(水利部黃河水利委員會)

　　1、背景

　　1998年1月31日，美國前副總統戈爾在加利福尼亞科學中心作了題為“數字地球：認識21世紀我們的星球”的演講，首次公開提出數字地球的概念（[1]）。在他看來，數字地球就是一種可以嵌入海量數據的、多分辨率的、關于地球的三維表示。演講中列舉了數字地球需要的技術，主要包括：計算科學、海量存儲、衛星影像、寬帶網絡、互操作性及元數據等技術。演講的最后指出，在數字地球第一階段應該集中精力整合已有的數據，第二階段實現1米分辨率的數字世界地圖。顯然，數字地球的實現是一個浩大的工程，需要全世界各個國家、組織、企業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、企業和科研院校等紛紛啟動了相關的課題，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“數字地球”項目（[2]）以及法國地礦局BRGM的InfoTerre系統（[3]）。

　　數字地球的核心思想就是用數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地球的信息；其特點是嵌入海量地理數據，實現對地球的多分辨率、三維描述。通俗地講，數字地球就是用數字的手法將地球、地球上的活動及整個地球環境的時空變化裝入電腦中，并實現網上流通，最大限度地為人類的生存、可持續發展和日常的工作、學習、生活、娛樂服務。嚴格地講，數字地球是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，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量。

　　數字地球概念的提出具有深刻的技術、環境、經濟、社會、政治及軍事等背景，也是信息技術高度綜合發展的必然。同時，數字地球概念在許多領域產生了廣泛影響，繁衍了數字城市（[6]）、數字流域（[7]）等許多概念。

　　在吸收數字地球先進理念的基礎上，根據黃河的實際情況，圍繞21世紀黃河治理開發與管理的目標，2001年7月我們提出了“數字黃河”的概念（[4]）。“數字黃河”概念的提出具有鮮明的黃河流域背景，具體表現在以下兩個主要方面：

　　（1）進入21世紀，黃河治理開發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，大量生態用水被擠占；三是水土流失尚未得到有效遏制；四是水質污染日趨嚴重。

　　針對上述問題，新時期黃河治理開發與管理的目標確定為：一是初步建成黃河下游防洪減淤體系。二是完善水資源統一管理與調度體制，優化黃河水資源配置。三是加強黃土高原特別是多沙粗沙區的治理，努力實現入黃泥沙再減２億噸。四是加強水質監測體系建設，為遏制黃河水質惡化的趨勢創造條件。

　　（2）從20世紀80年代初開始，特別是90年代以來，黃委的信息化在數據采集、通信與計算機網絡、專業數據庫建設，以及遙感和地理信息系統應用、業務應用系統開發等方面取得了很大成績，先后建成的各種信息系統在黃河治理開發與管理的實踐中發揮了重要作用。更重要的是，各類信息系統的運行積累了海量數據，包括水文氣象數據、流域空間地理數據、河道及斷面數據等。但總體上講，由于缺乏從基礎設施建設到業務應用的整體規劃，基礎設施功能比較松散、數據采集技術不夠完善、各種專業模型沒有充分開發運用，缺乏統一的標準和規范，低水平重復建設和信息孤島現象比較普遍，信息資源不能得到有效共享和利用，系統的整體性能不高。

　　 分析新時期黃河治理開發與管理的目標及其面臨的一系列問題、對比治黃工作的信息化水平，發現治黃工作的信息化現狀已不能滿足治黃工作對管理和決策的科學性、準確性及時效性的要求。以“數字黃河”概念為指導，充分吸收當今世界先進成熟的理論和技術，對治黃工作的信息化建設進行統一規劃、設計和開發部署是治黃通往現代化的必由之路。“數字黃河”能夠以信息化為主要技術手段加速黃河治理開發與管理方式的現代化，為快速采集各類數據、準確無誤傳輸數據、安全高效地存儲數據、最大限度地共享各類資源提供先進的平臺，提高問題預測、決策的反應能力。

