全国水土保持监测信息系统设计构想

2017-04-21廖亮花许永利

中国水土保持 2017年3期

关键词：水土保持数据库监测

赵辉，廖亮花，许永利，雷章，陈丽

(1.水利部水土保持监测中心，北京 100055； 2.长江流域水土保持监测中心站，湖北武汉 430010； 3.北京地拓科技发展有限公司，北京 100084；4.延安市水土保持监测分站，陕西延安 716000)

全国水土保持监测信息系统设计构想

赵辉1，廖亮花2，许永利3，雷章3，陈丽4

(1.水利部水土保持监测中心，北京 100055； 2.长江流域水土保持监测中心站，湖北武汉 430010； 3.北京地拓科技发展有限公司，北京 100084；
4.延安市水土保持监测分站，陕西延安 716000)

系统设计；功能模块；数据库；信息系统；水土保持监测

监测信息化是水土保持信息化的重要组成部分。开发覆盖全业务领域、功能齐全、上下协同，集系统应用、数据库管理、信息共享与服务等于一体的水土保持监测信息系统，可有效提高水土保持监测的信息化和信息社会化服务水平。当前，应充分分析系统需求，完善系统顶层设计，明确系统服务层次、业务管理内容与用户，设计科学、完善、实用的系统功能和数据库。通过系统配置与安装部署，强化系统应用，提高水土保持监测工作与业务管理效率，进一步推进水土保持信息化，并支撑国家和地方水土保持生态建设。

信息化水平是衡量一个国家和地区现代化水平的重要标志。党的十八大报告将信息化列为全面建成小康社会和全面深化改革开放总目标的新“四化”之一，要求实现信息化与新型工业化、城镇化和农业现代化的深度融合。2016年7月，《国家信息化发展战略纲要》印发，要求以信息化驱动现代化，建设网络强国，重点行业实现数字化、网络化、智能化，全面形成网络化协同创新体系。2011年，中央一号文件明确要求推进水利信息化建设。水利部先后编制了全国水利信息化发展“十二五”“十三五”规划，并完成水利信息化顶层设计，其中水土保持信息化是重要内容之一。2008年以来，《全国水土保持信息化发展纲要》《全国水土保持信息化规划(2013—2020年)》《全国水土保持信息化实施方案(2014—2016年)》等先后印发，明确了水土保持信息化发展目标、建设任务等内容，水土保持信息化工作稳步推进[1-3]。依托全国水土保持监测网络和信息系统建设一、二期工程，“全国水土保持信息管理系统”(包括预防监督、综合治理和监测管理三大板块)完成开发和安装部署，而后为了适应新形势和新要求，又分别对预防监督和综合治理板块进行了功能升级与完善[4-6]。

水土保持监测是运用多种技术对水土流失成因、数量、强度、影响范围、危害及其防治成效进行的动态监测与评价。2012年中央一号文件要求强化水土流失监测预报，对新时期水土保持监测提出了更高的要求，推进水土保持监测信息化是实现水土保持信息化的重要“基石”。近年来，不同学者在监测数据资源建设[7-8]、地面水土流失监测信息系统开发[9-11]、系统运行维护[12]、大数据建设[13-15]等方面进行了大量研究和实践。但是，水土保持监测信息化建设仍存在缺乏统一规划与标准、系统功能碎片化、业务涵盖和功能不全、数据资源不足、实用性差、基础设施不完善、运行维护保障不足等问题。信息化水平低且存在盲目开发等现象，造成资源浪费和重复建设，不能完全适应新时期水土保持监测事业发展的需要。尽快完善国家顶层设计，实现功能与业务领域全覆盖，系统统筹协同，构建集系统应用、数据库管理、信息共享与服务等于一体，高效、便捷、先进的全国水土保持监测信息系统已经刻不容缓。

1 系统功能

1.1 系统概述

系统总体目标是采用空间GIS技术、云存储、大数据、物联网和微服务架构等网络与信息技术，实现信息采集与上报、数据存储与空间化管理、数据挖掘与决策支持、行业应用与社会共享等水土保持监测业务的全覆盖，满足国家、流域、省、市、县/监测点等全尺度管理对象，以及社会公众与行业两类用户服务需求，具有多层分布架构、上下协同、功能完备实用、开放兼容、拓展流畅等特点的水土保持监测信息系统。

