裘濤 劉克軍 陳漢邦 田剛 王冉 劉夢(mèng)茹
[關(guān)鍵詞]水土保持;數(shù)字化;智慧管理平臺(tái);安吉縣
[摘要]為全面提升安吉縣水土保持工作數(shù)字化水平,打通水利部門與其他部門間信息共享交互渠道,借助大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù),以“11143”為總體框架,即1個(gè)統(tǒng)一的工作門戶平臺(tái)、1套監(jiān)管制度、1個(gè)底層數(shù)據(jù)倉(cāng)、4大核心業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、3個(gè)水土保持服務(wù)模塊,構(gòu)建數(shù)字水土保持智慧管理平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)安吉縣水土保持“一圖管理”、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期“一屏管理”、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、智慧決策與應(yīng)用、行業(yè)宣傳服務(wù)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
[中圖分類號(hào)] S157[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] C[文章編號(hào)] 1000-0941(2023)08-0057-04
水土保持是生態(tài)文明建設(shè)的必然要求,涵蓋水土流失治理及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目監(jiān)管等多業(yè)務(wù)場(chǎng)景[1]。黨的十九大提出要加快數(shù)字中國(guó)建設(shè),以信息化培育新動(dòng)能,用新動(dòng)能推動(dòng)新發(fā)展。黨的二十大強(qiáng)調(diào),推動(dòng)綠色發(fā)展,促進(jìn)人與自然和諧共生。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型和生態(tài)文明建設(shè)背景下,水利部及各省、市、縣積極推進(jìn)數(shù)字化改革,以信息化作為技術(shù)支撐,整合多種水土保持資源,實(shí)現(xiàn)水土保持智能化模擬和精準(zhǔn)化決策,以推動(dòng)水土保持生態(tài)文明建設(shè)。數(shù)字水土保持主要是運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)水保相關(guān)信息進(jìn)行采集、分析、存儲(chǔ),以及傳輸共享,構(gòu)建水土保持信息管理平臺(tái),以監(jiān)管生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水保措施情況,監(jiān)測(cè)區(qū)域水土流失狀況,實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警,全面提高水土保持決策能力[2-3]。安吉縣作為全國(guó)首個(gè)生態(tài)縣、國(guó)家水土保持生態(tài)文明縣、“兩山”理論發(fā)源地,為提升水土保持?jǐn)?shù)字化水平,進(jìn)一步釋放“兩山銀行”的“磁石效應(yīng)”,打造縣域數(shù)字生態(tài),按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總要求,緊緊圍繞浙江省水利數(shù)字化轉(zhuǎn)型和水土保持智慧化管理工作的核心要求,以數(shù)字賦能水保工作,構(gòu)建數(shù)字水土保持智慧管理平臺(tái)。
1建設(shè)基礎(chǔ)
①安吉縣前期數(shù)字化改革成效顯著。2021年,安吉縣重點(diǎn)打造了兩個(gè)多跨應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)字化改革項(xiàng)目,分別是城鄉(xiāng)供水安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與管控、小流域山洪預(yù)警及應(yīng)急聯(lián)動(dòng),均列入了全省第一批水利數(shù)字化改革試點(diǎn)。②數(shù)據(jù)支撐。浙江省創(chuàng)新推出“浙里九龍聯(lián)動(dòng)治水”平臺(tái),加快了數(shù)字孿生流域建設(shè),集成打造全行業(yè)共享水利大腦。而安吉縣現(xiàn)有的水土保持科技示范園和典型的水土流失觀測(cè)試驗(yàn)流域,也為平臺(tái)建設(shè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。③技術(shù)保障。以大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等為主流的新一代信息技術(shù)較成熟,為平臺(tái)建設(shè)提供了技術(shù)保障。④組織和資金保障。該平臺(tái)建設(shè)由安吉縣水利局牽頭實(shí)施,地方專項(xiàng)資金進(jìn)行建設(shè)。
2建設(shè)目標(biāo)
構(gòu)建滿足水土保持多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的智慧管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)水土保持智慧化、精準(zhǔn)化決策。具體建設(shè)目標(biāo)為:①實(shí)現(xiàn)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)共享,構(gòu)建水土保持底層數(shù)據(jù)倉(cāng),打破水利部門與其他部門之間的“信息壁壘”。②實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期“一屏管理”,構(gòu)建水土保持預(yù)防監(jiān)督系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息采集、行政審批、過程監(jiān)管、驗(yàn)收?qǐng)?bào)備等全過程“一體化管理”。③實(shí)現(xiàn)水土流失治理向精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變,構(gòu)建水土流失精準(zhǔn)治理系統(tǒng)。④借助深度學(xué)習(xí)算法、數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),模擬水土流失情景,構(gòu)建水土流失監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。⑤挖掘水土保持碳匯潛力,助力生態(tài)文明建設(shè),構(gòu)建水土保持碳匯管理系統(tǒng)。
