黄河流域水土保持监测系统设计与实施

全国水土保持信息化暨监测网络 二期工程启动工作会议交流材料 黄河流域水土保持监测系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实施 喻权刚 （黄河水土保持生态环境监测中心） 黄河流域黄土高原地区总面积64.2万km2 ，其中水土流失面积 45.4 万km2，年均输入黄河泥沙 16亿t，是我国乃至世界上水土流失最严重、 生态环境最脆弱的地区。新中国成立后，尤其是改革开放以来，国家 投入大量资金开展该区域的水土保持工作，取得了显著成效。随着我 国生态环境建设力度的加大和西部大开发的深入，这一区域水土保持 工作将进一步加强，对水土保持管理模式和管理手段提出更高要求。 根据水利部的治水新思路和“数字黄河”工程总体规划，我们于 2003年 开展了“黄河流域水土保持监测系统”建设工作。 黄河流域水土保持监测系统建设是黄河流域水土保持信息化建设 的重要组成部分，主要是运用“3S”、计算机网络和数据库等技术，建 立信息采集、信息传输和数据存储体系，实现黄河流域水土保持信息 的规范管理和共享。在此基础上，开发各类水土保持应用系统，实现 水土保持信息的处理、分析预测、防治管理和效益评价，为水土保持 规划、科研、监督、管理、示范等各个业务领域提供服务。 一、黄河流域水土保持监测系统设计 1、设计框架 黄河流域水土保持监测系统是“数字黄河”工程的七大应用系统之 一，设计中统筹考虑黄河流域水土保持信息化、黄河水土保持数据分 1 中心及电子政务建设等工程，整个系统由信息采集、信息传输、数据 存储、信息服务平台和应用系统等五部分组成。设计框架见（图 1）。 信 息 采 集 保 障 措 施 环 境 建 设 图 1 黄河流域水土保持监测系统设计框架图 2、设计内容 （1）信息采集体系设计 信息采集站网由设在郑州的黄河水利委员会水土保持监控中心 （以下简称黄委监控中心），设在西安的黄河水土保持生态环境监测中 水土 保持 效益 评价 应 用 系 统 水土 保持 防治 管理 水土 保持 数据 管理 水土 流失 分析 预测 水土 保持 信息 服务 应 用 服 务 平 台 应用服务器 （中间件管理平台） 系统管 理平台 地理信 息平台 应用中 间件 水土流失分 析模型库 水土保持规 划模型库 水土保持评 价模型库 数 据 仓 库 数据服务中间件 消息中间件 计算机网络 遥感监测 定位观测 实地调查 巡测 统计上报 管理数据库 专业数据库 基础数据库 数 据 存 储 信息 传输 黄委监控 中心 黄河监测 中心 天水、榆林、 西峰分中心 各省区监 测总站 信息采 集点 2 心（以下简称黄河监测中心），黄河水土保持监测直属分中心（天水、 榆林、西峰），各省区（青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山 西、河南、山东、新疆）水土保持监测总站、监测分站、信息采集点 构成。另外，选择一批科研院所的实验站和水文系统的代表性水文站 纳入信息采集站网中。针对黄土高原水土流失面广量大，地貌类型复 杂，水土保持信息多样等特点，在信息采集方法上，采用遥感遥测、 地面观测、调查统计、巡测等相结合的方法。采集信息包括水土流失 环境背景、土壤侵蚀观测、水土流失治理和生态环境建设、水土流失 分析评价、水土保持预防监督及科学研究等。 （2）信息传输网络设计 应用 VPN（虚拟专用网）、局域网、广域网等技术，建成能够进 行数据、图形图像、音频视频等信息传输和查询的高速计算机网络， 完成黄河监测中心与水利部水土保持监测中心、黄委监控中心、直属 分中心、黄河流域有关省区监测总站网络的互联、互通，为信息资源 的共享提供支持。 （3）数据存储设计 包括数据库组成、开发平台、数据中心、数据存储和管理等设计。 其中数据库由基础数据库和专业数据库组成；开发平台选用 Oracle软 件；数据中心以黄河监测中心为基地，建立一级数据中心，郑州同样 设置一级数据中心，对西安数据中心的数据进行异地备份，3 个直属 分中心和黄河流域（片）10省（区）监测总站建立二级数据中心，各 监测点为三级数据采集节点，建立分布式数据库结构的综合数据库系 3 统；数据存储和管理以西安为数据中心，通过高性能、大容量、智能 化的网络存储设备，提供存储体系内部任意节点之间的多路可选择的 数据交换，并且数据存储管理集中在相对独立的局域网内。