流域水利一張圖設計與實現

甘郝新，王之龍

(水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心，廣東 廣州 510611)

2009年，水利部以第一次全國水利普查實施為契機，以統一地圖服務為依托，促進水利信息化資源全面整合，初步建成了全國水利一張圖，2015年、2019年又2次進行了升級[1]。全國水利一張圖在多個重大水利信息化工程中得到了應用，特別是在2020年防汛工作中，全國水利一張圖為洪水防御工作提供了全面的“作戰圖”，實現了“圖”上點兵，運籌千里，為防汛指揮和防洪救災提供了基礎支撐[2]。

各流域機構、省(自治區、直轄市)水行政主管部門也陸續開展了一張圖的深入應用。2005年起，長江水利委員會通過快速的迭代和版本升級，不斷推進一張圖數據多元化、應用領域多粒度、應用時機全過程、應用形式協同化，水利一張圖平臺成功應用到流域管理各個領域[3]。2013年起，江蘇省水利廳以形成“框架統一、邏輯一致、數據分級、互聯互通”的省水利地理公共服務體系為目標，整合全省已有水利地理信息資源，開展了水利地理信息服務平臺建設，一張圖逐步成為江蘇省水利業務的基礎支撐[4]。

水利一張圖是水利信息化向智慧化發展的重要抓手。水利部明確提出，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”的總要求，以數字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以流域為單元，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系。流域水利一張圖是以流域為單元構建智慧水利體系的重要基礎，是對流域物理水利及其影響區域進行全要素數字化表達，構造數字孿生流域的重要支撐[5]。

1 目標與定位

立足流域水利管理工作需要，在智慧水利頂層設計下，充分融合信息化新技術和已建信息化資源，采用“共同建設、共享使用，業務化更新、集約化維護”的建設與運行模式，在全國水利一張圖基礎上，接入空天地多源數據，實現由全景到近景、從宏觀尺度到微觀尺度的平滑過渡[6]，并以位置為紐帶整合專業應用，賦予水利對象智慧展現能力[7]，構建“動態鮮活、三維立體、智慧使能、安全可靠”的流域水利一張圖，逐步提升空間信息服務共享共用能力。

流域水利一張圖是流域智慧水利的基礎平臺之一，通過流域水利一張圖建設，最終實現“工作基礎從圖上來，工作過程以圖協同，工作成果到圖上去”。流域水利一張圖同時也是全國水利一張圖的流域級節點，并對接流域各省(自治區、直轄市)水利一張圖，實現上下貫通、數據聯動、服務共享、功能互用。

2 總體架構

流域水利一張圖以水利信息資源整合共享為主線，打造“大中臺、小前臺”的地理信息服務模式，基于分布式集群架構、大數據分析技術和微服務應用框架，充分考慮平臺的開放性、兼容性和可擴展性，提高系統并發處理能力及擴展能力，使系統運行穩定可靠[8]。流域水利一張圖總體架構主要包括“五橫兩縱”，五橫為基礎支撐后臺、數據中臺、技術中臺、業務中臺、應用展示前臺；兩縱為標準規范體系、安全保障體系(圖1)。

在一張圖架構中，基礎支撐后臺是支撐流域水利一張圖運行的主要軟硬件環境，按照云架構設計建設；數據中臺是流域水利一張圖的數據基礎，通過數據治理，建立面向對象的統一的空間數據模型，并基于大數據框架構建一張圖存儲管理體系；技術中臺是流域水利一張圖業務應用的基礎與核心，基于微服務框架構建，主要由大數據共享服務平臺、新技術支撐、云GIS運維與開發平臺組成；業務中臺是流域水利一張圖的智慧使能平臺，以數據中臺和技術中臺為基礎，提供基于流域水系網絡的水利對象搜索服務、時空屬性數據的一體化檢索服務及面向水利業務的可視化表達支持；應用展示前臺以用戶視角集成各類水利專題應用，全面支撐水利業務管理與綜合決策；標準規范體系和安全保障體系主要依托現有安全防護體系和標準、規范、制度等進行擴充完善，保障流域水利一張圖建設與運行管理。

3 關鍵技術

數據中臺、技術中臺和業務中臺是流域水利一張圖的核心，也是技術方案設計的關鍵所在。

3.1 數據中臺

流域水利一張圖的基礎是數據，數據的關鍵則在于有效治理和長效更新。要全面匯集各類空間數據，包括基礎地理數據、水利基礎空間數據、水利業務專題數據及遙感、三維數據等，基于面向對象數據模型，開展有效數據治理，并建立常態化更新機制，實現“一數一源、一源多用”，保證數據常用常新，不斷增強流域水利一張圖的生命力。

空間數據治理主要通過坐標同化、要素更新、樣式配置、多形態處理，形成一套規范統一的空間數據資源庫，支撐各類業務信息精確的空間表達[9]。數據更新方面，一張圖的基礎地理數據和遙感影像數據主要通過全國水利一張圖、互聯網資源以服務方式同步更新；水利基礎和業務專題數據根據“一數一源”、“誰負責誰維護”的原則，按業務職能由數據唯一來源方進行更新與維護。當一張圖系統通過糾錯、反饋等方式更新業務數據后，可通過反向推送回補給相應的業務系統，以保證數據整體的現勢性和一致性。

