李瑞平，王曉晶，李文龍

(航天宏圖信息技術股份有限公司,北京 100195)

自2009年提出“一張圖”的概念以來，逐漸從狹義的基礎地理信息庫的總集發(fā)展成業(yè)務應用系統(tǒng)的建設，目前已成為實現(xiàn)信息資源整合共享、推動信息技術與業(yè)務深度融合的重要抓手[1]。隨著水土保持信息化建設的逐步開展與完善，各級水行政主管部門對于數(shù)據(jù)共享和信息服務的要求與日俱增。2021年12月，水利部印發(fā)《水土保持“十四五”實施方案》，要求結合水土保持智慧化管理需求，健全水土保持數(shù)據(jù)庫，形成“水土保持一張圖”。這就要求水行政主管部門在開展預防監(jiān)督、監(jiān)測評價、綜合治理等業(yè)務管理應用系統(tǒng)建設的同時，還應考慮“水土保持一張圖”建設，對相對分散或獨立的水土保持信息資源及相關的其他業(yè)務資源進行綜合管理、深入挖掘、集成應用，使其更好地為智慧化模擬和精準化決策服務。

2013年以來，陜西省陸續(xù)開展了多項、多期水土保持信息化建設項目工作，積累了大量數(shù)據(jù)。但是水土保持業(yè)務中指標項眾多，面對海量多源異構的水土保持業(yè)務數(shù)據(jù)，如何科學、準確把握關鍵性指標，高效、綜合應用水土保持時空數(shù)據(jù)，簡明、生動詮釋水土保持業(yè)務工作成果，是建立陜西省“水土保持一張圖”面臨的主要問題之一。目前水土保持數(shù)據(jù)可視化研究多針對可視化技術本身或針對少量單一業(yè)務數(shù)據(jù)進行可視化探索[2-3]，鮮見面向水土保持業(yè)務展示及統(tǒng)計需求、關注全量水土保持業(yè)務數(shù)據(jù)綜合可視化方法的研究?；趯﹃兾魇∷帘３中畔⒒Y源的梳理和分析，提出了適宜于陜西省“水土保持一張圖”的關鍵指標體系，構建了時空大數(shù)據(jù)管理平臺，對全量水土保持數(shù)據(jù)的可視化方法進行了研究并最終得以實現(xiàn)。

1 陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系建設

1.1 技術流程

水土保持數(shù)據(jù)涉及柵格、矢量、屬性三大類，同時具有較強的空間和時間特征[4]。為實現(xiàn)全量數(shù)據(jù)可視化，從展示維度和統(tǒng)計維度兩方面分析水土保持數(shù)據(jù)可視化需求，在此基礎上梳理并建立陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系，建設技術流程見圖1。

圖1 陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系建設技術流程

1.2 展示維度分析

從可視化角度出發(fā)，構建通用型水土保持數(shù)據(jù)展示框架，旨在通過通用框架+針對性設計，達到面向多層級用戶、覆蓋全流程數(shù)據(jù)、清晰表達業(yè)務狀態(tài)、直觀反映發(fā)展趨勢、凸顯業(yè)務特色的目標。

(1)應用場景。從可視化角度考慮3種應用場景，即宏觀、中觀、微觀。宏觀頁面即總覽頁，實現(xiàn)綜合統(tǒng)計結果的可視化，主要用于展示全域的總體情況；中觀頁面即附加篩選條件的宏觀頁面，實現(xiàn)特定時間和空間下統(tǒng)計結果的可視化，主要用于展示某一特定空間尺度(如某市、某流域等)在特定時間段內(nèi)(一般以年為單位)的總體情況；微觀頁面即詳情頁，實現(xiàn)全量原始監(jiān)測及業(yè)務數(shù)據(jù)的可視化，主要用于顯示某個項目或?qū)ｍ椆ぷ鞯脑敿毿畔ⅰ?/p>

按照陜西省水土保持各領域可視化需求，分別針對宏觀、中觀、微觀三種應用場景，構建通用型水土保持數(shù)據(jù)展示框架，完成頁面布局設計，滿足不同領域、不同層級用戶的水土保持業(yè)務管理需要。

