基于河道數(shù)據(jù)采集的智慧河長(zhǎng)制信息化建設(shè)研究

吳成秋，吳宏宇，溫海燕

（1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局徐州分局，江蘇 徐州 221006；2.無(wú)錫市水利工程管理中心，江蘇 無(wú)錫 214101）

1 前言

全面推行河長(zhǎng)制是解決我國(guó)復(fù)雜水問(wèn)題、維護(hù)河湖健康生命的重要舉措。在智慧水利建設(shè)目標(biāo)要求下，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，構(gòu)建河長(zhǎng)制管理信息平臺(tái)，可以為全面推行河長(zhǎng)制工作提供技術(shù)支撐、信息化服務(wù)和業(yè)務(wù)協(xié)同保障[1-2]。

智慧水利是運(yùn)用先進(jìn)信息技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、遙感、人工智能識(shí)別、5G 等），對(duì)水利信息資源進(jìn)行充分開(kāi)發(fā)和利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水利信息的自動(dòng)化采集、數(shù)字化管理以及智能化決策等目標(biāo)[3]。隨著河湖長(zhǎng)制工作的推進(jìn)，通過(guò)基于各種先進(jìn)信息化手段開(kāi)展信息平臺(tái)建設(shè)，有助于實(shí)現(xiàn)河湖管護(hù)模式的高效、便捷、長(zhǎng)效以及可持續(xù)的發(fā)展[4]。將河湖大數(shù)據(jù)納入河湖管護(hù)治理模式，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)與河湖治理模式的深度融合，構(gòu)建“河長(zhǎng)制+大數(shù)據(jù)”的河湖管護(hù)模式，能夠有效促進(jìn)智慧水利建設(shè)[5]，已成為智慧水利建設(shè)的關(guān)鍵，具有重要意義。當(dāng)前，以GIS 為核心的智慧水利“一張圖”建設(shè)已取得重大成果，有效推動(dòng)了河湖治理信息化建設(shè)。然而，如何高效準(zhǔn)確地開(kāi)展以GIS 為核心的河道數(shù)據(jù)采集，是“河長(zhǎng)制+大數(shù)據(jù)”河湖管護(hù)模式構(gòu)建和智慧水利“一張圖”建設(shè)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

本文以江蘇省徐州市為研究區(qū)域，以徐州地區(qū)市、縣（區(qū)）、鎮(zhèn)（社區(qū)）、村級(jí)河長(zhǎng)制河道名錄為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，采用ArcGIS 和衛(wèi)星影像采集河道數(shù)據(jù)，探究河道現(xiàn)狀，剔除已填平、不存在的河道，補(bǔ)充新增河道，完善徐州市各縣區(qū)河道信息，并基于河道采集數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建徐州市河長(zhǎng)制水系“一張圖”，促進(jìn)智慧水利框架下“河長(zhǎng)制+大數(shù)據(jù)”的河湖管護(hù)模式的構(gòu)建。

2 研究區(qū)域概況

江蘇省徐州市隸屬我國(guó)淮河流域，分屬故黃河水系、濉安河水系以及沂沭泗水系，區(qū)域水系河網(wǎng)密集分布，河湖庫(kù)相互連通，初步建成了能夠滿足區(qū)域供水、洪水防治以及農(nóng)業(yè)灌溉等多項(xiàng)服務(wù)功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一的水利工程體系。

為加強(qiáng)徐州市河湖管理與保護(hù)能力，切實(shí)維護(hù)河湖健康生命，徐州市出臺(tái)《徐州市全面推行河長(zhǎng)制工作方案》，提出在全市范圍內(nèi)全面推行河長(zhǎng)制，實(shí)現(xiàn)湖泊、中小型水庫(kù)、村級(jí)以上溝河等各類(lèi)水域河長(zhǎng)制全覆蓋，建立覆蓋市、縣、鎮(zhèn)、村的河長(zhǎng)制水利工程體系。因此，梳理河湖現(xiàn)狀，進(jìn)行全面準(zhǔn)確的河湖調(diào)查，將對(duì)徐州市“河長(zhǎng)制+大數(shù)據(jù)”的河湖管護(hù)模式和智慧水利建設(shè)提供強(qiáng)有力支持。