郑州数据 备份中心网络结构与存储设备与西安数据中心基本相同。各数据分中 心根据实际处理、存储的数据规模情况，考虑性能适合的存储设备。 （4）应用服务平台设计 应用服务平台由应用运行环境、应用服务中间件、资源服务管理 器和数据仓库、模型库等组成，是实现资源共享、统一标准的保障。 应用服务平台基于 J2EE体系结构，选用企业级应用服务器作为应用运 行环境，并使用资源服务管理器统一进行管理，建立水土保持应用模 型库，为应用系统提供各种应用服务。 （5）应用系统设计 包括水土保持数据管理、水土流失分析预测、水土流失防治管理、 水土保持评价和水土保持信息服务等。通过这些应用系统，为水土保 持各业务部门提供分析和管理工具，为宏观决策提供技术支持。 二、黄河流域水土保持监测系统建设 1、信息采集体系建设 通过全国水土保持监测系统（一期）工程和黄河流域水土保持监 测系统（一期）工程建设，初步建成了黄河水土保持生态环境监测中 心、黄委监控中心、3 个直属分中心（天水、西峰、榆林）、10 个省 级监测总站（含新疆）、55个重点防治区监测分站。基本形成了流域 4 机构、省（区）、重点区、县（旗）比较完整的水土保持信息站网体 系。 信息采集系统建设以地面观测和遥感监测为主。黄河水土保持生 态环境监测中心站拥有航测扫描仪、数字摄影测量工作站、全站仪、 GPS系统、地理信息系统和遥感处理系统等软硬件环境。天水、西峰、 绥德水土保持试验站，针对黄土高原不同土壤侵蚀类型区，开展了长 系列水土流失观测试验，建立了小流域和径流小区水文泥沙数据自动 化采集与传输系统，在西峰站初步建成了人工模拟降雨装置系统。在 罗玉沟、南小河沟、桥沟等 7条小流域及其支沟布设了 16个水沙监测 站，总控制面积 555.75km2，布设雨量站 90个，建设气象园 3处，各 种径流小区 73个，重力侵蚀观测场 3处。 基于各级信息采集体系，获取了黄河流域不同时间和空间尺度水 土流失环境背景、土壤侵蚀观测、水土流失治理等相关数据。 2、信息传输系统建设 通过租用 2×2M 光纤，建立了黄河监测中心与黄委监控中心的网 络链接；通过 VPN（虚拟专用网）技术，建立了黄河监测中心与直属 分中心（天水、西峰、榆林）以及黄河流域各省区水土保持监测总站 之间的广域网链接；构建了数据业务的统一网络传输平台。 3、数据库及数据存储系统建设 （1）数据库建设 水土保持数据库建设是“黄河流域水土保持监测系统”的重要内 容，也是“数字黄河”工程中水土保持数据分中心的建设内容，监测系 5 统一期工程建设完成了数据库系统运行所必须的软、硬件配置和数据 库设计。2003年，黄委列专项经费，开展了“黄河流域水土保持本底数 据库系统建设”。数据库划分为基础信息、自然环境、社会经济、水土 流失、预防监督、综合治理、效益评价、水政水资源、法规、科技、 空间地理等 11个主题域。截止目前，已录入黄河流域 1：100万、1： 25 万、典型区域 1：5 万基础信息数据，不同分辨率卫星影像、航片 数据，水土保持综合治理示范区、典型小流域数据，黄土高原淤地坝 数据，黄河流域生产建设项目数据，黄河流域遥感普查数据等，数据 量达到 2TB。 （2）基层站历史监测数据的整理入库 黄委天水、西峰、绥德水土保持科学试验站已经积累了 60多年的 观测资料，拥有我国建成时间最长、观测数据连续、参数全面的监测 资料。天水站拥有小区径流泥沙资料 434 个区年，小流域径流泥沙资 料 89个站年，雨量资料 516个站年。但这些资料的存储形式大多都是 以传统的形式保存着，对于数据的保存、检索和利用都带来了很大的 不便。2006 年~2008 年，黄河监测中心参考《水文资料整编规范》等 技术标准，建立了水土保持小流域水沙观测数据库，把三个水保站历 史数据进行了整编入库，开发了水土保持小流域水沙观测数据管理系 统。该系统建立了统一的数据结构、统一的公共空间参照系、编码标 准、数据采集和传输方式等。