智慧水土保持數據底板建設的原則與分工

趙永軍,張紅麗,程 復

(水利部 水土保持監測中心,北京 100053)

近年來,水利部將推進智慧水利建設作為推動新時期水利事業高質量發展的六條實施路徑之一,并將智慧水利視為新階段水利高質量發展的顯著標志。水利部編制印發的《“十四五”智慧水利建設規劃》提出,“十四五”期間智慧水利建設的重點任務是建設數字孿生流域,構建“2+N”水利智能業務應用體系,強化水利網絡安全體系,優化智慧水利保障體系。水土保持作為其中的N項業務之一,同步開展了智慧水土保持建設的相關工作。2022年,水利部辦公廳印發了《“十四五”時期智慧水土保持建設工作方案》,明確建設全國水土保持一張圖的目標,提出了水土保持數據底板和數字化場景建設與集成的任務安排。

1 水土保持數據底板概念與用途

所謂水土保持數據底板,是按照孿生流域建設的有關要求,集成覆蓋流域空間的多源、多分辨率、多時態的基礎測繪成果,將流域下墊面或周邊環境等變化慢、更新需求頻率較低的基礎地理信息數字化并建成一張圖,作為水土保持治理管理和搭載模型運算的基礎底座,是具有穩定性、全覆蓋、多尺度、可交互等特征的一系列圖層。

水土保持數據底板是水土保持治理管理的基礎。在過去幾十年,水行政主管部門主要是依托行政管理經驗,對管轄范圍內的水土流失及相關活動進行治理管理,以實體的行政區域或責任范圍來劃界,對其中的自然地理、社會經濟、水土流失等信息以表格或圖件形式進行加工分析,對水土保持監督或綜合治理工作進行管理。在推進智慧水利的新階段,需要克服以往的管理單元較大、定位不夠精細、加工分析較慢等缺陷,利用地理信息系統、遙感影像、大數據、物聯網、定位導航等技術,在數據底板的基礎上,快速便捷地對水土保持活動進行治理管理,提高精準度、工作效率和質量水平。同時,數據底板也是規劃設計和施工管理的基礎。高精度、較新的數據底板,可以用于水土保持措施布局規劃、效益分析,甚至可以用于土石方量計算、施工管理和智能施工放樣。

在智慧水土保持建設中,數據底板是決定智慧程度的關鍵要素之一。相對于模型的其他有效輸入而言,數據底板具有穩定性,較長時段內不會發生較大的變化(如DEM),因此數據底板在研究或管轄范圍上應做到全覆蓋,以搭載模型并提供基礎數據和邊界條件。數據底板還具有多尺度的特征,不同的專業用途專注于特定的尺度,不同層級的用戶所關注的要素和重點不同,因此應制成不同精度的數據底板,以滿足不同用戶的差異化需求。為保持數據的一致性和工作的經濟性,不同層級的數據底板還應具有聯動交互功能,這種交互可不考慮雙向,重點是下一層級的高分辨率圖層底板的有關信息應通過尺度擴展等數據模型進行概化,提煉出相應信息供上一層級的圖層底板數據更新。

2 水土保持數據底板的現狀與問題

在國家級(含流域管理機構)和地方有關省(自治區、直轄市)的水土保持信息管理系統的建設和應用中,已經積累了不少底板類數據,在推進水土保持信息化方面發揮了重要作用,但與智慧水土保持建設的需求相比,仍存在不少問題,具體如下。

1)數據一致性較差。地形、土壤、植被等自然地理數據和人口、產業發展等社會經濟數據及環境要素數據的精度、坐標、時效和格式不完全一致,實現覆蓋全國或整個區域、流域的情況較少,不少數據沒有做到圖、庫對應,完整性和準確性存疑,還不能滿足智慧水土保持建設的相關要求。

2)專題數據積累不多。可用于水土保持監測、監督和治理的土地利用、DEM、土壤侵蝕數據較少,可供水土保持專業模型研制、驗證的數據種類不多,時間系列也不夠長,制約著水土保持大尺度機理模型的研發和參數率定工作,影響著水土保持業務管理的精細化程度。

3)數據更新維護不及時。一些基礎數據老舊,更新不及時。例如,民政部門對行政區劃每年都會有一些調整,而在使用時很難找到研究年度的對應數據。交通、水系、地形數據和水土保持業務管理數據亦然。

