(水利部黃河水利委員會)

　　1、背景

　　1998年1月31日，美國前副總統(tǒng)戈爾在加利福尼亞科學(xué)中心作了題為“數(shù)字地球：認(rèn)識21世紀(jì)我們的星球”的演講，首次公開提出數(shù)字地球的概念（[1]）。在他看來，數(shù)字地球就是一種可以嵌入海量數(shù)據(jù)的、多分辨率的、關(guān)于地球的三維表示。演講中列舉了數(shù)字地球需要的技術(shù)，主要包括：計算科學(xué)、海量存儲、衛(wèi)星影像、寬帶網(wǎng)絡(luò)、互操作性及元數(shù)據(jù)等技術(shù)。演講的最后指出，在數(shù)字地球第一階段應(yīng)該集中精力整合已有的數(shù)據(jù)，第二階段實現(xiàn)1米分辨率的數(shù)字世界地圖。顯然，數(shù)字地球的實現(xiàn)是一個浩大的工程，需要全世界各個國家、組織、企業(yè)以及科研院所等的共同努力。

　　在戈爾演講之后，美國、法國等許多國家的政府組織、企業(yè)和科研院校等紛紛啟動了相關(guān)的課題，如1999年9月美國國防部高級研究計劃署（DARPA）資助斯坦福研究院（SRI，Stanford Research Institute）的“數(shù)字地球”項目（[2]）以及法國地礦局BRGM的InfoTerre系統(tǒng)（[3]）。

　　數(shù)字地球的核心思想就是用數(shù)字化手段處理整個地球的自然和社會活動諸方面的問題，最大限度地利用資源，并使公眾能夠通過一定方式方便地獲得所想了解的有關(guān)地球的信息；其特點是嵌入海量地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對地球的多分辨率、三維描述。通俗地講，數(shù)字地球就是用數(shù)字的手法將地球、地球上的活動及整個地球環(huán)境的時空變化裝入電腦中，并實現(xiàn)網(wǎng)上流通，最大限度地為人類的生存、可持續(xù)發(fā)展和日常的工作、學(xué)習(xí)、生活、娛樂服務(wù)。嚴(yán)格地講，數(shù)字地球是以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運用海量地球信息對地球進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，并利用它作為工具來支持和改善人類活動和生活質(zhì)量。

　　數(shù)字地球概念的提出具有深刻的技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟、社會、政治及軍事等背景，也是信息技術(shù)高度綜合發(fā)展的必然。同時，數(shù)字地球概念在許多領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛影響，繁衍了數(shù)字城市（[6]）、數(shù)字流域（[7]）等許多概念。

　　在吸收數(shù)字地球先進理念的基礎(chǔ)上，根據(jù)黃河的實際情況，圍繞21世紀(jì)黃河治理開發(fā)與管理的目標(biāo)，2001年7月我們提出了“數(shù)字黃河”的概念（[4]）?！皵?shù)字黃河”概念的提出具有鮮明的黃河流域背景，具體表現(xiàn)在以下兩個主要方面：

　　（1）進入21世紀(jì)，黃河治理開發(fā)與管理仍面臨四個方面的主要問題：一是河床淤積萎縮加劇，過洪能力急劇下降，洪水威脅依然是心腹之患；二是水資源供需矛盾突出，大量生態(tài)用水被擠占；三是水土流失尚未得到有效遏制；四是水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重。

　　針對上述問題，新時期黃河治理開發(fā)與管理的目標(biāo)確定為：一是初步建成黃河下游防洪減淤體系。二是完善水資源統(tǒng)一管理與調(diào)度體制，優(yōu)化黃河水資源配置。三是加強黃土高原特別是多沙粗沙區(qū)的治理，努力實現(xiàn)入黃泥沙再減２億噸。四是加強水質(zhì)監(jiān)測體系建設(shè)，為遏制黃河水質(zhì)惡化的趨勢創(chuàng)造條件。

　?。?）從20世紀(jì)80年代初開始，特別是90年代以來，黃委的信息化在數(shù)據(jù)采集、通信與計算機網(wǎng)絡(luò)、專業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，以及遙感和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等方面取得了很大成績，先后建成的各種信息系統(tǒng)在黃河治理開發(fā)與管理的實踐中發(fā)揮了重要作用。更重要的是，各類信息系統(tǒng)的運行積累了海量數(shù)據(jù)，包括水文氣象數(shù)據(jù)、流域空間地理數(shù)據(jù)、河道及斷面數(shù)據(jù)等。但總體上講，由于缺乏從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)到業(yè)務(wù)應(yīng)用的整體規(guī)劃，基礎(chǔ)設(shè)施功能比較松散、數(shù)據(jù)采集技術(shù)不夠完善、各種專業(yè)模型沒有充分開發(fā)運用，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，低水平重復(fù)建設(shè)和信息孤島現(xiàn)象比較普遍，信息資源不能得到有效共享和利用，系統(tǒng)的整體性能不高。