1.2 基本功能

围绕监测业务及过程管理全覆盖设定系统基本功能，包括网络接入与连通，数据自动采集与上报、传输、查询与分发，数据存储、编目与数据库管理，数据分析与成果管理，空间(信息)查询、管理与展示，信息(成果)共享与发布，用户与权限管理，以及业务融合接口和系统兼容或拓展中间件等，基本功能应具有目的性、时效性、先进性、安全性及规范化、集成化等特征。

1.3 拓展功能

围绕业务拓展、开放，增强系统兼容与融合功能，结合前沿信息技术，设定系统拓展功能，包括模型建立与分析、专家分析与辅助决策支持系统、预报预警、云服务器支持与云计算、大数据对接与分析及多系统兼容或业务融合等，可根据业务需要进行定制。拓展功能应具有先进性、开放性、兼容性、可扩充性等特征。

1.4 辅助功能

围绕用户需求设定辅助功能，目的是增强系统实用性，支持功能扩展，包括实时监控、可视化输出、办公自动化辅助、门户网站管理，以及与外接设备(便携式设备、智能手机或移动终端)、关联系统(如学术交流、报名系统)的无缝链接功能等。

2 系统设计

2.1 系统构成

本系统采用分层架构思路，由用户层、应用层、数据层、支撑层和辅助拓展层构成(详见图1)。①用户层。主要是根据行业不同层次及社会公众用户的应用特点，分别采用C/S、B/S多层次分布式架构，并组合配置由应用层提供的业务功能与模块，支持用户应用。②应用层。主要是对监测业务进行分解，形成不同粒度的服务功能模块，包括原子服务和组合式服务，供用户层进行程序集成与调用。③数据层。由基础数据、动态更新数据及拓展大数据构成，实现水土保持监测与评价数据的全过程管理与支撑。④支撑层。主要包括用于系统协同、业务融合、外接拓展的中间件，以及基于专家知识库和模型分析评价的辅助决策支持系统。⑤辅助拓展层。包括系统辅助功能和拓展功能等。可根据用户需求，实现功能定制。

2.2 主要业务功能模块

除查询、编辑、数据管理、安全防护等基础功能外，系统将实现业务模块化和功能嵌入定制化，并适应差异性或个性化开发需求，模块间相对独立，可支持不同管理对象或用户进行功能选择与定制开发。

图1 系统框架

2.2.1 水土保持监测站网管理模块

包括监测站网规划与设计、建设与管理，监测机构及其历史沿革查询，站点属性与基本信息查询、空间分布与查询、设立与变更、运行维护等内容。可为国家、流域和省级三级站网管理用户提供服务，并支持社会公众查询。该模块应具备统计、属性查询、变更与动态管理、空间尺度拓扑及实时显示与输出等功能。

2.2.2 水土流失动态监测管理模块

包括水土保持普查，重点防治区、重点支流或区域、生产建设项目集中区、特定对象(如侵蚀沟、崩岗、石漠化等)及重大灾害事件水土流失动态监测，水土保持重点工程动态监测及生产建设项目监督性监测等管理对象和内容。可依据管理层次或对象设计，具备对象或范围查询、数据采集录入与输出、统计分析、空间查询及可视化展示等功能；同时开发分布式数据库，包括基本(含本底)数据库和动态更新数据库，具备动态更新与编目管理、数据互接互通与无缝链接等功能。后台数据资源包括基础属性信息、基础图件、遥感影像数据、土地利用、植被覆盖、水土保持措施、土壤侵蚀及重点防治区、河湖水系、气象站网等基础信息和空间属性数据，其中基础属性信息包括基础地理信息、水土流失影响因子(如降雨侵蚀力、土壤可蚀性)基础信息、土壤侵蚀本底数据及土壤侵蚀模型或监测评价模型基础支撑数据等。该模块是水土保持监测的业务核心，涉及对象多，可根据不同管理层次或管理对象进行系统配置和数据库设计。

