1、收稿日期：；修回日期：基金项目：国家科技支撑计划课题（）；国家自然科学基金项目（）作者简介：孙文良（），男，山西稷山人，高级工程师，硕士，主要从事流域水电开发数字化管理研究与实践。：，（）：融合 和 的流域环境保护三维数字化管理平台孙文良（雅砻江流域水电开发有限公司，成都）摘 要：传统环境保护管理系统存在数据管理方式落后、多源缺乏动态关联、可视化效果欠佳等缺陷。以实现流域生态环保工作的数字化管控为目标导向，在系统分析流域环保信息化管理面临问题的基础上，提出了流域环保数字化管理平台的设计思路。通过数据分类存储、多源数据清洗、统一数据编码等技术实现了数据的融合管理和动态关联；在此基础上结合物联网数
2、据采集、数值模拟模型和统计分析算法，实现环保数字化管理的各项功能需求；最后依托三维 和 融合技术实现了对流域环保的三维数字化展示。该平台在雅砻江流域进行了实际应用，实现了流域环保三维数字化管理，其中通过对锦屏一级水电站分层取水设施运行期间相关数据和运行面貌的实时监控及三维场景查询，显著提升了该设施的运行效果，并有效降低了流域生态环境保护风险。研究结果对于类似管理平台的设计和研究均具有借鉴意义。关键词：数字流域；环境保护管理；三维数字化管理；管理平台；锦屏水电站中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）（，）：，（），（）（），：；研究背景流域环保管理是流域多项目水电开发过程中的一项非常重要的工作
3、。为避免水电工程建设、运行及移民安置对生态环境带来的不利影响，需要制定科学有效的对策措施并开展环境保护全过程管理，从而充分发挥工程的综合效益，实现流域水电开发 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 与生态环境的协调发展。随着（遥感技术（）、地理信息系统（）、全球定位系统（）、物联网、无人机、大数据等数字化采集技术和信息管理系统（）、数据中心等数据管理技术的发展，上述技术逐步应用到环境管理领域并发挥重要作用。在环境保护信息的管理和应用方面，王培培探讨了大气监测中数字化技术的应用；王峻分析了环境信息数据库、网络平台等信息技术在城市环境保护中的应用；庞换芳等构建了环保设施全过程信息化管理
4、体系，从创建良好的信息化环境论述了实现环保设施全过程信息化管理的路径；曾旭等分析了环境管理信息化建设中大数据技术的作用和应用场景；朱琦等构建了跨部门互联互通、共享数据的环境监测网络；卢嫄将大数据技术与环保信息系统相结合，提高了系统在污染监测、环境质量预测、污染预警等领域的管理效率。在环境保护信息的空间展示方面，李月华开发了基于 的环保监管云系统平台；赵国仲等基于 构建了环保水保全过程的监管大数据，实现对青海电网基建环保水保全过程精细化管控；等提出了利用遥感和 技术提高水资源利用率的总体思路，利用 和地形图可以找到现场的实际位置；王思梦等基于遥感和 提出了一种环境监测和评估方法，该研究方法可以快
5、速、及时地监测大尺度区域的生态环境质量变化，为生态环境保护和改善提供支持；李炯等利用地理信息技术增强展示方式，建立了基于 的环境保护监察信息系统；等采用 技术实现土壤侵蚀风险的空间范围估算，用于减少瓦迪米纳流域的土壤侵蚀；等利用遥感、和技术对印度沙喀尔河流域进行土壤侵蚀评价。综上分析，国内外学者目前利用信息化技术一定程度上解决了环境保护业务管理信息化和业务数据共享的问题，但是依旧停留在以报告、图表和二维信息管理系统、二维 技术为主的数据管理和展示方式上，存在直观形象、时空拓展、动态更新展示上的局限性，即无法直观表达环保水保监测、措施、设施等与其所在流域、电站主体建筑物的相对空间位置关系以及动态