3總體框架
基于大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù),輔以遙感解譯、無人機(jī)航拍、移動(dòng)終端等現(xiàn)代手段,以全面提升水土保持?jǐn)?shù)字化水平為導(dǎo)向,采用穩(wěn)定、簡(jiǎn)潔、安全的政務(wù)型網(wǎng)站框架,搭建安吉縣數(shù)字水土保持智慧管理平臺(tái)“11143”總體框架,即1個(gè)統(tǒng)一的工作門戶平臺(tái)、1套監(jiān)管制度、1個(gè)底層數(shù)據(jù)倉(cāng)、4大核心業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、3個(gè)水土保持服務(wù)模塊(見圖1)。
4建設(shè)內(nèi)容
4.1水土保持事項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化梳理
該平臺(tái)適用于水土保持多業(yè)務(wù)場(chǎng)景,針對(duì)安吉縣水土保持業(yè)務(wù)情況,可分為三大類:①=1\*GB3生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目類,涵蓋項(xiàng)目全生命周期內(nèi)所涉及的水土保持審批、監(jiān)測(cè)監(jiān)管和專項(xiàng)驗(yàn)收等業(yè)務(wù)場(chǎng)景;②=2\*GB3生態(tài)治理類,包括前期管理、建設(shè)管理、效益評(píng)價(jià)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景;③=3\*GB3環(huán)境監(jiān)測(cè)類,包括對(duì)多環(huán)境要素(水質(zhì)、大氣、土壤和固廢等)的測(cè)定和監(jiān)控等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
4.2底層數(shù)據(jù)倉(cāng)的構(gòu)建
數(shù)據(jù)是智慧管理平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ),底層數(shù)據(jù)倉(cāng)主要由操作型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)區(qū)構(gòu)成。操作型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)、生態(tài)治理項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成,其中:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括數(shù)字高程、土地利用數(shù)據(jù)及生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、生態(tài)公益林、飲用水源保護(hù)區(qū)、水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和治理區(qū)等矢量數(shù)據(jù);建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)包括項(xiàng)目的占地、土石方、水土流失防治指標(biāo)、開完工時(shí)間等方案審批信息,項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)、監(jiān)督檢查等監(jiān)管信息,待驗(yàn)收項(xiàng)目、已驗(yàn)收項(xiàng)目的水土保持設(shè)施驗(yàn)收信息,遙感擾動(dòng)圖斑信息等;生態(tài)治理項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)包括全縣標(biāo)準(zhǔn)小流域矢量數(shù)據(jù)、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史治理項(xiàng)目信息、在建工程相關(guān)信息等;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括氣象、土壤、植被、徑流、泥沙、碳排放、碳吸附等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)區(qū)主要用來存放和管理經(jīng)整合后具有分析價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。
4.3核心業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)
4.3.1水土保持預(yù)防監(jiān)督系統(tǒng)
該系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期,包含項(xiàng)目審批、監(jiān)測(cè)監(jiān)管及驗(yàn)收?qǐng)?bào)備三大模塊。其中項(xiàng)目審批模塊具備早期預(yù)警、系統(tǒng)自動(dòng)初審、模塊化評(píng)審、審批信息交互、合規(guī)性對(duì)比、變更管理等功能,其流程見圖2;監(jiān)測(cè)監(jiān)管模塊具備監(jiān)測(cè)信息上報(bào)、智能研判分析、監(jiān)督檢查管理、水土保持“天地一體化”動(dòng)態(tài)監(jiān)管等功能,其流程見圖3;驗(yàn)收?qǐng)?bào)備模塊具備專項(xiàng)驗(yàn)收、在線公示、報(bào)備核查等功能,其流程見圖4。
4.3.2水土流失精準(zhǔn)治理系統(tǒng)
水土流失精準(zhǔn)治理系統(tǒng)包括前期管理、建設(shè)管理、效益評(píng)估三大模塊。