实现了对水土保持基础信息和小流域水 沙监测原始 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的录入和管理，实现了对水沙资料的自动化整编，为 数据共享和信息服务创造了有利条件。该系统的建成，标志着小流域 6 水土保持水沙监测及其数据进入了规范化管理的新时代。系统主界面 见图 2。 （3）数据存储 建设了郑州、西安水土 保持数据中心、西峰和榆林 及天水数据分中心分布式 存储系统，包括数据库服务 器、备份服务器、磁盘阵列 和磁带库等设备。利用 ArcGIS、ARC/SDE搭建了基于网络存储技术的 数据存储与管理平台框架；利用高性能的数据库服务器整合了有关数 据库管理系统的资源，包括黄河流域不同时间、空间尺度的水土保持 基础数据库和水土流失、水土保持生态工程、预防监督等专业数据库， 重点地区不同时间大比例尺的土壤侵蚀、土地利用及 DEM 数据及卫 星影像和航片数据，皇甫川流域数码航摄数据，并在数据中心的数据 库管理系统中进行建库，初步实现数据资源的集中存储和管理。 图 2 观测数据管理系统 4、标准体系建设 制定并颁布了《黄河流域水土保持数据库表结构及数据字典》、 《黄河流域水土保持信息代码编制规定》、《黄河基础地理要素分层 标准》和《黄河基础地理要素分类与代码标准》等标准，编写了《黄 河小流域监测数据采集技术导则》和《黄河小流域监测评价元数据 标准》（待颁发），有效保障信息资源的共享，确保各种信息处理业 务的互操作性，保证各类信息的安全。 7 5、应用服务平台建设 构建了数据服务和应用中间件，搭建了“黄河流域水土保持监测系 统”水土保持系统管理和地理信息平台，正在开展“黄土高原模型”建 设，布设了标准径流小区，单项人工模拟降雨系统，构建野外和室内 物理模型，开发数学模型，探索水土流失规律，为应用服务平台模型 库的建设奠定了基础。 6、水土保持监测评价能力建设 英国国际发展部于 2003年与中国水利部达成 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，提供赠款在中 国实施小流域治理管理项目。其中，开展了黄河水土保持生态环境监 测评价能力建设，目的是提高现有监测评价系统的整体能力，包括监 测数据的采集、分析、评价以及技术手段和方法的完善，建立相应的 标准规范等。通过 4 年的实施，初步建立了流域系统内水土保持业务 及相关部门间的数据共享和交流机制；加强了流域监测数据的分析和 整合能力，规范监测数据收集和分析评价的标准、方法、手段；探讨 了建立信息共享、多部门协作机制；开展了小流域综合评价方法和模 型建设研究，提出了适用于黄河流域小流域综合评价的指标体系、方 法和工具模型；开发了小流域综合评价系统，能够自动生成评价结果、 统计报表和专题图等。 三、黄河流域水土保持监测应用系统建设 根据流域水土保持工作需要，以监测系统水土保持应用服务平台 为依托，采用统一标准、统一数据库表结构、统一数据分发和数据应 用机制，利用 GIS 系统分析、模型耦合、三维模拟等技术，重点对水 8 土保持数据管理、水土保持防治管理和水土保持信息服务应用系统进 行了建设，开发了“黄河中游多沙粗沙区电子地图系统”、“黄土高原淤 地坝信息管理系统”、“水土保持预防监督信息管理系统”、“小流域可 持续发展能力评价系统”等应用系统。 1、黄河中游多沙粗沙区电子地图系统 该系统采用 C/S（客户端和服务器结构）+B/S（浏览器和服务器 结构）构架模式，C/S结构实现数据库管理，构成了空间信息基础设 施体系，为黄土高原水土保持各业务部门服务，用来查询、编辑、导 出区域自然概况、社会经济、水土流失、水文气象、综合治理等数据 和空间图形信息。B/S结构实现信息共享与服务，数据以专题图或表 的形式发布在WEB服务器上，用户通过网络访问WEB服务器，对区 域基础数据、水土流失的相关数据和图形及属性以不同分区（行政区、 支流、项目区）进行浏览、查询、统计和打印。发布的内容主要包括： 行政区划图、植被覆盖图、土壤侵蚀图、水文站点分布图、大型开发 建设项目分布图等 30多种专题图。 2、黄土高原淤地坝信息管理系统 该系统为黄土高原淤地坝管理服务，主要功能包括数据录入、查 询、编辑、更新、统计分析及系统管理等。