2.2.3 监测点数据上报模块

包括水蚀、风蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀、混合侵蚀等监测点数据上报，涉及国家、流域、省三级监测网络。监测点可采用公网+B/S架构，管理机构采用C/S模式管理。包括基础信息填报、监测数据(实时)自动采集与上报、数据修改与查询、数据审核与反馈、统计分析、网络接入、互联互通、权限查询、共享发布及可视化输出、实时监控等基本或拓展功能。可设计本地数据库和分布式数据库，数据包括原始记录、计算和整编数据等。为保证数据一致性，原始数据只限观测单位填报或修改。

2.2.4 水土保持监测评价模块

包括国家、流域或区域(含重点防治区)、省级、土壤侵蚀类型区或小流域的水土流失监测评价，主要依托普查或动态监测数据等，利用监测与评价模型、专家知识库或监测评价指标体系等辅助支撑系统，对不同对象进行定量或定量与定性相结合的分析评价，为规律研究、生产实践或宏观决策等提供支撑。数据资源除本行业的静态或动态数据外，还应包括国土、环境保护、林业、气象、农业等其他部门数据，社会经济、统计等公共数据，以及相关科研成果等专有数据。该模块具有重要的应用功能，应支持数据挖掘、大数据分析、云计算、云存储与调用、考核与评价及辅助决策支撑等功能，能实现系统数据的深度挖掘、实现与外部数据整融合的再生产。

2.2.5 成果共享与发布模块

涉及观测、调查统计、监测评价、系统集成分析等水土保持监测成果的共享与发布，应开放、兼容，不仅开放本系统数据，还应实现系统外数据的兼容与调取。该模块应具备成果编目与存储管理、成果查询、用户管理与权限设置、共享管理、空间发布、安全防护等系统功能，以及相应的后台数据库。一般只设公众用户，部分特定对象可区别权限，设置行业或公众用户。可通过本系统或链接门户网站实现共享与发布。

2.2.6 生产建设项目水土保持监测管理模块

该模块应具备监测数据上报、监测成果审核与管理、监测业务管理、技术服务单位查询与管理、成果发布等功能，包括生产建设单位自行或委托监测、行业主管部门监督性监测、社会公众举报与监督管理等。涉及生产建设单位、技术服务单位、行业主管部门及社会公众等用户类型。数据包括项目基本信息、水土保持方案及后续设计信息、监测组织、监测点观测或调查信息、监测报告与验收信息、成果上报与审核信息及技术服务单位和从业人员信息等。可采用B/S或C/S多层次分布式架构设计，或开发APP并支持移动终端。

另外，本系统还可设计监测设施设备认证、产品展示与交流、学术交流与研讨、培训报名、技术标准、政策法规、举报与受理等业务模块，并依据管理对象和管理内容，配置不同共性或嵌入功能。

3 系统关键技术

3.1 多层级分布式系统架构

建成的系统涉及国家、流域、省、市和县/监测点五级管理对象，行业和社会公众两大类用户，以及全覆盖的监测业务领域和业务流程，层级多、对象繁杂，不同层级或业务间需求差异显著。因此，多层级分布式系统架构是满足系统需求的关键技术。首先，要灵活运用B/S、C/S架构构建应用系统，并实现上下联通、管理协同和高效率。其次，要建立与管理服务层级对应的分布式数据库及后台支持系统，尤其是国家、流域和省级三级分布式数据库，要实现本地数据库存储和上下游数据库的单通道或多通道联通，在保证数据一致性的基础上，实现数据共享。最后，要实现多层级分布式应用系统和数据库与其他业务应用系统及其数据库的对接与融合，拓展系统应用。因此，要依据管理层级、用户类型和业务模块，厘清业务流、数据流、逻辑流及相应的物理关系，合理规划系统拓扑关系，完善多层级分布式系统架构设计。

