内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台构建与应用
时间：2023-04-09 09:50:03 来源：千叶帆 本文已影响人
白 石，蒋东进
（1．内蒙古自治区水文水资源中心，内蒙古 呼和浩特 010010；
2．江苏南水水务科技有限公司，江苏 南京 210012）
近年来，国家大力推动数字技术与实体经济深度融合，发展数字经济、共享经济，培育新增长点，形成新动能，数字经济发展进入快车道。水利部先后出台了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》等系列文件。李国英部长在水利部“三对标、一规划”专项行动总结大会上明确指出，坚持科技引领和数字赋能，充分运用数字映射、数字孪生、仿真模拟等信息技术，建立覆盖全域的水资源管理与调配系统，推进水资源管理数字化、智能化、精细化[1]。水文行业数字化、智能化建设是智慧水利建设的重要组成部分，是实现国家水利现代化的重要前提。
内蒙古自治区水文水资源中心作为本自治区基础水文信息的责任部门，在数字中国建设、数字内蒙古建设、智慧水利建设的背景下，亟须夯实水利行业发展基础，拓展水文服务能力，对水利部门自建的各类监测站数据及生态环境、自然资源、气象等部门的监测数据进行资源和数据融合，充分挖掘水文数据服务于水利行业、社会其他领域及公众的应用价值，打造集合水文全要素的内蒙古水文一张图与服务共享平台，为水资源管理、水利工程建设、水旱灾害防御、河湖长制决策、水生态修复、水土保持管理、水利综合监管、水公共服务等提供高附加值和可定制化的全面一张图支撑服务。
内蒙古智慧水文一张图的建设是智慧水文建设的一部分，通过综合运用云计算、大数据、服务融合等技术手段，对多时空水利和水文业务数据进行综合管理，打破数据壁垒[2]。共享全国水利一张图的数据和服务，不断丰富内蒙古水文一张图的数据和服务成果。通过水文一张图服务共享平台提供标准服务接口，实现内蒙古水文业务应用系统的快速搭建和水文一张图的集约利用。
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台采用“四纵两横”的分层设计思路，总体设计架构如图1所示，主要包括数据规范化处理、地图服务生产、服务共享平台和水文一张图建设，可为水文、水利部门及社会公众等提供数据和技术支撑。内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台以水文信息资源开发利用为核心，以水文信息化资源整合为手段，以体制和机制创新为动力，加快推进水文信息化资源的整合与共享，促进水文信息化健康、协调、可持续发展。
图1 总体设计架构图
1.1 数据规范化处理
数据检查和处理的对象主要包括河流、湖泊、水库、水电站、水闸、泵站、堤防等。
数据处理方法包括：1）空间数据的坐标转换，统一转换成经纬度的 CGCS2000 坐标系；
2）空间数据的格式转换，统一转换成相同格式；
3）根据SL/T 213—2020《水利对象分类与编码总则》[3]等标准，将空间数据按照数据的编码进行分类；
4）根据空间数据的编码，将属性库中的数据关联到空间数据的属性表中；
5）根据 SL/T 801—2020《水利一张图空间信息服务规范》[4]及水利空间数据分层分级展示要求，对空间数据进行分级[5]。
数据规范性检查包括：1）数据格式等基础检查；
2）坐标和投影方式检查；
3）属性数据检查；
4）逻辑一致性与要素的完备性检查。
1.2 地图服务生产
依据 SL 730—2015《水利空间要素图式与表达规范》[6]，对地图符号、注记、空间要素的表达进行设计，对空间数据进行组织，制作符合内蒙古水文一张图业务应用的地图；
遵循 OGC（Open Geospatial Consortium）的服务标准，对地图服务进行制作，生产出来的地图服务包括 Web 地图瓦片和矢量瓦片等服务；
按照 WebService 服务标准（REST 风格），开发属性和空间查询的标准数据接口，为水文业务应用提供标准的数据服务。
1.3 服务共享平台
服务共享平台将多源 GIS 服务资源进行集成和共享，对 GIS 服务的注册、申请、授权进行全流程管理，并对服务访问情况、服务状态等信息进行全面监控，强化服务认证体系、巡检能力，确保服务稳定安全，为水文单位及其他水利部门和部委提供稳定、可靠的水文一张图服务。
1.4 水文一张图建设
系统整合基础地理空间、水文监测、水文业务数据及全国水利一张图服务，建设内蒙古水文一张图系统，实现内蒙古地理空间和水文要素数据的融合，同时实现内蒙古地区水文业务数据的整合与汇聚，通过数字看板、综合信息、专题应用及水文业务专题功能，实现水文业务数据的共享与应用。在数字看板模块中，根据现有掌握的资源汇总数及重点业务信息进行展示，通过数字看板可快速、直观地了解水利数据及系统运行情况等信息。
通过综合信息模块，可以实现数据的检索浏览，包括浏览工具、地图工具、服务目录、全文检索、条件查询、空间查询、关联查询等功能。
内蒙古水文一张图系统实现了内蒙古自治区水文信息资源的整合、共享与协同，提升了水文信息化的管理水平。
2.1 矢量瓦片技术
矢量瓦片技术是一种全新的瓦片地图技术，相对于栅格瓦片地图技术，具有切片速度快、数据量小、传输速度快、支持客户端定制化渲染等众多优点。基于 GIS 平台提供从数据源接入、数据预处理、瓦片生成及存储、服务发布、二次开发、前端应用等平台级综合能力支撑，在现有空间数据和服务的基础上，能够快速高效地对各类专题信息新增矢量瓦片地图服务，丰富水文一张图系统服务方式，增强系统服务能力。
2.2 大数据可视化技术
