一、“數(shù)字黃土高原”建設背景

黃河流域黃土高原地區(qū)總面積64.2萬km² ，其中水土流失面積45.4萬km²，年均輸入黃河泥沙16億t，是我國乃至世界上水土流失最嚴重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。新中國成立后，尤其是改革開放以來，國家投入大量資金開展該區(qū)域的水土保持工作，取得了顯著成效。隨著我國生態(tài)環(huán)境建設力度的加大和西部大開發(fā)的深入，這一區(qū)域水土保持工作將進一步加強，對水土保持管理模式和管理手段提出更高要求。根據(jù)水利部的治水新思路和“數(shù)字黃河”工程的總體規(guī)劃，我們于2003年開展了“數(shù)字黃土高原”建設工作。

“數(shù)字黃土高原”就是運用“3S”、計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫等技術，建立信息采集、信息傳輸和數(shù)據(jù)存儲體系，實現(xiàn)黃土高原水土保持信息的規(guī)范管理和共享。在此基礎上，開發(fā)各類水土保持應用系統(tǒng)，實現(xiàn)水土保持信息的處理、分析預測、防治管理和效益評價，為水土保持規(guī)劃、科研、監(jiān)督、管理、示范等各個業(yè)務領域提供服務。

二、“數(shù)字黃土高原”設計

1、設計框架

“數(shù)字黃土高原”是“數(shù)字黃河”工程的重要組成部分，設計中統(tǒng)籌考慮黃河流域水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)、黃河水土保持數(shù)據(jù)分中心、黃河上中游管理局信息化及電子政務建設等工程，確定“數(shù)字黃土高原”工程由信息采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲、信息服務平臺和應用系統(tǒng)等五部分組成。設計框架

2、設計內(nèi)容

（1）信息采集體系設計

信息采集站網(wǎng)由黃河水利委員會水土保持監(jiān)控中心（鄭州監(jiān)控中心），黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心（西安監(jiān)測中心），黃河水土保持監(jiān)測直屬分中心（天水、榆林、西峰），各省區(qū)（青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南）水土保持監(jiān)測總站、監(jiān)測分站、信息點構成。另外，選擇一批科研院所的實驗點和水文系統(tǒng)的代表性水文站納入信息采集站網(wǎng)中。針對黃土高原水土流失面廣量大，地貌類型復雜，水土保持信息多樣等特點，在信息采集方法上，采用遙感遙測、地面觀測、調(diào)查統(tǒng)計、巡測等相結合的方法。采集信息包括水土流失環(huán)境背景、土壤侵蝕觀測、水土流失治理和生態(tài)環(huán)境建設、水土流失分析評價、水土保持預防監(jiān)督及水土保持政務、科學研究等。

（2）信息傳輸網(wǎng)絡設計

應用VPN（虛擬專用網(wǎng)）、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等技術，建成能夠進行數(shù)據(jù)、圖形圖像、音頻視頻等信息傳輸和查詢的高速計算機網(wǎng)絡，完成西安監(jiān)測中心與水利部水土保持監(jiān)測中心、鄭州監(jiān)控中心、直屬分中心、黃土高原有關省區(qū)監(jiān)測總站網(wǎng)絡的互聯(lián)、互通，為信息資源的共享提供支持。

（3）數(shù)據(jù)存儲設計

包括數(shù)據(jù)庫組成、開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)存儲和管理等設計。其中數(shù)據(jù)庫由基礎數(shù)據(jù)庫和專業(yè)數(shù)據(jù)庫組成；開發(fā)平臺選用Oracle軟件；數(shù)據(jù)中心以西安監(jiān)測中心為基地，建立一級數(shù)據(jù)中心，鄭州同樣設置一級數(shù)據(jù)中心，對西安數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進行異地備份，3個直屬分中心建立二級數(shù)據(jù)中心，各監(jiān)測點為三級數(shù)據(jù)采集節(jié)點，建立分布式數(shù)據(jù)庫結構的綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存儲和管理以西安為數(shù)據(jù)中心，通過高性能、大容量、智能化的網(wǎng)絡存儲設備，提供存儲體系內(nèi)部任意節(jié)點之間的多路可選擇的數(shù)據(jù)交換，并且數(shù)據(jù)存儲管理集中在相對獨立的局域網(wǎng)內(nèi)。鄭州數(shù)據(jù)備份中心網(wǎng)絡結構與存儲設備與西安數(shù)據(jù)中心基本相同。各數(shù)據(jù)分中心根據(jù)實際處理、存儲的數(shù)據(jù)規(guī)模情況，考慮性能適合的存儲設備。