3.2 技術中臺

3.2.1構建地理信息分發網絡

地理信息分發網絡GeoCDN(Geo Content Delivery Network)技術是在現有網絡的基礎上構建智能虛擬網絡，通過部署在各地的節點服務器，實時根據網絡流量和各節點的連接、負載狀況以及到用戶的距離和響應時間等綜合信息，將用戶的請求重新導向離用戶最近的服務節點上。

通過GeoCDN技術構建與全國水利一張圖、省級水利一張圖互補互利的GeoCDN流域子節點，并采用智能分發的策略，把云GIS中心實時更新的服務智能分發到合適的GIS服務器上，首先盡量保證了由網絡通信與負載狀態最佳的節點完成用戶請求，其次也提高了系統彈性和針對突發流量的應激性[10]，能夠有效提升空間信息共享水平，增強系統可用性。

3.2.2基于微服務技術的應用開發框架

流域水利一張圖采用微服務技術，實現系統間便捷、規范、靈活的數據交換與服務共享，方便水利相關業務應用系統的快速開發[11]。

一張圖服務之間耦合性弱，且主要采用RESTful API方式進行通信，服務不需保持相同的編程語言或環境，可以消除不同應用之間的技術差異，降低水利行業系統開發的專業門檻。一張圖同時實現服務的高度自治，在傳統架構中，如果業務邏輯發生變化或者業務系統單一功能出現問題時，通過需要關閉整個系統來進行運維工作，通過建立微服務架構，由于各個服務高度自治，可以對單一服務進行運維，服務更新和部署變得更加方便[12]。

3.3 業務中臺

3.3.1基于水網模型的水利對象搜索

僅僅依賴常規的面向對象水利數據模型，難以快速準確獲取河流水系上下游、左右岸關聯的水利對象信息，為此，需要提取河段及其交匯點信息建立拓撲關系，通過空間要素的連通性和節點順序準確表達河流流向，從而形成流域水網模型。

河流水系是“綱”，綱舉則目張?；诹饔蛩W模型進行空間分析，可以實現對上下游、左右岸水利對象的快速檢索，從而將一張圖服務與水利業務應用場景更好地結合。

3.3.2基于大數據GIS技術的數據分析與檢索

流域水利一張圖需充分考慮空間數據的組織與存儲方式，支持海量數據的接入和檢索，從而促進空間數據資源的長序列積累和多場景應用。

分布式大數據GIS技術可以更好地應對大數據時代超大規模時空數據的挑戰。通過分布式空間數據引擎技術和基于Spark并行計算框架，可以實現多機協同的分布式數據存儲與并行計算，突破空間數據庫容量與性能瓶頸。同時，分布式空間分析與處理技術支持對三維數據的分布式處理，例如地形、影像數據等多元數據，在數據接入、數據處理、服務發布環節，都可以使用分布式的技術來提升性能[13]。

4 珠江水利一張圖實踐

在對流域水利一張圖的目標與定位、總體架構、關鍵技術實現等進行全面分析設計的基礎上，珠江水利委員會全面啟動了珠江水利一張圖建設，以“輕、快、美”為標準搭建一張圖應用平臺，通過珠江流域水利信息直觀、快捷、精準的關聯、分析，全面展現流域水安全態勢，并通過信息綜合查詢與展示、快速搭建專題應用、基于統一底圖構建專業系統、業務成果聚合等，實現各級、各類水利業務的協同聯動。

4.1 實施流程

珠江水利一張圖遵循數據為本、中臺為要、應用導向、體系完備的策略進行設計和建設，實施流程見圖2。

4.2 實施成果

4.2.1一張圖水利對象模型

將珠江水利一張圖涉及的全部水利對象劃分為河流、水庫、堤防、水閘、水文測站等實體類，對對象及其屬性、對象關系進行建模，并通過統一的水利對象編碼體系，將對象的空間屬性與基本屬性(對象識別屬性)、業務屬性、關系屬性、時間屬性等進行關聯，從而有效整合各類信息資源[14]。水利對象模型見圖3。

珠江水利一張圖空間數據模型遵循水利部信息資源整合共享頂層設計和ST/L 213—2020《水利對象分類與編碼總則》，采用統一的水利對象模型，方便未來空間要素類及關系類的擴展。

圖2 珠江水利一張圖實施流程

圖3 水利對象模型示意

4.2.2一張圖一體化檢索

利用分布式大數據GIS技術，構建珠江水利一張圖時間、空間、屬性與水利對象代碼之間的映射關系，并與水利對象標識進行關聯，支撐時間、空間、屬性一體化檢索(圖4)，從而大幅度提升查詢分析的速度與性能，滿足用戶高效檢索的需求。

圖4 一張圖一體化檢索與關聯查詢

4.2.3一張圖專業智能應用

珠江水利一張圖為各類專業應用提供了統一的標準化底圖(圖5)，實現業務過程中與空間位置相關的功能應用[15]。下一步將持續打造一張圖智能化應用生態，聚合各業務系統中與空間位置相關的業務功能模塊及業務成果信息，實現跨專業、“一站式”信息展示與服務，為各業務部門基于一張圖開展業務工作提供全方位支撐。

圖5 一張圖智能應用與專題管理

5 結語

智慧水利建設是水利高質量發展的顯著標志。立足水利管理工作需要，以實用、好用為標準，構建流域水利一張圖，能夠為流域水利信息資源整合共享提供統一的空間信息基礎，快速響應水利業務多樣化的用圖需求，是以信息化帶動流域管理現代化的必然要求，將有力支撐數字孿生流域建設，推動智慧水利建設進程。