深圳市水土保持管理信息系統設計與應用

趙旭升 張永占 方竟先 雷勇 潘璀林

摘要：深圳市水土保持管理信息系統是在智慧城市和智慧水務總體框架下，以深圳市水土保持業務特點為依據，做到水務數據統一存儲與管理。系統由五大子系統組成，其中包含方案管理、監督檢查、歷史趨勢可視化、實時預警等重點模塊。通過搭建業務監管平臺，實現了全流程監督管理。同時加入智能模型輔助管理人員決策和評價體系優化，讓管理人員和業務人員的工作效率大幅提升。做到數據管理、業務支持、模型決策、數據可視化和實時預警等多項功能一體化。解決了深圳市水土保持信息化建設中信息處理能力不足，應用智慧化程度不高，業務來源和數據格式標準不統一，信息難以共享和調用，信息化系統無法支撐業務需求等問題。

關鍵詞：管理信息系統;智能模型;智慧水務;水土保持;多功能一體化

中圖分類號：S157文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）02-0116-11

Design and Application of Soil and Water Conservation Management Information System in Shenzhen

ZHAO Xusheng，ZHANG Yongzhan，FANG Jingxian^*，LEI Yong，PAN Cuilin

（Pearl River Water Resources Research Institute，Pearl River Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources，Guangzhou 510611，China）

Abstract：The Shenzhen Soil and Water Conservation Management Information System was developed within the framework of smart cities and smart water management，taking into consideration the characteristics of soil and water conservation business in Shenzhen.The system ensures unified storage and management of water-related data，consisting of five major subsystems，including scheme management，supervision and inspection，historical trend visualization，real-time warnings，and other key modules.By establishing a business supervision platform，it enables comprehensive supervision and management throughout the entire process.Additionally，the integration of intelligent models has greatly enhanced the decision-making and evaluation system for management personnel，thereby significantly improving the efficiency of both management and operational staff.The system integrates multiple functions， including data management，business support，model-based decision-making， data visualization，and real-time alerting.It effectively addresses various challenges encountered in the information construction of soil and water conservation in Shenzhen，such as insufficient information processing capacity，low levels of smart application，lack of unified business sources and data format standards，and difficulties in information sharing and access，ensuring that the information system effectively supports business requirements.

Keywords：management information system;intelligent models;smart water management;soil and water conservation;multi-functional integration

隨著中國新基建計劃的提出，數字化和智能化的需求不斷增加，各省市對水土保持的應用范圍和質量要求也越來越高，智慧水務也用于水土保持。因此，如何構建不同子系統模型、實現數據映射、模型驅動和數據管理等問題成為科技人員亟需解決的挑戰。近幾年，許多學者提出了新的理論和方法來應對這些挑戰。

沈雪建等^［1］于2017年提出了基于信息化技術的水土保持管理模式，利用現代空間技術、測繪技術和信息技術對生產建設項目水土保持監督和管理，實現了即時分析和動態管理；姜德文等^［2］于2021年介紹了一種基于深度學習的水土保持遙感影像識別方法，可以自動提取影像中的水土保持信息；顧祝軍等^［3］于2022年分析了城市水土保持工作存在的問題和未來研究方向，指出目前城市水土保持監管仍以人力巡查為主，對城市生產建設項目缺少量化判別和評價的技術手段，難以全面掌握區域內生產建設項目水土流失的整體情況和動態變化。

當前的研究不乏專業技術的突破和應用，但都沒有解決數據質量低，數據不互通，智慧化程度低，管理體系不完善等問題。深圳市水土保持方面尚存在如下問題：水土保持的理論體系欠缺，對城市生產建設項目缺少量化判別和評價的技術手段，導致預防監督工作缺乏深度和廣度。目前城市水土保持監管仍以人力巡查為主，難以應對生產建設項目多、分布廣及雨季長、暴雨頻發的巨大挑戰。由于水土流失具有時效性強的特點，現有手段難以實現及時取證，城市水土流失監管多處于被動狀態^［3］。本文通過深圳市水土保持管理信息系統，以數據整編為基礎，統一數據標準并提高數據質量，同時解決深圳市城區數據不互通的問題。進而搭建統一的業務監管平臺，戶外作業可結合手機端，實現業務智慧化、監督管理智慧化。利用大數據結合水土保持智能模型和遙感識別等技術，實現監測智慧化、決策支持和評價體系智慧化，為未來智慧水務建設提供了經驗參考。