3 河道信息采集工作流程

一是收集相關(guān)資料，主要包括河長(zhǎng)制“四級(jí)”河道相關(guān)數(shù)據(jù)、行政邊界以及遙感影像等資料；二是現(xiàn)場(chǎng)踏勘，市級(jí)、縣級(jí)河道基本保存完好，但是部分鎮(zhèn)級(jí)、村級(jí)河道存在改道、新增、被掩埋，以及相關(guān)河長(zhǎng)信息變動(dòng)等情況，因此需到相應(yīng)河長(zhǎng)辦及鎮(zhèn)水利站搜集相關(guān)河道資料，并利用GPS 對(duì)新修、改道河道軌跡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量記錄；三是對(duì)河道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分類(lèi)及數(shù)據(jù)處理，將所收集的資料以及河道編碼按照規(guī)定導(dǎo)入Excel 表格；四是采用ArcGIS 等空間數(shù)據(jù)處理軟件，基于遙感衛(wèi)星影像提取到相應(yīng)河道中心線，并對(duì)矢量數(shù)據(jù)賦值屬性信息；五是進(jìn)行數(shù)據(jù)自檢，整理和校核河道數(shù)據(jù)資料，補(bǔ)充遺漏信息，刪減多余部分；最后建設(shè)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，促進(jìn)河長(zhǎng)制信息化平臺(tái)建設(shè)。圖1 為河道信息資料采集的工作流程圖。

圖1 河道信息資料采集的工作流程圖

4 河道信息采集方法

4.1 資料收集及處理

河道信息數(shù)據(jù)采集開(kāi)始前，需要進(jìn)行河長(zhǎng)制所需資料的收集和處理工作。需要準(zhǔn)備的河長(zhǎng)制資料如表1 所示。

表1 河長(zhǎng)制所需資料數(shù)據(jù)表

河道屬性信息較為冗雜，根據(jù)徐州市河湖名錄和詳細(xì)河道信息，剔除已填平和不存在的河道，補(bǔ)充新增河道信息資料。并按河長(zhǎng)制巡河系統(tǒng)相關(guān)要求錄入河道屬性信息，如河道層級(jí)、河道名稱(chēng)、河道編碼、上級(jí)河段、起訖點(diǎn)位置坐標(biāo)、河長(zhǎng)名稱(chēng)、河長(zhǎng)職務(wù)、河長(zhǎng)用戶名以及所屬行政區(qū)等信息，河道信息表字段屬性設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 河道信息字段屬性表

4.2 河段、河長(zhǎng)編碼方法

為滿足河長(zhǎng)制信息平臺(tái)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)功能與河段相對(duì)應(yīng)，需要為每條河段設(shè)定一個(gè)特定的編碼。相應(yīng)河道的河長(zhǎng)設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的河長(zhǎng)用戶名，用盡可能簡(jiǎn)要的編碼表達(dá)更詳細(xì)的河段信息是研究編碼規(guī)則的主要目的[6]。

本次河段編碼方式采用“河道名稱(chēng)+行政區(qū)劃”的組合形式。編碼采用河道名稱(chēng)加行政區(qū)劃首字母的方式編碼，如JHYHXZDPXDWDZDLDCD 表示京杭運(yùn)河徐州段沛縣段五段鎮(zhèn)段六段村段。河長(zhǎng)用戶名采用“行政區(qū)劃+河長(zhǎng)姓名”的組合形式。編碼采用所屬行政區(qū)劃首字母及河長(zhǎng)姓名全拼的方式編碼，如京杭運(yùn)河沛縣段縣級(jí)河長(zhǎng)張三，其用戶名為pxzhangsan。河道編碼和河長(zhǎng)用戶名首字母及全拼的提取可通過(guò)在Excel 中VisualBasic 模塊中編寫(xiě)漢字提取拼音程序批量完成，便捷且不易出錯(cuò)。

4.3 河道位置信息采集及屬性掛接

河道地理位置信息采集，即采集河道的整個(gè)軌跡[7]，主要是基于遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資料、近年測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，以及GPSRTK 全野外的數(shù)字化信息采集手段等。以數(shù)字化技術(shù)方法進(jìn)行河道中心線平面位置的信息采集，具體如下：對(duì)于在衛(wèi)星遙感影像圖中能夠清晰辨認(rèn)的河道，可以直接于衛(wèi)星影像圖中繪制河道中心線；對(duì)于在衛(wèi)星影像圖或者測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖中沒(méi)有的村級(jí)河道，則采用GPSRTK進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)字化采集；采用AutoCAD 軟件連接得到河道中心線，并結(jié)合ArcGIS 空間分析軟件得到可用于編輯的Shapefile 文件資料。

