深圳市水土保持管理信息系统设计与应用

赵旭升 张永占 方竟先 雷勇 潘璀林

摘要：深圳市水土保持管理信息系统是在智慧城市和智慧水务总体框架下，以深圳市水土保持业务特点为依据，做到水务数据统一存储与管理。系统由五大子系统组成，其中包含方案管理、监督检查、历史趋势可视化、实时预警等重点模块。通过搭建业务监管平台，实现了全流程监督管理。同时加入智能模型辅助管理人员决策和评价体系优化，让管理人员和业务人员的工作效率大幅提升。做到数据管理、业务支持、模型决策、数据可视化和实时预警等多项功能一体化。解决了深圳市水土保持信息化建设中信息处理能力不足，应用智慧化程度不高，业务来源和数据格式标准不统一，信息难以共享和调用，信息化系统无法支撑业务需求等问题。

关键词：管理信息系统;智能模型;智慧水务;水土保持;多功能一体化

中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：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

隨着中国新基建计划的提出，数字化和智能化的需求不断增加，各省市对水土保持的应用范围和质量要求也越来越高，智慧水务也用于水土保持。因此，如何构建不同子系统模型、实现数据映射、模型驱动和数据管理等问题成为科技人员亟需解决的挑战。近几年，许多学者提出了新的理论和方法来应对这些挑战。

沈雪建等^［1］于2017年提出了基于信息化技术的水土保持管理模式，利用现代空间技术、测绘技术和信息技术对生产建设项目水土保持监督和管理，实现了即时分析和动态管理；姜德文等^［2］于2021年介绍了一种基于深度学习的水土保持遥感影像识别方法，可以自动提取影像中的水土保持信息；顾祝军等^［3］于2022年分析了城市水土保持工作存在的问题和未来研究方向，指出目前城市水土保持监管仍以人力巡查为主，对城市生产建设项目缺少量化判别和评价的技术手段，难以全面掌握区域内生产建设项目水土流失的整体情况和动态变化。

当前的研究不乏专业技术的突破和应用，但都没有解决数据质量低，数据不互通，智慧化程度低，管理体系不完善等问题。深圳市水土保持方面尚存在如下问题：水土保持的理论体系欠缺，对城市生产建设项目缺少量化判别和评价的技术手段，导致预防监督工作缺乏深度和广度。目前城市水土保持监管仍以人力巡查为主，难以应对生产建设项目多、分布广及雨季长、暴雨频发的巨大挑战。由于水土流失具有时效性强的特点，现有手段难以实现及时取证，城市水土流失监管多处于被动状态^［3］。本文通过深圳市水土保持管理信息系统，以数据整编为基础，统一数据标准并提高数据质量，同时解决深圳市城区数据不互通的问题。进而搭建统一的业务监管平台，户外作业可结合手机端，实现业务智慧化、监督管理智慧化。利用大数据结合水土保持智能模型和遥感识别等技术，实现监测智慧化、决策支持和评价体系智慧化，为未来智慧水务建设提供了经验参考。

1 系统架构

水土保持管理信息系统将按照水利部《全国水土保持信息化工作2017—2018年实施计划》、《深圳市水土保持规划（2016—2030年）》的任务要求，结合深圳市城市水土保持工作的特点，以生产建设项目的水土保持业务为核心，采用SOA架构，集生产建设项目监督管理、水土流失监测、水土保持生态治理、决策支持等功能为一体的管理信息系统，最终作可视化综合展示，为市、区、街道三级水土保持监督管理部門及监督管理人员利用系统数据资源、开展综合分析、科学决策提供支持，能够一张图展示水土保持所有业务流程及数据。水土保持管理信息系统中数据来源分为水土保持数据资源整合共享和外部数据资源汇集关联，系统建成后与国家、省、市相关系统进行数据对接，见图1。

