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（1.湖南省洞庭湖水利工程管理局　长沙市　410007；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院　长沙市　410007）

“洞庭湖数字水利”的建设思路

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（1.湖南省洞庭湖水利工程管理局长沙市410007；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

洞庭湖数字水利建设是构建洞庭湖现代水利管理体系的重要内容，是促进洞庭湖水利管理、提高洞庭湖治理效益的重要途径。文章文基于“数字流域”和“数字水利”框架和大数据、云计算、物联网等新技术，根据洞庭湖水利管理实际需求，分析了洞庭湖数字水利的定位，提出了洞庭湖数字水利建设的总体目标和任务、系统架构与关键技术和主要建设内容。

数字水利信息化洞庭湖

前言

洞庭湖是我国第二大淡水湖，是长江重要的调蓄湖泊和国际重要湿地，素有“鱼米之乡”和“天下粮仓”的美誉，担负着长江流域生态安全、水安全和国家粮食安全的重大责任，对构建和谐湖南、生态湖南和维系健康长江举足轻重。

2014年4月国务院批复了《洞庭湖生态经济区规划》，规划明确加快信息基础设施建设，推动信息技术与经济社会建设各领域融合发展，提高信息资源共享和公共信息服务水平，建设“数字洞庭”。《洞庭湖生态经济区水利专项规划》进一步提出了到2020年基本构建洞庭湖生态经济区建设水利综合支撑体系的发展目标。要求依托新理念、新思路、新技术，健全管理制度，推进信息化建设，强化管理能力建设，构建现代水利管理体系。

湖南省洞庭湖水利工程管理局于2015年7月着手启动《湖南省洞庭湖数字水利工程》的规划与建设工作，旨在通过以水利基础信息和水利管理日常工作为基础，运用新一代信息技术和3S技术，加强与国土、气象、林业、环保等其他行业的信息衔接，汇聚和处理洞庭湖相关水利信息，建立覆盖湖区范围的防洪减灾、水资源综合调度体系和水环境监测体系，为湖区水工程管理、水资源配置、防洪调度、水生态环境治理提供动态、全面、及时的虚拟现实环境和管理决策支持，促进洞庭湖区内涉水事务管理从粗放式向精细式转变，提高水利管理效能。

1　洞庭湖数字水利建设的定位

洞庭湖数字水利工程是“湖南数字水利”不可分割、重要的有机组成部分，同时也是洞庭湖生态经济区规划的“数字洞庭”的一个行业领域应用。

洞庭湖数字水利工程要实现纵向和横向的贯通。纵向是在“湖南数字水利”内，在湖南水利信息化中承上启下，确保国家、省和市（县）三级框架的上下联通，构成“湖南数字水利”的信息流以及防汛减灾、水资源综合利用和保护、水利工程管理等各项水利事务业务应用系统的主干通道。横向上与数字洞庭衔接，在国家、省统一的基础地理框架下，实现与国土基础地理空间数据库、公众服务平台的联通机制，确保基础地理信息的一致、最新，另外，在“数字洞庭”机制下，实现专题信息的共享、集成和叠加。

鉴于目前“湖南数字水利”和“数字洞庭”均未启动规划设计和建设，洞庭湖数字水利工程作为其示范工程，应高瞻远瞩，重视规划和顶层设计，避免不兼容或重复建设。

2　洞庭湖数字水利建设的总体目标与任务

洞庭湖数字水利工程建设的总体目的是：基于“数字流域”和“数字水利”的框架，广泛利用大数据、云计算、物联网等新一代信息技术，以及3S（GIS、GPS、RS）技术、计算机虚拟仿真技术，统一规范技术标准，整合各类信息资源，整合与完善各类业务应用系统，建立科学、系统的专业技术数学模型，构建规范、统一的洞庭湖数字水利空间和水利管理综合数据库平台，建立洞庭湖水利业务应用综合管理体系与和新型服务体系，建立洞庭湖流域及其重点地区、重要工程的数字化（虚拟）环境，全面提升洞庭湖区水利管理效率，大力提升洞庭湖综合治理辅助决策与科学研究技术支撑水平，最大程度发挥洞庭湖水利工程综合效益，提高湖区社会经济与生态环境可持续发展保障能力。

主要建设任务为：以“一台”（洞庭湖水利综合管理平台）、“一库”（洞庭湖水利综合数据库）、“一图”（洞庭湖水利专题图）和“六大综合应用体系”（河道湖泊管理、水利工程管理、防汛抗旱减灾决策支持、水资源综合利用和保护、知识管理、水利综合服务）为核心内容的“两个中心”（数据中心和灾备中心）建设。

（1）建立基于云架构的洞庭湖水利综合管理平台。

基于云架构，采用大数据、云计算、云应用等技术，完善服务器群、存储和网络安全体系，建立数据中心和灾备中心等基础设施建设，搭建水利空间和水利管理综合数据库，整合完善各类业务应用，构建可提供资源服务、平台服务、软件服务的云应用服务体系，实现基础IT设施资源、数据资源集约化、效益最大化，形成支撑洞庭湖数字水利工程“集成开发、多级应用”的功能布局，以及各项业务应用“云端部署、终端应用”的云平台。