(2)3D展示技術。隨著3D技術的快速發(fā)展與普及，水土保持業(yè)務中也積累了越來越多的3D空間數(shù)據(jù)。3D展示與2D展示相比，效果更加真實立體，但同時耗費的計算資源也成倍增長。因此，將3D技術應用于水土保持可視化時要注重平衡業(yè)務需求與運行效率，綜合考慮應用3D技術的必要性與可行性。其中，必要性方面主要考慮業(yè)務與地形要素的相關性，可行性方面主要考慮是否可獲取符合業(yè)務要求的3D數(shù)據(jù)支撐、配備計算資源是否足以支撐快速展示等。

從陜西省水土保持業(yè)務和數(shù)據(jù)情況來看，現(xiàn)階段主要有3項業(yè)務適宜應用3D技術：①生產(chǎn)建設項目監(jiān)管(微觀)，應用于重點生產(chǎn)建設項目的高陡邊坡等水土流失易發(fā)區(qū)域、大型取土場、棄渣場等，3D視圖下水土流失防護措施及相關水土流失風險顯示更清晰、直觀；②綜合治理工程管理(微觀)，應用于治理工程所在小流域，3D視圖下小流域治理措施及分布合理性更易判別；③淤地壩管理(微觀)，應用于淤地壩所在管理區(qū)域，3D視圖下淤地壩壩體、溢洪道、泄水洞、監(jiān)測設施等的位置及分布更清晰、直觀。

1.3 統(tǒng)計維度分析

從業(yè)務管理角度出發(fā)，梳理常見水土保持數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析維度，旨在通過探索數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模式，提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值，指導行業(yè)管理分析與決策。

(1)空間維度?？臻g上，根據(jù)管理需求的不同，實現(xiàn)多種分割尺度下水土保持業(yè)務數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。①行政區(qū)劃。根據(jù)管理的職責權限，需要從行政管理角度按照省、市、縣、鄉(xiāng)、村等行政區(qū)劃單元進行業(yè)務指標統(tǒng)計分析。②流域邊界。根據(jù)水土流失發(fā)生發(fā)展特點，需要從集水匯水角度按照流域、小流域等不同單元進行業(yè)務指標統(tǒng)計分析。③水土保持分區(qū)。根據(jù)區(qū)域水土流失防治目標，需要從水土保持功能分區(qū)角度按照水土保持一級區(qū)、二級區(qū)、三級區(qū)進行業(yè)務指標統(tǒng)計分析。④其他。根據(jù)其他個性化業(yè)務需求，應實現(xiàn)基于自定義空間劃分單元進行業(yè)務指標統(tǒng)計分析的功能。

(2)時間維度。時間上，主要有兩方面的需求：①時序?qū)Ρ确治??？紤]到業(yè)務的持續(xù)性、連貫性和可追溯性，需要實現(xiàn)水土保持業(yè)務指標的年度、跨期變化分析。②實時運行監(jiān)測。對于生產(chǎn)建設項目及綜合治理工程等項目進度、狀態(tài)，以及水土保持監(jiān)測站點、淤地壩相關監(jiān)測參數(shù)等業(yè)務指標，需要實現(xiàn)實時動態(tài)運行監(jiān)測。

(3)分類維度。在水土保持業(yè)務中，涉及多種業(yè)務類型和業(yè)務等級，各業(yè)務類型、業(yè)務等級間的對比是水土保持業(yè)務常見的統(tǒng)計分析內(nèi)容。①監(jiān)測評價。包括水土保持監(jiān)測站點類型、水土保持監(jiān)測站點級別、水土保持監(jiān)測站點來源、土壤侵蝕強度等級、植被覆蓋度等級、土地利用類型、水土保持措施類型等。②監(jiān)督管理。包括生產(chǎn)建設項目所屬行業(yè)、生產(chǎn)建設項目批復級別、生產(chǎn)建設項目建設狀態(tài)、監(jiān)督檢查結果類型、行政處罰類型、責任追究類型、信用監(jiān)管類型、違法違規(guī)類型、查處進度類型等。③綜合治理。包括項目類型、資金來源、水土保持措施類型、項目進度、圖斑精細化核查類型、淤地壩類型、科技示范園級別等。

