管理子系統是基于水資源網絡和數據采集平臺建設的綜合業務管理系統，為水資源信息服務以及水資源業務管理提供統一的基礎框架。

(1) 綜合信息管理。將水資源管理和決策過程中需要的各種信息(包括雨情、水情、取水許可與水資源費征收、地下水、計劃用水、節約用水、水功能區、水源地等信息)組織起來，實現對各類水利要素諸如空間位置分布、名稱、所在行政區、所在河流等基本信息進行動態查詢和管理，提供地圖展示、瀏覽、定位和查詢等功能。水資源費征收管理界面如圖4所示。

圖4 水資源費征收管理界面Fig.4 Interface of water resource fee collection management

(2) 智能監測預警。對管轄范圍內的水資源進行智能監控，設置預警閾值，對于超量取排水以及水量、水位、水質相關參數超標等問題及時排查、及時預警，有效提升水資源管理的水平。生存流量監控界面如圖5所示。系統實現了取水許可、水功能區、水庫水源地、水利風景區、水廠、渠道及水資源費征收等業務的精細化管理，建立了物聯網絡，完善了水資源實時監測及生態下泄流量監控，設備通過物聯網將采集的數據傳遞到終端平臺進行智能計算，實現對目標的監測預警，進而提高水資源監管能力。

3.3 水利工程管理子系統

水利工程管理子系統是通過整合水利工程數據庫以及其它一些相關信息建立的管理系統。水利工程管理界面如圖6所示。

圖5 生態流量監控界面Fig.5 Interface of ecological flow monitoring

圖6 水利工程管理界面Fig.6 Interface of water project management

(1) 項目管理。以地圖POI形式對所有建設項目進行管理，可對項目進行快速查詢定位，并且能夠查看項目對應的基本信息，提供當前項目進度展示功能。

(2) 資料管理。對水利工程項目文件材料進行管理，收集、保存有價值的文字、聲像及圖表，實現對工程項目資料的電子歸檔，對工程項目建設情況進行整體把握，歸檔后員工可以按照權限取用，從單位層面實現核心資料的管控。

(3) 資金管理。對資金來源、使用情況、撥付審核等情況加以管理，可快速查詢資金信息、使用情況及項目計劃等，并且能夠對相關的信息進行統計分析。

系統實現了項目管理、資料管理及資金管理等功能，從而提高用戶的工作效率和管理水平。

3.4 采砂管理子系統

采砂管理子系統是采用北斗衛星導航、傳感器、無線傳輸數據(GPRS)、數碼攝像(DC)、Web、數據庫和地理信息系統(GIS)等技術，針對沙縣管轄區域內河道采砂船動態監控的需求，從河道采砂管理部門的實際出發，設計的基于WebGIS的數字信息采集、處理、傳輸、存儲、可視化及輸入輸出的軟硬件技術平臺。采砂管理界面如圖7所示。

(1) 采砂船管理。24 h連續不斷提供被監控船舶的位置信息，可通過對船舶點名查看、設置形態、定時發送、報警發送等多種方式獲得靜態或動態數據信息[15]。管理者可以查看采砂船的屬性信息，如船名、采砂功率、吸砂管徑、抓斗容量、作業方式、采砂許可證、所屬采砂區等，還能對船舶歷史行程情況進行查詢和回放。

圖7 采砂管理界面Fig.7 Interface of sand mining management

(2) 采砂區管理。可在電子地圖中繪制報警區域(如禁采區)，船舶一旦進入報警區域，控制中心會自動進行報警，提示管理人員進行處理。

系統的運行為河道管理提供了便利，全方位改善了河道采砂管理，提高了河道采砂管理工作的效率。

3.5 水利視頻管理子系統

水利視頻管理子系統能達到無人值班、少人值守的要求，視頻監控系統是自動化監控系統的補充。水利視頻管理界面如圖8所示。

圖8 水利視頻管理界面Fig.8 Interface of water conservancy video management

(1) 遠程監控。監控中心可對各個單位的監控圖像實現遠程監看，能方便、迅速地對遠程監控點的圖像、聲音、各種報警信號等進行訪問和控制。支持多通道視頻點播，可選擇查看多路實時網絡視頻進行多畫面同步監控。

(2) 錄像管理。用戶能夠按照指定設備、通道、時間、報警信息等要素，對存放在DVR、NVR和集中存儲設備中的海量錄像數據進行快速檢索。系統提供4路錄像文件同步回放的服務功能，支持正常播放、快速播放、慢速播放、逐幀播放、畫面暫停、進度拖放、圖像抓拍等操作，支持回放圖像的縮放及全屏顯示，支持錄像文件的批量下載，可將中心存儲服務器和DVR、NVR上的視頻錄像文件下載到客戶終端本地磁盤上進行備份。

系統利用寬帶網絡將獨立、分散的視頻監測點位進行聯網，實現同網段、跨區域的統一監控、統一存儲、統一管理以及資源共享，為管理決策者提供一種擴大視覺和聽覺范圍的直觀管理工具，實現可視化監控和調度，使生產、調控運行更為高效、安全。

4 結 語

在“水利工程補短板，水利行業強監管”的總體工作基調下，水利信息化建設顯得尤為重要。本文以福建省沙縣智慧水利信息平臺為例，論述了“智慧水利”的構建思路及實踐經驗，建立了一套集可視化、數字化、信息化、智能化于一體的綜合管理體系，促進了沙縣水利信息化的發展，提升了水利行業監管能力，具體體現在：① 將轄區內水利數據信息進行了數字化整合，實現對信息數據和業務的統一管理與三維應用展示，進一步奠定水資源精細化管理的基礎，提高信息共享和綜合應用水平；② 采用人工智能、物聯網技術對重點監控點、重點區域進行智能監控，對超過警戒值的區域進行告警提示，使管理者可以及時、快速、高效地處理應對和指揮調度。