（2）建立集中、统一、规范的洞庭湖水利综合数据库。

完善流域数字化监测体系并整合湖区流域基本信息及水利工程、气象、水文、水环境、地形、地质、社会经济、土地利用等海量信息，建立以地理空间信息、水利基础信息、专题应用信息等数据为主体，多源、多尺度、多维、多种类的洞庭湖数字水利综合数据库，实现数据动态采集、数据自动转换、数据安全共享，支撑洞庭湖区水利工程建设和管理工作。

（3）建立基于空间分析模型的洞庭湖水利专题图。

基于GIS平台，利用洞庭湖数字水利空间数据库及专题图层的数字线划图数据、数字正射影像数据、数字高程模型数据和数字栅格地图数据、多角度现场图片等，在虚拟现实技术、计算仿真技术支持下，形成洞庭湖三维虚拟现实模型，通过与数据库连接，利用数学模型和空间分析功能，建立基于空间分析模型的洞庭湖水利专题图，为河湖管理、洞庭湖水利工程建设与管理、防洪减灾决策、水资源利用和水生态保护、科学研究等提供可视化支持。

（4）构建统一架构的洞庭湖水利综合管理六大应用体系。

在统一的技术架构下，集成和融合现有业务应用，按照智慧协同的思路完善各类专业技术和决策支持模型、水利空间分析模型，建立和完善全省河道湖泊管理、洞庭湖水利工程管理、洞庭湖防汛抗旱减灾决策支持、洞庭湖区水资源综合利用与保护、洞庭湖水利知识管理、洞庭湖水利服务等综合应用体系，提升洞庭湖水利监控自动化和管理决策智能化水平，提高洞庭湖水利管理效率。

3　洞庭湖数字水利的系统架构与关键技术

3.1系统架构

洞庭湖数字水利建设的基本思路为利用水利厅信息中心设立基于云平台的数据中心，另设立异地灾备中心，通过虚拟技术进行资源分配与管理。利用现有水利网络和业务应用系统，对洞庭湖水利管理业务各个环节进行实时监测和信息传输，通过自动监测、人工巡测、汇总统计、外部交换等方式，将基础数据、实时数据、统计等数据传输到数据中心，完成数据分类、整合、存储，在中间件与其他服务协作机制下，支撑上层的管理应用。所有管理业务系统集中部署在云平台数据中心，通过统一门户、统一地图、统一授权管理，实现各类业务综合管理应用，通过采用浏览器方式和个性化服务定制，向洞庭湖水利应用、政务应用、公众等各用户群体等提供统一的数据资源管理、分析及服务，满足各类用户的使用需求。系统架构如图1所示。

洞庭湖数字水利的核心为基础设施层、平台层、应用服务层构成的云平台。基于云技术、云平台的统一技术标准体系、统一运维管理体系以及容灾备灾措施等安全体系，确保数据与应用安全稳健。

图1　洞庭湖数字水利系统架构图

3.2关键技术

（1）基于地理信息框架设计洞庭湖水利空间数据库平台。

洞庭湖数字水利工程应按照国家基础地理空间框架进行空间信息平台的设计、建库、开发，应按有关技术规范进行空间数据的组织、分级、存储和管理，制定目录和交换、在线服务等规则与体系，确保洞庭湖数字水利工程基础地理信息与 “数字湖南”、“数字洞庭”和“湖南数字水利”的一致性和交换兼容性。

（2）基于Web GIS的业务应用一张图展现。

洞庭湖数字水利工程采用基于WebGIS的一张图展现模式。所有业务应用系统需在统一的空间信息平台支撑下进行开发、应用，所有的专题图层应用需共享统一的空间数据库，利用相同的基础地理空间要素与属性，采用统一的分类、基础编码体系以及数据交换规则，展现方式上基于Web GIS技术，在统一基础地图上，按照业务功能展现专业图层。专业图层统一规划，风格保持一致。

（3）基于SOA的应用软件架构设计。

洞庭湖数字水利平台以及各类业务应用系统将基于SOA进行设计、开发，以使得业务功能容易组合、业务应用更加方便。

（4）基于空间分析服务与行业应用模型结合。

洞庭湖数字水利平台不仅提供洞庭湖河湖、蓄滞洪区、水利工程等地理信息的浏览、查询和发布等基本的服务，还需要提供面向业务应用的深层次行业分析模型。例如水文水沙模型、洪水演进与洪水风险分析模型、水资源的调度供需模型、水环境模型、地理与工程三维模型、各类业务应用管理模型等。为了满足这些深层次的行业应用的需要，洞庭湖数字水利需采用开放的空间分析服务实现与行业应用模型的结合。这些空间分析服务应提供完整的空间信息服务建设框架，服务的创建者与引用者可以在本地以灵活的方式自定义分析功能，并集成专业的行业分析模型，最终发布为可在Web上调用的空间分析成果或虚拟现实场景。