（4）應用服務平臺設計

應用服務平臺由應用運行環(huán)境、應用服務中間件、資源服務管理器和數(shù)據(jù)倉庫、模型庫等組成，是實現(xiàn)資源共享、統(tǒng)一標準的保障。應用服務平臺基于J2EE體系結構，選用企業(yè)級應用服務器作為應用運行環(huán)境，并使用資源服務管理器統(tǒng)一進行管理，建立水土保持應用模型庫，為應用系統(tǒng)提供各種應用服務。

（5）應用系統(tǒng)設計

包括水土保持數(shù)據(jù)管理、水土流失分析預測、水土流失防治管理、水土保持評價和水土保持信息服務等。通過這些應用系統(tǒng)，為水土保持各業(yè)務部門提供分析和管理工具，為領導宏觀決策提供技術支持。

三、“數(shù)字黃土高原”建設

1、信息采集體系建設

建成了黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站、鄭州監(jiān)控中心、3個直屬分中心（天水、西峰、榆林）、8個省級監(jiān)測總站、69個地級分站?；拘纬闪肆饔驒C構、?。▍^(qū)）、地（市）、縣（旗）比較完整的水土保持信息站網(wǎng)體系。

信息采集系統(tǒng)建設以地面觀測和遙感監(jiān)測為主。黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站擁有航測掃描儀、數(shù)字攝影測量工作站、GPS系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和遙感處理系統(tǒng)等軟硬件環(huán)境。天水、西峰、綏德水土保持試驗站，針對黃土高原不同土壤侵蝕類型區(qū)，開展了長系列水土流失觀測試驗，建立了小流域和徑流小區(qū)水文泥沙數(shù)據(jù)自動化采集與傳輸系統(tǒng)，初步建成了人工降雨裝置系統(tǒng)?；谛畔⒉杉w系，獲取了黃河流域不同時間和空間尺度水土流失環(huán)境背景、土壤侵蝕觀測、水土流失治理等相關數(shù)據(jù)。

2、信息傳輸系統(tǒng)建設

通過租用2×2M光纖，建立了西安監(jiān)測中心與鄭州監(jiān)控中心的網(wǎng)絡鏈接；通過VPN（虛擬專用網(wǎng)）技術，建立了西安監(jiān)測中心與直屬分中心（天水、西峰、榆林）、黃土高原有關省區(qū)監(jiān)測總站和地區(qū)分站之間的廣域網(wǎng)鏈接；構建了數(shù)據(jù)業(yè)務的統(tǒng)一網(wǎng)絡傳輸平臺。

3、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)建設

建設了鄭州、西安水土保持數(shù)據(jù)中心、西峰和榆林及天水數(shù)據(jù)分中心、各監(jiān)測點數(shù)據(jù)存儲節(jié)點的三級分布式存儲系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫服務器、備份服務器、磁盤陣列和磁帶庫等設備。利用ArcGIS、ARC/SDE搭建了基于網(wǎng)絡存儲技術的數(shù)據(jù)存儲與管理平臺框架；利用高性能的數(shù)據(jù)庫服務器整合了有關數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的資源，包括黃河流域不同時間、空間尺度的水土保持基礎數(shù)據(jù)庫和水土流失、水土保持生態(tài)工程、預防監(jiān)督等專業(yè)數(shù)據(jù)庫，重點地區(qū)不同時間大比例尺的土壤侵蝕、土地利用及DEM數(shù)據(jù)及SPOT、IKONOS、QUICKBIRD影像和航片數(shù)據(jù)，皇甫川流域1：30000數(shù)碼航攝數(shù)據(jù)一套，并在數(shù)據(jù)中心的Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中進行建庫，初步實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的集中存儲和管理，數(shù)據(jù)量超過1TB。