1 系統架構

水土保持管理信息系統將按照水利部《全國水土保持信息化工作2017—2018年實施計劃》、《深圳市水土保持規劃（2016—2030年）》的任務要求，結合深圳市城市水土保持工作的特點，以生產建設項目的水土保持業務為核心，采用SOA架構，集生產建設項目監督管理、水土流失監測、水土保持生態治理、決策支持等功能為一體的管理信息系統，最終作可視化綜合展示，為市、區、街道三級水土保持監督管理部門及監督管理人員利用系統數據資源、開展綜合分析、科學決策提供支持，能夠一張圖展示水土保持所有業務流程及數據。水土保持管理信息系統中數據來源分為水土保持數據資源整合共享和外部數據資源匯集關聯，系統建成后與國家、省、市相關系統進行數據對接，見圖1。

2 數據整編

圖2所示的數據資源目錄及數據資源整編建設路線包括以下內容。

a）數據收集。主要包括水土保持相關數據的基礎數據、監測數據、治理數據和監督數據。這些數據來源于水利部門、自然資源部門、規劃部門、住建部門、氣象部門和林業部門等。

b）數據資源目錄建設。對收集的相關數據進行分析，并按照統一的標準規范進行梳理，建設基礎數據、監測數據、治理數據、監督數據和綜合數據目錄。同時，對資源目錄進行元數據標準化和元目錄標準化處理。

c）數據資源整合入庫。整合入庫的內容包括基礎數據、監測數據、治理數據、監督數據和綜合數據。數據標準化處理包括矢量數據標準化處理和柵格數據標準化處理，數據清洗與質量審核包括數據分析、數據規范、數據清洗和質量審核，數據轉換與加載包括數據轉換和數據加載。

d）數據存儲與管理。數據的存儲與管理將統一利用智慧水務資源。邏輯結構設計包括基礎數據庫設計和業務數據庫設計。物理結構設計包括固定數據庫、實時數據庫、對外服務數據庫和備份數據庫。數據庫表設計包括監測業務數據庫、綜合治理業務數據庫和綜合業務數據庫。

e）數據共享交換。數據的共享與交換也將統一利用智慧水務資源。建立以市政大數據中心和區大數據中心為核心的數據共享交換機制。共享交換功能由數據源適配、數據轉換服務、數據傳輸管理、數據交換服務、交換管理服務和監控管理服務組成。數據共享交換內容包括上級主管單位及市政府相關職能部門信息、區（新區）水務局信息、技術服務單位及生產建設單位信息。

3 系統建設內容

3.1 水土保持管理信息系統

水土保持管理信息系統由4大子系統，18個功能模塊，1個可視化展示子系統組成，其中4大子系統包括生產建設項目監督管理子系統、水土保持決策支持子系統、水土保持生態建設子系統、信息服務子系統組成（圖3）。

3.2 水土保持可視化綜合展示子系統

可視化綜合展示是水土保持管理信息系統的展示窗口，包括水保信息一張圖、專業地圖工具集、項目數據可視化、歷史趨勢可視化、關鍵指標統計、泥沙監控實時預警、視頻監控等內容（圖4）。

a）水保信息一張圖?；贕IS地圖實現對區域內各類信息的圖形化綜合展示，主要包括項目監督、SS監測、視頻監控等業務場景綜合信息。項目監督主要對在建生產建設項目監督檢查及風險分級的情況進行展現；SS監測對接入的SS監測站點及觀測信息進行信息展示，對超標站點直觀展現，支持溯源工作；視頻監控對接各視頻站點的信息，可隨時查看視頻監控信息。該功能可以輔助不同管理部門及管理人員快速了解、處置區域內水土流失問題，提升水土保持監督管理效能。另外，界面上不僅顯示重要的分類數據和關鍵指標，同時還提供關鍵詞搜索功能，用戶可按權限快速查詢各類水土保持業務信息和相關生產建設項目信息。

