智慧水利的基礎(chǔ)：數(shù)字流域

許新宜教授北京師范大學(xué)一、背景分析智慧社會建設(shè)引發(fā)新思考?數(shù)字中國、智慧社會——習(xí)近平先數(shù)字，后智慧汪部長：數(shù)字流域和智慧水利是實現(xiàn)水利現(xiàn)代化的主要手段水利是國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展生。的的理論現(xiàn)代(匕和化的名配內(nèi)容前者號某種而者果和礎(chǔ)0沒有數(shù)值化，哪來智慧化?十多年前，我曾經(jīng)受邀擔(dān)任過北京師范大學(xué)水“研究院名警院長，親眼目晴一批又一批青年科育工作者青向社會，也感受到一些新理論，新知新技術(shù)的萌芽氣息。種別是2008年在國內(nèi)第成立的數(shù)字流城實驗室，不僅承擔(dān)了國家“十科技支撐項目“數(shù)字流城關(guān)鍵技術(shù)研究”中要課題，而且還開展了之后的示范性項目研發(fā)，在數(shù)字流域領(lǐng)域的科學(xué)探索，并取得一批有生進(jìn)展的成果。這套近20冊的系列叢書就是這開成果的集中展示，涉及從頂層設(shè)計到實際應(yīng)內(nèi)一些關(guān)鍵技術(shù)與方法，可供從事于數(shù)字流域、水利以及數(shù)字+、智慧+的廣大科技、教育工作民相信，經(jīng)過一代又一代水利科技工作者的不力和奮勇耕博，做好理論與實踐相結(jié)合，水利日慧水利夢是一定能實現(xiàn)的。汪恕誠2019年6月于北京2019年6月水利部汪恕誠部長為“數(shù)字流域和智慧水利”系列叢書寫的序：人水和諧科學(xué)發(fā)展智慧水利的基礎(chǔ)-數(shù)字流域向矯勇同志匯報“智慧水利”沒有數(shù)字，何以智慧?由數(shù)字水利走向智慧水利—鄂竟平1.2水利信息化發(fā)展現(xiàn)狀國家或行業(yè)層面都明確提出了對水利行業(yè)在自動化、信息化技術(shù)的建設(shè)和應(yīng)用要求，努力實現(xiàn)“以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化”的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展步驟。中央一中央一號文件吹響了全面加快水利建《全國水利信息化規(guī)劃(金水工程)》:傳統(tǒng)水利向資源水利發(fā)展設(shè)的新號角：水利信息化高速發(fā)展水利現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵時期第四階段第五階段第二階段設(shè)(數(shù)字化)實現(xiàn)信息化業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)模塊(信息化)數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)一體化信息調(diào)度平臺《智慧化)1.3水利信息化發(fā)展存在的問題現(xiàn)在多數(shù)“智慧”軟件系統(tǒng)都是以應(yīng)用為導(dǎo)向的，基本沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)獨立、地圖獨立、模型獨立、模塊獨立，很難做到“總成換裝”,數(shù)據(jù)冗余、地圖冗余、模型冗余、模塊冗余相當(dāng)普遍。系統(tǒng)孤島地圖孤島數(shù)據(jù)孤島信息孤島國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、水十條、水資源管理三條紅線、水功能區(qū)劃、水資源承載力保障、河湖長制等，推進(jìn)管理科學(xué)化引領(lǐng)國家政策承載力保障、河湖長制等，推進(jìn)管理科學(xué)化引領(lǐng)行業(yè)科研遙感(RS)遙感(RS)…流域自然環(huán)境要素：程HH大網(wǎng)絡(luò)大感知大網(wǎng)絡(luò)@00物聯(lián)網(wǎng)云與端物聯(lián)網(wǎng):務(wù)1.6數(shù)字流域平臺在智慧水利建設(shè)中的情況分析模型模擬能力有待加強(qiáng)提升余度降低35報告內(nèi