为全面了解水利发展状况，提高水利服务经济社会发展能力，实现水资源可持续开发、利用和保护，国务院于2010年至2012年开展了第一次全国水利普查，主要包括河流湖泊、水利工程、经济社会用水、河湖开发治理保护、水土保持和水利行业能力建设等6个方面，具有实施范围广、普查对象众、对象关系复杂、业务指标多等特点^{[1, 2, 3]}。

目前国外尚未有全国性的水利普查，只有美国开展过水资源普查^{[4, 5]}，其主要利用水文测站等地面设施，并结合遥感技术手段，通过使用多年历史数据建立的专业分析模型，了解水资源相关的15个指标，这种方法成功实施的前提是具有全面覆盖的监测设施和完整连续的历史资料，而我国尚不具备条件，因此该方法不适用于水利普查。

水利普查涉及318个指标项、2258个数据项，采用传统报表方式无法保证全面准确获取各类对象的信息。为此，通过开展全国水利普查空间信息系统的研究与开发，充分利用已有的基础资料，遵循内业为主、外业为辅的原则，采用工作底图判读、专题信息转绘和外业调查相结合的技术方法，支撑了水利普查从信息采集、数据处理、成果管理到应用服务的全过程。

2 总体技术路线

针对系统建设过程中存在的对象信息获取、数据资源组织、成果质量控制、项目管理实施等主要难题，提出了“基础数据支撑、数据模型先导、智能工具保障、技术管理融合”的总体技术路线。

2.1 基础数据支撑

针对对象信息获取难的特点，采用统一工作底图的方式^[6]，通过紧密协作融合水利、测绘、国土、气象、统计等多个部门的最新数据成果，建立了内业处理为主、外业核查为辅的信息获取体系，大幅减少了外业工作量，并确保对象的不重不漏和信息的空间一致性。

采用“边建设、边应用”模式在全国首次完整应用1∶5万更新数据^[7]，保障了工作进度；针对系统覆盖范围广的特点，综合多种遥感数据，其中国产数据源面积占比超过57%，首次实现2.5 m正射影像全国陆域范围满覆盖，促进了自主遥感数据在水利领域的大规模业务化应用；通过分析不同影像数据源的波谱特性，分类分区域分地貌进行影像色彩处理，保证水利对象的解译纹理。

2.2 数据模型先导

针对数据资源组织的困难，结合普查数据内容，采用面向对象数据建模理论与方法，以基于对象表达的信息组织为核心研制水利数据模型，实现空间、属性、关系的一体化管理，相比已有模型^{[8, 9]}，不仅保证数据的完整描述和有序管理，也为水利数据资源体系的整体规划奠定了基础。

水利数据模型包含对象的空间、属性、关系等特征^{[10, 11]}组成的对象模型及相应元数据模型，有效解决了水利空间数据与属性数据的统一组织问题。为支撑全过程系统实施，研编了系列技术标准规范^{[12, 13]}，在信息采集和数据处理过程中保证数据在对象层次的一致性，为成果管理中数据的持续更新维护打下良好基础，并为数据成果的后续应用服务提供有力支撑。

2.3 智能工具保障

针对成果质量控制的难点，研究各类水利对象的空间拓扑特征及相互之间业务逻辑关系，应用本领域知识规则加以描述，创建了动态可扩展的知识库，并变传统的事后检查为事中控制，研制集成了知识规则的软件工具，实现对异常数据的智能检测和处理。

将质量控制过程前移，在数据采集处理过程中利用上述软件工具对数据质量进行自动校验，并通过设置例外以适应可能存在的特殊情况，增强数据成果的一致性和可信度；基于云计算技术研制成果汇总协查平台，供各水利业务专家对成果数据进行远程联机核查和多级在线审核，在规则检查基础上开展内容协查，增强质量控制的完整性。

2.4 技术管理融合

水利普查是一个跨部门、多层级的复杂系统工程，组织管理实施是一个重大难题，通过构建模型、规则、流程、工具等一体化的组织体系，实现工作高效、数据安全与应用便捷相统一的运行机制，建立技术与管理相融合的大规模、多层级普查工作新模式。

针对项目学科跨度大、组织层级多、工作流程繁、覆盖范围广等特点，以数据模型为先导，以规则贯穿全过程，通过软件的广泛使用实现“3S”技术的业务化应用；结合目前国家暂无专门针对单机环境下成型产品的现状，研制了单机安全防护系统；根据基层单位信息技术人员水平低的实际，研发智能化软件并派驻技术支持人员全程驻场，创新了国家级重大信息化工程的服务模式。