(4)交叉維度。根據(jù)水土保持業(yè)務需求，通常需要融合多個維度對業(yè)務數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及對比分析。此種情況較多，在此選擇典型情況舉例說明：①水土流失情況對比。展示各級別水土流失的年度變化情況，融合了水土流失強度級別和年度信息，實現(xiàn)了兩年度間各級別水土流失面積對比。②方案管理。展示各級別批復水土保持方案生產(chǎn)建設項目數(shù)量的連年變化情況，融合了批復級別及年度信息，通過統(tǒng)計數(shù)量實現(xiàn)了各年度、各級別批復項目數(shù)量對比。③淤地壩類型統(tǒng)計。展示全省及各市的大、中、小型淤地壩數(shù)量，融合了行政區(qū)劃及淤地壩類型，通過統(tǒng)計資料，實現(xiàn)各市、各類型淤地壩數(shù)量對比。

1.4 關鍵指標體系

通過水土保持信息化建設，陜西省構建了覆蓋水土保持規(guī)劃、水土保持監(jiān)測、水土保持監(jiān)督、水土保持治理等多個業(yè)務系統(tǒng)的陜西省水土保持信息基礎平臺；模型資源方面包括了兩區(qū)動態(tài)劃定、土壤流失評價、土壤侵蝕潛在危險度、消長分析、重點治理工程安排建議共5個業(yè)務模型；數(shù)據(jù)資源方面積累了各類數(shù)據(jù)近4 TB?？傮w來說，陜西省信息化成果已初具規(guī)模。

表1為陜西省水土保持信息資源指標統(tǒng)計結果。由表1可知，基于陜西省水土保持信息資源，分業(yè)務、分類型梳理數(shù)據(jù)，提取各業(yè)務數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計指標，共確定業(yè)務指標項260個、數(shù)據(jù)條目31 300條、統(tǒng)計項153個。在此基礎上，進一步提取了各業(yè)務關鍵指標項，并基于業(yè)務需求明確了展示維度和統(tǒng)計維度，建立了陜西省“水土保持一張圖”指標體系，具體見表2。

表1 陜西省水土保持信息資源指標統(tǒng)計結果

2 陜西省“水土保持一張圖”設計

2.1 總體框架

圖2為陜西省“水土保持一張圖”總體框架。陜西省“水土保持一張圖”依托于陜西省水土保持信息基礎平臺，在已有軟硬件及基礎業(yè)務系統(tǒng)的環(huán)境上搭建，在此基礎上對數(shù)據(jù)庫進行升級，使其滿足時空大數(shù)據(jù)管理及挖掘需求?？傮w采用B/S的架構方式，基于時空數(shù)據(jù)庫和WebGIS技術進行設計，包括預防監(jiān)督、綜合治理、監(jiān)測評價、淤地壩管理、科技示范園5部分內(nèi)容。

表2 陜西省“水土保持一張圖”關鍵指標體系

2.2 時空大數(shù)據(jù)管理平臺

全省全量水土保持數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構的特點，同時具有較強的時空特性[4]。時空大數(shù)據(jù)管理平臺在原有數(shù)據(jù)庫基礎上進行升級，通過結構化和非結構化數(shù)據(jù)庫結合，融合了空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)兩套數(shù)據(jù)管理體系，支持水土保持時空大數(shù)據(jù)更新、治理及服務。

(1)時空數(shù)據(jù)更新。時空數(shù)據(jù)更新主要指各種渠道、各種類型的原始數(shù)據(jù)匯集，包括天、空遙感數(shù)據(jù)，地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，業(yè)務管理數(shù)據(jù)及引接共享數(shù)據(jù)等，匯集過程中需標注數(shù)據(jù)的匯集時間、空間特性、業(yè)務屬性等信息。

(2)時空數(shù)據(jù)治理。時空數(shù)據(jù)治理主要指按照規(guī)定的數(shù)據(jù)時空基準，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)一致性處理、數(shù)據(jù)空間化、數(shù)據(jù)建模等處理操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與更新。

