水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用

摘要：飲用水水源安全是一個(gè)重要的民生問(wèn)題，關(guān)系到人們的身體健康。目前，水源地管理中存在點(diǎn)多、面廣、位偏、監(jiān)管難等難點(diǎn)，導(dǎo)致常規(guī)的管理方式難以滿足現(xiàn)代化發(fā)展對(duì)水源地的全面、精準(zhǔn)、及時(shí)、可視化、智能化的管理需求，只有采用數(shù)字化手段才能破解這些難點(diǎn)。圍繞以三維WebGIS為核心技術(shù)的水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐，詳細(xì)描述系統(tǒng)的總體架構(gòu)、技術(shù)難點(diǎn)、功能模塊，總結(jié)地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)在水源地智慧管理中的重要實(shí)踐意義，為后續(xù)水源地的智慧化管理提供重要的參考范例。

關(guān)鍵詞：水源地；地表水；智慧管理

中圖分類(lèi)號(hào)：X36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）12-0-0627

Construction and Application of Intelligent Management System for Water Source （Surface Water）

—A Case Study of Honghe Hani and Yi Autonomous Prefecture in Yunnan Province

ZHU Youjian， LI Pengfei， ZHAO Fuchao， GUAN Xiancai， WANG Zaiyun

（Geological Party No.308 of Yunnan Non-ferrous Metals Geological Bureau， Gejiu 661000， China）

Abstract： The safety of drinking water sources is an important issue related to the health of the people. Currently， there are objective challenges in the management of water sources， such as numerous points， extensive areas， remote locations， and difficulties in supervision. This has resulted in the conventional management methods being unable to meet the comprehensive， accurate， timely， visualized， and intelligent management requirements of modern development for water sources. Only through digital means can these challenges be overcome. Therefore， this paper mainly focuses on the development and practice of a smart management system for drinking water source （surface water） based on three-dimensional WebGIS as the core technology. It elaborates on the overall architecture， technical challenges， and functional modules of the system and summarizes the significant practical significance of Geographic Information System （GIS） technology in the smart management of water sources. It provides an important reference examplefor the subsequent smart management of water sources.

Keywords： water source; surface water; intelligent management

截至2021年，我國(guó)各地的各類(lèi)飲用水源地劃定工作基本完成，形成了大量的飲用水源劃定成果“一源一檔”資料[1]。但是，大部分主管部門(mén)仍采用傳統(tǒng)的水源地劃定數(shù)據(jù)管理方式，管理效率較低，管理成果較混亂，未充分發(fā)揮水源地劃定在水源地管理中的作用[2]?；诖?，根據(jù)需求分析及實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，分析水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、關(guān)鍵技術(shù)及主要功能，旨在實(shí)現(xiàn)水源地智慧管理。

1 需求分析及實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

1.1 需求分析

為了打好水源地保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，搭建系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化管理和科學(xué)化應(yīng)用，能提升分析飲用水水源地質(zhì)量現(xiàn)狀和目標(biāo)差距的能力。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多樣化的水質(zhì)預(yù)警手段，形成對(duì)水環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題的分析研判新模式，探索飲用水水源地精準(zhǔn)監(jiān)管和協(xié)同處置的有效手段。水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)的用戶主要包括紅河州生態(tài)環(huán)境局的相關(guān)人員和縣市分局的業(yè)務(wù)管理人員，為生態(tài)環(huán)境管理體系和管理能力的現(xiàn)代化提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

管理決策人員通常需要全面宏觀地掌握水源地的全面信息，包括水源地的區(qū)域分布、水源地的保護(hù)區(qū)劃定、水源地的水質(zhì)、水源地周?chē)闹饕[患等，從而追蹤污染的源頭、路徑，為后期的治理決策、指揮、調(diào)度提供科學(xué)支撐。

業(yè)務(wù)人員面臨具體的業(yè)務(wù)操作問(wèn)題時(shí)，可以使用系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)解決。系統(tǒng)提供了多種功能，如批量上傳、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成及三維模型疊加展示等。這些功能可以幫助業(yè)務(wù)人員更好地處理業(yè)務(wù)問(wèn)題。

1.2 實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

1.2.1 多專(zhuān)業(yè)技術(shù)融合難

項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容較多，專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)，涵蓋基礎(chǔ)測(cè)繪、地理信息、軟件研發(fā)、信息安全等多個(gè)方面，需要將各個(gè)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行整體集成，實(shí)施難度較大。