1)前期管理模塊。借助“3S”技術(shù),以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),初篩出水土流失面積占比大、侵蝕強(qiáng)度高的小流域,再結(jié)合底層數(shù)據(jù)倉(cāng)中的數(shù)字高程、土地利用類型、遙感影像、擾動(dòng)圖斑及水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和治理區(qū)范圍等信息,以及各級(jí)水土保持規(guī)劃、往年實(shí)施項(xiàng)目范圍等資料,智選亟待治理的區(qū)域,配合無人機(jī)航拍、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、問卷調(diào)查等手段,對(duì)水土流失狀況進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理,建立年度擬實(shí)施項(xiàng)目清單及三年滾動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目?jī)?chǔ)備清單。
2)建設(shè)管理模塊。通過高清遙感影像、無人機(jī)傾斜攝影、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查等手段,對(duì)整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)過程進(jìn)行遙感監(jiān)管,實(shí)現(xiàn)水土保持信息化、精細(xì)化、智能化監(jiān)管。對(duì)重點(diǎn)區(qū)域,借助無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),生成正射影像,通過智能化判別與精準(zhǔn)量測(cè),針對(duì)性制定水土保持措施。通過對(duì)比水保措施實(shí)施前后的水土流失圖斑,分析不同水保措施實(shí)施效果。
3)效益評(píng)估模塊。借助分布式水文模型,對(duì)竣工項(xiàng)目進(jìn)行效益評(píng)價(jià),包括項(xiàng)目實(shí)施效果評(píng)估和綜合治理效益評(píng)價(jià)兩部分。項(xiàng)目實(shí)施效果評(píng)估主要是根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施后的資金使用情況、工程完成情況、工程質(zhì)量情況、進(jìn)度把控情況和實(shí)施效益情況進(jìn)行評(píng)估,其結(jié)果可作為下一年度縣級(jí)項(xiàng)目資金補(bǔ)助和實(shí)施鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇的重要參考。綜合治理效益評(píng)價(jià)是指對(duì)項(xiàng)目區(qū)治理措施圖斑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核查,通過綜合比對(duì)措施圖斑類型、水土流失情況、土地利用情況、遙感影像等數(shù)據(jù),研判圖斑的合規(guī)性、有效性;同時(shí),利用分布式水文模型對(duì)治理前后的水土流失狀況進(jìn)行智慧化情景模擬,量化水土流失綜合治理產(chǎn)生的水保效益。
4.3.3水土流失監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)
水土流失監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理模塊和水土流失預(yù)報(bào)預(yù)警模塊。
1)數(shù)據(jù)管理模塊。通過水土流失坡面徑流場(chǎng)和試驗(yàn)小流域的自動(dòng)觀測(cè)感知設(shè)備,監(jiān)測(cè)降水、土壤、植被、水土保持措施和徑流泥沙等參數(shù),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接傳輸至底層數(shù)據(jù)倉(cāng)。
2)水土流失預(yù)報(bào)預(yù)警模塊。借助深度學(xué)習(xí)算法和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),基于底層數(shù)據(jù)倉(cāng)數(shù)據(jù)和土壤侵蝕模型,對(duì)水土流失風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行智慧化模擬,構(gòu)建預(yù)報(bào)預(yù)警模型,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)模擬分析,科學(xué)地預(yù)判潛在的風(fēng)險(xiǎn),并及時(shí)做出預(yù)報(bào)預(yù)警,強(qiáng)化水土流失風(fēng)險(xiǎn)管控。
4.3.4水土保持碳匯管理系統(tǒng)
水土保持碳匯管理系統(tǒng)包括碳匯監(jiān)測(cè)、碳匯核算和碳匯交易模塊。
1)碳匯監(jiān)測(cè)模塊。采用衛(wèi)星遙感和地面觀測(cè)設(shè)備等立體化監(jiān)測(cè)手段,對(duì)土壤、作物、森林等環(huán)境要素進(jìn)行數(shù)字化采集、存儲(chǔ)和分析,實(shí)現(xiàn)碳排放和碳吸收全面監(jiān)測(cè);通過集成系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)的全方位觀察、對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力變化的監(jiān)測(cè)。
2)碳匯核算模塊。碳匯核算是以觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展的。目前浙江省碳匯核算方法主要有植被凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量和水域碳吸收[4],其中植被凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量主要包括森林、草地和城市綠地等的碳交換量,水域碳吸收主要包括水域和灘涂的碳吸收量。不同水土保持措施的碳匯能力不同,而數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、核算方法等的差異也會(huì)導(dǎo)致碳匯評(píng)估結(jié)果差異較大,因此采用大數(shù)據(jù)技術(shù),統(tǒng)一碳匯標(biāo)準(zhǔn),解決目前碳匯數(shù)據(jù)平臺(tái)坐標(biāo)體系、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式等不統(tǒng)一的問題,可精準(zhǔn)反映水土流失治理對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)。