b）專業地圖工具集。提供圖層的顯示，底圖的切換和地圖輔助功能的使用。圖層顯示除了基礎的分區圖層、業務圖層、監測層和保護區，還集成了歷史的遙感影像及傾斜攝影模型可供選擇；底圖的切換包含了不同主題的水務底圖、天地圖、ArcGIS和高程圖；地圖輔助功能則集成了圖上量算、坐標分析、飛行漫游、圖上標繪、卷簾對比和分屏對比等地圖操作常用的功能。專業的地圖工具集在實現二三維一體化展示的同時，可以輔助用戶更高效地獲取不同指標的空間信息。

c）建設項目數據可視化。根據深圳的業務指標將生產建設項目按風險等級分類可視化，并提供按監管、按區域和按流域3個維度的分區數據統計。同時提供項目列表的入口，可以按條件篩選建設項目，展示建設項目的詳細信息。

d）歷史趨勢可視化。根據深圳的水保相關建設項目關注指標，包括批復項目、責任范圍、水保投資、填挖方量等，結合時間區間篩選，可以展示近10 a關注指標的變化趨勢，使用戶對深圳市水保業務一定時間維度上總體的業務量和預算投入有宏觀的了解。

e）關鍵指標統計。根據深圳的水保監督檢查重點指標，包括在建項目數、檢查項目數、檢查項目次、不同等級項目檢查比例，結合時間和行政區篩選，可以展示不同區域特定年份的重點指標，使用戶對深圳市各區水保項目的監督檢查在一定時間維度上有所了解。

f）泥沙監控實時預警。支持列表和地圖顯示泥沙監測站點的數據和分布，對監測數值超標的站點進行預警展示，支持通過地圖點查詢，顯示測站的泥沙監測值過程線信息，并統計匯總測站總數、預警測站數、當年黃泥水溯源次數等信息。

g）視頻監控。地圖顯示監控站點的分布，接入和展現視頻監控，橫向滾動加載顯示視頻監控點信息，支持關鍵字搜索，支持監控照片和視頻的詳情查看。提供視頻監控的數量統計和其中涉及項目數量的統計。提供視頻監控列表和項目列表，可展開某項目的多個視頻攝像頭。

3.3 生產建設項目監督管理子系統

生產建設項目監督管理子系統（圖5）以生產建設項目的水土保持監督業務的管理為核心，集水土保持方案管理、方案變更、監督檢查、項目監理、執法處罰等各項功能為一體，通過制定全面、合理和科學的系統數據標準，實現水土保持監督管理業務流程、審批程序的環環相扣以及過程各環節中業務數據的實時記錄，并形成水土保持方案信息、生產建設項目監控信息、行政執法管理信息等的水土保持專題數據庫，有效的規范水土保持監督管理部門及其工作人員的工作行為，提高各級人員工作效率、規范工作方式，從而為各級水土保持監督管理部門利用系統數據資源，開展綜合分析、科學決策提高信息便利條件。

生產建設項目監管子系統一方面對現有的生產建設項目進行監管，另一方面將“天地一體化”監管成果融合到系統，統一安排監督檢查及水政執法各項工作。系統主要實現對列入監管項目水土保持方案以及動態監督檢查信息的持續更新和維護，與“投資項目在線審批監管平臺”“國家水土保持監督管理信息平臺”等實現互聯互通，實現生產建設項目跨部門、跨區域的受理、審批、監管一體化過程，提供業務人員對相關信息的查詢和瀏覽功能，便于業務人員全面、及時掌握生產建設項目水土保持工作的落實情況，主要包含方案管理模塊、后續設計模塊、監督檢查模塊、執法處罰模塊、水保監測模塊、水保監理模塊、水土流失源模塊和設施驗收模塊。

3.4 水土保持決策支持子系統

水土保持決策支持子系統是智能化決策的支撐模塊，對水保決策具有關鍵作用，是水土保持信息化成果的重要體現，用于輔助用戶進行管理決策。根據深圳市水土保持工作決策需求，本子系統分水土流失風險評價模塊、水土流失預警模塊、決策會商模塊、大數據統計分析模塊等4部分內容（圖6）。

