全国水利普查空间信息系统的若干关键技术

　　摘要：针对全国水利普查中对象信息获取、数据资源管理、成果质量控制和项目组织实施等主要难题，提出了“基础数据支撑、数据模型先导、智能工具保障、技术管理融合”的总体技术路线，介绍了全国水利普查空间信息系统的面向对象水利数据建模、数字河流获取、规则约束采集处理、多主题数据应用等关键技术。

　　关键词：水利普查；空间信息系统；水利数据模型；数据采集处理

　　１、概述

　　为全面了解水利发展状况，提高水利服务经济社会发展能力，实现水资源可持续开发、利用和保护，国务院于２０１０年至２０１２年开展了第一次全国水利普查，主要包括河流湖泊、水利工程、经济社会用水、河湖开发治理保护、水土保持和水利行业能力建设等６个方面，具有实施范围广、普查对象众、对象关系复杂、业务指标多等特点。

　　目前国外尚未有全国性的水利普查，只有美国开展过水资源普查，其主要利用水文测站等地面设施，并结合遥感技术手段，通过使用多年历史数据建立的专业分析模型，了解水资源相关的１５个指标，这种方法成功实施的前提是具有全面覆盖的监测设施和完整连续的历史资料，而我国尚不具备条件，因此该方法不适用于水利普查。

　　水利普查涉及３１８个指标项、２２５８个数据项，采用传统报表方式无法保证全面准确获取各类对象的信息。为此，通过开展全国水利普查空间信息系统的研究与开发，充分利用已有的基础资料，遵循内业为主、外业为辅的原则，采用工作底图判读、专题信息转绘和外业调查相结合的技术方法，支撑了水利普查从信息采集、数据处理、成果管理到应用服务的全过程。

　　2、总体技术路线

　　针对系统建设过程中存在的对象信息获取、数据资源组织、成果质量控制、项目管理实施等主要难题，提出了“基础数据支撑、数据模型先导、智能工具保障、技术管理融合”的总体技术路线。

　　２．１基础数据支撑

　　针对对象信息获取难的特点，采用统一工作底图的方式，通过紧密协作融合水利、测绘、国土、气象、统计等多个部门的最新数据成果，建立了内业处理为主、外业核查为辅的信息获取体系，大幅减少了外业工作量，并确保对象的不重不漏和信息的空间一致性。

　　采用“边建设、边应用”模式在全国首次完整应用１∶５万更新数据，保障了工作进度；针对系统覆盖范围广的特点，综合多种遥感数据，其中国产数据源面积占比超过５７％，首次实现２．５ｍ正射影像全国陆域范围满覆盖，促进了自主遥感数据在水利领域的大规模业务化应用；通过分析不同影像数据源的波谱特性，分类分区域分地貌进行影像色彩处理，保证水利对象的解译纹理。

　　２．２数据模型先导

　　针对数据资源组织的困难，结合普查数据内容，采用面向对象数据建模理论与方法，以基于对象表达的信息组织为核心研制水利数据模型，实现空间、属性、关系的一体化管理，相比已有模型，不仅保证数据的完整描述和有序管理，也为水利数据资源体系的整体规划奠定了基础。

　　水利数据模型包含对象的空间、属性、关系等特征组成的对象模型及相应元数据模型，有效解决了水利空间数据与属性数据的统一组织问题。为支撑全过程系统实施，研编了系列技术标准规范，在信息采集和数据处理过程中保证数据在对象层次的一致性，为成果管理中数据的持续更新维护打下良好基础，并为数据成果的后续应用服务提供有力支撑。

　　２．３智能工具保障

　　针对成果质量控制的难点，研究各类水利对象的空间拓扑特征及相互之间业务逻辑关系，应用本领域知识规则加以描述，创建了动态可扩展的知识库，并变传统的事后检查为事中控制，研制集成了知识规则的软件工具，实现对异常数据的智能检测和处理。

　　将质量控制过程前移，在数据采集处理过程中利用上述软件工具对数据质量进行自动校验，并通过设置例外以适应可能存在的特殊情况，增强数据成果的一致性和可信度；基于云计算技术研制成果汇总协查平台，供各水利业务专家对成果数据进行远程联机核查和多级在线审核，在规则检查基础上开展内容协查，增强质量控制的完整性。

　　２．４技术管理融合

　　水利普查是一个跨部门、多层级的复杂系统工程，组织管理实施是一个重大难题，通过构建模型、规则、流程、工具等一体化的组织体系，实现工作高效、数据安全与应用便捷相统一的运行机制，建立技术与管理相融合的大规模、多层级普查工作新模式。

　　针对项目学科跨度大、组织层级多、工作流程繁、覆盖范围广等特点，以数据模型为先导，以规则贯穿全过程，通过软件的广泛使用实现“３Ｓ”技术的业务化应用；结合目前国家暂无专门针对单机环境下成型产品的现状，研制了单机安全防护系统；根据基层单位信息技术人员水平低的实际，研发智能化软件并派驻技术支持人员全程驻场，创新了国家级重大信息化工程的服务模式。

　　３、关键技术

　　研究了面向对象水利数据建模、数字河流获取、规则约束采集处理、多主题数据应用等关键技术。

　　３．１面向对象水利数据建模

　　水利数据模型通过对水利对象多尺度空间表达、多维度业务属性、多重业务／空间关系与时态特征的完整描述和松耦合组织，使面向对象的数据组织能适应面向事件的对象重组、面向过程的时态追踪等多种应用需要，实现数据成果由静态数据库变为可维护的时态数据库。

　　构建了对象－对象类－数据集３级元数据体系，提出基于日志自动抽取和逐级萃取的元数据处理方法，实现了伴随实体数据操作的元数据自动采集，解决了元数据库与实体数据库的同步建设问题；通过对多粒度元数据的一体化管理，实现了基于资源目录的数据定位与追踪。

　　3．２数字河流获取

　　在先定河流对象的基础上，提出基于连通关系、距离、特征点的平原区流域单元动态扩散方法，即以水系线的起点、终点及相交节点为控制边界，按距离反比原则完成平原区流域单元的逐一施划，实现了平原水网区河流对象与流域单元的逐一对应，解决了传统方法划分平原区流域的困难。

　　通过突破上述关键技术，解决了流域单元穷举与嵌套关系梳理问题，首次完成了全国河流水系、流域单元的系统施划工作，彻底查清了不同规模层级河流、流域单元的数量、分布、形态特征和汇接关系，澄清或纠正了以往的一些模糊和错误的认识，统一了平原区和山区河流与流域管理规则。

　　３．３规则约束采集处理