6、面貌。探索和实践环境保护三维数字化管理是攻克上述局限、提升环境管理水平的有效途径。为解决以上问题，笔者团队在雅砻江流域“一条江”开发涉及的多个水电项目环保水保管理工作中，通过系统分析流域管理数据类型以及流域环保信息化管理面临的问题，开发了流域环保管理平台，构建了面向全流域多电站的环保水保实体管理对象的多层级、多主题、多源、异构数据的流域级数据中心，并基于 和建筑信息模型（）融合技术设计实现面向环境保护管理对象的流域环境保护三维数字化展示，并且在雅砻江流域进行了示范与推广应用，取得了良好的应用效果，可为全国流域环保信息化的发展提供指导范例。流域环保信息化管理面临的问题 流域环保数据缺乏融合管理流
7、域环保数据存在数据量大、数据种类和来源多样、数据处理频率高、数据价值密度低等大数据特性。传统流域管理平台难以同时存储结构化数据和非结构化数据，各类流域数据相互孤立、利用效率低，亟需构建流域环保信息化平台，对河流环保数据进行统一存储、清洗、挖掘的融合管理。流域环保数据缺乏动态关联流域环保数据时空关系复杂，当面对具体问题时，往往需要综合应用多维度（空间变化、时间变化、实时性）、多尺度（流域层面、河流层面、河段层面的）数据进行动态关联分析。例如，当流域突发环境污染事件时，应急管理部门需要的数据包括遥感及无人机影像数据，污染突发位置水文站的实时监测数据，污染发生断面、河流、流域的地形与水流条件，污染发
8、生位置的土地利用类型与人类活动情况，污染物类型及污染严重程度，污染处理预案及可能的后果等一系列多维、多尺度的流域环保数据。因此，亟需建立一套多维度、多尺度复杂数据的动态关联分析技术，将复杂难懂的数据通过关联分析简单化，再依托流域管理平台将结果数据以手机短信、平台通知等多种形式通报管理人员，以帮助管理人员及时处置决策。流域环保管理缺乏可视化应用流域环保管理和展示目前多基于 或 独立开展，缺乏可以用于统一开展流域环保信息三维管理和展示的平台。例如，依托 对流域空间信息以及与地理位置相关的数据和信息进行管理，依托 对某一特定的构筑对象进行设计、施工、运营等不同时期的信息管理，而 与 的结合应用才是完
9、善全生命周期信息的一体化管理、共享各方面数据的技术途径。流域环保管理平台设计以解决流域环保信息化管理面临的数据融合管 长江科学院院报 年 理欠缺、数据缺乏动态管理、缺乏可视化应用等问题为目标导向，笔者团队开展了流域环保管理平台的设计。平台架构流域环保管理平台总体架构在流域水电云基础设施和数据源的基础上，自下而上分别由数据管理层、业务应用层以及三维展示层构成（见图），由企业级的流域环境保护大数据中心、流域环境保护管理信息系统和三维数字化仿真展示平台组成。三维展示层流域环保水保三维可视化信息集成展示平台大屏幕移动终端展示空间地理信息工程模型数据实时数据结构化数据非结构化数据数据源导入工具导入工具企
10、业级数据中心环境监测与调查管理综合统计分析统一的空间对象编码业务应用层环保水保设施运行监控环境监测环保水保措施环境背景流域及电站数据管理层环保水保措施信息管理流域水电云基础设施运行监控信息管理库区环境演变P C 端展示统一的流域和工程模型数据配置管理统一规划且开放的数据库结构空间地理数据仓库三维模型数据仓库业务主题数据仓库(涵盖实时数据、结构化数据、非结构化数据)数据采集和输入终端/E T L 数据接口实时/准实时数据自动采集平台D E M/D O M/D L G平台无关的标准格式模型文件：V R ML、S T L 等坝前水温、尾水水温环境监测与调查数据/各类文档、图片附件和视频影像数据图 流
11、域环保管理平台架构 数据融合管理和动态关联设计针对上述第 节中介绍的目前流域生态环保数据缺乏融合管理和动态关联的问题，本文在详细梳理流域环保管理所涉及的各类数据的基础上，重新定义了各类数据的存储类型及方式，通过数据清洗确保多源异构数据的准确性和匹配度，最后通过流域级信息管理模型实现了数据的融合管理和动态关联，并在此基础上建立了企业级的流域环境保护大数据中心。数据存储流域环保管理数据主要包含空间地理信息、工程模型数据、环境监测与调查数据等结构化、非结构化数据与实时数据。空间地理信息数据指流域地形地貌、道路交通、水系组成等信息数据，多为图片影像资料，包括通过遥感、无人机、现场拍摄等技术获取的流域影