3.5 水土保持生態建設子系統

生態建設模塊（圖7）以水源保護區水土流失綜合治理全生命周期管理為設計理念，針對治理不同階段提供相應的管理功能，滿足深圳市水土流失綜合治理業務的各個環節，實現業務全過程的高效化、精準化和智能化管理。

通過每個考核年度的下級上報和市級年度動態監測成果的入庫完成數據匯聚，再將匯聚的治理圖斑數據與動態監測發布的水土流失圖斑進行空間疊加分析，評價治理圖斑分布的合理性，以及治理措施布置的合理性，按照業務可分為以下3個方面。

a）治理工程。匯總每個年度各個行業部門實施開展的治理工程中的治理圖斑矢量的情況，統計其有效的治理面積，對比與自然水土流失的關系，為目標責任考核中的治理圖斑矢量的治理面積完成情況，提供有效的數據支撐。

b）生態清潔小流域。匯總每個年度目標責任考核中收集的生態清潔小流域數據信息，包括其中的業務、邊界、治理措施、過程材料等信息，與治理面積相關的治理圖斑關聯管理。

c）水土流失圖斑。將水土流失遙感調查成果中的人為水土流失圖斑進行一張圖的管理，方便與治理圖斑對照。

3.6 信息服務子系統

信息服務子系統（圖8）作為對水土保持管理信息系統里面其他4個子系統未涉及到的業務的補充，主要目的是實現目標責任考核、宣傳信息推送和管理、信用評價管理，是水土保持管理信息系統的一部分。

4 智能模型

水土保持管理信息系統加入了智能模型，實現水土保持智慧化管理，讓業務處理人員可以更高效地處理水土保持相關業務，模型如下。

4.1 水土流失風險評價模型

對于生產建設項目的日常監督檢查工作，深圳市現行的評價標準主要是《生產建設項目水土保持責任制落實情況》和《水土流失隱患風險等級劃分》?！渡a建設項目水土保持責任制落實情況》，評判標準具體分為4個方面，分別是現狀水土保持措施體系落實完整性、項目水土保持管理機制完整性、項目水土保持后續設計、監測、驗收等落實情況、項目水土流失隱患分析。根據標準和需求設計相應的生產建設項目水土流失風險評價模型，基于業務水土保持方案等特征信息，通過現場監督檢查的數據采集與獲取，經過模型的定量計算，即時反饋該業務的水土流失風險等級，支持對單個生產建設項目單次監督檢查記錄進行風險評價，或是多次監督檢查記錄的風險評價動態變化，標準化日常工作業務流程，使監督檢查結果更加客觀。適用于水土保持工作中涉及到的生產建設項目現場監督檢查、水土流失風險評價、水土流失預警決策等方面。通過模型運算，快速預判業務的風險等級，有助于相關水行政部門了解全市的風險業務分布情況，篩分監督檢查的重點業務，提高監督檢查的效率。

4.2 區域土壤侵蝕因子修正

深圳市近年來的水土流失遙感調查工作中，都沿用了全國下發的降雨侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、坡長因子L、坡度因子S數據，上述4個因子的數據精度放到市（縣）區域的尺度下，所反映的具體情況是有所差異的，不太適用。

通過收集深圳市當地氣象站點記錄的降雨數據，土壤類型、屬性等相關土壤數據，高精度的地形數據，以及基礎地理數據和其他數據，經過特定的處理和相關公式計算，獲得R、K、L、S共4個土壤侵蝕因子。

以2022年野外調查資料和歷年動態監測成果為依據，通過對比、實拍照片、遙感影像等手段，對修正后的4個土壤侵蝕因子進行合理性驗證分析。最后，把每個土壤侵蝕因子單獨作為預期修正成果進行輸出。通過采用更高精度、更本地化的數據進行土壤侵蝕因子修正，實現中國水土流失方程模型在深圳的本地化應用，為水土流失動態監測工作提供科學支撐。修正后的土壤侵蝕因子成果可通過可視化綜合展示子系統進行展示，并且可與動態監測成果基礎數據一并由系統進行統一管理，供年度水土流失遙感調查工作參考使用，以增強中國水土流失方程CSLE模型在深圳市區域尺度下，對于土壤侵蝕計算方面的適用性。