)容大感知大數(shù)據(jù)大地圖大模型(天)遙感監(jiān)測(空)無人機(jī)監(jiān)測(智能)以高海拔等以空間多級流域精細(xì)化管理為業(yè)務(wù)單元，以全業(yè)務(wù)動態(tài)模塊化管控為技術(shù)方向，以應(yīng)模大大2.2數(shù)字流域建設(shè)目標(biāo)域水臟流動的水、綠色的水、清潔的水、安全的水、可持續(xù)的水、可管理的水技術(shù)為業(yè)務(wù)服務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用支撐體系系統(tǒng)生態(tài)空間(紅線)管理水生態(tài)系水生態(tài)系系數(shù)據(jù)分析系**數(shù)據(jù)匯聚整合與整編糾錯基礎(chǔ)支撐存儲設(shè)備服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化軟件云管理云平臺設(shè)施大數(shù)據(jù)設(shè)施災(zāi)備中心設(shè)施其他設(shè)施2.4數(shù)字流域邏輯圖數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)流+邏輯流業(yè)務(wù)流功能集三個核心：數(shù)從哪里來?數(shù)到哪里去?數(shù)如何演算?空天地立體感知網(wǎng)絡(luò)空天地立體感知網(wǎng)絡(luò)生態(tài)-環(huán)境3.1數(shù)字流域--大感知：實現(xiàn)產(chǎn)體透徹感知視頻全覆蓋監(jiān)控流域謠感監(jiān)測流域無人機(jī)遙感監(jiān)控◆大數(shù)據(jù)輔助分析(相關(guān)數(shù)據(jù)分析)多模型多模型主線：控制流域的水量和水質(zhì)水量水質(zhì)信息感知各監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)體系地表水水質(zhì)·無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的存儲、共享交換、分析挖掘、統(tǒng)一管理綜合數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理“一張圖”庫應(yīng)用平臺支撐平臺大數(shù)據(jù)展數(shù)據(jù)共享示系統(tǒng)交換平臺·泵閘群聯(lián)合調(diào)度·流域洪水預(yù)報·突發(fā)水質(zhì)污染閘泵調(diào)度數(shù)據(jù)整合模型支撐智慧應(yīng)用系統(tǒng)·藍(lán)藻水華預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)流域綜合評估系統(tǒng)·流域水質(zhì)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)水資源配置與調(diào)度系統(tǒng)·流域防汛綜合指揮系統(tǒng)·流域監(jiān)測執(zhí)法管理系統(tǒng)流域工程項目管理系統(tǒng)信息公開門戶系統(tǒng)·移動綜合服務(wù)系統(tǒng)全面感知體系統(tǒng)實時感知體系智能感知體系…水庫監(jiān)測建設(shè)任務(wù)五：天空建設(shè)試點型灌區(qū)的基設(shè)控設(shè)施設(shè)險工險段安全監(jiān)測設(shè)施系政策法規(guī)降水蒸發(fā)氣象預(yù)報排污口水庫水質(zhì)灌區(qū)引退水?dāng)?shù)據(jù)水污染突發(fā)行政人口土壤植被蓄滯洪區(qū)實時工情工情險情自然災(zāi)害泥沙地下水地表水河道湖泊分析據(jù)池知識庫水環(huán)境情庫據(jù)庫務(wù)流據(jù)庫庫案庫元數(shù)據(jù)庫水文化限庫施融合算法同化算法3.2數(shù)字流域--大數(shù)據(jù)：實現(xiàn)大數(shù)據(jù)資源池及思維模式融合算法同化算法流域大數(shù)據(jù)融合與同化數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)同化原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