江西省水土保持智慧平台初步构想.pdf

专栏:数智赋能启新航 智慧水利谱新章 刘昭 聂小飞 郑海金 等 江西省水土保持智慧平台初步构想 水利发展研究 ():():江西省水土保持智慧平台初步构想刘 昭 聂小飞 郑海金 廖凯涛 宋月君 周春波(江西省水利科学院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室 江西 南昌 中国科学院 教育部水土保持与生态环境研究中心 陕西 杨凌)摘要:水土保持问题涉及对象点多面广、时空动态变化显著 亟需通过智慧水利建设赋能传统管理模式转型升级 系统提升水土流失防治水平 文章针对水土保持数据资源管理和智慧应用开发存在的瓶颈问题进行分析 提出构建江西省水土保持智慧平台 从算据、算法和智慧应用三个方面阐述了初步构想 以便促进江西省水土保持工作向管理智慧化、决策精准化转型关键词:智慧水土保持 算据 算法 数字小流域 江西省:/开放科学(资源服务)标识码():中图分类号:()文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()江西省主要学科学术和技术带头人培养计划()中国博士后科学基金()国家科技奖后备项目培育计划()作者简介:刘 昭()男 高级工程师 博士通信作者:郑海金()女 教授级高级工程师 博士 ():水利发展研究第 卷 年第 期 引言 年初 中共中央、国务院印发了数字中国建设整体布局规划 明确了建设数字中国是数字时代推进中国式现代化的重要引擎 智慧水利是新阶段水利高质量发展的显著标志 水土保持作为生态文明建设的重要内容 无论是水土流失治理还是生产建设项目监管 均亟需通过智慧水利建设赋能传统管理模式转型升级 系统提升水土流失防治水平 早在 年 水利部水土保持司印发的“十四五”期间智慧水土保持建设工作方案 明确提出着力推进智慧水土保持建设的具体要求 智慧水土保持将成为水土保持治理体系和治理能力现代化的强大推动力 结合水土保持业务需求 以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径 并充分融入江西省地方特色和水土保持科技需求 提出打造江西省水土保持智慧平台 实现依托基础时空数据、物联网实时感知数据、日常水土保持业务和相关行业数据 提供获取、感知、存储、处理、共享、集成、挖掘分析、展示等服务的时空大数据平台 满足新时代水土保持工作需要需求分析当前已有系统或平台还限于水土保持业务管理 对于水土保持或土壤侵蚀方面的智慧化模拟和决策的应用研发显得较为滞后 此外 水土保持或土壤侵蚀领域积累的试验、监测、监管、监督等数据量大 但当前各类业务数据尚无法做到快速互通和利用 甚至一些业务数据还仅仅停留在录入电子化阶段 经疏理 水土保持数据资源管理和智慧应用开发的瓶颈主要表现在:()数据资源体系不完善 数据资源采集手段相对落后 内部数据资源整合程度不高 行业内、部门间数据共享互通机制不够顺畅 数据间的相互关联、逻辑关系未完全厘清 数据资源标准化程度不高 距离形成数据资产有较大差距 智能监测感知数据不适应水土保持业务和行政管理需要 水土保持数字化场景可展示的数据有限()数学模型储备不足和应用程度不够 由于现有水土保持相关模型较为分散、普适性不足 且过程机理模型以坡面尺度为主 流域或区域尺度应用多依赖经验模型 缺乏大尺度、分布式的过程机理模型 较难满足各类智能化模拟和精准化决策需求 有大量的模型遴选、集成耦合、优化修正工作需要开展对于江西省水土保持工作的相关数据 有长历时、多站点的水文气象数据 