目前该系统已录入审批的 3043座骨干坝、3028座中型坝和 4042座小型坝的可行性研究、初步 设计、计划下达、施工、竣工验收和运行等各阶段基本信息，对其涉 及的 267条小流域坝系基本信息进行管理，建立了淤地坝和坝系的专 题数据库，实现数据共享，为规划和决策部门提供数据支持。 9 3、预防监督信息管理系统 该系统为黄土高原预防监督工作服务，用于对开发建设项目和水 土保持 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行动态管理，实现数据的共享，提高管理水平。主要功 能包括查询、统计汇总、上报、发布和法律法规的宣传、专题数据和 成果的输入输出。利用该系统完成了黄河流域“三区”划分数据入库， 完成了 20世纪 90年代中期以来 600余个国家级大型开发建设项目水 土保持“三同时” 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 执行情况年度督查信息入库，建立了预防监督专 题数据库。同时，对已审项目、在建项目和上报项目不同阶段的实施 状况进行管理。 4、小流域可持续发展能力评价系统 结合英国赠款项目，开展了小流域综合评价方法和评价模型研究。 研究了综合运用单指标评价法、综合评分法和层次分析法三种评价方 法。提出了适用于黄河流域小流域综合评价的指标体系、方法和工具 模型。基于黄河流域实际情况，推荐“基于层次分析法的小流域综合治 理效益评价”。在评价模型的基础上了，开发了“小流域可持续发展能 力评价系统”，包括模型管理、项目评估、数据维护、系统配置等四个 模块，实现了监测数据的输入、存储，评价数据的关联和计算，评价 模型的数据输入和输出，评估结果数据的存储和转发等。 四、存在的主要问题 近几年来，黄河流域的水土保持监测工作取得了可喜的进展和成 就，但是，与科学发展观的要求，与国家水土保持生态建设蓬勃发展 的形势，与建设生态文明和和谐社会发展目标相比仍存在一定差距， 10 主要表现在以下几方面： 一是监测网络不完善，监测场点数量少。监测场点没有形成系统 性、体系化。虽然全国监测网络与信息系统工程、水土流失动态监测 与公告、流域机构试验观测站等中央项目和省（区）投资兴建了一定 数量的监测场点，但远不能满足黄河流域水土流失动态监测的需要。 二是监测设施设备落后。近几年对流域内部分监测场点进行了设 备改造，但是，大部分监测点（场）设施设备严重老化，观测手段和 方法落后，而且交通不便，工作条件差；新建监测点（场）设施设备 不完整，观测设备自动化程度低，不能及时获取监测信息。 三是水土保持公报数据采集体系未建立。从 2004年开始，黄河流 域各省（区）陆续开展了水土保持公报工作，同时，每年向水利部报 送公报数据。黄河水土保持生态环境监测中心负责编制黄河流域水土 保持公报数据和编制《黄河流域水土保持公报》。由于没有建立可靠的 数据采集体系，水土保持公报数据越来越匮乏。 四是缺乏运行和维护费用。全国监测系统工程和黄河流域监测系 统、黄土高原小流域坝系监测、黄土高原水土保持世行贷款等项目建 设了一批典型观测小流域，大部分没有后续观测经费，不能满足观测 设施设备维护、更新和运行，难以正常持续地开展监测工作。 五、下一步计划 按照《水土保持信息化发展纲要》和《“数字黄河”工程规划》，黄 河流域水土保持监测系统在现有建设的基础上，重点做好以下工作： 1、进一步完善信息采集体系，扩大水土保持数据的采集范围和内 11 容,提高数据采集的精度和时效性。 2、建成覆盖整个黄土高原的信息高速公路，信息网络纵深到数据 采集点。 3、加强数据中心、分中心及小流域水沙观测数据存储点建设，完 善黄土高原数据存储与管理体系，形成高效的网络数据交换和共享机 制，为建立黄土高原土壤侵蚀模型提供数据支撑。 4、建设水土保持业务和社会公众需要的综合信息服务平台，通过 各种专业模型开发，初步形成一个面向具体应用的虚拟仿真和综合决 策会商系统，为水土保持决策提供可视化的会商环境，增强决策的快 速反应能力，提高决策的科学性和准确性。 二〇〇九年七月二十四日 12 一、黄河流域水土保持监测系统设计 二、黄河流域水土保持监测系统建设 三、黄河流域水土保持监测应用系统建设 四、存在的主要问题 五、下一步计划