基于天空地一体化监测的智慧水利建设路径和应用实践
一、背景
随着我国城镇化进程的快速发展，城市病、城市发展不协调等矛盾日益加剧，提高城市空间治理能力智能化和现代化已经成为国家首倡的目标，在信息化浪潮席卷全球的时代背景下，智慧城市建设应运而生，携风雷而至，于时，时不我待，于势，则势不可挡。
国地科技基于多年的规划行业积累，审时度势地提出了“从智慧规划到智慧城市”的战略转变和“规划引领、智慧可视、平台统筹、智能治理”的新型智慧城市建设四大核心理念。
2019年3月12日，国地科技联合广东省电信设计研究院中标廉江新型智慧城市一期工程EPC总承包建设项目，建设总投资3.87亿。建设内容包括一个顶层设计和十个智慧应用项目，分别是智慧城市顶层设计、智慧城市应用支撑平台、三维实景建模与规划信息平台、智慧视频与安防工程、智慧政务、智慧水利、智慧城管、智慧交通、智慧环保、智慧旅游和智慧教育等项目。
作为廉江新型智慧城市建设的一部分，智慧水利的建设为国地科技在水利信息化领域的技术理论实践积累丰富的经验，基于廉江智慧水利建设实践，国地科技探索总结出了一套透彻感知、互联共享、深度学习和智慧应用的智慧水利建设模式。
二、思路
依托于智慧城市顶层设计的整体统筹，廉江智慧水利的建设以应用支撑平台项目统一建设的信息资源共享子平台和云计算中心为支撑，推动数据共享互通和资源要素优化配置。以时空大数据为核心，对廉江市城区和主要河流水系进行三维实景建模，构筑虚实交融的数字孪生城市，利用地理分析模型和智能算法，挖掘城市内在的运行规律，对城市涉水要素进行仿真、监测、模拟和推演，实现廉江市水利业务管理全过程、全要素的数字化与信息化。打破传统智慧水利建设“重数据采集，轻分析应用”、“重高新技术堆砌，轻业务实操导向”、“建设自下而上、缺乏顶层设计”的模式，促进新一代信息技术和水利业务向深度融合转变，推动水利行业空间治理能力现代化水平的提升。
水利网络信息化工作已经开展多年，形成了一定的信息化基础，同时也暴露出一些问题，当前水利网络信息化工作主要存在着四大痛点：
01
感知弱，多数依赖于传统的地面监测站点和移动设备，靠人工/半人工的监测方法实现数据监测，感知手段单一、覆盖面小、时效性差。
02
数据杂，对多源异构数据仅做简单粗暴的接收存储、数据底图、数据标准不统一，数据孤岛现象严重，管理方式落后，共享机制不健全,数据价值未能得到充分挖掘。03
网络乱，多数为纵向项目驱动布设，缺少总体顶层架构设计指导，缺少统一标准、统一规范，内外网业务逻辑不清晰，网络安全问题严重。04
系统散，各业务科室拥有各种独立业务系统，各自为战。横向系统繁多，缺少梳理和有机统一，纵向上无法和垂直系统有效对接，兼容性差，互通性差，实用性差。针对水利网络信息化工作痛点，结合智慧城市顶层设计规划和水利部最新的水利网信水平提升行动任务要求，国地科技提出“四个一”的智慧水利总体建设目标：
01
利用物联网、卫星遥感和无人机，打造一张泛在物联、全域覆盖、动态监控的天空地一体化水利感知网络；
02
统一传输认证规范，打造一张互联、高效、安全的水利信息传输网络；
03
基于多源数据融合和统一数据标准，构筑一个整合、共享、规范的水利时空大数据体系；04
基于感知大数据和3S技术（GIS、GPS、RS）构建水利一张图，集合人工智能(AI)、大数据（Big Data）、云计算（Cloud）的新一代ICT技术，建立一个协同、智能、实用的水利业务综合应用平台。
三、路径
为实现“四个一”的智慧水利总体建设目标，国地科技认为首先要夯实基础建设，建立起天空地一体化的动态感知网络，对涉水要素进行全方位、多维度的监测；然后要贯通信息网络，通过顶层架构规划保障网络的安全性和共享的高效性；其次要整合数据，将多源、多维度的海量感知数据按统一数据标准和规范整合好，为业务分析模型提供必要的数据支撑保障；最后搭建平台，基于现实的业务需求，利用“大、智、移、云”等新一代ICT技术，研发与水资源管理、水生态环境管理、水利工程管理、水旱灾害防御等业务深度融合的模型算法，让技术既适用又实用，然后通过业务综合应用平台将各个业务模块融合起来，达到控制更自动、服务更主动、感知更全面、管理更协调、决策更科学的建设效果。