3.2 节点控制与权限管理技术

本系统管理环节和层级多，对应的节点繁杂，且不同节点间权限也不尽相同，只有实现节点和权限的有效管理，才能保证系统高效运行。首先，要实现不同节点间的无缝链接，保持业务流、数据流、逻辑流的顺畅。其次，系统设计及其硬件(包括服务器、网络接入或其他硬件环境等)要满足系统多节点并发或单节点多点并发的接入需求，实现系统控制与反馈。最后，要依据对象和内容，科学设计系统权限管理、安全规则或安全策略，包括功能权限(如基于角色访问的控制技术RBAC)和数据权限管理等，尤其在数据查询与管理、成果共享与发布等重点环节，要通过用户注册、权限设定、系统管理等手段，在确保数据安全的同时，实现信息共享与差异化管理。

3.3 系统融合与二次开发技术

水土保持监测是水土保持行业的基础性工作，直接服务或支撑水土流失治理、监督管理和宏观决策等行业管理，以及环境保护、国土安全等部门业务与管理。因此，要通过系统融合，实现业务间融合，包括应用系统间的链接或融合，以及数据库的联通或融合等。首先，要基于行业管理需求，实现行业间系统融合和系统间业务管理或数据的协同与直接调用。其次，要实现与相关行业间业务系统的链接与互动，实现高层次的业务同步与融合。再次，与应用系统对应的数据库也要开放兼容，实现数据无缝链接、交互与共享。然后，要选用适宜的工具语言，通过开放源代码或接口等方式，满足省级及以下管理对象差异性或个性化定制开发和功能拓展需求。最后，系统设计时要充分调查各地既有系统应用状况，较大程度地兼容或融合地方已有系统，避免重复开发。

3.4 数据管理与存储技术

首先，要区别数据类型，如属性数据、空间数据、影像数据和文档数据等，建立元数据标准、数据格式和数据库架构、数据编目与查询条件等管理规则，实现数据的有序自动存储与管理。其次，要建立与多层级分布式系统架构对应的分布式数据库，以及相应的数据存储、查询、调取、更新、输出与发布等运算规则，实现数据分发、集成与安全运行。再次，要兼容多种数据自动导入(或接入)和传输模式，尤其是数据采集导入环节，如GPRS、微波、降雨或径流触发式导入等，逐步实现数据传输标准化。最后，要结合前沿信息技术，逐步实现云存储，主动对接大数据，借助分布式并行计算、超算平台、云网络计算等技术，充分挖掘系统数据，并利用好部门、公众或专用等大数据资源，支撑水土保持监测评价与分析，提高信息社会化服务和支撑能力。

3.5 业务管理流程规范化与标准化技术

要确保系统相对稳定和通用，必须提高监测业务管理流程的规范化和标准化水平。首先，要合理界定不同的管理层级、对象和业务内容，制定规范统一的业务管理流程与控制节点(包括权限节点、时间节点、工作界面等)，通过管理制度、技术标准和系统设计等固化管理流程，实现业务流程与系统管理标准化。其次，要制定统一的数据格式与存储、数据库、网络接入与传输、成果清单与成果质量标准、空间数据管理与耦合、权限管理等技术标准，实现功能业务模块技术与设计的标准化。最后，要兼顾系统拓展与外接设备或网络系统的需求，运用已有标准化技术，如OGC、RESTful、WEB Service，进行应用系统和数据库设计，实现系统模块标准化、数据标准化、串口标准化、硬件配置与环境标准化和运行维护管理标准化，确保系统长久、安全、稳定、高效运行。

另外，在进行系统设计时，还应关注重点监测对象动态分析智能化、监测评价模型建立、成果应用与辅助决策支持、实时监控与可视化、空间分析与展示等关键技术。

4 系统开发与实现

(1)完善顶层设计。按照统一规划、统一标准、分级管理、开放兼容的原则，准确定位系统功能和需求。水利部及其监测机构应完善顶层设计，预留地方各级系统二次开发接口，在优先满足国家层面(含流域)监测管理需求的同时，实现全国各级监测管理的业务协同和步调一致。