(3)數(shù)據(jù)分析服務。數(shù)據(jù)分析服務主要包括統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、智能數(shù)據(jù)研發(fā)等內(nèi)容。統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務支持數(shù)據(jù)服務申請、數(shù)據(jù)服務生成、數(shù)據(jù)服務發(fā)布等功能；數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理支持在線資產(chǎn)全景可視、資產(chǎn)目錄管理、資產(chǎn)詳情查詢等功能；智能數(shù)據(jù)研發(fā)指通過可視化編排方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與服務功能。

圖2 陜西省“水土保持一張圖”總體框架

2.3 主要功能

(1)二、三維地圖展示。總覽頁及詳情頁中均設置地圖板塊，支持水土保持業(yè)務數(shù)據(jù)疊加及分析統(tǒng)計?？傆[頁中，針對不同業(yè)務展示其管理對象的概化空間點位分布，并通過圖標形狀、顏色等對其類別加以區(qū)分；基于面板快速展示管理對象分區(qū)域、分類型數(shù)量統(tǒng)計信息；支持通過年度軸實現(xiàn)不同年份統(tǒng)計數(shù)據(jù)的快速切換。詳情頁中，針對某一具體管理對象的范圍和內(nèi)部空間結構進行精細化展示，針對預防監(jiān)督、綜合治理、淤地壩管理等業(yè)務場景支持2D、3D切換，以輔助用戶解讀管理對象詳情，輔助管理決策。

(2)多元化數(shù)據(jù)統(tǒng)計?？傆[頁針對各業(yè)務關鍵指標，基于統(tǒng)計表、柱狀圖、餅狀圖、折線圖等，展示關鍵業(yè)務節(jié)點統(tǒng)計分析情況。決策者可通過直觀可視的方式，全面掌握水土保持業(yè)務運行和發(fā)展態(tài)勢，通過關鍵業(yè)務節(jié)點的關鍵指標，以及多項指標組合與關聯(lián)分析，真實、全面和動態(tài)地了解水土保持業(yè)務發(fā)展的各個方面，提高行業(yè)的前瞻性。

(3)感興趣時空篩選?？傆[頁內(nèi)，支持通過空間和時間篩選進行感興趣時空范圍內(nèi)關鍵指標的統(tǒng)計數(shù)據(jù)查詢。面向不同層級用戶及特殊應用場景，決策者可根據(jù)實際需求，通過篩選起止時間、區(qū)域名稱或矢量范圍，快速查詢相應各關鍵業(yè)務節(jié)點關鍵指標的統(tǒng)計結果，支撐業(yè)務管理與決策。

(4)全量化詳情查詢。詳情頁內(nèi)展示各業(yè)務的全過程信息，支撐用戶對業(yè)務管理單體對象的全量信息進行查看。通過地圖點選或關鍵字搜索進入詳情頁，基于地圖板塊展示具體管理對象的范圍和內(nèi)部精細化結構，基于項目流程展示管理對象狀態(tài)、結論以及項目各階段基礎信息。

3 總結與展望

基于陜西省水土保持信息化資源，面向水土保持數(shù)據(jù)展示及統(tǒng)計分析需求，梳理并構建陜西省水土保持關鍵指標體系，在此基礎上升級建設時空大數(shù)據(jù)管理平臺，支持水土保持時空數(shù)據(jù)的更新、治理與服務，建設預防監(jiān)督、綜合治理、監(jiān)測評價、淤地壩管理、科技示范園等多個業(yè)務領域一張圖，支撐各級水行政主管部門監(jiān)測業(yè)務運行狀態(tài)、查看業(yè)務管理成效、推測業(yè)務發(fā)展趨勢，服務水土保持智慧化模擬和精準化決策，有助于推進陜西全省水土保持行業(yè)健康、高質(zhì)量發(fā)展。

隨著行業(yè)與技術的進一步發(fā)展，基于微服務架構，未來陜西“水土保持一張圖”可融合新的技術與理念，如數(shù)據(jù)挖掘、淤地壩BIM模型、數(shù)字孿生流域等，持續(xù)優(yōu)化、完善服務功能，通過數(shù)字賦能，提升水土保持行業(yè)服務能力。