基础层主要为云设施和物联网感知设备，基础层的建设以优先满足当前、重要的业务需求为基础，坚持技术设备未来可升级可扩展的原则，急用先建，重点推进，依托智慧城市的建设统筹，推动水利信息化建设由分建专用向集约共享转变，打造天空地一体化动态感知网络。
采用高分辨率卫星影像对重点河段水系进行提取复合，同时反演河流水质参数，实现水质等级一张图展示，全面、有效地掌控河段水质等级状态，锁定重点污染河段。
利用无人机获取的巡查视频、空中全景等数据，通过历史对比和深度学习的的方式，识别出监测生活污水直排、夜间偷排、漂浮物位置分布、底泥污染物、河湖障碍物、堤岸违法建筑等情况，实现河湖流域的全自动、全方位调查与监控，为河湖“五清”行动提供全面、高效的技术手段。
通过物联网将前端感知设备有效整合、集中管理，实现涉水要素的地面自动化监测，包括取水户监控设备、河道流量监控站、雨量监控站、水质监控站、水利工程建管视频监控等，为水雨情、水利工程运行，河流湖泊水质提供长期动态监控手段。
智慧水利业务应用系统主要分布在政务外网区域及互联网区域。政务外网主要是部署核心应用、数据库等内容。互联网区域主要是部署对外公众服务、移动应用，物联网数据传输，政务外网区域及互联网区域通过防火墙进行隔离，两个网络的业务数据通过ETL工具进行数据交换。建设过程在充分考虑各层级的上下贯通和同层级的左右呼应，统一共享标准，统一接口规范，统一身份认证。
图1 网络关系图
在线监测、外部交换动态数据、基础信息数据收集以及业务系统中产生的过程状态数据，各类来源的数据分别进入各自对应的数据库，通过数据整理和清洗，形成各涉水业务应用的数据模型，并在数据模型之上形成各种应用主题视图，以水利大数据中心为基础，建立水利时空大数据体系，依托智慧城市的信息资源共享交换平台，联合水务、气象、自然资源、生态环保等各个部门来实现数据、服务等方面的资源共享。
图2 数据流向关系图
图3 数据库架构图
平台总体架业务构包括六层，分别是智能感知层、计算机网络层、硬件设施层、业务应用层、应用支撑层、应用交互层，总体架构如下图所示:
图4 平台总体架构图
通过前端的感知设备实现对涉水利业务管理空天地一体化的动态监测，是水利大数据体系的数据生产源头。
提供统一技术标准的的服务器、存储等云资源，提供业务应用系统的部署环境，是数据存储交换传输的基础和纽带。
通过提供统一的技术架构和运行环境，为智慧水利管理系统建设提供整个系统的集成技术服务，以及工具化的技术组件和有关业务组件服务，为资源整合和信息共享提供运行平台。
构建水利业务应用的核心，如：水利一张图应用、水利专题服务、大屏展示、移动应用、水资源管理系统、河长制管理系统、河长制巡查系统、水利工程建设与管理系统、水旱灾害防御支持系统、溃坝模拟系统、洪水预警淹没分析系统、预案管理、水生态环境动态评估系统、智慧感知监测信息采集系统等全方位的智慧水利服务应用。
主要作用是将分散异构的各种应用系统和数据资源通过统一的通用门户界面整合到一个统一的交互端口，提供便捷高效的交互窗口。
四、应用实践
基于对水利信息化的理解和廉江市智慧水利建设中的实践经验，国地科技打造了具有八大功能、三大特色的智慧水利产品：
八大功能：
在DEM（数字高程）和高分辨率遥感影像基础上，通过精细化的三维实景建模，建立一张融合各类涉水要素信息（水域现状、水文信息、水利工程信息，水情、雨情、工情、灾情、舆情、水质、水生态），的统一坐标、统一标准，统一底图的水利一张图。通过数据挖掘与大数据分析，建设场景式业务专题服务，直观的对业务数据成果进行情景化、层次化、综合化展示，实现多专题业务场景下的水利业务信息可视化展示，提供快速、直观、有效的业务专题信息及关联应用，辅助领导和工作人员进行业务决策，增强涉水突发事件应急处置能力。