3)碳匯交易模塊。打造碳匯數(shù)字交易平臺(tái),可解決碳匯市場(chǎng)總體規(guī)模小、運(yùn)作不規(guī)范、市場(chǎng)間難以對(duì)接、碳匯交易形式單一等諸多問題,還可增加風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力、產(chǎn)品創(chuàng)新能力、綠色金融衍生品的開發(fā)能力,推動(dòng)碳匯價(jià)值的實(shí)現(xiàn)和價(jià)格機(jī)制的形成。
4.4水土保持服務(wù)模塊
4.4.1水土保持流程服務(wù)模塊
投資主體,尤其是民營(yíng)投資主體,往往缺乏項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作要求不熟悉。建設(shè)單位通過平臺(tái)輸入占地、土石方量、開完工時(shí)間等參數(shù)后,系統(tǒng)將自動(dòng)形成項(xiàng)目全過程水土保持工作開展告知單,明確在什么時(shí)段開展什么水土保持工作,具體要求是什么;同時(shí)對(duì)接省水土保持中介服務(wù)平臺(tái),向建設(shè)單位提供中介咨詢單位清單。
4.4.2土石方智能供需模塊
通過土石方智能供需模塊可智能匹配土石方供給和需求,提高項(xiàng)目建設(shè)過程中的土石方利用率,增加縣域內(nèi)土石方綜合利用量,減少棄渣總量。該模塊初步設(shè)想有兩個(gè)信息錄入模塊,一個(gè)是建設(shè)單位自行發(fā)布信息錄入模塊,另一個(gè)是從審批后的報(bào)告中提取關(guān)鍵參數(shù)錄入模塊,相關(guān)數(shù)據(jù)錄入后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)土石方的材質(zhì)、數(shù)量、運(yùn)距等參數(shù)進(jìn)行匹配,并發(fā)送相關(guān)信息給供需方。
4.4.3水土保持?jǐn)?shù)字科普館
利用數(shù)字技術(shù)對(duì)水土保持知識(shí)進(jìn)行處理和存儲(chǔ),形成圖文并茂、聲像結(jié)合的科普作品,傳輸給公眾。
1)水土保持3D展示功能。基于數(shù)字高程、土地利用、遙感影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),采用三維建模軟件生成三維數(shù)字模型,并進(jìn)行精細(xì)化處理,最后將三維數(shù)字模型按照地理坐標(biāo)依次導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中,通過虛擬技術(shù)將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景以1∶1還原,直觀、真實(shí)地展現(xiàn)水土流失、小流域綜合治理、土壤侵蝕過程。
2)水土保持游戲交互功能。在3D展示中內(nèi)嵌動(dòng)漫小游戲,涵蓋土壤侵蝕類型辨別、水土流失災(zāi)害防治、水土流失觀測(cè)等水保知識(shí),以動(dòng)漫結(jié)合圖文的方式進(jìn)行交互游戲,實(shí)現(xiàn)寓教于樂。
5預(yù)期成果
5.1形成一體化水土保持服務(wù)新樣板
厘清安吉縣水土保持工作,以平臺(tái)底層數(shù)據(jù)倉(cāng)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),完成生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持事前、事中、事后的閉環(huán)管理,實(shí)現(xiàn)水保監(jiān)管的“機(jī)器代人”。制約水行政主管部門行為,為行政審批設(shè)定“尺子”,減少審批、執(zhí)法行為中的自由裁量。完成水土保持服務(wù)模式變革,提高安吉縣水土保持服務(wù)水平,簡(jiǎn)化水土保持工作流程,形成符合水利數(shù)字化改革精神的一體化水土保持智慧管理平臺(tái)。
5.2塑造水土保持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型新典范
安吉縣作為國(guó)家水土保持示范縣、“兩山”理論的發(fā)源地,在水利部智慧水利先行先試工作方案的指導(dǎo)下,以浙江省數(shù)字化轉(zhuǎn)型為重要抓手,聚焦水土保持治理的痛點(diǎn)和難點(diǎn),發(fā)揮數(shù)字化在水土流失治理中的智慧賦能作用,實(shí)現(xiàn)全過程、全周期、精準(zhǔn)化監(jiān)管縣域內(nèi)在建生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目。安吉縣擁有完善的水土保持基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及典型的水土流失觀測(cè)試驗(yàn)流域,加上虛擬現(xiàn)實(shí)、深度學(xué)習(xí)及數(shù)字孿生等新興技術(shù)不斷成熟,可為區(qū)域水土保持工作提供科學(xué)依據(jù),以期將該平臺(tái)塑造成水土保持?jǐn)?shù)字化轉(zhuǎn)型新典范。
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收稿日期: 2023-02-10
基金項(xiàng)目: 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持全過程信息化管控關(guān)鍵技術(shù)研究(RB2023);浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(RC2044)
第一作者: 裘濤(1981—),男,浙江寧波人,高級(jí)工程師,學(xué)士,主要從事水土保持科研、咨詢與設(shè)計(jì)、數(shù)字化等工作。
通信作者: 劉克軍(1975—),男,浙江湖州人,高級(jí)工程師,學(xué)士,主要從事水土保持綜合治理、監(jiān)督和數(shù)字化管理等工作。
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(責(zé)任編輯張緒蘭)