)同化影像數(shù)據(jù)模擬模式無人機(jī)無人機(jī)模擬模式水生態(tài)水生態(tài)水生態(tài)以數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流、工作流為基礎(chǔ)建設(shè)線索式水利大數(shù)據(jù)資源目錄體系行政區(qū)劃水質(zhì)、水生態(tài)等要素信息的多維可視化，讓每一處水體都立體呈現(xiàn)，構(gòu)建數(shù)字化立體沙盤水系遙感地理環(huán)境信息產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整信息監(jiān)測點位物聯(lián)網(wǎng)信息(水量、在線水質(zhì)、跨界河流斷面水質(zhì)監(jiān)口1原始地理信息x:恩心十恩心十流域矢量圖參數(shù)庫mM參數(shù)提取影像圖土地利用圖水系圖行政區(qū)劃圖參數(shù)庫建立3.4數(shù)字流域--大模型：實現(xiàn)流域尺度智能化分析的中樞讓流域業(yè)務(wù)員管理每一處水，都有模型計算，輔助流域管理智能化氣象數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)模型驅(qū)動數(shù)據(jù)前處理系統(tǒng)結(jié)果數(shù)據(jù)庫水文模擬預(yù)報全國在線氣象數(shù)據(jù)”自動下載系統(tǒng)DEM、土壤參數(shù)(LU、植被參數(shù)庫水文數(shù)據(jù)庫模型流域水循壞超級集合模擬系統(tǒng)(SupperBasin)后處理系統(tǒng)率定驗證系統(tǒng)后處理系統(tǒng)系統(tǒng)水庫調(diào)度水文-生態(tài)效應(yīng)模擬流域水資源循環(huán)分析流域地貌形態(tài)特征·湖泊形成與演變規(guī)律·物質(zhì)、能量演化規(guī)律等研究·流域土壤類型與分布·流域植被類型與分布流域自然地理過程·流域內(nèi)地貌、植被、土壤和地質(zhì)等的演變·流域內(nèi)降水、蒸發(fā)、氣溫、日照、水循環(huán)規(guī)律、水環(huán)境、河流的演變·流域合成與分解代謝·生態(tài)水文過程人地關(guān)系·人類活動對流域各種問題的影響規(guī)律·流域地理環(huán)境對人類可持續(xù)發(fā)展的作用·流域代謝功能演變過程監(jiān)測數(shù)據(jù)庫庫知識發(fā)現(xiàn)快速響應(yīng)建立業(yè)務(wù)深度融合模型、方法和分析核心層建設(shè)：和構(gòu)建數(shù)據(jù)、算法業(yè)務(wù)模型融合體系，通過數(shù)據(jù)挖掘、信息融合、模擬分析、虛擬現(xiàn)實、場景分析、深度學(xué)習(xí)等手段，構(gòu)建集知識發(fā)現(xiàn)、評估評價、預(yù)測預(yù)警、業(yè)務(wù)融通、科學(xué)決策為一體、快速響應(yīng)的智慧水利大腦。庫河湖管理河湖管理河湖管理水工程管理”政務(wù)管理便民服務(wù)績效管理業(yè)務(wù)融通決策成果輸出層建設(shè)任務(wù)一：大數(shù)據(jù)融合前處理層的基礎(chǔ)庫建設(shè)任務(wù)二：大決策成果輸出層建設(shè)任務(wù)一：大數(shù)據(jù)融合前處理層的基礎(chǔ)庫建設(shè)方法層建設(shè)精細(xì)化智能化泛在化定制化精細(xì)化智能化泛在化定制化人性化·業(yè)務(wù)化應(yīng)用一業(yè)務(wù)單位管理與服務(wù)特點3.5數(shù)字流域--大應(yīng)用：實現(xiàn)流域尺度業(yè)務(wù)大融合與智慧應(yīng)用內(nèi)容：“五位一體”流域智慧平臺中的業(yè)務(wù)應(yīng)用體系數(shù)據(jù)氣象信息雨情信息水情信息工情信息災(zāi)情信息旱情信息城市內(nèi)澇泛在應(yīng)用模型支撐數(shù)據(jù)整合運維管理體系綜合感知泛在應(yīng)用模型支撐數(shù)據(jù)整合運維管理體系綜合感知統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)水環(huán)境容量臺水環(huán)境容量臺*EEEEEEEEREEEEEEEEE基礎(chǔ)硬件平合-444Y44T444441F水質(zhì)流域智慧平臺技術(shù)架構(gòu)流域水村Vcww-數(shù)--流域綜09年1月3.5數(shù)字流域--大應(yīng)用：實現(xiàn)流域尺度業(yè)務(wù)大融合應(yīng)用09年1月:空間圖層展示405時1時時外外信息展示及查詢據(jù)結(jié)果分析50小時外時平?？