4)信息化意識不強。數據底板,是信息化工作的基礎,應按照不同的工作需求逐步予以數字化并長期積累。從水土保持預防監督、治理和監測領域來看,普遍存在著編碼不一、數據零散、精度不一、時間系列短、缺少元數據等情況,反映出信息化意識還不夠強、數字化程度滯后于管理需求,影響了數據價值的充分挖掘。信息化建設需要方方面面的數據,任何一個用戶,既是信息的使用方,也可能是另一信息的提供方。基層一線的用戶,需注意所生產數據的可能用途和精度,做到實用經濟;信息化專業用戶,需注意系列積累、數據整編和元數據,讓其他用戶適應匹配。

5)共享程度低。智慧水土保持涉及多方面的數據,但大多分散在不同的部門或用戶進行存儲和更新管理,在制作數據底板時,會遇到水土保持專業內、水利系統內的數據資源相對容易獲取,而跨行業、跨部門的數據共享較難等現象,還存在著更新不及時、格式不一致、精度損耗大等問題。

6)需求不明確。智慧水土保持工作尚處于起步階段,數據底板還趨向于一套標準,沒有做到分級響應。對國家級用戶,智慧水土保持的主要需求以業務督查和績效考核為主,而項目法人或縣級用戶則以質量控制和進度管理為主。前者需要的范圍更廣,后者需要的精度更細。當前,尚未對用戶群進行分類,不同的數據底板需求還沒有完全厘定清楚,還需要針對不同的應用場景進行細分。

3 數據底板的分級

3.1 數據底板的分級原則

針對不同用戶群,可將數據底板分為不同層級。構建分級的數據底板,應遵循以下原則。

1)簡潔實用原則。構成數據底板的各圖層,組成要素應主題鮮明、簡潔明了,不宜過分繁雜,將不同類別、不同屬性的信息混在一起,而應聚焦某一主題,便于用戶加載和組裝。

2)對應事權原則。在水土保持業務管理中,縣級用戶和項目法人是重點用戶,他們多是水土保持業務的直接組織者,職責更為明確和具體,管理地域較小;而地市級、省級和國家級則以管理、指導、督辦為主,管理地域更廣。在數據底板建設中,應分別考慮兩類用戶對底板數據精度的需求。

3)有機銜接原則。針對相應的事權,數據底板應按照一數一源、一碼一源的規則,根據業務邏輯將責任方數據進行匯集,形成系統完整、上下銜接、數據唯一、時空關聯的數據底板有機體。

4)相對穩定原則。在制作數據底板時,應選用變化較慢、相對穩定的要素,如土壤類型、光熱情況、土地利用、水系道路等。在應用于產匯流和土壤侵蝕模型計算時,只需在數據底板的基礎上加載降雨、大風等有效輸入,就可計算出相應的匯流和侵蝕情況,以提供預測預警和決策支持。

5)經濟可行原則。數據底板的精度越高,所需的成本就越高。在智慧水土保持建設中,應根據需要與可能,在試點應用的基礎上不斷總結,找出符合當前要求且經濟可行的一數多態解決方案,而不能過分強調較高的時空分辨率,花費過多的資金和精力,加劇對算力資源的占用。

3.2 分級初步安排

數據底板建設不能考慮所有的可能需求,只能采用試點引路、急用先行的方式選擇必需的要素有序推進。依據智慧水土保持的頂層設計和近期建設規劃,數據底板可分為L1、L2、L3三級。

L1級數據底板主要供公眾用戶使用,包括國家級、省級、地市級水利系統內非水土保持專業的用戶,也可用于科普、科研等范疇。內容上可包括水土保持監測站點分布、水土保持示范園分布、以縣為單元的土壤侵蝕分布概況和水土保持區劃、以縣為單元的綜合治理規劃范圍、以小流域為單元的綜合治理工程規劃期內實施范圍等,同時共享氣候類型區、降水徑流等值線、土壤分區、植被分區、河流水系分布、城市規模等級、人口、經濟社會發展分區等自然和社會經濟類數據,更新年限可初定為5～10 a。

L2級數據底板是水土保持業務管理的基礎,是當前階段數據底板建設的重點內容,主要供國家級、省級、地市級水土保持專業的用戶使用。內容上除L1級的相關要素外,還應增加縣域水土保持率、在建水土保持綜合治理工程的設計分區圖、在建生產建設項目水土流失防治責任范圍及渣場矢量和定位監測點、遙感監管發現的生產建設活動擾動圖斑等內容,用于當年的監督檢查、督辦和考核等工作,更新頻率一般為每年更新。