　　 分析新時期黃河治理開發(fā)與管理的目標(biāo)及其面臨的一系列問題、對比治黃工作的信息化水平，發(fā)現(xiàn)治黃工作的信息化現(xiàn)狀已不能滿足治黃工作對管理和決策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性及時效性的要求。以“數(shù)字黃河”概念為指導(dǎo)，充分吸收當(dāng)今世界先進成熟的理論和技術(shù)，對治黃工作的信息化建設(shè)進行統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計和開發(fā)部署是治黃通往現(xiàn)代化的必由之路?！皵?shù)字黃河”能夠以信息化為主要技術(shù)手段加速黃河治理開發(fā)與管理方式的現(xiàn)代化，為快速采集各類數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確無誤傳輸數(shù)據(jù)、安全高效地存儲數(shù)據(jù)、最大限度地共享各類資源提供先進的平臺，提高問題預(yù)測、決策的反應(yīng)能力。

　　2、數(shù)字黃河的科學(xué)含義

　　2.1   基本概念

　　 “數(shù)字黃河”，就是借助全數(shù)字?jǐn)z影測量、遙測、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等現(xiàn)代化手段及傳統(tǒng)手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過微波、超短波、光纜、衛(wèi)星等快捷傳輸方式，對黃河流域及其相關(guān)地區(qū)的自然、經(jīng)濟、社會等要素構(gòu)建一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，在這一平臺和環(huán)境中，以功能強大的應(yīng)用軟件系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型對黃河治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學(xué)性和預(yù)見性（[4]）。

　　簡單地說，“數(shù)字黃河”就是“原型黃河”的虛擬對照體，即通過全數(shù)字化數(shù)據(jù)庫平臺的構(gòu)建，建立黃河流域及其相關(guān)地區(qū)的數(shù)字化（虛擬）研究環(huán)境，通過數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)對黃河治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬、分析和研究。

　　通俗地講，“數(shù)字黃河”就是把黃河裝進計算機，從而可方便地模擬、分析、研究黃河的自然現(xiàn)象，探索其內(nèi)在規(guī)律，為黃河治理、開發(fā)和管理的各種方案決策提供科學(xué)技術(shù)支持。

　　“數(shù)字黃河”包括三個層次的內(nèi)容：第一層是覆蓋全流域的、完善的數(shù)據(jù)采集及高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)；第二層是海量數(shù)據(jù)的存儲管理與信息資源共享系統(tǒng)；第三層是能夠?qū)S河的現(xiàn)在、過去及其將來各自然現(xiàn)象進行模擬仿真的數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)和各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

　　由“數(shù)字黃河”的概念可以看出，“數(shù)字黃河”密切聯(lián)系著自然河流和人類經(jīng)濟社會兩大系統(tǒng)，是一個開放的系統(tǒng)。一方面，“數(shù)字黃河”包含了反映黃河諸多自然屬性的數(shù)據(jù)，在此之上，運用數(shù)學(xué)模擬仿真可以研究、分析黃河對流域人類經(jīng)濟社會的作用；另一方面，運用數(shù)學(xué)模擬仿真可以比選在黃河上的各類技術(shù)方案，分析研究人類活動（工程建設(shè)運用）對黃河的反作用，以便優(yōu)化幫助確定既利于維持黃河健康生命又利于流域經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展的黃河治理開發(fā)與管理模式。自然的黃河和流域社會經(jīng)濟環(huán)境的演變情況通過完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以不斷地在“數(shù)字黃河”中得到體現(xiàn)；通過優(yōu)化組織“數(shù)字黃河”中的海量數(shù)據(jù)并充分挖掘分析，可以為公眾和相關(guān)利益者提供方便的數(shù)據(jù)信息訪問服務(wù)；通過在3D環(huán)境下運行數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)可以認(rèn)識分析黃河的過去、現(xiàn)在和未來的變化。

　　“數(shù)字黃河”從地理的視角表達(dá)了自然黃河，在空間上覆蓋了黃河流域及其相關(guān)地區(qū)，是自然界的黃河在計算機和網(wǎng)絡(luò)世界的虛擬表達(dá)，是幫助我們認(rèn)識、理解并分析把握黃河自然規(guī)律的平臺；同時，“數(shù)字黃河”也為治理開發(fā)與管理黃河提供了決策支持的技術(shù)環(huán)境。

　　2.2  “數(shù)字黃河”與“三條黃河”

　　在新時期我們提出的黃河治理開發(fā)與管理的整個科技治河體系中，“數(shù)字黃河”的地位和作用十分重要。新時期科技治河體系的核心是“三條黃河”建設(shè)，即“原型黃河”、“數(shù)字黃河”和“模型黃河”（[5]）。三者的相互關(guān)系見圖1。