水资源管理业务系统主要包括水资源费改税管理、取水许可电子证照、取水口台账监管、水资源管理定制开发等功能，通过强化取用水监管能力，构建用水总动态监管体系，实现水资源总量动态评估，支撑水量分配和用水总量动态监管，完善税务征管、水利核量、自主申报、信息共享的水资源税共治模式。
包括水利工程建设全生命周期的行政审批管理、图纸档案资料管理、进度管理，验收管理，人员管理，资金管理，质量管理，使主管部门能及时掌握水利工程项目的进度进展，促进水利工程规、建、管一化，促进工程建设规范化、精细化，通过工程建设信息动态发布，强化市场监督管理，促进水利工程建设市场秩序规范化、健康化发展。
围绕水资源保护、河湖水域岸线管理保护、水污染防治、水环境治理、水生态修复、执法监督六大河长任务，支撑河湖情况掌控、河湖巡查督导、工作监督管理、问题协调解决、考核评价、接受社会监督六大工作。实现河湖基础信息公开、河湖监测信息公开、河长信息公开、巡查计划管理、巡查日志管理、督查督办、投诉反馈、统计报表、会议公函等功能，强化河道监控、动态管理、信息共享和公众参与，实现天上看、网上管、地上查的河湖动态监管、提升河湖管理水平。
依托于物联网前端感知设备，汇集气象、水文、遥感、视频等多源时空数据信息，开展多源数据融合的预报大数据处理、结合水文水动力模型和人工智能算法，实现网格化、多要素、点线面结合的洪水预报推演，提供重点区域洪水影响预报、风险预警、溃坝模拟、淹没分析、内涝分析、预案管理、灾害评估，支撑工程联合调度和应急处置工作。
水生态环境动态评估系统是指通过监测区域水生态环境的长期监测、模型分析和评价，对其未来发展趋势进行预测、评估和阈值预警，预报水环境变化情况，预测水环境发展方向，为决策部门发送相应的预警信号，提供系统的、科学的应急决策支持，通过提前预警和及时处置预防严重水质污染事件的发生和减少污染危害。
提供一站式水利信息综合服务，提供面向公众的灾害预警和影响预报，涉水生产活动指数。整合公众服务事项，实现业务网上办理，与电子政务平台实现对接，实现水利服务一网通办。
除了上述八大核心功能外，智慧水利综合应用平台也根据区域特色和用户的不同需求，提供水利工程安全监管、水土保持、农村饮水和灌区运行管理、水利行政执法监督管理等业务功能的定制化扩展服务。
图5 产品界面图
三大特色：
多维度，精细化监控，自动化操控，基于深度学习技术的无人机航拍和卫星遥感图像智能识别及大数据分析。
基于河流、城市的三维实景建模，实现洪水、内涝、溃坝的三维模拟、智能分析、对推演效果进行三维效果的直观展示。
从立项、规划设计、施工、竣工验收，审计结算到运行维护的水利工程建设全流程、全生命周期信息化管理。
五、结语
好风凭借力，扬帆正当时，随着新型智慧城市建设进程的不断推进，廉江智慧水利的建设改变了以往纵向驱动，各自为战的思维，立足于开放、共建、共享的原则，与智慧城市的总体架构和目标做了充分的衔接，与智慧环保、智慧城管、智慧政务等有业务关联的智慧应用做了高效的联动，依靠政府统筹指挥，协调了运营管理部门、专业单位、公众的多方共同参与，以云计算、物联网、大数据、人工智能等新技术与业务的深度融合为核心，构筑安全、实用的水利信息系统，加快水利业务创新和流程优化，推进智慧水利跨越式发展。
PS：敬请下期关注“从智慧规划到智慧城市”理论与实践系列之六：基于BIM+GIS的三维城市应用场景及智慧规划建设实践
文章作者：
周宏毅，国地科技大数据中心项目经理，水文学及水资源硕士研究生，主要从事智慧城市、国土空间规划信息化、数据挖掘与分析等研究工作。
责任编辑：林冬娜、邓小云
文章审核：张鸿辉、洪良
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