有无人机航拍、卫星遥感等影像 有水土流失预防监督及水土保持动态监测和监测站网原始数据及整编上报数据 也有土壤侵蚀、土壤水文、生态环境等相关科学研究的试验和模拟数据等等 这些数据资料往往存在来源多样性、高维、海量、更新不及时、类别不平衡以及多标记等多种特殊性质 面临着数据充足而知识匮乏的现实问题 因此 亟需建立专业的数据平台 将数据间的相互关联、逻辑关系等建成具有分析、判断功能的数学关系 使其成为与智慧水土保持密切关联的数据 为挖掘大数据和智慧应用研发提供重要的支撑除了满足水土保持业务和行政管理需要 智慧应用还要逐步实现数字化场景、智慧化模拟、精准化决策 小流域是自然集水单元 也是水土保持治理的基本单元 具有行政区相对单一、高精度数据易获取的特点 年 月 中共江西省委、江西省人民政府印发的关于推进全省水利高质量发展的意见第十五条 着重强调推进生态小流域建设等 并通过遥感等技术手段 加强水土保持管理 年 月 中共中央办公厅、国务院办公厅印发的关于加强新时代水土保持工作的意见明确指出全面推动小流域综合治理提质增效 加强水土保持科技创新 推进遥感、大数据、云计算等现代信息技术与水土保持深度融合 因此 构建数字孪生小流域可作为江西省水土保持智慧平台中智慧应用研发的先行先试内容 在数据平台、过程机理模型、虚拟仿真及其相应算法的支持下 以生成典型小流域专用数据底板 开展生态水文过程仿真、小流域成效评价、水土保持措施优化配置等研究 并利用数字沙盘进行结果展示初步构想江西省水土保持智慧平台建设拟按照“”的模式 即 个数据综合管理中心、个水土保持相关数学模型库、个智慧化应用(见图)平台分两步建设 先行先试期为 年左右 远景规划阶段为 年专栏:数智赋能启新航 智慧水利谱新章 图 江西省水土保持智慧平台建设“”模式图 数据综合管理中心 建设 个数据综合管理中心 提供算据资源数据综合管理中心的主要功能是数据采集、存储、管理、分析、生产(见图)在先行先试阶段 应在全国 级数据底板、流域和省级 级数据底板基础上 进一步完成江西省水土流失监测业务管理系统开发 并整合、完善现有的数据生产系统(如江西省水土保持综合管理系统、江西省水土保持科研数据管理系统)增加实现网络爬虫抓取数据功能 做好源数据管理的同时 满足水利部系统数据上报、用户数据申请使用、智慧应用研发算据提供等需求 基本做到资源互通和数据融合 做到数据接口规范 争取打通水文、气象等公共数据接口 在远景规划阶段对多源多维多时空尺度数据资源进行数据加工和数据治理 使得数据源进一步融合 形成数据资产 构建水土保持全领域知识图谱和网络模型 数字赋能水土保持科学决策 形成 个水土保持相关数学模型库 提供算法保障数学模型是智慧化模拟和精准化决策的算法基础 在先行先试阶段主要包含以下三个方面的工作(见图):()整合 识别模型 在影像解译、图斑提取等方面实现自动化 提高水土流失动态监测、生产建设项目监测验收等业务的智慧化水平()在前期模型工作积累的基础上 梳理已有的土壤侵蚀模型、土壤水运动模型、流域水文模型、生态社会经济模型 遴选出适用于南方红壤区区域特色的过程机理模型 并加以集成耦合和优化改进研发着重针对数字孪生需求进行完善改进 丰富相应的模型子库 为耦合构建基本的生态水文过程模型提 供 可 靠 的 功 能 模 块()整合通用的参数反演工具 为模型参数校正和参数本地化提供保障 在水土保持效益评估工作积累的基础上 集成相关评估方法 为开发数字流域等智慧化应用提供基本的计算工具 在远景规划阶段应丰富生态水文过程模型实现多过程、多要素的同步模拟 