圖1  三條黃河的相互關(guān)系

　　“原型黃河”，是自然界中的黃河，是我們治理開發(fā)和管理的對象，治理的最終目標(biāo)是維持黃河健康生命，促進河流與經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展。為實現(xiàn)“原型黃河”的治理目標(biāo)，必須借助現(xiàn)代科技手段，特別是高科技手段，及時準(zhǔn)確地掌握和預(yù)測黃河不斷出現(xiàn)的新情況，通過廣泛深入的科學(xué)研究和實踐，解決好黃河治理開發(fā)與管理中的一系列重大問題。

　　“數(shù)字黃河”是“原型黃河”的虛擬對照體，可以對黃河治理開發(fā)與管理的各種方案進行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供對“原型黃河”治理的決策支持。

　　“模型黃河”是實驗室中的黃河?！澳Ｐ忘S河”主要是通過對“原型黃河”所反映的自然現(xiàn)象進行反演、模擬和試驗，從而揭示“原型黃河”的內(nèi)在規(guī)律。它的作用是直接為“原型黃河”提供治理開發(fā)方案，同時，“模型黃河”還應(yīng)成為“數(shù)字黃河”通過模擬分析提出“原型黃河”治理開發(fā)方案的中試環(huán)節(jié)。

　　“原型黃河”、“數(shù)字黃河”、“模型黃河” 相互關(guān)聯(lián)、互為作用，共同構(gòu)成了支持黃河治理開發(fā)與管理的科學(xué)決策場。在實際應(yīng)用中，通過對“原型黃河”的研究，提出黃河治理開發(fā)與管理的各種需求；利用“數(shù)字黃河”對黃河治理開發(fā)方案進行計算機模擬，提出若干可能方案或預(yù)案；利用“模型黃河”對“數(shù)字黃河”提出的可能方案或預(yù)案進行試驗，進行修改和完善，提出可行方案或預(yù)案；最后將所選方案或預(yù)案在“原型黃河”布置或?qū)嵤?，?jīng)過“原型黃河”實踐，逐步調(diào)整、優(yōu)化，以保障治理開發(fā)方案的技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全有效。

　　3、應(yīng)用及科學(xué)技術(shù)問題

　　如前所述“數(shù)字黃河”是原型黃河的虛擬對照體，是計算機和網(wǎng)絡(luò)中的黃河。那么，流域中與黃河相關(guān)的重大自然事件和人類活動都應(yīng)按一定的時空尺度反映在“數(shù)字黃河”之中。同時，“數(shù)字黃河”也必須為預(yù)測管理黃河的重大自然事件、規(guī)范并優(yōu)化人類影響河流的活動、進而建立和諧的社會與河流的關(guān)系提供科技支持。為此，“數(shù)字黃河”需要回答和解決治黃應(yīng)用與相關(guān)科學(xué)技術(shù)兩方面的問題。

　　3.1  治黃應(yīng)用方面

　　（1）水文氣象情報預(yù)報

　　水文氣象情報預(yù)報已經(jīng)由傳統(tǒng)的僅為防汛減災(zāi)提供服務(wù)擴展為防汛、水資源管理和調(diào)度、水資源保護和監(jiān)測、調(diào)水調(diào)沙等重大治黃實踐提供決策依據(jù)，其主要任務(wù)是接收處理各類氣象、雨水情信息，制作和發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報和水文預(yù)報?！皵?shù)字黃河”必須解決氣象、水雨情數(shù)據(jù)的采集和高效傳輸及處理問題。同時，必須能對雨情和水情的趨勢變化進行模擬預(yù)測。

　　（2）防汛減災(zāi)

　　防汛減災(zāi)的核心是對洪水資源實施調(diào)度與管理，將其對人類造成的損失減少到最低程度。洪水是河流的自然現(xiàn)象，“數(shù)字黃河”必須能模擬預(yù)測洪水泥沙演進和洪水致災(zāi)情況、優(yōu)化水庫及相關(guān)工程的聯(lián)合調(diào)度運用方案，以洪水資源利用的最大化和洪水致災(zāi)的最小化為目標(biāo)，為防汛減災(zāi)提供科學(xué)高效的支持。

　　（3）水資源管理與調(diào)度

　　黃河水資源的統(tǒng)一管理與調(diào)度是維持黃河健康生命、優(yōu)化水資源在黃河流域及相關(guān)地區(qū)配置的重要措施和保證。其核心是根據(jù)黃河水資源動態(tài)情況，優(yōu)化確定黃河水資源在不同時空的配水方案，實施水資源的精細(xì)調(diào)度?！皵?shù)字黃河”必須能模擬黃河水資源的狀態(tài)、黃河流域及相關(guān)地區(qū)典型的需水和用水情況，能夠動態(tài)編制、管理和模擬水資源配置與調(diào)度的不同方案，同時能夠監(jiān)視水資源的調(diào)度情況并進行控制。