4、標準體系建設

制定并頒布了《黃河流域水土保持數(shù)據(jù)庫表結構及數(shù)據(jù)字典》、《黃河流域水土保持信息代碼編制規(guī)定》、《黃河基礎地理要素分層標準》和《黃河基礎地理要素分類與代碼標準》等標準，有效保障信息資源的共享，確保各種信息處理業(yè)務的互操作性，保證各類信息安全。

5、應用服務平臺建設

構建了數(shù)據(jù)服務和應用中間件，搭建了“數(shù)字黃土高原”水土保持系統(tǒng)管理和地理信息平臺，正在開展“黃土高原模型”建設，布設了標準徑流小區(qū)，單項人工模擬降雨系統(tǒng)，構建野外和室內(nèi)物理模型，開發(fā)數(shù)學模型，探索水土流失規(guī)律，為應用服務平臺模型庫的建設奠定了基礎。

四、“數(shù)字黃土高原”應用系統(tǒng)建設

根據(jù)這一區(qū)域水土保持工作開展需要，以“數(shù)字黃土高原”水土保持應用服務平臺為依托，采用統(tǒng)一標準、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫表結構、統(tǒng)一數(shù)據(jù)分發(fā)和數(shù)據(jù)應用機制，利用GIS系統(tǒng)分析、模型耦合、三維模擬等技術，重點對水土保持數(shù)據(jù)管理、水土保持防治管理和水土保持信息服務應用系統(tǒng)進行了建設，開發(fā)了 “粗泥沙集中來源區(qū)電子地圖系統(tǒng)”、“黃土高原淤地壩信息管理系統(tǒng)”、“世行項目區(qū)水土保持綜合治理管理系統(tǒng)”、“預防監(jiān)督信息管理系統(tǒng)”和“淤地壩輔助設計系統(tǒng)”等應用子系統(tǒng)。

1、粗泥沙集中來源區(qū)電子地圖系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用C/S（客戶端和服務器結構）+B/S（瀏覽器和服務器結構）構架模式，C/S結構實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理，構成了空間信息基礎設施體系，為黃土高原水土保持各業(yè)務部門服務，用來查詢、編輯、導出粗泥沙集中來源區(qū)的自然概況、社會經(jīng)濟、水土流失、水文氣象、綜合治理等數(shù)據(jù)和空間圖形信息。B/S結構實現(xiàn)電子地圖系統(tǒng)，構成了信息共享與服務體系，數(shù)據(jù)以專題圖或表的形式發(fā)布在WEB服務器上，用戶通過網(wǎng)絡訪問WEB服務器，對粗泥沙集中來源區(qū)的基礎數(shù)據(jù)、水土流失的相關數(shù)據(jù)和圖形及屬性以不同分區(qū)（行政區(qū)、支流、項目區(qū)）進行瀏覽、查詢、統(tǒng)計和打印。同時，該系統(tǒng)采用ArcIMS作為電子地圖發(fā)布平臺。發(fā)布的內(nèi)容主要包括：行政區(qū)劃圖、植被覆蓋圖、土壤侵蝕圖、水文站點分布圖、大型開發(fā)建設項目分布圖等30多種專題圖。

2、黃土高原淤地壩信息管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)為黃土高原淤地壩管理服務，主要功能包括數(shù)據(jù)錄入、查詢、編輯、更新、統(tǒng)計分析及系統(tǒng)管理等。目前該系統(tǒng)已錄入2225座中型壩和2219座骨干壩的可行性研究、初步設計、計劃下達、施工、竣工驗收和運行等各階段基本信息，對其涉及的223條小流域壩系基本信息進行管理，建立了淤地壩和壩系的專題數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為規(guī)劃和決策部門提供數(shù)據(jù)支持。