(2)充分分析系统需求。开展监测业务管理、信息化实现手段、系统目标等专题调研，分析不同层级、不同业务管理对象、不同用户、不同功能实现等需求，按照经济性与先进性相结合的原则，制定系统目标，明确功能实现与系统设计的优先次序，逐步完善系统设计。

(3)优化系统配置。根据需求分析，优化应用系统、数据库和业务功能模块等设计与配置，既满足差异性或个性化需求，又通用、可操作。水利部以前已部署的监测信息系统和各级已开发的相关监测信息系统满足顶层设计要求，且符合系统需求的，可直接利用或进行再次开发；对于相对完善且具备接入条件的功能模块或系统，如监测点数据上报系统等，应优先利用或融合，避免重复开发设计。

(4)强化系统部署与运行维护。要制定各层级系统配置的软、硬件环境要求和建设标准，通过系统部署，尽快形成全国水土保持监测信息系统网络；水利部、流域机构、省级应统一部署，提高监测业务信息化管理水平，实现上下协同；省级以下可根据各地管理需要，优先部署通用功能和常规业务模块。同时，要统一系统运行维护标准，明确各层级运行维护管理职责，确保系统正常安全运行。

(5)提高升级更新能力，强化系统应用。要根据监测业务发展的新要求和新特点，及时开展需求分析，逐步完善并更新系统功能，对系统进行升级维护；同时，要强化系统应用与管理，提高工作与管理效率，通过系统应用，不断完善系统，切实提高信息化、现代化水平。

5 结语

水土保持监测是一项重要的基础性工作，监测信息化是水土保持信息化的重要组成部分。目前，与监督管理、综合治理相比，水土保持监测信息化发展相对滞后，已部署或已开发的与监测相关的信息系统相对碎块化、功能单一，不能完全适应新时期水土保持监测工作的发展需要。开发覆盖全业务领域、功能齐全、上下协同，集系统应用、数据库管理、信息共享与服务等于一体的水土保持监测信息系统，可有效提高水土保持监测的信息化和信息社会化服务水平。当前，应充分分析系统需求，完善系统顶层设计，明确系统服务层次、业务管理内容与用户，设计科学、完善、实用的系统功能和数据库。通过系统配置与安装部署，强化系统应用，提高水土保持监测工作与业务管理效率，进一步推进水土保持信息化，并支撑国家和地方水土保持生态建设。

[1] 王春玲，孟丹，王冬梅，等.我国水土保持信息化建设的现状与建议[J].中国水土保持，2016(3):69-72.

[2] 姜德文.加快水保信息系统建设适应现代管理新要求[J].中国水土保持，2015(1):1-2，7.

[3] 罗志东.水土保持信息化工作理念探讨[J].中国水土保持，2013(12):4-7.

[4] 史明昌，牛崇桓，李智广，等.开发建设项目水土保持方案管理信息系统建设研究[J].中国水土保持，2005(6):9-11.

[5] 赵永军，冯伟，许永利.水土保持重点工程项目管理信息系统建设[J].中国水土保持，2014(10):10-13.

[6] 刘佳璇，杨元辉，张旭东，等.北京市生态清洁小流域综合治理工程信息管理系统开发研究[J].北京水务，2015(3):53-55.

[7] 史明昌，刘宪春，罗志东，等.土壤侵蚀普查数据管理及数据库构建[J].中国水土保持，2013(10):51-53.

[8] 罗志东.我国水土保持基础管理单元“水保斑”的认识与探索[J].中国水土保持科学，2015，13(4):127-131.

[9] 郭索彦.深入贯彻新水土保持法扎实推进水土保持监测与信息化工作[J].中国水利，2011(12):67-69，84.

[10] 李智广，罗志东，赵院，等.我国数字水土保持建设基本思路[J].中国水土保持科学，2009，7(3):1-5.

[11] 邢先双，董明明，陈建.水土保持监测信息管理系统的构建与应用[J].山东水利，2015(5):12-13.

[12] 罗志东，曹文华，赵院，等.水土保持信息系统运行维护管理探讨[J].中国水土保持，2015(3):37-39，67.