　　（4）水資源保護

　　黃河水資源保護工作旨在為保證流域及相關(guān)地區(qū)的環(huán)境與社會生活引水和用水安全提供科技支持。其核心任務(wù)是對水質(zhì)、水環(huán)境進行監(jiān)測、監(jiān)督和分析評價。“數(shù)字黃河”必須能夠及時采集大量的水質(zhì)、水環(huán)境數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對其狀態(tài)進行模擬、評價；能夠計算模擬不同時空黃河水環(huán)境的承載情況以及納污情況，并對水資源的變化進行模擬預(yù)警預(yù)報；對污染物在特定河段的輸移擴散過程進行模擬仿真、預(yù)測預(yù)報。

　　（5）水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

　　黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測旨在通過相對完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為水土保持規(guī)劃提供支持，對各類水土保持措施進行評價分析?！皵?shù)字黃河”必須建立相對完善的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，采集水土流失的基本數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握關(guān)于流域內(nèi)特別是黃土高原的水土流失、生態(tài)環(huán)境信息。同時，應(yīng)建立土壤侵蝕模型群，特別是黃土高原水土流失的機理模型，模擬預(yù)測黃土高原的水土流失，評價、比較不同的治理方案等。

　　3.2  科學(xué)技術(shù)方面

　　建設(shè)“數(shù)字黃河”需要解決許多科學(xué)技術(shù)方面的問題，主要包括以下內(nèi)容：

　?。?）為在計算機中提供關(guān)于黃河的三維真實表達(dá)，必須以時空為參照對“數(shù)字黃河”相關(guān)的海量異質(zhì)數(shù)據(jù)進行高度集成、科學(xué)組織和高效存儲。為此，必須解決以統(tǒng)一的空間地理坐標(biāo)為索引并且引入時間維對數(shù)據(jù)標(biāo)注的問題，以及空間地理數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題。

　?。?）多分辨率、不同時空密度的數(shù)據(jù)采集和處理問題。由于黃河流域自然氣候、地質(zhì)地貌的復(fù)雜性及其巨大的差異性，以及獨特的水沙特性，必須解決與水文觀測和數(shù)據(jù)采集相關(guān)的、黃河流域呈現(xiàn)的特有技術(shù)和儀器設(shè)備問題。

　?。?）探索黃河的水沙、水環(huán)境等相關(guān)因素的變化規(guī)律、把握其機理并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。黃河流域的許多水沙現(xiàn)象的成因和環(huán)境是獨一無二的，在其它常見流域情形已知的自然現(xiàn)象和事件的規(guī)律以及為之建立的各類數(shù)學(xué)模型不符合黃河的情況。因此，為使“數(shù)字黃河”能夠模擬仿真“原型黃河”的水沙過程和現(xiàn)象，必須研發(fā)一系列反映機理的數(shù)學(xué)模型。

　　（4）與黃河的三維表達(dá)密切相關(guān)的虛擬現(xiàn)實和仿真問題。 “數(shù)字黃河”最終要在開放變化的Internet環(huán)境下模擬仿真“原型黃河”。為其具備人機交互友好、高效、可擴展等性能，需要解決與普適計算、虛擬現(xiàn)實和仿真等技術(shù)相關(guān)的問題。

　　4、“數(shù)字黃河”框架

　　“數(shù)字黃河”主體框架采用了包括基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用服務(wù)平臺、應(yīng)用系統(tǒng)在內(nèi)的三層架構(gòu)體系，以及與之相關(guān)的技術(shù)支持和工程保障體系等，見圖2。

圖2  “數(shù)字黃河”框架

　　基礎(chǔ)設(shè)施主要完成各類數(shù)據(jù)從采集、傳輸?shù)酱鎯εc管理。根據(jù)黃河的自然特性和黃河治理開發(fā)與管理需要，借助逐步完善的“原型黃河”的測驗體系，利用GPS、RS、遙測、人工觀測等技術(shù)廣泛采集數(shù)據(jù)信息；利用高速計算機及通信網(wǎng)絡(luò)，快捷、實時地將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)之中。

　　應(yīng)用服務(wù)平臺是“數(shù)字黃河”信息資源的管理者，也是應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)的提供者。它是一個開放的資源共享和應(yīng)用集成平臺，同時也是可視化表達(dá)的公用服務(wù)平臺，為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供重要支撐。在應(yīng)用服務(wù)平臺層，集中了“數(shù)字黃河”中的有關(guān)數(shù)據(jù)處理、信息資源共享、核心業(yè)務(wù)計算與模擬分析等功能。

　　應(yīng)用系統(tǒng)層在可視化的應(yīng)用服務(wù)平臺之上，包括防汛減災(zāi)、水量調(diào)度、水資源保護、水土保持、水利工程管理等專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，為治黃業(yè)務(wù)提供專業(yè)決策支持和信息服務(wù)。綜合決策支持是“數(shù)字黃河”的最高層次應(yīng)用，它以各專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)為主體，通過應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)為各應(yīng)用集成提供模擬分析的軟硬件環(huán)境和虛擬現(xiàn)實、業(yè)務(wù)仿真的可視化環(huán)境，完成對治黃業(yè)務(wù)工作的監(jiān)測、分析、研究、預(yù)測、決策、執(zhí)行和反饋的全過程。