1.2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)梳理難

項(xiàng)目需要采集的數(shù)據(jù)涵蓋地理空間、水利、環(huán)保、規(guī)劃等多個(gè)行業(yè)，包含水源地以及環(huán)保專(zhuān)題數(shù)據(jù)。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜、格式多樣，因此數(shù)據(jù)的梳理、清洗、入庫(kù)是一大難點(diǎn)。

1.2.3 大體量數(shù)據(jù)高效可視化難

項(xiàng)目涉及大量矢量數(shù)據(jù)、切片瓦片數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)的可視化展示，對(duì)數(shù)據(jù)加載的效率以及流暢度有較高的要求，因此以何種形式發(fā)布與加載數(shù)據(jù)、如何優(yōu)化處理數(shù)據(jù)以及通過(guò)哪些技術(shù)棧提高渲染效率是一大難點(diǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式，基于Java+Vue3前后端技術(shù)棧開(kāi)發(fā)。采用前后端分離技術(shù)將展現(xiàn)端和服務(wù)端分離，從而加快訪問(wèn)響應(yīng)速度，提供更好的用戶體驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)一端多用的目標(biāo)[3]。系統(tǒng)平臺(tái)使用簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)用戶的統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一管理。系統(tǒng)平臺(tái)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)信息都可以通過(guò)數(shù)據(jù)共享擴(kuò)展接口提供外部調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享。系統(tǒng)架構(gòu)分為7個(gè)基礎(chǔ)層級(jí)，如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 空間數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)技術(shù)

為有效管理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，采用混合存儲(chǔ)的方法來(lái)支持上層應(yīng)用。例如，使用Redis作為緩存，使用PostgreSQL存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)的可用性，所有存儲(chǔ)系統(tǒng)均采用集群部署方式，并自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)載均衡。

2.2.2 基于私有云的GIS集群技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）集群技術(shù)支持大規(guī)?？臻g信息訪問(wèn)，加強(qiáng)了空間數(shù)據(jù)的處理能力和空間分析能力，提升了平臺(tái)的靈活性和可用性。由于空間數(shù)據(jù)量巨大，當(dāng)很多用戶同時(shí)從一臺(tái)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)或服務(wù)時(shí)就會(huì)發(fā)生擁堵現(xiàn)象，導(dǎo)致服務(wù)器性能下降甚至失效。針對(duì)此問(wèn)題，系統(tǒng)采用了基于云計(jì)算的GIS集群技術(shù)，通過(guò)負(fù)載均衡、彈性調(diào)度策略，將負(fù)載分散到多個(gè)GIS Server節(jié)點(diǎn)上并支持動(dòng)態(tài)創(chuàng)建GIS Server節(jié)點(diǎn)加入集群，避免單個(gè)GIS Server成為瓶頸。GIS集群技術(shù)提供了一種可擴(kuò)展服務(wù)器帶寬和增加服務(wù)器吞吐量的方法，有效提升了平臺(tái)的靈活性和可用性。

2.2.3 統(tǒng)一門(mén)戶開(kāi)發(fā)技術(shù)

基于水環(huán)境管理業(yè)務(wù)需求，開(kāi)發(fā)一個(gè)環(huán)保集成門(mén)戶，用于集成各種新舊業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該門(mén)戶實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一登錄、用戶管理和權(quán)限管理，形成了一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)集成環(huán)境。通過(guò)該門(mén)戶，各類(lèi)軟件子系統(tǒng)可以在同一個(gè)頁(yè)面接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有用戶和權(quán)限的統(tǒng)一管理。此外，通過(guò)單點(diǎn)登錄系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的集中登錄，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)，為水環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理提供更有效的支持。

2.2.4 Cesium三維WebGIS引擎

系統(tǒng)采用了Cesium引擎，在Web瀏覽器中實(shí)現(xiàn)了三維地理空間數(shù)據(jù)展示[4-6]。通過(guò)該引擎，系統(tǒng)將基礎(chǔ)地理信息、地圖以及水源地的專(zhuān)題數(shù)據(jù)可視化為生動(dòng)的三維場(chǎng)景，以更直觀的方式展示水源地及周邊地理要素之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)利用實(shí)景三維模型作為底圖，構(gòu)建了線上自定義路線的水源地保護(hù)區(qū)巡查系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)投影監(jiān)控視頻流信息到三維模型底圖上，為用戶提供全新的監(jiān)控視頻展現(xiàn)體驗(yàn)。