　　2、數字黃河的科學含義

　　2.1   基本概念

　　 “數字黃河”，就是借助全數字攝影測量、遙測、遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）等現代化手段及傳統手段采集基礎數據，通過微波、超短波、光纜、衛星等快捷傳輸方式，對黃河流域及其相關地區的自然、經濟、社會等要素構建一體化的數字集成平臺和虛擬環境，在這一平臺和環境中，以功能強大的應用軟件系統與數學模型對黃河治理開發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，增強決策的科學性和預見性（[4]）。

　　簡單地說，“數字黃河”就是“原型黃河”的虛擬對照體，即通過全數字化數據庫平臺的構建，建立黃河流域及其相關地區的數字化（虛擬）研究環境，通過數學模擬系統對黃河治理開發和管理的各種方案進行模擬、分析和研究。

　　通俗地講，“數字黃河”就是把黃河裝進計算機，從而可方便地模擬、分析、研究黃河的自然現象，探索其內在規律，為黃河治理、開發和管理的各種方案決策提供科學技術支持。

　　“數字黃河”包括三個層次的內容：第一層是覆蓋全流域的、完善的數據采集及高質量的數據通信傳輸系統；第二層是海量數據的存儲管理與信息資源共享系統；第三層是能夠對黃河的現在、過去及其將來各自然現象進行模擬仿真的數學模擬系統和各類業務應用系統。

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

　　“數字黃河”從地理的視角表達了自然黃河，在空間上覆蓋了黃河流域及其相關地區，是自然界的黃河在計算機和網絡世界的虛擬表達，是幫助我們認識、理解并分析把握黃河自然規律的平臺；同時，“數字黃河”也為治理開發與管理黃河提供了決策支持的技術環境。

　　2.2  “數字黃河”與“三條黃河”

　　在新時期我們提出的黃河治理開發與管理的整個科技治河體系中，“數字黃河”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，即“原型黃河”、“數字黃河”和“模型黃河”（[5]）。三者的相互關系見圖1。

圖1  三條黃河的相互關系

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

　　“數字黃河”是“原型黃河”的虛擬對照體，可以對黃河治理開發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。“模型黃河”主要是通過對“原型黃河”所反映的自然現象進行反演、模擬和試驗，從而揭示“原型黃河”的內在規律。它的作用是直接為“原型黃河”提供治理開發方案，同時，“模型黃河”還應成為“數字黃河”通過模擬分析提出“原型黃河”治理開發方案的中試環節。

　　“原型黃河”、“數字黃河”、“模型黃河” 相互關聯、互為作用，共同構成了支持黃河治理開發與管理的科學決策場。在實際應用中，通過對“原型黃河”的研究，提出黃河治理開發與管理的各種需求；利用“數字黃河”對黃河治理開發方案進行計算機模擬，提出若干可能方案或預案；利用“模型黃河”對“數字黃河”提出的可能方案或預案進行試驗，進行修改和完善，提出可行方案或預案；最后將所選方案或預案在“原型黃河”布置或實施，經過“原型黃河”實踐，逐步調整、優化，以保障治理開發方案的技術先進、經濟合理、安全有效。

　　3、應用及科學技術問題

　　如前所述“數字黃河”是原型黃河的虛擬對照體，是計算機和網絡中的黃河。那么，流域中與黃河相關的重大自然事件和人類活動都應按一定的時空尺度反映在“數字黃河”之中。同時，“數字黃河”也必須為預測管理黃河的重大自然事件、規范并優化人類影響河流的活動、進而建立和諧的社會與河流的關系提供科技支持。為此，“數字黃河”需要回答和解決治黃應用與相關科學技術兩方面的問題。

