面向农业灌溉的小型水库三维GIS智慧管理平台研究

摘要 农田水利工程的现代化管理水平对民生及“三农”问题的解决均举足轻重。小型水库占我国水库总数的90%以上，且主要功能为农业灌溉。我国小型水库普遍存在建设工程不符合现行规范、现代化管理水平低下等问题。运用物联网、三维仿真、云计算、空间分析等技术，将农业灌溉、水利调度、灾害预防等应用需求有机耦合，建立了符合农业灌区实际情况的生态流量计算与调控补给模型，实现了农业灌区、河堤大坝、水环境、用水等的实时感知体系，较好解决了灌区三维仿真与可视化管理问题，并开发了防汛会诊的移动APP，构建了面向农业灌溉的小型三维GIS水库智慧管理平台，成功应用于3 914座水库和13个灌区的水行政主管部门和水利工程管理单位，为有效提高面向农业灌溉的小型水库的现代化运行管理水平提供了技术支撑。

关键词 农业灌溉;小型水库;三维GIS;智慧管理

中图分类号 S 274  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）06-0215-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.049

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on 3D GIS Intelligent Management Platform of Small Reservoir Oriented to Agricultural Irrigation

WU Xie1，2，ZHENG Qing-xing3，SONG Xin-yu3 et al （1.China Railway Water Conservancy & Hydropower Planning and Design Group Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi 330029;2.Jiangxiwudayangfan Technology Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi 330029;3.South China Institute of Environmental Sciences，Ministry of Ecology and Environment，Guangzhou，Guangdong 510655）

Abstract The modern management level of farmland water conservancy projects plays an important role in the people’s livelihood and the solution of the ‘three rural’ issues.Small reservoirs account for more than 90% of the total number of reservoirs in China，and their main function is agricultural irrigation.China’s small reservoirs generally have problems，such as construction projects that do not comply with current regulations and low modern management levels.We used Internet，three-dimensional simulation，cloud computing，spatial analysis and other technologies to organically couple the application requirements of agricultural irrigation，water conservancy scheduling and disaster prevention.We  established an ecological flow calculation and adjustment replenishment model that conformed to the actual situation of agricultural irrigation areas.Real-time perception systems were realized for agricultural irrigation areas，river embankments，dams，water environment，water use，etc.The problems of three-dimensional simulation and visual management of irrigation areas were solved.We also developed a mobile phone APP for flood control consultation and built a small 3D GIS reservoir intelligent management platform for agricultural irrigation.The platform had successfully applied to 3 914 reservoirs and 13 irrigation district water administrative departments and water conservancy project management units，providing technical support for effectively improving the modern operation and management level of agricultural irrigation small reservoirs.

Key words Agricultural irrigation;Small reservoirs;3D GIS;Smart management

基金项目 国家科技重大专项子课题“农田退水污染物复合生态系统控制技术”（2017ZX07101003-05）。

作者简介 吴勰（1979—），男，江西丰城人，高级工程师，硕士，从事智慧水利研究。 *通信作者，教授级高级工程师，博士，从事人工智能与环境保护研究。

收稿日期 2021-11-03

根据《2020年全国水利发展统计公报》，小型水库占我国水库总数的90%以上[1]。小型水库的主要功能为农业灌溉，维护着农村经济的稳定和社会的和谐发展[2]。然而，小型水库大多建于20世纪60至70年代，这些水库年久失修、淤积严重[3]，虽然几十年来经过数轮除危加固[4]，但由于现代化管理水平有限、智能化建设能力落后、建设工程不符合现行规范[5]以及业务专业化协同程度不足等问题，导致运行效益普遍不佳，无法适应农业与水利现代化管理的要求[6]。