h時魏20am流域水環(huán)境管理畫n結(jié)::氨氮輸出費是1%日北集等方1保)師費eeea河(湖)岸線衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)運行管理體系運行管理體系文檔管理系統(tǒng)管理綜合展考核管理執(zhí)法理應(yīng)管理輔且決策《眾服務(wù)統(tǒng)計分通知《告開發(fā)具護(hù)具級河長鄉(xiāng)級簡長基層河長河長制綜合信息管理門戶(內(nèi)外網(wǎng))安全保險體系標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系項目管理項目管理河湖移動執(zhí)法系統(tǒng)贅遇摩管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遷移、數(shù)據(jù)展現(xiàn)……河湖移動執(zhí)法系統(tǒng)主機(jī)預(yù)警預(yù)報與響應(yīng)體視頻監(jiān)測水質(zhì)監(jiān)測遙感監(jiān)測水文監(jiān)測閘站監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)……數(shù)據(jù)采集體系數(shù)數(shù)事糖地食的平合2*水監(jiān)測點數(shù)據(jù)突高水流域監(jiān)控預(yù)警大數(shù)據(jù)分析預(yù)警防范+⑥+⑥e@④e@④@@⑥+m⑥+m基于不同尺度水環(huán)境承載力分析水資源承載力分析決策支持平臺頁管理員▼水質(zhì)目標(biāo)考核生本補(bǔ)鐵頁管理員▼水質(zhì)目標(biāo)考核生本補(bǔ)鐵規(guī)劃環(huán)評生態(tài)安全評估黑實水休監(jiān)管展示實刷空類單統(tǒng)i計非單業(yè)農(nóng)林牧血業(yè)真因和的保制控業(yè)住密總結(jié)思考個人思考建議1:建設(shè)數(shù)字流域為基礎(chǔ)的智慧水利發(fā)展階段(五段論)基于互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)(含時空)+人工智基于互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)(含時空)+人工智能+大地圖+大模型+大知識等技術(shù)，實現(xiàn)人與自然和諧、可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)代化階段段第四層次：智慧化階段基于大數(shù)據(jù)模型與模式進(jìn)行跨行業(yè)、跨學(xué)科、跨部門的協(xié)同驅(qū)動的科學(xué)決策階段萬物互聯(lián)=V5.0現(xiàn)代水利第三層次：信息化階段資源數(shù)化第二層次：數(shù)字化階段V方物感知定制化應(yīng)用為導(dǎo)向，基于網(wǎng)絡(luò)化的萬物互聯(lián)的城水利云服務(wù)階段~------------------基于云中心、數(shù)字化一張圖的基礎(chǔ)建設(shè)大數(shù)據(jù)云中心資源數(shù)花的資源水利階段-------------第一層次：智能化階段基于物聯(lián)網(wǎng)的一個網(wǎng)的萬物感知階段【水利數(shù)據(jù)智能獲取與更新層】建議2:數(shù)字流域特色與創(chuàng)新(四個創(chuàng)新)器思維創(chuàng)新：以數(shù)字流域為基礎(chǔ)，解決“數(shù)從那來，數(shù)到那去，數(shù)怎么用”三大關(guān)鍵問題核心是：自然與人的協(xié)同發(fā)展融入了各類數(shù)據(jù)信息的深層挖掘與應(yīng)用理念宏觀微觀定性定量流域數(shù)字平面