　　3.1  治黃應用方面

　　（1）水文氣象情報預報

　　水文氣象情報預報已經由傳統的僅為防汛減災提供服務擴展為防汛、水資源管理和調度、水資源保護和監測、調水調沙等重大治黃實踐提供決策依據，其主要任務是接收處理各類氣象、雨水情信息，制作和發布氣象預報和水文預報。“數字黃河”必須解決氣象、水雨情數據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測。

　　（2）防汛減災

　　防汛減災的核心是對洪水資源實施調度與管理，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象，“數字黃河”必須能模擬預測洪水泥沙演進和洪水致災情況、優化水庫及相關工程的聯合調度運用方案，以洪水資源利用的最大化和洪水致災的最小化為目標，為防汛減災提供科學高效的支持。

　　（3）水資源管理與調度

　　黃河水資源的統一管理與調度是維持黃河健康生命、優化水資源在黃河流域及相關地區配置的重要措施和保證。其核心是根據黃河水資源動態情況，優化確定黃河水資源在不同時空的配水方案，實施水資源的精細調度。“數字黃河”必須能模擬黃河水資源的狀態、黃河流域及相關地區典型的需水和用水情況，能夠動態編制、管理和模擬水資源配置與調度的不同方案，同時能夠監視水資源的調度情況并進行控制。

　　（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地區的環境與社會生活引水和用水安全提供科技支持。其核心任務是對水質、水環境進行監測、監督和分析評價。“數字黃河”必須能夠及時采集大量的水質、水環境數據，在此基礎上對其狀態進行模擬、評價；能夠計算模擬不同時空黃河水環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警預報；對污染物在特定河段的輸移擴散過程進行模擬仿真、預測預報。

　　（5）水土保持生態環境監測

　　黃河流域水土保持生態環境監測旨在通過相對完善的監測網絡，為水土保持規劃提供支持，對各類水土保持措施進行評價分析。“數字黃河”必須建立相對完善的水土保持監測網絡，采集水土流失的基本數據，準確掌握關于流域內特別是黃土高原的水土流失、生態環境信息。同時，應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  科學技術方面

　　建設“數字黃河”需要解決許多科學技術方面的問題，主要包括以下內容：

　　（1）為在計算機中提供關于黃河的三維真實表達，必須以時空為參照對“數字黃河”相關的海量異質數據進行高度集成、科學組織和高效存儲。為此，必須解決以統一的空間地理坐標為索引并且引入時間維對數據標注的問題，以及空間地理數據的元數據標準問題。

　　（2）多分辨率、不同時空密度的數據采集和處理問題。由于黃河流域自然氣候、地質地貌的復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據采集相關的、黃河流域呈現的特有技術和儀器設備問題。

　　（3）探索黃河的水沙、水環境等相關因素的變化規律、把握其機理并建立相應的數學模型。黃河流域的許多水沙現象的成因和環境是獨一無二的，在其它常見流域情形已知的自然現象和事件的規律以及為之建立的各類數學模型不符合黃河的情況。因此，為使“數字黃河”能夠模擬仿真“原型黃河”的水沙過程和現象，必須研發一系列反映機理的數學模型。

　　（4）與黃河的三維表達密切相關的虛擬現實和仿真問題。 “數字黃河”最終要在開放變化的Internet環境下模擬仿真“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、虛擬現實和仿真等技術相關的問題。

　　4、“數字黃河”框架

　　“數字黃河”主體框架采用了包括基礎設施、應用服務平臺、應用系統在內的三層架構體系，以及與之相關的技術支持和工程保障體系等，見圖2。

圖2  “數字黃河”框架

　　基礎設施主要完成各類數據從采集、傳輸到存儲與管理。根據黃河的自然特性和黃河治理開發與管理需要，借助逐步完善的“原型黃河”的測驗體系，利用GPS、RS、遙測、人工觀測等技術廣泛采集數據信息；利用高速計算機及通信網絡，快捷、實時地將采集的數據傳輸到數據存儲與管理系統之中。