2 数据整编

图2所示的数据资源目录及数据资源整编建设路线包括以下内容。

a）数据收集。主要包括水土保持相关数据的基础数据、监测数据、治理数据和监督数据。这些数据来源于水利部门、自然资源部门、规划部门、住建部门、气象部门和林业部门等。

b）数据资源目录建设。对收集的相关数据进行分析，并按照统一的标准规范进行梳理，建设基础数据、监测数据、治理数据、监督数据和综合数据目录。同时，对资源目录进行元数据标准化和元目录标准化处理。

c）数据资源整合入库。整合入库的内容包括基础数据、监测数据、治理数据、监督数据和综合数据。数据标准化处理包括矢量数据标准化处理和栅格数据标准化处理，数据清洗与质量审核包括数据分析、数据规范、数据清洗和质量审核，数据转换与加载包括数据转换和数据加载。

d）数据存储与管理。数据的存储与管理将统一利用智慧水务资源。逻辑结构设计包括基础数据库设计和业务数据库设计。物理结构设计包括固定数据库、实时数据库、对外服务数据库和备份数据库。数据库表设计包括监测业务数据库、综合治理业务数据库和综合业务数据库。

e）数据共享交换。数据的共享与交换也将统一利用智慧水务资源。建立以市政大数据中心和区大数据中心为核心的数据共享交换机制。共享交换功能由数据源适配、数据转换服务、数据传输管理、数据交换服务、交换管理服务和监控管理服务组成。数据共享交换内容包括上级主管单位及市政府相关职能部门信息、区（新区）水务局信息、技术服务单位及生产建设单位信息。

3 系统建设内容

3.1 水土保持管理信息系统

水土保持管理信息系统由4大子系统，18个功能模块，1个可视化展示子系统组成，其中4大子系统包括生产建设项目监督管理子系统、水土保持决策支持子系统、水土保持生态建设子系统、信息服务子系统组成（图3）。

3.2 水土保持可视化综合展示子系统

可视化综合展示是水土保持管理信息系统的展示窗口，包括水保信息一张图、专业地图工具集、项目数据可视化、历史趋势可视化、关键指标统计、泥沙监控实时预警、视频监控等内容（图4）。

a）水保信息一张图。基于GIS地图实现对区域内各类信息的图形化综合展示，主要包括项目监督、SS监测、视频监控等业务场景综合信息。项目监督主要对在建生产建设项目监督检查及风险分级的情况进行展现；SS监测对接入的SS监测站点及观测信息进行信息展示，对超标站点直观展现，支持溯源工作；视频监控对接各视频站点的信息，可随时查看视频监控信息。该功能可以辅助不同管理部门及管理人员快速了解、处置区域内水土流失问题，提升水土保持监督管理效能。另外，界面上不仅显示重要的分类数据和关键指标，同时还提供关键词搜索功能，用户可按权限快速查询各类水土保持业务信息和相关生产建设项目信息。

b）专业地图工具集。提供图层的显示，底图的切换和地图辅助功能的使用。图层显示除了基础的分区图层、业务图层、监测层和保护区，还集成了历史的遥感影像及倾斜摄影模型可供选择；底图的切换包含了不同主题的水务底图、天地图、ArcGIS和高程图；地图辅助功能则集成了图上量算、坐标分析、飞行漫游、图上标绘、卷帘对比和分屏对比等地图操作常用的功能。专业的地图工具集在实现二三维一体化展示的同时，可以辅助用户更高效地获取不同指标的空间信息。

c）建设项目数据可视化。根据深圳的业务指标将生产建设项目按风险等级分类可视化，并提供按监管、按区域和按流域3个维度的分区数据统计。同时提供项目列表的入口，可以按条件筛选建设项目，展示建设项目的详细信息。

d）历史趋势可视化。根据深圳的水保相关建设项目关注指标，包括批复项目、责任范围、水保投资、填挖方量等，结合时间区间筛选，可以展示近10 a关注指标的变化趋势，使用户对深圳市水保业务一定时间维度上总体的业务量和预算投入有宏观的了解。

e）关键指标统计。根据深圳的水保监督检查重点指标，包括在建项目数、检查项目数、检查项目次、不同等级项目检查比例，结合时间和行政区筛选，可以展示不同区域特定年份的重点指标，使用户对深圳市各区水保项目的监督检查在一定时间维度上有所了解。