4　洞庭湖数字水利的主要建设内容

4.1洞庭湖水利信息化顶层设计

以信息技术和3S技术为基础，基于 “数字流域”、“数字水利”和国家有关技术标准等统一规范框架，实现信息资源规划和技术架构体系顶层设计，完成信息资源整编分类、编码体系制订，水利业务分析及信息流程分析、水利综合数据库设计、数据交换与接口设计、进行技术架构论证，平台基础设施规划等，建立洞庭湖数字水利平台建设与运行管理技术标准。

4.2基础数据收集与整理

加强对勘测设计、建设、管理、科研工作中水文、地形、地质等既有资料的收集整理，同时加强横向联系，收集和整合国土、水文、气象、环保等部门相关资料。基础数据的收集范围主要包括基础地理信息、工程测量资料、工程地质和水文地质资料、水文资料、气象资料、水质资料、水利工程建设与运行管理资料、社会经济数据、水利科技档案资料等。

4.3洞庭湖水利管理应用数学模型

根据收集的水利基础资料，针对河湖管理、水利工程建设与运行、防汛抗旱、水资源调控和水环境监控等水利管理事务，综合运用水文、水力学、河流动力学、气象学、环境学、管理学和数学等相关知识体系，建立水文气象要素特征值统计分析、基础水文分析等基础应用和洞庭湖区水文水沙数学模型、洪水风险与防洪调度模型、水资源供需与配置模型、水环境评价与水生态调度模型等辅助决策模型，实现水利管理精细化、辅助决策智能化。

4.4洞庭湖水利专题图

（1）洞庭湖水利工程分布图。

依托洞庭湖数字水利的空间数据库和GIS平台，以湖南水利普查工作成果为基础，基于1∶1万DEM地形数据，2.5 m分辨率航测正射影像数据，以及区域1∶10 000的DLG矢量数据和工程局部区域1∶500～1∶5 000的DLG矢量数据（建筑物1∶500，堤防1∶2 000，河湖水下地形1∶2 000～1∶5 000），根据工程分类、规模、应用目的等建立洞庭湖水利工程分层数据，制作洞庭湖水利工程分布图。

（2）洞庭湖水利空间仿真分析模型。

建立洞庭湖区表面模型、数字高程模型，结合正射影像、航拍图片，重点地区、重要工程等结合BIM技术建立洞庭湖三维虚拟现实模型，通过与数据库连接，利用数学模型和空间分析功能，辅助设计、施工和建设管理，分析和路演洞庭湖以及堤垸等工程演变情况。

4.5洞庭湖数字水利平台

基于云架构的洞庭湖数字水利平台建设主要包括基础层、数据层、平台层、应用层等建设。见图2。

图2　洞庭湖数字水利平台应用层架构

（1）基础层。

基础层主要是“数据中心”和“灾备中心”两个中心的硬件设施资源和基础支撑软件，按网络架构分为出口互联区域、网络资源池、计算资源池、存储资源池、灾备资源池等几个层次。

（2）数据层。

数据层是“洞庭湖数字水利工程”的核心组成部分，应按照数据资源标准化与管理，实现数据资源横向集成、纵向贯通、全局共享的运转模式。“洞庭湖数字水利工程”数据逻辑组成包括数据存储、数据组织、数据处理、资源管理、数据服务支撑等。洞庭湖水利综合数据库包括空间信息数据库、基础信息数据库、监测数据库、业务应用专题数据库、知识管理数据库、多媒体数据库、元数据库建设等。

（3）平台层。

平台层包括用户中心、协作中心、资源中心、管理中心、应用中心等五大中心，主要为三类用户提供应用服务。一是为平台运营方提供应用审核、服务权限审核等服务；二是为应用开发者提供服务调用、应用接入、应用生命周期管理等服务；三是为最终用户提供在线访问、下载使用等服务。

（4）应用层。

在统一的空间数据平台与技术架构、技术标准下，通过完善基础监测体系，合理利用已经开发的应用系统，完善或重构洞工局现有河道保洁监控系统、项目管理系统、湖区排涝管理系统、档案资料管理系统等业务应用系统，接入和集成水利厅行政资源管理系统、湖南省防汛抗旱信息系统、湖南省水利普查查询系统、湖南省水文综合服务平台、湖南省洪水风险图管理与应用系统等其他部门相关业务应用，做到数据共享和互通互补，进一步完善和强化理和辅助决策，最终构建以河湖管理、水利工程管理、防汛减灾、水资源管理、知识管理、水利服务等六大应用体系为核心的综合管理平台。

余元君（1972-），男，工学学士，高级工程师，从事水利工程管理工作。

（2016-01-27）