基于数据综合管理中心的算据 构建数 据 模型 形成水土保持知识图谱和网格模型 针对不同定制服务 扩展出一批相应的数学模型水利发展研究第 卷 年第 期 图 水土保持相关数学模型库图 数字小流域 以数字小流域为试点开发智慧应用 同步推进生态清洁小流域建设与水土保持智慧化工作在先行先试阶段应着重围绕生态清洁型小流域开展数字化应用研发 待成熟后将数字小流域的成功经验升级至鄱阳湖流域乃至江西全省 并可满足各类订单式服务 小流域拟在赣州市范围内进行选择 其理由如下:()赣州水土流失问题突出 水土保持治理积累了丰富的经验 由于历史上严重的水土流失问题 一直以来都是国家和省部生态治理和建设的重点区域 自 年兴国县首先列入“赣江上游国家水土保持重点建设工程”范围后 历经 余年 赣江上游大规模实施国家水土保持重点工程 水土流失得到极大遏制()在赣州开展流域土壤侵蚀数字小流域的先行先试 符合政府需求 年 月 国务院以国发号文正式出台国务院关于新时代支持革命老区振兴发展的意见 文件明确规定坚持绿水青山就是金山银山理念 统筹推进革命老区山水林田湖草一体化保护和修复 加强江河源头生态环境治理 支持赣南等原中央苏区建设重要生态安全屏障促进绿色转型发展 年 月 中共江西省委、江西省人民政府印发了关于推进全省水利高质量发展的意见 对水土保持效益监测提出了具体要求(其中第九条、第十五条)着重强调赣江源等源头区保护、推进生态小流域建设等 并通过遥感等技术手段 加强水土保持管理构建数字小流域的工作内容(见图)包括:()结合小流域综合治理提质增效项目 开展小流域治理优先度决策研究 并根据小流域数据资料完备情况 选择典型小流域()在数据综合管理中心基础上 针对典型小流域 开展更精细的小流域调查与数据资料准备 形成 级或 级的专用数据底板()依托专用数据底板 在水土保持相关数学模型库中土壤侵蚀、土壤水运动、流域水文、生态社会经济等模型子库以及参数反演工具库的基础上 耦合构建坡面及小流域两个尺度生态水文过程模型 实现气候变化和人类活动影响下不同组合情景条件的生态水文过程仿真功能()根据专用数据底板和生态水文过程模拟结果 开展水土保持措施优化配置和小流域综合治理评价()以数字沙盘的形式构建小专栏:数智赋能启新航 智慧水利谱新章 流域数字孪生体 主要交互演示专用数据底板、生态水文过程仿真、小流域成效评价、水土保持措施优化配置等结果结语江西省降水时空分布不均 侵蚀性降雨频发容易产生水土资源及养分流失等问题 水土保持问题涉及对象点多面广、时空动态变化显著 亟需通过智慧水利建设赋能传统管理模式转型升级系统提升水土流失防治水平 本文针对水土保持数据资源管理和智慧应用开发存在的瓶颈问题进行分析 提出构建江西省水土保持智慧平台 从算据、算法和智慧应用三个方面阐述了初步构想 从江西省水土保持智慧平台入手 实施江西省智慧水土保持建设 对江西省水土保持加速向数字化、网络化、智能化进阶具有推动作用 促进水土保持工作向管理智慧化、决策精准化转型 为新阶段水土保持高质量发展提供有力支撑和强力驱动参考文献:李国英 建设数字孪生流域 推动新阶段水利高质量发展学习时报 姜德文 汇聚海量数据 深化应用场景 开创智慧水土保持中国水土保持科学(中英文)():张红丽 罗志东 我国水土保持信息化发展成效 中国水土保持():姜德文 数字赋能推进智慧水土保持 中国水土保持():李冬青 刘吟啸 邓镭 等 基于数据全生命周期的数据资产价值评估方法及应用 大数据 ():刘子赫 申来津 数据赋能:数据要素市场化的基本格局与培育机制 科技与法律(中英文)():(责任编辑韩丽宇)