L3級主要供縣級水土保持專業用戶和建設項目的項目法人使用。內容上以在建項目的設計布局為主,包括道路、水系、土壤、植被、地形、水土保持綜合治理工程的措施分布、生產建設項目水土流失防治分區和措施分布、水土保持監測站點內的小區布設等內容,還包括相關的設計報告和自然、社會經濟要素等信息,不必頻繁更新,可服務于整個項目的全生命周期,一般在項目驗收時再按項目建設的實際情況更新一次。對縣級水土保持專業用戶,可按年度進行整編匯集作為年度監督管理的依據。

數據底板建設需考慮智慧水土保持建設的整體性、階段性和協同性,注重與智慧水利體系的銜接。近期,考慮到已有數據的情況,L1級數據底板的精度可初定為1∶5萬的比例尺或25 m的影像分辨率,L2級數據底板的精度可為1∶1萬的比例尺或2 m的影像分辨率,L3級數據底板的精度可為1∶2 000的比例尺或0.1～0.2 m的影像分辨率。隨著算力的發展,數據底板的精度可進一步細化提高。

4 數據底板的建設分工與管理維護

4.1 建設分工

就L2級數據底板而言,應采用全面普查的方式進行建設,由國家級用戶和省級用戶共同負責,一般5 a或10 a普查一次。期間,根據需要通過購買或共享等方式對基礎信息進行局部更新,對業務數據則通過數據模型從L3級底板中抽取,每年進行更新。

L3級數據底板,應結合水土保持事權劃分,按照“誰生產數據,誰負責入庫”的原則,將生產建設項目水土保持方案、國家水土保持重點工程設計報告等所涉及的基礎地理信息和水土保持業務數據上圖,并經審查審批部門審核后入庫形成L3級數據底板。重要淤地壩和崩崗治理等單點工程,必要時可參照水利工程進行L3級底板建設。顯然,L3級數據底板多以不連續的方式展現,也可在L2級數據底板上用“打補丁”的方式予以細化。

L1級數據底板,可在L2級數據底板的基礎上通過數據模型進行概化抽取獲得。為保持與數字孿生流域L1級數據底板的一致性,地理要素等基礎信息可直接通過智慧水利建設中的數字孿生流域共享而來,水土保持專業方面則由國家級和省級用戶負責建設,并根據社會需求進行建設與更新。

4.2 管理維護

國家級和省級用戶共同負責L1、L2級數據底板的建設與維護,縣級和項目法人等負責L3級數據底板的管理維護。除集中普查外,L3級數據底板是L2級數據底板更新的信息來源主渠道,為保障數據及時、準確,省級有關部門應加大對成果質量的檢查,對負責審核的責任主體進行質量監督。

對L2級向L1級提供更新信息,L3級向L2級提供更新信息,需開發相應的數據模型進行信息整合、質量控制和數據脫敏,實現信息傳導的自動化、規范化。

5 預期成果與討論

5.1 預期成果

數據底板的建設成果主要是L1、L2、L3級的數據圖層,并根據數據變化情況進行更新,表現形式為統一地理空間基準的一年一張圖。圖層包括基礎信息和專業信息兩大類,基礎信息包括自然地理要素、社會經濟、重點專題等信息,專業信息包括水土保持預防監督、生產建設項目水土保持、國家水土保持重點工程、規劃和監測等信息。水土保持預防監督信息包括土壤侵蝕、各級水土流失重點預防區和重點治理區、崩塌滑坡危險區、泥石流易發區、水土保持區劃、小流域劃分、土壤類型、坡度、土地利用、植被覆蓋等要素,還需關注空間管控制度“三區三線”等信息;生產建設項目水土保持信息包括項目位置或邊界、擾動范圍分區、防治措施平面布置及措施等級等要素;國家水土保持重點工程信息包括項目邊界、圖斑、措施規格與平面布置、淤地壩分布等要素;規劃和監測信息包括近期實施規劃項目,國家級水土保持監測站點位置,國家級水土保持示范園區、生態文明示范工程位置,執法案件數量及辦結量,中央環保督察、中央巡視整改涉及項目等要素。

5.2 討論

數據底板的分級不是一成不變的,因其與經費和算力直接相關,故短期內應按滿足工作急需和試點推進為主,待應用成熟后再予以大面積推廣。試點期間,數據底板建設所涉及的要素要有一定的冗余和適度的前瞻性,為精細化管理和科學研究打下較好的基礎。同時,還需注意數據脫敏和信息安全工作。