　　政策法規(guī)與組織領(lǐng)導(dǎo)是 “數(shù)字黃河”實現(xiàn)的重要保障和支撐；標(biāo)準(zhǔn)體系與技術(shù)支持是保持“數(shù)字黃河”開放、先進的關(guān)鍵。

　　5、“數(shù)字黃河”建設(shè)

　　“數(shù)字黃河”是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)，需要一個建設(shè)、完善和不斷優(yōu)化的長期過程。在“數(shù)字黃河”的理念提出之后，堅持“需求牽引，應(yīng)用至上”、“急用先行，分期建設(shè)”的原則，對其建設(shè)實行“統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一組織，統(tǒng)一管理”。以黃委信息化資源的現(xiàn)狀為起點，充分吸收利用信息化及相關(guān)學(xué)科當(dāng)今世界先進的技術(shù)，以滿足新時期黃河治理開發(fā)與管理的工作需要為首要目標(biāo)，研究確定了“數(shù)字黃河”建設(shè)的總體規(guī)劃（[8]），提出了流域大規(guī)模信息化系統(tǒng)的三層體系框架，實施了“數(shù)字黃河”建設(shè)的一期工程，其框架和主要應(yīng)用系統(tǒng)已建設(shè)完成。

　　一期工程完成建設(shè)的重點內(nèi)容體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　（1）“數(shù)字黃河”工程規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

　　堅持以治黃業(yè)務(wù)需求為指導(dǎo)，通過深挖自身應(yīng)用需求，根植于國內(nèi)外數(shù)字領(lǐng)域的先進理論基礎(chǔ)，緊扣業(yè)務(wù)實際應(yīng)用，完成了“數(shù)字黃河”工程規(guī)劃。規(guī)劃明確了“數(shù)字黃河”的總體框架以及建設(shè)的目標(biāo)和任務(wù)。

　　根據(jù)“數(shù)字黃河”的需要，針對黃委的體制和黃河特點，在國家和水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的指導(dǎo)下，從資源整合和信息共享出發(fā)，提出并建立了黃河流域信息化標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范體系，確定參照引用的國家標(biāo)準(zhǔn)273項、水利部標(biāo)準(zhǔn)75項，制定并發(fā)布黃委的標(biāo)準(zhǔn)和辦法56項，為實現(xiàn)“數(shù)字黃河”的開發(fā)建設(shè)、信息資源共享提供了保障。

　　（2）基礎(chǔ)設(shè)施

　　實施了水文測報現(xiàn)代化升級，黃河測驗網(wǎng)絡(luò)體系得到極大完善。水文氣象、工程數(shù)據(jù)的采集充分利用了包括RS、GPS等在內(nèi)的各種先進測驗技術(shù)和設(shè)備，其時效性、準(zhǔn)確性、時空密度與廣度明顯增強。

　　組合各種通信技術(shù)，建成了黃河流域?qū)I(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了包括黃委系統(tǒng)內(nèi)省市縣各級單位在內(nèi)的100多個局域網(wǎng)、5000多臺終端的聯(lián)網(wǎng)運行。在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，以及各類信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　　基本建成了國家水文數(shù)據(jù)庫和黃河基本河情、實時水雨情、黃河下游工情險情、黃河水土保持、水量調(diào)度、防洪工程等數(shù)據(jù)庫；建成了數(shù)據(jù)中心一期工程，實現(xiàn)了黃河水文、實時水雨情、工情險情等數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)統(tǒng)一管理，初步實現(xiàn)多源、異構(gòu)海量數(shù)據(jù)的存儲管理和共享服務(wù)。

　　建成了黃河高性能計算平臺，有效地支撐了中尺度數(shù)值天氣預(yù)報和二維水沙演進模型等黃河上復(fù)雜的、基于海量數(shù)據(jù)的高性能計算。

　　建成了黃河基礎(chǔ)地理信息中心，完成了《黃河基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)總體設(shè)計》，建設(shè)了多尺度、多分辨率、多種類的黃河空間數(shù)據(jù)體系，構(gòu)建了統(tǒng)一的黃河基礎(chǔ)地理信息服務(wù)平臺。

　　（3）數(shù)學(xué)模型

　　自主研發(fā)了黃河下游二維水沙演進、洪水預(yù)報、枯水調(diào)度、水庫調(diào)度等數(shù)學(xué)模型，并初步形成模型系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展模式。

　　（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

　　建成了防汛減災(zāi)、水量調(diào)度、水資源保護、水土保持、工程建設(shè)與管理和電子政務(wù)等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，并采用應(yīng)用服務(wù)與中間件技術(shù)，實現(xiàn)了水文氣象、洪水預(yù)報與防洪減災(zāi)調(diào)度、黃河下游二維洪水演進與三維視景等系統(tǒng)耦合，提升了系統(tǒng)的整體性能。