以河段起訖點(diǎn)作為河流分段的參考點(diǎn)，基于徐州市行政區(qū)劃邊界的數(shù)據(jù)資料，采用ArcGIS 軟件內(nèi)置的矢量編輯功能，提取整個(gè)河道的軌跡坐標(biāo)，根據(jù)起訖點(diǎn)位置和行政區(qū)劃邊界位置對(duì)河段進(jìn)行處理，單獨(dú)提取相應(yīng)河段河道軌跡，最終得到符合要求的整條河的軌道坐標(biāo)，以及依據(jù)行政邊界、河道起訖點(diǎn)分割的河段數(shù)據(jù)，保存至屬性信息表，錄入河長(zhǎng)制信息平臺(tái)。

在矢量編輯完成后，為每條河段賦值屬性信息，確保屬性關(guān)聯(lián)的一一對(duì)應(yīng)。可將河道編碼當(dāng)作關(guān)聯(lián)字段，以縣為關(guān)聯(lián)單元，使ArcGIS 與Excel 進(jìn)行屬性批量自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

4.4 生成地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性關(guān)聯(lián)后，對(duì)河道軌跡按照市、縣（區(qū)）、鎮(zhèn)（社區(qū)）、村四級(jí)分類(lèi)，制作可用于編輯的Shapefile 矢量數(shù)據(jù)文件。使用ArcCatalog 軟件將各圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，納入統(tǒng)一的Geodatabase 地理數(shù)據(jù)庫(kù)，可以作為基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)資料進(jìn)入河長(zhǎng)制平臺(tái)。

5 結(jié)論

智慧水利信息平臺(tái)建設(shè)可以有效服務(wù)于河長(zhǎng)制的全面建設(shè)，直觀展示河長(zhǎng)制各類(lèi)信息，切實(shí)推進(jìn)河管護(hù)工作的順利開(kāi)展。基于ArcGIS 空間分析軟件在空間地理信息處理方面的強(qiáng)大功能，對(duì)河道信息進(jìn)行采集和空間編輯，制作可用于編輯的Geodatabase 河道地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。未來(lái)將以更為精準(zhǔn)和完善的數(shù)據(jù)采集資料來(lái)促進(jìn)河長(zhǎng)制的全面深化推行，壓實(shí)河長(zhǎng)制主體責(zé)任，提升河長(zhǎng)履職能力。

（1）遙感衛(wèi)星影像資料可以有效輔助市級(jí)和縣級(jí)河道河段空間位置的準(zhǔn)確定位，較傳統(tǒng)河道測(cè)繪數(shù)據(jù)資料更為高效便捷。因衛(wèi)星遙感影像分辨率精度受限，部分鎮(zhèn)級(jí)和村級(jí)河道軌跡可采用GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助精確定位。

（2）采用“河道名稱(chēng)+行政區(qū)劃”組合的河段編碼方式，能夠?qū)⒑佣渭?xì)分到行政村級(jí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各級(jí)河長(zhǎng)與不同河段之間的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。

（3）以GIS 為核心的河道數(shù)據(jù)采集是河長(zhǎng)制信息化平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，是河長(zhǎng)制智慧水利“一張圖”建設(shè)的關(guān)鍵，能夠?yàn)楹娱L(zhǎng)巡河、河道環(huán)境處理、河道管理提供依據(jù)，有效提升河湖管理服務(wù)水平，降低運(yùn)行成本。

（4）采用ArcGIS 和衛(wèi)星影像提取河道軌跡數(shù)據(jù)，可以為河道數(shù)據(jù)采集工作提供整套信息化建設(shè)方案。

本文研究可為其他類(lèi)似研究區(qū)域智慧水利框架下“河長(zhǎng)制+大數(shù)據(jù)”河湖管護(hù)模式和智慧水利“一張圖”建設(shè)提供借鑒，促進(jìn)河長(zhǎng)制背景下智慧河湖發(fā)展。未來(lái)研究工作中，可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)采集步驟，提升河長(zhǎng)制信息化建設(shè)水平■