f）泥沙监控实时预警。支持列表和地图显示泥沙监测站点的数据和分布，对监测数值超标的站点进行预警展示，支持通过地图点查询，显示测站的泥沙监测值过程线信息，并统计汇总测站总数、预警测站数、当年黄泥水溯源次数等信息。

g）视频监控。地图显示监控站点的分布，接入和展现视频监控，横向滚动加载显示视频监控点信息，支持关键字搜索，支持监控照片和视频的详情查看。提供视频监控的数量统计和其中涉及项目数量的统计。提供视频监控列表和项目列表，可展开某项目的多个视频摄像头。

3.3 生产建设项目监督管理子系统

生产建设项目监督管理子系统（图5）以生产建设项目的水土保持监督业务的管理为核心，集水土保持方案管理、方案变更、监督检查、项目监理、执法处罚等各项功能为一体，通过制定全面、合理和科学的系统数据标准，实现水土保持监督管理业务流程、审批程序的环环相扣以及过程各环节中业务数据的实时记录，并形成水土保持方案信息、生产建设项目监控信息、行政执法管理信息等的水土保持专题数据库，有效的规范水土保持监督管理部门及其工作人员的工作行为，提高各级人员工作效率、规范工作方式，从而为各级水土保持监督管理部门利用系统数据资源，开展综合分析、科学决策提高信息便利条件。

生产建设项目监管子系统一方面对现有的生产建设项目进行监管，另一方面将“天地一体化”监管成果融合到系统，统一安排监督检查及水政执法各项工作。系统主要实现对列入监管项目水土保持方案以及动态监督检查信息的持續更新和维护，与“投资项目在线审批监管平台”“国家水土保持监督管理信息平台”等实现互联互通，实现生产建设项目跨部门、跨区域的受理、审批、监管一体化过程，提供业务人员对相关信息的查询和浏览功能，便于业务人员全面、及时掌握生产建设项目水土保持工作的落实情况，主要包含方案管理模块、后续设计模块、监督检查模块、执法处罚模块、水保监测模块、水保监理模块、水土流失源模块和设施验收模块。

3.4 水土保持决策支持子系统

水土保持决策支持子系统是智能化决策的支撑模块，对水保决策具有关键作用，是水土保持信息化成果的重要体现，用于辅助用户进行管理决策。根据深圳市水土保持工作决策需求，本子系统分水土流失风险评价模块、水土流失预警模块、决策会商模块、大数据统计分析模块等4部分内容（图6）。

3.5 水土保持生态建设子系统

生态建设模块（图7）以水源保护区水土流失综合治理全生命周期管理为设计理念，针对治理不同阶段提供相应的管理功能，满足深圳市水土流失综合治理业务的各个环节，实现业务全过程的高效化、精准化和智能化管理。

通过每个考核年度的下级上报和市级年度动态监测成果的入库完成数据汇聚，再将汇聚的治理图斑数据与动态监测发布的水土流失图斑进行空间叠加分析，评价治理图斑分布的合理性，以及治理措施布置的合理性，按照业务可分为以下3个方面。

a）治理工程。汇总每个年度各个行业部门实施开展的治理工程中的治理图斑矢量的情况，统计其有效的治理面积，对比与自然水土流失的关系，为目标责任考核中的治理图斑矢量的治理面积完成情况，提供有效的数据支撑。

b）生态清洁小流域。汇总每个年度目标责任考核中收集的生态清洁小流域数据信息，包括其中的业务、边界、治理措施、过程材料等信息，与治理面积相关的治理图斑关联管理。

c）水土流失图斑。将水土流失遥感调查成果中的人为水土流失图斑进行一张图的管理，方便与治理图斑对照。

3.6 信息服务子系统

信息服务子系统（图8）作为对水土保持管理信息系统里面其他4个子系统未涉及到的业务的补充，主要目的是实现目标责任考核、宣传信息推送和管理、信用评价管理，是水土保持管理信息系统的一部分。