　　（5）綜合集成

　　綜合各類虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了核心業(yè)務(wù)決策會商的可視化，同時完成了黃河下游3D可視化仿真環(huán)境建設(shè)。利用GIS技術(shù)、RS技術(shù)及三維建模技術(shù)建成了“黃河下游交互式三維視景系統(tǒng)”，實現(xiàn)了河段虛擬場景的交互式控制瀏覽及場景屬性數(shù)據(jù)的動態(tài)查詢顯示，初步建立了黃河下游在計算機中的虛擬對照體，管理和表現(xiàn)了整個黃河下游900多公里的河道場景。

　　總之，“數(shù)字黃河”的建設(shè)形成了覆蓋全河的信息高速公路；數(shù)據(jù)采集平穩(wěn)過渡到利用遙測、遙感等各類先進的技術(shù)與設(shè)備為主要手段并以寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸為主的方式；測驗站網(wǎng)布局與結(jié)構(gòu)、黃河測驗體系得到進一步調(diào)整，滿足了信息采集的更高需要；實現(xiàn)了信息基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)的資源整合；通過虛擬會商環(huán)境支持下的黃河防汛指揮中心、水文預(yù)報中心和水量調(diào)度中心，運行各種水利專業(yè)模型，初步形成了一個面向具體應(yīng)用的虛擬仿真系統(tǒng)；可以對有關(guān)水利信息進行綜合處理，使各類重大治黃決策方案能夠在數(shù)字集成平臺和虛擬仿真環(huán)境下模擬、分析和研究，增強了決策的快速反應(yīng)能力，提高了決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

　　6、科技創(chuàng)新

　　“數(shù)字黃河”的提出及其一期工程建設(shè)取得的科技創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個方面：

　?。?）提出了“數(shù)字黃河”的理念及其體系構(gòu)架，開創(chuàng)了流域水利信息化建設(shè)的新模式，并對水利信息化的行業(yè)發(fā)展起到了很大的促進作用。提出并建立了黃河流域信息化標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范體系，填補了“數(shù)字黃河”工程標(biāo)準(zhǔn)體系的空白。

　?。?）按照“數(shù)字黃河”的總體構(gòu)架，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲的一體化及六大應(yīng)用系統(tǒng)的綜合集成，建立了“數(shù)字黃河”統(tǒng)一的共享應(yīng)用服務(wù)平臺，提高了系統(tǒng)的整體技術(shù)水平。

　?。?）針對現(xiàn)有設(shè)備儀器難以適用于黃河多泥沙的自動測驗并成為信息化建設(shè)的瓶頸問題，研發(fā)了具有國際先進水平的振動式測沙儀等一批適合多泥沙河流的自動化數(shù)據(jù)采集設(shè)備，填補了多泥沙河流的多項測驗空白，使數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)更符合信息化技術(shù)需求，提升了系統(tǒng)的整體先進性。

　?。?）結(jié)合黃河流域特色，深入機理研究，自主研發(fā)了適用于黃河的水沙聯(lián)合調(diào)度、二維水沙演進、產(chǎn)匯流和水資源調(diào)度等一系列專業(yè)數(shù)學(xué)模型。

　?。?）綜合各類先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了決策會商的可視化。在豐富的黃河空間地理數(shù)據(jù)、經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)和各類專業(yè)數(shù)據(jù)的支持下，通過采用3D、GIS及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，運行相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在高速寬帶通信網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的平臺上，開發(fā)了黃河下游三維視景系統(tǒng)，可以模擬再現(xiàn)歷史洪水演進和給定水文、河流邊界條件模擬預(yù)測可能發(fā)生的洪水過程等。

　　7、應(yīng)用實踐及效果

　　“數(shù)字黃河”遵循規(guī)劃確定的建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)原則，邊開發(fā)、邊應(yīng)用、邊完善，穩(wěn)步快速地推進。截至目前，基本實現(xiàn)了信息資源的共享，大大提高了黃河防汛減災(zāi)、水量調(diào)度和水資源優(yōu)化配置、水資源保護、水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、水利工程建設(shè)與管理等方面的現(xiàn)代化水平，提高了各類突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力，增強了決策的科學(xué)性和時效性。

　　（1） 基本實現(xiàn)了信息資源共享

　　在黃河治理開發(fā)與管理的長期過程中，積累了豐富的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)庫，但這些寶貴的信息資源往往是分散存放于不同的部門和單位，標(biāo)準(zhǔn)不一，難以共享。通過實施“數(shù)字黃河”工程，對數(shù)據(jù)資源進行了統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)，整合了現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，完善了通信和計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的共享和應(yīng)用軟件系統(tǒng)的功能復(fù)用，避免了重復(fù)開發(fā)和資源浪費。

