智慧水利的基础：数字流域

许新宜教授北京师范大学一、背景分析智慧社会建设引发新思考?数字中国、智慧社会——习近平先数字，后智慧汪部长：数字流域和智慧水利是实现水利现代化的主要手段水利是国民经济与社会发展生。的的理论现代(匕和化的名配内容前者号某种而者果和础0没有数值化，哪来智慧化?十多年前，我曾经受邀担任过北京师范大学水“研究院名警院长，亲眼目晴一批又一批青年科育工作者青向社会，也感受到一些新理论，新知新技术的萌芽气息。种别是2008年在国内第成立的数字流城实验室，不仅承担了国家“十科技支撑项目“数字流城关键技术研究”中要课题，而且还开展了之后的示范性项目研发，在数字流域领域的科学探索，并取得一批有生进展的成果。这套近20册的系列丛书就是这开成果的集中展示，涉及从顶层设计到实际应内一些关键技术与方法，可供从事于数字流域、水利以及数字+、智慧+的广大科技、教育工作民相信，经过一代又一代水利科技工作者的不力和奋勇耕博，做好理论与实践相结合，水利日慧水利梦是一定能实现的。汪恕诚2019年6月于北京2019年6月水利部汪恕诚部长为“数字流域和智慧水利”系列丛书写的序：人水和谐科学发展智慧水利的基础-数字流域向矫勇同志汇报“智慧水利”没有数字，何以智慧?由数字水利走向智慧水利—鄂竟平1.2水利信息化发展现状国家或行业层面都明确提出了对水利行业在自动化、信息化技术的建设和应用要求，努力实现“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”的技术进步发展步骤。中央一中央一号文件吹响了全面加快水利建《全国水利信息化规划(金水工程)》:传统水利向资源水利发展设的新号角：水利信息化高速发展水利现代化建设的关键时期第四阶段第五阶段第二阶段设(数字化)实现信息化业务应用系统模块(信息化)数据融合实现一体化信息调度平台《智慧化)1.3水利信息化发展存在的问题现在多数“智慧”软件系统都是以应用为导向的，基本没有实现数据独立、地图独立、模型独立、模块独立，很难做到“总成换装”,数据冗余、地图冗余、模型冗余、模块冗余相当普遍。系统孤岛地图孤岛数据孤岛信息孤岛国家大数据战略、水十条、水资源管理三条红线、水功能区划、水资源承载力保障、河湖长制等，推进管理科学化引领国家政策承载力保障、河湖长制等，推进管理科学化引领行业科研遥感(RS)遥感(RS)…流域自然环境要素：程HH大网络大感知大网络@00物联网云与端物联网:务1.6数字流域平台在智慧水利建设中的情况分析模型模拟能力有待加强提升余度降低35报告内容大感知大数据大地图大模型(天)遥感监测(空)无人机监测(智能)以高海拔等以空间多级流域精细化管理为业务单元，以全业务动态模块化管控为技术方向，以应模大大2.2数字流域建设目标域水脏流动的水、绿色的水、清洁的水、安全的水、可持续的水、可管理的水技术为业务服务业务应用支撑体系系统生态空间(红线)管理水生态系水生态系系数据分析系**数据汇聚整合与整编纠错基础支撑存储设备服务器网络设备虚拟化软件云管理云平台设施大数据设施灾备中心设施其他设施2.4数字流域逻辑图数据字典数据字典数据流+逻辑流业务流功能集三个核心：数从哪里来?数到哪里去?数如何演算?空天地立体感知网络空天地立体感知网络生态-环境3.1数字流域--大感知：实现产体透彻感知视频全覆盖监控流域谣感监测流域无人机遥感监控◆大数据辅助分析(相关数据分析)多模型多模型主线：控制流域的水量和水质水量水质信息感知各监测感知网络体系地表水水质·无人机遥感数据的存储、共享交换、分析挖掘、统一管理综合数据数据管理“一张图”库应用平台支撑平台大数据展数据共享示系统交换平台·泵闸群联合调度·流域洪水预报·突发水质污染闸泵调度数据整合模型支撑智慧应用系统·蓝藻水华预报预警系统流域综合评估系统·流域水质监测监控系统水资源配置与调度系统·流域防汛综合指挥系统·流域监测执法管理系统流域工程项目管理系统信息公开门户系统·移动综合服务系统全面感知体系统实时感知体系智能感知体系…水库监测建设任务五：天空建设试点型灌区的基设控设施设险工险段安全监测设施系政策法规降水蒸发气象预报排污口水库水质灌区引退水数据水污染突发行政人口土壤植被蓄滞洪区实时工情工情险情自然灾害泥沙地下水地表水河道湖泊分析据池知识库水环境情库据库务流据库库案库元数据库水文化限库施融合算法同化算法3.2数字流域--大数据：实现大数据资源池及思维模式融合算法同化算法流域大数据融合与同化数据融合数据同化原始数据数据融合数据同化影像数据模拟模式无人机无人机模拟模式水生态水生态水生