4 智能模型

水土保持管理信息系统加入了智能模型，实现水土保持智慧化管理，让业务处理人员可以更高效地处理水土保持相关业务，模型如下。

4.1 水土流失风险评价模型

对于生产建设项目的日常监督检查工作，深圳市现行的评价标准主要是《生产建设项目水土保持责任制落实情况》和《水土流失隐患风险等级划分》。《生产建设项目水土保持责任制落实情况》，评判标准具体分为4个方面，分别是现状水土保持措施体系落实完整性、项目水土保持管理机制完整性、项目水土保持后续设计、监测、验收等落实情况、项目水土流失隐患分析。根据标准和需求设计相应的生产建设项目水土流失风险评价模型，基于业务水土保持方案等特征信息，通过现场监督检查的数据采集与获取，经过模型的定量计算，即时反馈该业务的水土流失风险等级，支持对单个生产建设项目单次监督检查记录进行风险评价，或是多次监督检查记录的风险评价动态变化，标准化日常工作业务流程，使监督检查结果更加客观。适用于水土保持工作中涉及到的生产建设项目现场监督检查、水土流失风险评价、水土流失预警决策等方面。通过模型运算，快速预判业务的风险等级，有助于相关水行政部门了解全市的风险业务分布情况，筛分监督检查的重点业务，提高监督检查的效率。

4.2 区域土壤侵蚀因子修正

深圳市近年来的水土流失遥感调查工作中，都沿用了全国下发的降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、坡长因子L、坡度因子S数据，上述4个因子的数据精度放到市（县）区域的尺度下，所反映的具体情况是有所差异的，不太适用。

通过收集深圳市当地气象站点记录的降雨数据，土壤类型、属性等相关土壤数据，高精度的地形数据，以及基础地理数据和其他数据，经过特定的处理和相关公式计算，获得R、K、L、S共4个土壤侵蚀因子。

以2022年野外调查资料和历年动态监测成果为依据，通过对比、实拍照片、遥感影像等手段，对修正后的4个土壤侵蚀因子进行合理性验证分析。最后，把每个土壤侵蚀因子单独作为预期修正成果进行输出。通过采用更高精度、更本地化的数据进行土壤侵蚀因子修正，实现中国水土流失方程模型在深圳的本地化应用，为水土流失动态监测工作提供科学支撑。修正后的土壤侵蚀因子成果可通过可视化综合展示子系统进行展示，并且可与动态监测成果基础数据一并由系统进行统一管理，供年度水土流失遥感调查工作参考使用，以增强中国水土流失方程CSLE模型在深圳市区域尺度下，对于土壤侵蚀计算方面的适用性。

4.3 水土流失敏感性等级评价模型

水土流失敏感性等级评价模型基于项目区红线与饮用水源保护区、深圳市基本生态控制线、河道蓝线、地质灾害边坡范围、城市易涝点分布、人口密度分布、土地利用、坡度、降水侵蚀力、植被、地形起伏度、土壤质地等数据的关系以及现有的水土保持敏感因子和水土流失风险等级划分表，开展生产建设项目水土流失敏感性因子调查、评估、筛选和权重制定，优化并构建适用于深圳的水土流失敏感性等级评价模型。可以以此建立定量评价指标体系，判定水土流失风险等级后，可为水行政部门针对生产建设项目监管开展监督检查、水土流失定量监督检查、雨前汛期检查、黄泥水溯源、年度区域水土流失动态监测、人为水土流失遥感调查、生产建设项目水土流失防治等提供必要的技术与数据支撑。

模型构建采用一元线性方程A=×r+β计算，其中为自变量，a为因变量，β为常参数。模型初步方案：

A=?×r+β    （1）

r=g（X₁，X₂，X₃，X₄，…，X_n）    （2）

各因子指标值计算/获取完成后采用最大最小值归一化处理到［0，1］区间，用X_i代表，其中i=1，2，3...n；归一化处理后指标值与各指标权重相乘累加得到水土流失综合影响因子（r）值。