4.3 水土流失敏感性等級評價模型

水土流失敏感性等級評價模型基于項目區紅線與飲用水源保護區、深圳市基本生態控制線、河道藍線、地質災害邊坡范圍、城市易澇點分布、人口密度分布、土地利用、坡度、降水侵蝕力、植被、地形起伏度、土壤質地等數據的關系以及現有的水土保持敏感因子和水土流失風險等級劃分表，開展生產建設項目水土流失敏感性因子調查、評估、篩選和權重制定，優化并構建適用于深圳的水土流失敏感性等級評價模型?？梢砸源私⒍吭u價指標體系，判定水土流失風險等級后，可為水行政部門針對生產建設項目監管開展監督檢查、水土流失定量監督檢查、雨前汛期檢查、黃泥水溯源、年度區域水土流失動態監測、人為水土流失遙感調查、生產建設項目水土流失防治等提供必要的技術與數據支撐。

模型構建采用一元線性方程A=×r+β計算，其中為自變量，a為因變量，β為常參數。模型初步方案：

A=?×r+β ???（1）

r=g（X₁，X₂，X₃，X₄，…，X_n） ???（2）

各因子指標值計算/獲取完成后采用最大最小值歸一化處理到［0，1］區間，用X_i代表，其中i=1，2，3...n；歸一化處理后指標值與各指標權重相乘累加得到水土流失綜合影響因子（r）值。

4.4 遙感影像擾動圖斑自動解譯模型

遙感影像擾動圖斑自動解譯模型基于現有擾動圖斑樣本庫和現有擾動圖斑AI識別模型庫，從樣本庫中選擇訓練樣本庫與驗證樣本庫，對訓練樣本進行特征增強后進行模型訓練，從而增加了擾動圖斑AI識別模型庫，通過時序樣本增強策略，增加模型的泛化能力。并利用驗證樣本庫定量測評模型對現有擾動圖斑的識別準確度。根據迭代訓練過程中樣本的識別精度變化趨勢及模型驗證精度，對新增擾動圖斑AI智能識別模型進行超參數和損失函數優化調整。有助于實現對大范圍擾動區分布進行高頻率精細化監管，輔助人為水土流失強度評估與風險預警，便于擾動區監管成果的更新、展示與發布。

5 系統應用

深圳市區水土保持監管人員數量少，卻需要對年均2 000多個生產建設項目進行監管，人手嚴重不足。且市區各自制定檢查計劃，出現同一業務信息重復檢查的情況，信息難以共享。在監管人員數量無法大幅度增加的情況下，利用攝像頭替代部分人眼，并搭建統一管理平臺（圖9），實現檢查信息互享。并輔以數據統計分析和數據可視化為支撐，為業務的決策和管理提供了豐富的信息服務。目前已接入44個SS在線監測、68個生產建設項目在線視頻監控，可量化、直觀反映項目水土保持情況。并實現提前預警，SS在線監測超過閾值自動報警提醒，定期查看生產建設項目排水口視頻發現黃泥水外排等均可實現提前預警和精細化溯源。

針對深圳市水土保持不同部門和業務信息不互通的情況，通過數據整編構建了一個全面的水保大數據庫，實現了對于水土保持數據的資源整合與共享，并將其納入智慧水務大數據庫的統一管理體系之中。系統上線后實現了全業務流程無紙化（圖10），通過對各單位的全流程線上監控和進度管理（圖11），做到業務數據信息的實時傳遞和精細化管理。通過這一措施，實現了深圳市水土保持數據的多方共享和上下級數據的聯動，不僅提高了管理效率，還為業務的精細化管理和分析提供了可靠的數據基礎。

自系統試運行以來，市區水土保持監督檢查人員已上傳1 644條檢查記錄，大幅提高現場檢查效率。通過手機端小程序聯動，已實現全部現場檢查無紙化，提高了現場作業的效率。相對以往紙質材料填報，從平均42 min/項目縮短為約19 min/項目，檢查時間縮短50%以上。