12、像数据。工程模型数据主要是指水电工程项目设计人员基于三维辅助设计软件所建立的水电工程三维模型输出文件。工程三维模型文件中包含三维模型空间对象的分解结构和编码，空间对象在进行三维设计建模时就应遵循流域水电全生命周期管理数据中心设计的统一分解结构及编码体系。以流域空间地理信息系统和工程三维模型建立的空间对象为载体，可以不断集成与之相关的各阶段、各种类型业务数据以服务于项目的设计、建设、运营等整个生命周期。环境监测与调查数据包括科研、管理人员实地勘测调研获取的流域水文、水质、气象等环境数据，同时也包含地表水、空气质量、噪声、水质、水温、地下水、局地气候等通过相应感知网络自动获取的长序列环境监测数据。
13、由此可见，流域的环保信息化管理涉及的数据量巨大，为提升数据的存储和提取效率，便于数据融合管理，笔者团队在研发的流域环保管理平台中对不同类型的数据采用了不同的存储方式。结构化数据存储于传统数据仓库平台，非结构化数据存储于分布式数据平台，实时数据存储于流数据平台。其中，传统数据仓库按数据层次划分为缓冲层、整合层、汇总层、数据集市层，实现从数据源到各个 第 期孙文良 融合 和 的流域环境保护三维数字化管理平台层次数据的加载、清洗、检验、转换和存储，并根据模型设计及业务需要，实现数据的整合和汇总。分布式数据平台根据应用场景和 体系中不同软件产品的特点分别基于 和 实现数据存储，对不同类型的大量数据进行
14、高效、可靠的处理。基于 的数据存储区包括非结构化数据层、海量结构化数据层以及流数据转储层。基于 的数据存储区包括关系数据库归档层、缓冲数据层以及 结果数据层。实时数据流数据平台按照数据层次划分为实时数据整合层、实时数据汇总层和业务数据缓存层，实时获取与存储数据的同时提供实时数据共享给其他相关系统。数据清洗根据流域水电建设管理的需要，在海量数据的管理过程中需考虑不同来源多种类型数据信息集成的需要，这种多源异构数据库中存储和管理的数据主要包括数字高程模型（）数据、纹理影像数据、原始矢量数据、空间实体对象数据、属性数据、实时位置数据、元数据。为确保数据的准确性和多源数据的匹配度，数据中心需对数据的范
15、围、完整性、准确性等方面进行检查，根据各比例尺以及各矢量、影像、地形数据类型的分类标准对数据进行分幅合并、接边处理以及数据融合、数据的属性检查等操作以保障合并拼接处理后的数据符合数据分层和分类标准，最后对分层后的数据存储到关系型数据库中。对于三维空间实体对象，加载到 平台后，进行分级、结构和纹理的匹配处理之后，生成缓存，通过缓存的方式进行访问。结构化数据主要通过 对数据进行预处理，进行剔除、填补、删除等操作，预处理后的数据保存回数据库转为存储模型。数据编码为解决流域环保数据时空关系复杂、多源数据缺乏动态关联的问题，流域环保管理平台数据中心通过流域级信息管理模型对流域环保信息进行统一编码，该模型
16、由流域环境管理相关实体对象、关联关系、编码规则等构成。经过编码后，数据中心层数据可按照编码自动建立动态关联关系，便于上层业务应用层调用分析。流域环境管理相关实体对象根据流域级多项目水电工程环境保护施工期乃至运行期管理的要求，流域环境保护相关管理对象包含流域各项目工程分解结构（）编码体系对应的实体类管理对象、电站运行期电厂标识系统（）编码体系对应的位置类管理对象以及环境保护与水土保持等专题管理对象（包含环保水保设施实体类管理对象、流域监测与调查点位置类管理对象）。管理对象关联关系流域级信息管理模型中与环境保护相关的管理对象，其关联关系可以分为地理位置（）、物理实体构成关系（）、行政管理区划（）大类，如图 所示。其中，地理位置（）涵盖了流域监测与调查点位、水工建构筑物位置；物理实体构成关系（）涵盖了流域工程建筑类实体、环保水保设施类实体等；行政管理区划（）涵盖了流域范围内的县、乡（镇）、村等行政区划。流域监测与调查点位水工建构筑物位置工程建筑类实体环保水保设施类实体县村户G B SP B SA B S流域上游中游下游乡(镇)电站子河段水库环境质量/水土保持/水温监测站点、陆生/水生生态调查