4.4 遥感影像扰动图斑自动解译模型

遥感影像扰动图斑自动解译模型基于现有扰动图斑样本库和现有扰动图斑AI识别模型库，从样本库中选择训练样本库与验证样本库，对训练样本进行特征增强后进行模型训练，从而增加了扰动图斑AI识别模型库，通过时序样本增强策略，增加模型的泛化能力。并利用验证样本库定量测评模型对现有扰动图斑的识别准确度。根据迭代训练过程中样本的识别精度变化趋势及模型验证精度，对新增扰动图斑AI智能识别模型进行超参数和损失函数优化调整。有助于实现对大范围扰动区分布进行高频率精细化监管，辅助人为水土流失强度评估与风险预警，便于扰动区监管成果的更新、展示与发布。

5 系统应用

深圳市区水土保持监管人员数量少，却需要对年均2 000多个生产建设项目进行监管，人手严重不足。且市区各自制定检查计划，出现同一业务信息重复检查的情况，信息难以共享。在监管人员数量无法大幅度增加的情况下，利用摄像头替代部分人眼，并搭建统一管理平台（图9），实现检查信息互享。并辅以数据统计分析和数据可视化为支撑，为业务的决策和管理提供了丰富的信息服务。目前已接入44个SS在线监测、68个生产建设项目在线视频监控，可量化、直观反映项目水土保持情况。并实现提前预警，SS在线监测超过阈值自动报警提醒，定期查看生产建设项目排水口视频发现黄泥水外排等均可实现提前预警和精细化溯源。

针对深圳市水土保持不同部门和业务信息不互通的情况，通过数据整编构建了一个全面的水保大数据库，实现了对于水土保持数据的资源整合与共享，并将其纳入智慧水务大数据库的统一管理体系之中。系统上线后实现了全业务流程无纸化（图10），通过对各单位的全流程线上监控和进度管理（图11），做到业务数据信息的实时传递和精细化管理。通过这一措施，实现了深圳市水土保持数据的多方共享和上下级数据的联动，不仅提高了管理效率，还为业务的精细化管理和分析提供了可靠的数据基础。

自系统试运行以来，市区水土保持监督检查人员已上传1 644条检查记录，大幅提高现场检查效率。通过手机端小程序联动，已实现全部现场检查无纸化，提高了现场作业的效率。相对以往纸质材料填报，从平均42 min/项目缩短为约19 min/项目，检查时间缩短50%以上。

系统整体应用情况：系统上线以来，向信息办、水保处、市批项目技术服务单位、龙华区、龙岗区、光明区、宝安区、罗湖区等开放PC端与小程序端试用。截至当前共收集市级及各区提交的监督检查数据1 100余条。同时和技术服务单位保持沟通，根据反馈意见快速迭代，更新发布，有力支撑了外业检查工作，已共收集反馈意见50余条。

6 结语

未来各地方城市智慧水务系统建设将越来越多，在数据日益增加和多元化的今天，如何有效地利用这些数据，并结合业务流程实现智慧化管理将是中国未来水土保持建设管理的趋势。本系统在智慧城市和智慧水务总体框架下，以不断提高信息化与业务工作深度融合为重点，启动了深圳市智慧水务一期工程-水土保持信息化建设的工作。系统搭建可视化综合展示、生产建设项目监督管理、生态建设、决策支持、信息服务五大子系统，目前已解决数据孤岛问题，并根据业务指标需求实现项目全流程监督管理数字化。同时基于深圳市现有的评价标准和预警体系，提供数据和模型輔助评价、决策和预警，实现便捷的无纸化户外作业和全流程可溯源的线上管理相互联动。目前监督管理、决策支持和生态建设子系统已投入使用，并根据深圳市实际业务需求增设了部分新模块，如黄泥水溯源和小散乱工程监管等。未来将进一步集成数据挖掘，智能识别，自然语言处理和大语言模型等技术到系统中，逐步打造具有深圳特色、引领全国的水土保持信息化体系，为全国水土保持信息化建设提供示范，也为中国未来水土保持智慧化管理乃至智慧城市提供发展方向。

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（责任编辑：高天扬）