　　（2） 提高了各類突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力

　　黃河管理與決策的時效性非常強，突出表現(xiàn)在防汛、水污染防治和水資源調(diào)度緊急情況和突發(fā)事件的處理等方面。由于信息采集、傳輸和處理手段落后，耗時過多，造成預(yù)見期短，給防汛、水污染防治和水資源調(diào)度工作造成被動。如，在“數(shù)字黃河”工程之前，全流域的水情數(shù)據(jù)30分鐘到報率是45%左右。通過“數(shù)字黃河”工程建設(shè)，利用遙測、遙感等高新技術(shù)改造了傳統(tǒng)信息采集、傳輸手段，使30分鐘到報率提高到目前的95%，為黃河防洪贏得了寶貴時間。

　　（3） 提高了綜合決策能力

　　在實施“數(shù)字黃河”工程之前，黃委各業(yè)務(wù)部門根據(jù)其業(yè)務(wù)需要，開發(fā)過一些軟件系統(tǒng)，但限于計算和模型技術(shù)，針對性都比較強，難以滿足綜合決策需要，如防洪與排沙不能兼顧，水調(diào)與發(fā)電不能結(jié)合。通過“數(shù)字黃河”工程建設(shè)，利用現(xiàn)代計算機和模型技術(shù)，開發(fā)了功能強大的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，建立了綜合決策支持系統(tǒng)和虛擬環(huán)境，在可視化的環(huán)境下對黃河管理與決策方案進行模擬、分析和研究，增強了多目標(biāo)沖突的解決能力，提高了綜合決策能力。

　　（4）“數(shù)字防汛”已建各系統(tǒng)形成聯(lián)動，在防洪調(diào)度和調(diào)水調(diào)沙的實踐中應(yīng)用成效顯著

　　防洪預(yù)報調(diào)度與管理耦合系統(tǒng)縮短了制訂實時洪水預(yù)報方案、防洪調(diào)度方案所需時間，提高了計算精度。耦合系統(tǒng)在2003年黃河防洪合成演練、防御秋汛洪水、第二次調(diào)水調(diào)沙試驗以及2004年的第三次調(diào)水調(diào)沙試驗中，均發(fā)揮了重要作用。在2003年合成演練中進行了模擬調(diào)度方案的計算工作，在規(guī)定時間內(nèi)提供了較為合理的模擬調(diào)度方案。在2003年黃河秋汛洪水及第二次調(diào)水調(diào)沙試驗，系統(tǒng)提供了多個實時調(diào)度方案。黃河下游工情險情會商系統(tǒng)大大提高了防洪搶險決策的時效性和準(zhǔn)確性。2003年以來，利用該系統(tǒng)共上報了近11000次險情，其中近300次較大險情，為確保黃河防洪工程安全提供了有力支持。

　　（5）水量調(diào)度系統(tǒng)運用為合理配置水資源，保證黃河連年不斷流發(fā)揮了巨大作用

　　黃河水量實施統(tǒng)一調(diào)度管理以來，實現(xiàn)了連續(xù)6年不斷流，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。這是綜合利用行政、法律、科技、經(jīng)濟、工程等措施的結(jié)果，而其中作為科技手段的“數(shù)字水調(diào)”系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，為增強統(tǒng)一調(diào)度的科學(xué)性、提高調(diào)度精度和快速反應(yīng)能力提供了不可替代的、強有力的支持。黃河下游枯水調(diào)度模型為優(yōu)化配置水資源，實施水量精細(xì)調(diào)度提供了可靠依據(jù)，使水資源分配更趨合理，有效地節(jié)約了黃河水量，提高了黃河水量調(diào)度精度和時效性。如，在2002年冬季，采用枯水調(diào)度模型模擬優(yōu)化的調(diào)度方案實施精確調(diào)度后節(jié)約了14億立方米水量，對保障2003年旱情緊急情況下下游沿黃用水安全和確保黃河不斷流起到了至關(guān)重要的作用。黃河下游引黃涵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提升了黃河下游水量調(diào)度管理工作水平和工作效率。通過應(yīng)用涵閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，總調(diào)中心可隨時掌握遠(yuǎn)程涵閘運行情況，實現(xiàn)了隨時啟閉涵閘閘門功能，極大地提高了防斷流與突發(fā)事件的應(yīng)對能力。

　　（6）水資源監(jiān)測與保護系統(tǒng)為水污染防治提供了實時可靠的水質(zhì)信息

　　黃河水環(huán)境信息系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)采集和處理的準(zhǔn)確性和時效性，完全改變了原來水質(zhì)資料處理的落后方式，使黃河水資源保護工作在黃河水環(huán)境信息的管理方面更加規(guī)范化、現(xiàn)代化。干流自動水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了水質(zhì)污染的有效監(jiān)視，增強了突發(fā)性污染事件的快速反應(yīng)能力，為水污染突發(fā)事件的處理提供了強有力的決策支持，在降低水污染為城市生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的損失方面發(fā)揮了作用。

　　（7）水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為增強水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵手段

