“数字黄土高原”设计与实施

     一、“数字黄土高原”建设背景

    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”工程的总体规划，我们于2003年开展了“数字黄土高原”建设工作。

    “数字黄土高原”就是运用“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，实现黄土高原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。

     二、“数字黄土高原”设计

    1、设计框架
     “数字黄土高原”是“数字黄河”工程的重要组成部分，设计中统筹考虑黄河流域水土保持监测网络系统、黄河水土保持数据分中心、黄河上中游管理局信息化及电子政务建设等工程，确定“数字黄土高原”工程由信息采集、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。
 

     2、设计内容

  （1）信息采集体系设计
    信息采集站网由黄河水利委员会水土保持监控中心（郑州监控中心），黄河水土保持生态环境监测中心（西安监测中心），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）水土保持监测总站、监测分站、信息点构成。另外，选择一批科研院所的实验点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水土保持政务、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，完成西安监测中心与水利部水土保持监测中心、郑州监控中心、直属分中心、黄土高原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；数据中心以西安监测中心为基地，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，为领导宏观决策提供技术支持。

      三、“数字黄土高原”建设

      1、信息采集体系建设
      建成了黄河水土保持生态环境监测中心站、郑州监控中心、3个直属分中心（天水、西峰、榆林）、8个省级监测总站、69个地级分站。基本形成了流域机构、省（区）、地（市）、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、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，初步建成了人工降雨装置系统。基于信息采集体系，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，建立了西安监测中心与郑州监控中心的网络链接；通过VPN（虚拟专用网）技术，建立了西安监测中心与直属分中心（天水、西峰、榆林）、黄土高原有关省区监测总站和地区分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、数据存储系统建设
     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、各监测点数据存储节点的三级分布式存储系统，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SPOT、IKONOS、QUICKBIRD影像和航片数据，皇甫川流域1：30000数码航摄数据一套，并在数据中心的Oracle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，数据量超过1TB。

     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，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，保证各类信息安全。

     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“数字黄土高原”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。

      四、“数字黄土高原”应用系统建设

     根据这一区域水土保持工作开展需要，以“数字黄土高原”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 “粗泥沙集中来源区电子地图系统”、“黄土高原淤地坝信息管理系统”、“世行项目区水土保持综合治理管理系统”、“预防监督信息管理系统”和“淤地坝辅助设计系统”等应用子系统。
   

    1、粗泥沙集中来源区电子地图系统
     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、导出粗泥沙集中来源区的自然概况、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结构实现电子地图系统，构成了信息共享与服务体系，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，对粗泥沙集中来源区的基础数据、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。同时，该系统采用ArcIMS作为电子地图发布平台。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2225座中型坝和2219座骨干坝的可行性研究、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223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。

    3、世行项目区水土保持综合治理管理系统
    该系统实现由中央项目办公室、省（区）项目办公室、市项目办公室、县（旗）项目办公室和乡（镇）项目工作站的5级高效管理，全方位反映世界银行贷款项目在黄土高原地区流域治理的过程、方法、措施和成果。采用GIS、WebGIS和ASP技术，实现项目区各类空间数据的分层显示，分层控制和图形管理；实现流域内规划、现状和措施数据的图形属性查询及专题图制作。利用空间分析功能，实现项目区治理过程动态分析、效益对比分析；实现以项目区、小流域、行政区划等为区域的规划、现状、措施、监测数据的统计分析，自动生成统计报表和图表。基于GIS界面实现对典型项目区实施过程中的文字、影像、录像等超媒体资料的分类管理和查询。并实现制度建设、法律法规、科学研究和技术转让等资料的网络发布。

      4、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200余个国家级大型开发建设项目水土保持“三同时”制度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。

      5、淤地坝辅助设计系统
     该系统为黄土高原淤地坝规划设计和工程建设管理服务，为淤地坝的规划、设计提供了有效的辅助工具。通过地理信息系统和三维模拟技术，利用高分辨率卫星影像、数字高程模型、土壤侵蚀数据、土地利用数据、植被数据及实测资料，建立小流域三维场景，进行淤地坝的坝址选择；利用淤地坝工程量计算及自动绘图模块，采用微分原理，自动批量计算出淤地坝横断面工程量、分层削坡工程量及放水工程量。同时，还可以自动绘制淤地坝的坝址断面图、面积曲线图、库容曲线图，提高了工作效率和成果图的准确性和规范性。另外，系统可以模拟和计算出淤地坝的运行情况及坝高、拦泥库容、淤积年限、淤积面积、已淤库容和剩余库容等参数。

       五、下一步计划

      按照《“数字黄河”工程规划》，“数字黄土高原”在现有建设的基础上，重点做好以下工作：
     1、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。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容,提高数据采集的精度和时效性。
      2、加强数据中心、分中心及原型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。
      3、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。