为使小型水库从松散式、粗放式、人工管理变为系统化、专业化、精细化、智能化管理[7]，亟待运用物联网、三维仿真、云计算、空间数据库等先进技术，实现农业灌区信息化管理、水资源实时调度、水文预报与灾害预警、防汛抗旱辅助决策、生态流量与水质监测、水利工程运行管理、电子政务管理等技术需求。因此，该研究利用GPS、RS和GIS技术为支撑，组建了一个由基础地理底图数据、高清卫星影像数据、水文水资源数据和河道专题数据组成的空间数据库;根据灌区特征、河段形态、补充水量的总贮水量和调蓄设施的分布及数量等条件，建立了符合农业灌区实际情况的生态流量计算与调控补给模型;通过当前主流的中间件、Web Service、SOA架构等技术，将农业灌溉、水利调度、灾害预防等应用需求有机耦合，实现了农业灌区、河堤大坝、水环境、用水等的实时感知体系，较好解决了灌区三维仿真与可视化管理问题，并开发了防汛会诊的移动APP，构建了面向农业灌溉的小型水库三维GIS智慧管理平台，极大缩减防汛人员工作量，促进防汛工作的顺利推进，有效提高水库的信息化管理水平[8]，并成功应用于3 914座水库、285条堤防、138座水闸、29个供水工程、28个泵站、13个灌区的水行政主管部门和水利工程管理单位，以期为有效提高面向农业灌溉的小型水库的现代化运行管理水平提供技术支撑。鉴于此，笔者介绍了面向农业灌溉的小型水库三维GIS智慧管理平台的总体设计与架构、平台实现与应用。

1 关键技术方法

1.1 总体设计与架构 面向农业灌溉的小型水库三维GIS智慧管理平台架构如图1所示。总体框架可分为“五层两翼”。五层分别是感知层、基础设施层、数据层、应用支撑层、智慧应用层;两翼是标准规范保障体系和信息安全防护体系。其中，感知层采用物联网技术，包括水位、雨量、工情、水质、水量和视频等采集内容，实现农业灌区、河堤大坝、水环境、用水等的实时感知体系，为业务应用提供数据支撑;智慧应用层包括数字孪生水库、水库运行管理系统和水库洪水预报系统。数字孪生水库基于大屏端可视化展示工程概况、运行管理、水库遨游、线上巡检和仿真演练等图层，辅助领导决策分析;水库运行管理系统基于电脑端和移动端分别按综合首页、安全监测、巡视检查、运行管理、工程管理、资料整编、移动端等提供各类专题应用系统，满足水库各业务维度的管理需求;水库洪水预报系统根据前期和现时的水文、气象等信息，利用模型技术揭示和预测水库入库洪水的发生及其变化过程，主要包括预报调度、洪水演进、风险图和三维电子沙盘。

1.2 云计算与三维WebGIS灌区仿真平台架构 通过运用云计算技术和虚拟化技术，实现管理和业务集中，对数据中心资源进行动态调整与分配，可以满足用户关键应用向X86系统迁移时对于资源高性能、高可靠、安全性和高可适应性的要求，提高基础架构自动化管理水平[8]，满足基础设施快速适应业务敏捷诉求，进一步减少投入，适用于该平台业务应用种类多、计算时效性要求高的现状，以及不断扩展的业务应用和不断增加的计算需求。云架构共分为服务和管理两大部分：在服务方面，主要以提供用户基于云的各种服务为主，共包含3个层次：一是Software as a Service软件即服务，作用是将应用主要以基于Web的方式提供给客户;二是Platform as a Service平台即服务，作用是将一个应用的开发和部署平台作为服务提供给用户;三是Infrastructure as a Service基础架构即服务，作用是将各种底层的计算（比如虚拟机）和存储等资源作为服务提供给用户。在管理方面，主要以云的管理层为主，功能是确保整个云计算中心能够安全和稳定的运行，并且能够被有效管理[9-11]。

3D WebGIS技术通过新的技术手段实现空间信息的快速发布，打破了传统Web GIS数据发布的思路与模式[12]，可极大降低服务器和网络带宽负担，使人们和空间信息的交互方式发生深刻变革[13]。通过全局考虑，将农业灌溉、水利调度、灾害预防等应用需求有机耦合，系统构架于“三维WebGIS” 平台之上，通过当前主流中间件技术、存储与备份技术、Web Service技术、SOA架构、J2EE架构与XML，可以很好地满足该平台与各类系统、服务等的有效兼容，较好解决了灌区三维仿真与可视化管理问题。

通过三维WebGIS灌区仿真，平台主要实现如下功能：农业灌区智能管理模块、水资源实时调度管理模块、水文预报与灾害预警模块、防汛抗旱辅助决策支持模块、生态流量与水质监测模块、水利工程运行管理模块、电子政务管理模块等，其平台架构如图2所示。

1.3 农业灌区生态流量模型 根据灌区特征、河段形态、补充水量的总贮水量和调蓄设施的分布及数量等条件，建立了符合农业灌区实际情况的生态流量计算与调控补给模型，如图3所示。以利用GPS、RS和GIS技术为支撑，组建了一个由基础地理底图数据、高清卫星影像数据、水文水资源数据和河道专题数据组成的空间数据库。