　　通過水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一期工程，初步建成了水土保持監(jiān)控中心和監(jiān)測中心站，構(gòu)建了流域水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫，開發(fā)了水土保持遙感調(diào)查、淤地壩設(shè)計和多沙粗沙區(qū)管理等相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)。通過綜合應(yīng)用遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，對全流域，特別是黃河中游多沙粗沙區(qū)有關(guān)水土流失和水土保持開展了快速調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測，使得監(jiān)測手段和監(jiān)測成果精度比傳統(tǒng)方法有了大幅度提高，為水土保持規(guī)劃、設(shè)計、監(jiān)督和管理等業(yè)務(wù)提供了有力支撐。

　　（8）工程建設(shè)和管理系統(tǒng)提高了管理工作效率

　　工程建設(shè)和管理系統(tǒng)已建設(shè)了工程安全監(jiān)測、在建工程管理及在線服務(wù)等系統(tǒng)。其中，工程安全監(jiān)測對及時了解跟蹤水利工程的安全狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)工程存在的各種隱患，為除險加固和防汛搶險提供了重要的決策依據(jù)。

　　8、結(jié)論與展望

　　“數(shù)字黃河”高度刻畫了以綜合集成的方式利用信息、水文、地理以及環(huán)境等多學(xué)科的理論與技術(shù)對黃河進行三維虛擬表達(dá)的原理、途徑和場景，從空間地理的視角奠定了黃河流域數(shù)字化的方向和目標(biāo)，是我們科學(xué)地認(rèn)識、研究、開發(fā)、保護及治理黃河不可或缺的有效平臺。其總體框架涵蓋了黃河治理開發(fā)與管理的主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域和數(shù)字流域的主要方面，科學(xué)定義了各自的功能和相互關(guān)系；所確定的標(biāo)準(zhǔn)化體系，不僅為“數(shù)字黃河”的數(shù)據(jù)采集和服務(wù)統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，也豐富了水利行業(yè)數(shù)據(jù)的內(nèi)涵；建立的數(shù)據(jù)存儲體系，科學(xué)配置了數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的有效存儲和開放共享；在服務(wù)平臺的支持下，實現(xiàn)了應(yīng)用軟件的共享、復(fù)用及集成；所建立的三維視景系統(tǒng)把黃河下游的地理信息和工程建設(shè)有機的組合，裝入到計算機中，并實現(xiàn)了洪水模型的可視化表現(xiàn)，初步提供了虛擬仿真和虛擬實現(xiàn)的環(huán)境。

　　在一期工程的建設(shè)中，遵循“需求牽引，應(yīng)用至上”的原則，成功搭建了“數(shù)字黃河”的框架，優(yōu)先開發(fā)了主要業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)?！皵?shù)字黃河”在黃河治理開發(fā)與管理的創(chuàng)新實踐中發(fā)揮了重要作用，其建設(shè)成就與產(chǎn)生的廣泛影響是令人矚目的。

　　但是，“數(shù)字黃河”的現(xiàn)狀與其描繪的科學(xué)藍(lán)圖還有很大距離。在今后5~10年，“數(shù)字黃河”建設(shè)核心是數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)，重點將集中在四個方面：一是強化多分辨率下空間地理及生態(tài)環(huán)境信息數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化采集，以及以地理的視角在GIS環(huán)境下以空間對象的方式高效存儲組織數(shù)據(jù)；二是加大與黃河演變、治理開發(fā)與管理密切相關(guān)的數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)的開發(fā)，特別是黃土高原土壤侵蝕模型、水庫調(diào)度模型、黃河下游河道水沙演進模型、河口模型、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報模型、寧蒙河段冰凌預(yù)報模型的建設(shè)；三是推進虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用研究，逐步實現(xiàn)黃河的三維表達(dá)；四是進一步開展基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用服務(wù)平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和綜合決策會商平臺建設(shè)。

　　不久的將來，“數(shù)字黃河”將成為公眾認(rèn)識、理解黃河的平臺，成為公眾參與塑造黃河流域人水和諧關(guān)系的平臺，成為開發(fā)利用與管理保護黃河的科技支撐平臺。

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　　報告人簡介

　　李國英，黃河水利委員會主任，研究生學(xué)歷，教授級高級工程師，中共十六大、十七大代表、第十屆全國人大代表。

　　1984年7月華北水利水電學(xué)院畢業(yè)，先后在黃河水利委員會、水利部、小浪底水利樞紐建管局、黑龍江省水利廳等單位從事河流規(guī)劃、水利工程建設(shè)、技術(shù)管理、治河工作。

　　撰寫《治水辯證法》、《治理黃河思辨與踐行》和《維持黃河健康生命》等學(xué)術(shù)專著，在國內(nèi)外期刊發(fā)表論文50余篇。通過實踐探索，適時提出了“維持黃河健康生命”的治河理念及數(shù)字黃河、模型黃河及原型黃河的治河手段，并逐步形成了“1493”治河體系。