3、世行項目區(qū)水土保持綜合治理管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)實現(xiàn)由中央項目辦公室、?。▍^(qū)）項目辦公室、市項目辦公室、縣（旗）項目辦公室和鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）項目工作站的5級高效管理，全方位反映世界銀行貸款項目在黃土高原地區(qū)流域治理的過程、方法、措施和成果。采用GIS、WebGIS和ASP技術，實現(xiàn)項目區(qū)各類空間數(shù)據(jù)的分層顯示，分層控制和圖形管理；實現(xiàn)流域內(nèi)規(guī)劃、現(xiàn)狀和措施數(shù)據(jù)的圖形屬性查詢及專題圖制作。利用空間分析功能，實現(xiàn)項目區(qū)治理過程動態(tài)分析、效益對比分析；實現(xiàn)以項目區(qū)、小流域、行政區(qū)劃等為區(qū)域的規(guī)劃、現(xiàn)狀、措施、監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，自動生成統(tǒng)計報表和圖表。基于GIS界面實現(xiàn)對典型項目區(qū)實施過程中的文字、影像、錄像等超媒體資料的分類管理和查詢。并實現(xiàn)制度建設、法律法規(guī)、科學研究和技術轉讓等資料的網(wǎng)絡發(fā)布。

4、預防監(jiān)督信息管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)為黃土高原預防監(jiān)督工作服務，用于對開發(fā)建設項目和水土保持方案進行動態(tài)管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，提高管理水平。主要功能包括查詢、統(tǒng)計匯總、上報、發(fā)布和法律法規(guī)的宣傳、專題數(shù)據(jù)和成果的輸入輸出。利用該系統(tǒng)完成了黃河流域“三區(qū)”劃分數(shù)據(jù)入庫，完成了20世紀90年代中期以來200余個國家級大型開發(fā)建設項目水土保持“三同時”制度執(zhí)行情況年度督查信息入庫，建立了預防監(jiān)督專題數(shù)據(jù)庫。同時，對已審項目、在建項目和上報項目不同階段的實施狀況進行管理。

5、淤地壩輔助設計系統(tǒng)

該系統(tǒng)為黃土高原淤地壩規(guī)劃設計和工程建設管理服務，為淤地壩的規(guī)劃、設計提供了有效的輔助工具。通過地理信息系統(tǒng)和三維模擬技術，利用高分辨率衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型、土壤侵蝕數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)及實測資料，建立小流域三維場景，進行淤地壩的壩址選擇；利用淤地壩工程量計算及自動繪圖模塊，采用微分原理，自動批量計算出淤地壩橫斷面工程量、分層削坡工程量及放水工程量。同時，還可以自動繪制淤地壩的壩址斷面圖、面積曲線圖、庫容曲線圖，提高了工作效率和成果圖的準確性和規(guī)范性。另外，系統(tǒng)可以模擬和計算出淤地壩的運行情況及壩高、攔泥庫容、淤積年限、淤積面積、已淤庫容和剩余庫容等參數(shù)。

五、下一步計劃

按照《“數(shù)字黃河”工程規(guī)劃》，“數(shù)字黃土高原”在現(xiàn)有建設的基礎上，重點做好以下工作：

1、建成覆蓋整個黃土高原的信息高速公路，信息網(wǎng)絡縱深到數(shù)據(jù)采集點。進一步完善信息采集體系，擴大水土保持數(shù)據(jù)的采集范圍和內(nèi)容,提高數(shù)據(jù)采集的精度和時效性。

2、加強數(shù)據(jù)中心、分中心及原型觀測數(shù)據(jù)存儲點建設，完善黃土高原數(shù)據(jù)存儲與管理體系，形成高效的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換和共享機制，為建立黃土高原土壤侵蝕模型提供數(shù)據(jù)支撐。

3、建設水土保持業(yè)務和社會公眾需要的綜合信息服務平臺，通過各種專業(yè)模型開發(fā)，初步形成一個面向具體應用的虛擬仿真和綜合決策會商系統(tǒng)，為水土保持決策提供可視化的會商環(huán)境，增強決策的快速反應能力，提高決策的科學性和準確性。