态以数据源、数据流、业务流、工作流为基础建设线索式水利大数据资源目录体系行政区划水质、水生态等要素信息的多维可视化，让每一处水体都立体呈现，构建数字化立体沙盘水系遥感地理环境信息产业结构调整信息监测点位物联网信息(水量、在线水质、跨界河流断面水质监口1原始地理信息x:恩心十恩心十流域矢量图参数库mM参数提取影像图土地利用图水系图行政区划图参数库建立3.4数字流域--大模型：实现流域尺度智能化分析的中枢让流域业务员管理每一处水，都有模型计算，辅助流域管理智能化气象数据库数据同化系统模型驱动数据前处理系统结果数据库水文模拟预报全国在线气象数据”自动下载系统DEM、土壤参数(LU、植被参数库水文数据库模型流域水循坏超级集合模拟系统(SupperBasin)后处理系统率定验证系统后处理系统系统水库调度水文-生态效应模拟流域水资源循环分析流域地貌形态特征·湖泊形成与演变规律·物质、能量演化规律等研究·流域土壤类型与分布·流域植被类型与分布流域自然地理过程·流域内地貌、植被、土壤和地质等的演变·流域内降水、蒸发、气温、日照、水循环规律、水环境、河流的演变·流域合成与分解代谢·生态水文过程人地关系·人类活动对流域各种问题的影响规律·流域地理环境对人类可持续发展的作用·流域代谢功能演变过程监测数据库库知识发现快速响应建立业务深度融合模型、方法和分析核心层建设：和构建数据、算法业务模型融合体系，通过数据挖掘、信息融合、模拟分析、虚拟现实、场景分析、深度学习等手段，构建集知识发现、评估评价、预测预警、业务融通、科学决策为一体、快速响应的智慧水利大脑。库河湖管理河湖管理河湖管理水工程管理”政务管理便民服务绩效管理业务融通决策成果输出层建设任务一：大数据融合前处理层的基础库建设任务二：大决策成果输出层建设任务一：大数据融合前处理层的基础库建设方法层建设精细化智能化泛在化定制化精细化智能化泛在化定制化人性化·业务化应用一业务单位管理与服务特点3.5数字流域--大应用：实现流域尺度业务大融合与智慧应用内容：“五位一体”流域智慧平台中的业务应用体系数据气象信息雨情信息水情信息工情信息灾情信息旱情信息城市内涝泛在应用模型支撑数据整合运维管理体系综合感知泛在应用模型支撑数据整合运维管理体系综合感知统统统水环境容量台水环境容量台*EEEEEEEEREEEEEEEEE基础硬件平合-444Y44T444441F水质流域智慧平台技术架构流域水村Vcww-数--流域综09年1月3.5数字流域--大应用：实现流域尺度业务大融合应用09年1月:空间图层展示405时1时时外外信息展示及查询据结果分析50小时外时平模县时魏20am流域水环境管理画n结::氨氮输出费是1%日北集等方1保)师费eeea河(湖)岸线卫星遥感监测系统运行管理体系运行管理体系文档管理系统管理综合展考核管理执法理应管理辅且决策《众服务统计分通知《告开发具护具级河长乡级简长基层河长河长制综合信息管理门户(内外网)安全保險体系标准规范体系项目管理项目管理河湖移动执法系统赘遇摩管理系统、数据迁移、数据展现……河湖移动执法系统主机预警预报与响应体视频监测水质监测遥感监测水文监测闸站监测气象数据……数据采集体系数数事糖地食的平合2*水监测点数据突高水流域监控预警大数据分析预警防范+⑥+⑥e@④e@④@@⑥+m⑥+m基于不同尺度水环境承载力分析水资源承载力分析决策支持平台页管理员▼水质目标考核生本补铁页管理员▼水质目标考核生本补铁规划环评生态安全评估黑实水休监管展示实刷空类单统i计非单业农林牧血业真因和的保制控业住密总结思考个人思考建议1:建设数字流域为基础的智慧水利发展阶段(五段论)基于互联网+大数据(含时空)+人工智基于互联网+大数据(含时空)+人工智能+大地图+大模型+大知识等技术，实现人与自然和谐、可持续发展现代化阶段段第四层次：智慧化阶段基于大数据模型与模式进行跨行业、跨学科、跨部门的协同驱动的科学决策阶段万物互联=V5.0现代水利第三层次：信息化阶段资源数化第二层次：数字化阶段V方物感知定制化应用为导向，基于网络化的万物互联的城水利云服务阶段~------------------基于云中心、数字化一张图的基础建设大数据云中心资源数花的资源水利阶段-------------第一层次：智能化阶段基于物联网的一个网的万物感知阶段【水利数据智能获取与更新层】建议2:数字流域特色与创新(四个创新)器思维创新：以数字流域为基础，解决“数从那来，数到那去，数怎么用”三大关键问题核心是：自然与人的协同发展融入了各类数据信息的深层挖掘与应用理念宏观微观定性定量流域数字平面