3 关键技术

研究了面向对象水利数据建模、数字河流获取、规则约束采集处理、多主题数据应用等关键技术。

3.1 面向对象水利数据建模

水利数据模型通过对水利对象多尺度空间表达、多维度业务属性、多重业务/空间关系与时态特征的完整描述和松耦合组织，使面向对象的数据组织能适应面向事件的对象重组、面向过程的时态追踪等多种应用需要，实现数据成果由静态数据库变为可维护的时态数据库，其组织结构如图 1所示。

图 1 水利数据模型组织结构 Fig. 1 Organizational structure of water data model

图选项

构建了对象-对象类-数据集3级元数据体系(如图 2所示)，提出基于日志自动抽取和逐级萃取的元数据处理方法，实现了伴随实体数据操作的元数据自动采集，解决了元数据库与实体数据库的同步建设问题；通过对多粒度元数据的一体化管理，实现了基于资源目录的数据定位与追踪。

图 2 3级元数据体系 Fig. 2 Three-tiered metadata architecture

图选项

在先定河流对象的基础上，提出基于连通关系、距离、特征点的平原区流域单元动态扩散方法，即以水系线的起点、终点及相交节点为控制边界，按距离反比原则完成平原区流域单元的逐一施划，实现了平原水网区河流对象与流域单元的逐一对应，解决了传统方法^{[14, 15, 16, 17, 18]}划分平原区流域的困难。

通过突破上述关键技术，解决了流域单元穷举与嵌套关系梳理问题，首次完成了全国河流水系、流域单元的系统施划工作，彻底查清了不同规模层级河流、流域单元的数量、分布、形态特征和汇接关系，澄清或纠正了以往的一些模糊和错误的认识，统一了平原区和山区河流与流域管理规则。

3.3 规则约束采集处理

系统实施涉及层级多、用户众，成果质量控制的难度大，全面梳理获得各类水利对象间存在的66项空间关系和3330项业务关系，例如：水系与泵站间的压盖空间关系，引调水与水闸间的指向业务关系。研发了基于关系规则的数据采集处理软件等智能化系统^{[19, 20]}，自动完成关系的实时检查和自动匹配，确保了实体数据和关系数据的一致性，减少了工作量。

对元数据采用自动抽取与手工补填相结合的方式，凡是能自动采集的对象层级元数据项均从日志文件中直接获取，可确保元数据信息及时准确，并大大降低工作强度；另外，部分元数据信息可逐级萃取，不仅使元数据与实体数据保持同步，还为数据质量评价提供了很好的技术手段。

3.4 多主题数据应用

为实现数据统一管理和全面应用，满足不同水利业务多目标、多层次的复杂需求，采用多主题数据应用技术进行了大规模数据分析和成果加工，提出了基于重配置和重映射的主题重组方法服务于不同的业务应用，完整建立了水利普查成果分析体系。

利用水利数据模型的松耦合数据组织特点，采用OLAP技术构建面向水利业务应用的数据立方体，按各种属性维度逐一表述对象的空间、属性、关系和时间特征，形成差异化的主题数据库，实现了成果即席分析，改变了传统单主题模式，在确保“一数一源”的前提下切实提高了行业信息共享与业务协同水平。

4 应用推广

系统获取了超过550万个水利普查对象的空间信息，涉及28类对象，集成了近亿对象的属性信息，成果综合漏报率为0.11‰，出错率为0.34‰^[21]；形成了覆盖全国陆域范围的250 m、30 m、5 m和2.5 m 4种分辨率正射影像。成果服务于全国近百万水利普查工作人员，降低了工作难度，提高了工作效率。

通过对3S技术的综合运用，全面掌握我国所有流域面积50 km²以上河流和水域面积1 km²以上湖泊的空间特征，完成了传统办法无法完成的任务，对首次全面准确摸清我国河湖分布情况起到了决定性作用。

相关成果已推广至全国所有县级以上水行政主管部门，为各项水利业务提供了基础数据支撑。在应对近年频发的地震、干旱、洪水等涉水应急事件中，为全面了解灾情及科学决策提供了强有力的信息支撑，极大地提升了水利应急信息服务能力。 形成的全国水利一张图能全面支撑防汛抗旱、水资源管理、水土保持、农村水利等业务，丰富和完善国家空间数据基础设施中的涉水信息，促进跨部门业务协作与资源共享。