系統整體應用情況：系統上線以來，向信息辦、水保處、市批項目技術服務單位、龍華區、龍崗區、光明區、寶安區、羅湖區等開放PC端與小程序端試用。截至當前共收集市級及各區提交的監督檢查數據1 100余條。同時和技術服務單位保持溝通，根據反饋意見快速迭代，更新發布，有力支撐了外業檢查工作，已共收集反饋意見50余條。

6 結語

未來各地方城市智慧水務系統建設將越來越多，在數據日益增加和多元化的今天，如何有效地利用這些數據，并結合業務流程實現智慧化管理將是中國未來水土保持建設管理的趨勢。本系統在智慧城市和智慧水務總體框架下，以不斷提高信息化與業務工作深度融合為重點，啟動了深圳市智慧水務一期工程-水土保持信息化建設的工作。系統搭建可視化綜合展示、生產建設項目監督管理、生態建設、決策支持、信息服務五大子系統，目前已解決數據孤島問題，并根據業務指標需求實現項目全流程監督管理數字化。同時基于深圳市現有的評價標準和預警體系，提供數據和模型輔助評價、決策和預警，實現便捷的無紙化戶外作業和全流程可溯源的線上管理相互聯動。目前監督管理、決策支持和生態建設子系統已投入使用，并根據深圳市實際業務需求增設了部分新模塊，如黃泥水溯源和小散亂工程監管等。未來將進一步集成數據挖掘，智能識別，自然語言處理和大語言模型等技術到系統中，逐步打造具有深圳特色、引領全國的水土保持信息化體系，為全國水土保持信息化建設提供示范，也為中國未來水土保持智慧化管理乃至智慧城市提供發展方向。

參考文獻：

［1］沈雪建，李智廣，亢慶，等.基于高分影像和云數據管理的生產建設項目水土保持監管系統設計與應用［J］.中國水土保持科學，2017，15（5）：127-134.

［2］姜德文，蔣學瑋，周正立.人工智能對水土保持信息化監管技術支撐［J］.水土保持學報，2021，35（4）：1-6.

［3］顧祝軍，陳文龍，高陽，等.中國城市水土流失的現狀、對策及研究展望：以廣東省深圳市為例［J］.水土保持通報，2022，42（2）：369-376.

［4］楊楚驊，饒凡威，傅志浩，等.基于BIM的水利工程施工監管平臺設計與實現［J］.人民珠江，2022，43（2）：17-23.

［5］王玨，丘仕能.大藤峽工程數字檔案管理系統的研究與應用［J］.人民珠江，2022，43（8）：15 -18，34.

［6］張飛，肖文博，彭潔玲.基于云環境的流域機構“一張圖”共享服務平臺設計［J］.人民珠江，2017，38（12）：105-108.

［7］甘郝新，王之龍.流域水利一張圖設計與實現［J］.人民珠江，2021，42（12）：137-142.

［8］楊金標，王建平，張后來.潮州水樞紐水情測報及水庫調度系統改造設計與實現［J］.人民珠江，2018，39（2）：86-89.

［9］陶韜，曾慶彬，黃容.河務通系統在“河長制”實踐中的應用［J］.人民珠江，2020，41（8）：139-145.

［10］李自順，陳玉斌.云南省水文資料排版與集成系統的研制與應用［J］.人民珠江，2017，38（6） ：90-92.

［11］盧健濤，侯貴兵，李媛媛，等.城市內澇決策支持系統的研究及展望［J］.人民珠江，2020，41（2）：134-139，146.

［12］宋世強，馮倩，王萍根，等.基于系統動力學模型的江西省水資源承載力評價［J］.人民珠江，2023，44（3）：74-83.

［13］唐雅雯，陳旺旺.深圳市水環境治理與三水分離工程的應用探討［J］.人民珠江，2022，43（3）：37-44.

［14］林浩，余陳穎妮.遙感技術在生產建設項目水土保持監測三色評價中的作用［J］.人民珠江，2021，42（S2）：49-52，65.

［15］陳國標.基于數字孿生技術的九江城市智慧水務平臺設計與實現［J］.人民珠江，2022，43（6）：86 -93.

［16］王萍.電子檔案著錄標準及其應用［M］.長春：吉林大學出版社2017.

（責任編輯：高天揚）