通过对水文多源数据的治理、存储，利用大数据可视化技术为应用层提供业务展示服务。服务共享平台为大数据分析提供可视化效果，如分段和标签专题图，也提供更加丰富、立体、直观的可视化渲染效果，包括仪表盘、聚合图、密度图、热度图等，既支持静态渲染，也支持动态渲染。
2.3 云端一体化 GIS 技术
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台在建设时充分利用云计算技术及理念，在运行环境层面依托云环境，实现软硬件信息化资源的集约化部署，提高基础软硬件资源的利用率；
在平台应用层面，将平台相关的数据、服务、应用等资源进行集中管理和按需分发，灵活适应桌面端、网页端、移动端、二维客户端等在内的多种应用终端，形成一云多端的服务模式，为水文应用提供随需应变、动态伸缩、高性能比的资源服务。
2.4 微服务技术
微服务架构的主要作用是将功能分解到离散的各个服务当中，从而降低系统的耦合性，并提供更加灵活的服务支持。通过把一个大型的单个应用程序和服务拆分为数个甚至数十个的微服务，可扩展单个组件而不是整个的应用程序堆栈，从而满足服务等级协议。微服务架构使水文一张图与共享平台的服务粒度更加细致，有利于资源的重复利用，提高开发效率。
2.5 多源数据融合技术
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台采用的多源数据融合技术主要包括倾斜摄影与地形数据融合，倾斜摄影与路面和水面数据融合，倾斜摄影与视频融合，倾斜摄影与 BIM 数据融合等，通过对L1，L2，L3 级不同精度和类型的数据进行融合操作，处理后的数据支持一体化展示和交互，实现场景的顺滑切换和逼真拟合，可为数字孪生流域的数据底板建设提供技术保障。
3.1 标准规范体系
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台的建设，形成了数据、服务和数据表达等方面标准，为水文数据整合、服务共享、可视化展示提供了有力支撑。基于 SL 330—2011《水情信息编码》[7]、SL/T 324—2019《水文数据库表结构及标识符》[8]、SL/T 213—2020《水利对象分类与编码总则》等标准，结合内蒙古水文信息的实际情况，构建了统一的一张图数据和服务共享标准规范体系，如图2所示。
图2 标准规范体系图
3.2 水文一张图成果
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台的建设，摸清了内蒙古水文的数据家底，形成了内蒙古水文“一本数据台账”“一张水文地图”“一套综合应用”，构建了智慧水文的基础数据和技术体系。
目前，内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台共发布了 21个地图服务、7 类水利成果数据服务，将内蒙古范围内的河流、湖泊、水库、水电站、水闸、泵站、堤防等各类监测数据和水文业务数据进行数据抽取，规范化处理，数据融合，发布成标准的地图和数据等服务，供业务应用按需调用，实现了水文业务数据整合共享，为内蒙古水文业务提供权威、现势、安全的一张图服务，为各业务部门提供数据支撑和决策依据。
4.1 服务水文综合应用
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台通过整合全区公共基础地理信息、水文基础、水文核心业务等数据，为相关业务部门提供水文信息综合服务。通过构建智慧水文一张图综合应用系统，基于一张图、数字看板和水文业务专题等功能应用，实现全区各类水文信息的无缝浏览和查询统计分析，为水资源管理、水利工程建设、水旱灾害防御、河湖长制决策、水生态修复、水土保持管理、水利综合监管、水公共服务等提供技术和平台的抓手，全面提升水文信息的服务能力。
4.2 促进数字孪生流域建设
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台为内蒙古数字孪生流域和水利工程的建设提供 L1 和 L2 级的数据底板。基于内蒙古水文一张图，充分运用数字映射、数字孪生等信息技术，可以建立覆盖全域的水资源管理与调配系统[9]，加快构建具有“四预”功能的智慧水文体系，推进内蒙古地区水资源管理的数字化、智能化、精细化。
4.3 提供社会公众服务
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台通过提供地图和数据等服务，实现水文数据协同共享，进而实现水文水资源信息的社会公众服务功能。通过多渠道发布水文信息和产品，社会公众可以更多地了解内蒙古水文综合信息和相关的法律法规，对于内蒙古地区的水资源保护、合理开发利用及减少水旱灾害损失等具有一定的社会服务价值。
内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台的建设是大势所趋，是水文信息化发展的必经之路。当前，内蒙古自治区水利应用仍然存在共享困难、智能化不足等诸多问题，通过内蒙古智慧水文一张图与服务共享平台，可以对水利业务的发展现状、管理行为和变化过程进行全程记录，能有效提高服务、数据共享程度及智能化水平。
内蒙古智慧水文一张图与共享服务平台的建设，提高了内蒙古多源数据资源整合共享程度，避免了各级水利部门空间数据的重复性建设，整体降低了空间数据获取费用，为水资源管理、水利工程建设、水旱灾害防御、河湖长制决策、水生态修复、水土保持管理、水利综合监管、水公共服务等提升了监测效率和自动化水平；
同时加强了监督检查及时发现能力，增强了行政执法力度，有助于管理工作方式的创新，从而节约人力资源的投入，降低行政管理成本，为国民经济持续、协调、健康发展提供保障，为全面建成小康社会和美丽中国做出新的更大贡献[10]。