2.3 主要功能

2.3.1 后臺(tái)管理

后臺(tái)管理系統(tǒng)具有用戶管理、權(quán)限管理、菜單管理及日志管理等功能，可以幫助管理員更好地了解整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)行狀況，提高工作效率，并保障系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng)，管理員可以輕松地管理用戶賬戶、發(fā)布內(nèi)容、編輯內(nèi)容、管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)、設(shè)定用戶權(quán)限以及生成報(bào)告。后臺(tái)管理系統(tǒng)的界面如圖2所示。

2.3.2 可視化“一張圖”

“一張圖”遵循水環(huán)境數(shù)據(jù)接口規(guī)范和空間標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，集成了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專(zhuān)題圖層數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等，通過(guò)可視化展示方式呈現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分布、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布及污染源數(shù)據(jù)分布，如圖3、圖4所示。借助可視化“一張圖”可以提升系統(tǒng)的整體性能和用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不達(dá)標(biāo)斷面及水體的可視化分析，并且直觀展示水源地水環(huán)境現(xiàn)狀，加強(qiáng)環(huán)境業(yè)務(wù)協(xié)同指揮，從而為管理人員和業(yè)務(wù)人員提供直觀、準(zhǔn)確、清晰、完備、科學(xué)的水生態(tài)數(shù)據(jù)支撐以及科學(xué)的數(shù)據(jù)模型。

2.3.3 專(zhuān)題數(shù)據(jù)管理“一套數(shù)”

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)“一套數(shù)”可以完成對(duì)專(zhuān)題數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，從而使得系統(tǒng)功能更加靈活、強(qiáng)大。通過(guò)“一套數(shù)”實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、河網(wǎng)數(shù)據(jù)分析、污染源分析、集水區(qū)分析、同一斷面橫縱對(duì)比分析、同一斷面不同因子橫縱對(duì)比以及多個(gè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析對(duì)比，如圖5所示。主要功能清單如表1所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用成效

目前，水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)已在紅河哈尼族彝族自治州進(jìn)行全面推廣，已錄入各級(jí)水源地劃定數(shù)據(jù)162個(gè)，其中地級(jí)水源地1個(gè)、縣級(jí)水源地22個(gè)、千噸萬(wàn)人級(jí)水源地34個(gè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)飲用水源地105個(gè)。通過(guò)集中、系統(tǒng)、科學(xué)地管理水源地保護(hù)區(qū)劃定成果，結(jié)合三維WebGIS技術(shù)和三維傾斜數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一體化的“一幅圖”“一中心”“一平臺(tái)”架構(gòu)，能夠?qū)蛹?jí)展示水源地保護(hù)區(qū)情況。借助該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控污染防治進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了責(zé)任清、任務(wù)清、目標(biāo)清、現(xiàn)狀清的目標(biāo)。

4 結(jié)論

在新形勢(shì)下，水源地管理正朝著數(shù)字化和智慧化方向邁進(jìn)。水源地（地表水）智慧管理系統(tǒng)充分利用了云計(jì)算、WebGIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有水源地?cái)?shù)據(jù)管理、可視化展示、空間統(tǒng)計(jì)查詢、水質(zhì)預(yù)警研判等功能，能夠?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境部門(mén)管理水源地提供借鑒。然而，要實(shí)現(xiàn)智慧化管理還面臨很多挑戰(zhàn)。未來(lái)需依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升自動(dòng)化監(jiān)管能力，構(gòu)建大數(shù)據(jù)資源池，利用專(zhuān)業(yè)算法模型、知識(shí)圖譜、知識(shí)庫(kù)及大模型，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警、精準(zhǔn)溯源、科學(xué)處置和高效治理的水源地智慧管理。

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基金項(xiàng)目：云南省有色地質(zhì)局“百名地質(zhì)技術(shù)人才培養(yǎng)工程”（【2022】42-三0八隊(duì)-03）。

作者簡(jiǎn)介：朱有建（1981—），男，云南大理人，高級(jí)工程師。研究方向：地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。

通信作者：李鵬飛（1989—），男，山西臨縣人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。