　　應用服務平臺是“數字黃河”信息資源的管理者，也是應用系統服務的提供者。它是一個開放的資源共享和應用集成平臺，同時也是可視化表達的公用服務平臺，為各類業務應用提供重要支撐。在應用服務平臺層，集中了“數字黃河”中的有關數據處理、信息資源共享、核心業務計算與模擬分析等功能。

　　應用系統層在可視化的應用服務平臺之上，包括防汛減災、水量調度、水資源保護、水土保持、水利工程管理等專業應用系統，為治黃業務提供專業決策支持和信息服務。綜合決策支持是“數字黃河”的最高層次應用，它以各專業應用系統為主體，通過應用虛擬仿真技術為各應用集成提供模擬分析的軟硬件環境和虛擬現實、業務仿真的可視化環境，完成對治黃業務工作的監測、分析、研究、預測、決策、執行和反饋的全過程。

　　政策法規與組織領導是 “數字黃河”實現的重要保障和支撐；標準體系與技術支持是保持“數字黃河”開放、先進的關鍵。

　　5、“數字黃河”建設

　　“數字黃河”是一個極其復雜的系統，需要一個建設、完善和不斷優化的長期過程。在“數字黃河”的理念提出之后，堅持“需求牽引，應用至上”、“急用先行，分期建設”的原則，對其建設實行“統一領導，統一規劃，統一組織，統一管理”。以黃委信息化資源的現狀為起點，充分吸收利用信息化及相關學科當今世界先進的技術，以滿足新時期黃河治理開發與管理的工作需要為首要目標，研究確定了“數字黃河”建設的總體規劃（[8]），提出了流域大規模信息化系統的三層體系框架，實施了“數字黃河”建設的一期工程，其框架和主要應用系統已建設完成。

　　一期工程完成建設的重點內容體現在以下幾個方面：

　　（1）“數字黃河”工程規劃與標準規范體系

　　堅持以治黃業務需求為指導，通過深挖自身應用需求，根植于國內外數字領域的先進理論基礎，緊扣業務實際應用，完成了“數字黃河”工程規劃。規劃明確了“數字黃河”的總體框架以及建設的目標和任務。

　　根據“數字黃河”的需要，針對黃委的體制和黃河特點，在國家和水利行業標準體系的指導下，從資源整合和信息共享出發，提出并建立了黃河流域信息化標準及規范體系，確定參照引用的國家標準273項、水利部標準75項，制定并發布黃委的標準和辦法56項，為實現“數字黃河”的開發建設、信息資源共享提供了保障。

　　（2）基礎設施

　　實施了水文測報現代化升級，黃河測驗網絡體系得到極大完善。水文氣象、工程數據的采集充分利用了包括RS、GPS等在內的各種先進測驗技術和設備，其時效性、準確性、時空密度與廣度明顯增強。

　　組合各種通信技術，建成了黃河流域專業通信網絡，實現了包括黃委系統內省市縣各級單位在內的100多個局域網、5000多臺終端的聯網運行。在廣域網范圍內實現了設備的遠程監控和管理，以及各類信息的網絡傳輸。

　　基本建成了國家水文數據庫和黃河基本河情、實時水雨情、黃河下游工情險情、黃河水土保持、水量調度、防洪工程等數據庫；建成了數據中心一期工程，實現了黃河水文、實時水雨情、工情險情等數據庫的協調統一管理，初步實現多源、異構海量數據的存儲管理和共享服務。

　　建成了黃河高性能計算平臺，有效地支撐了中尺度數值天氣預報和二維水沙演進模型等黃河上復雜的、基于海量數據的高性能計算。

　　建成了黃河基礎地理信息中心，完成了《黃河基礎地理信息系統總體設計》，建設了多尺度、多分辨率、多種類的黃河空間數據體系，構建了統一的黃河基礎地理信息服務平臺。

　　（3）數學模型

　　自主研發了黃河下游二維水沙演進、洪水預報、枯水調度、水庫調度等數學模型，并初步形成模型系統研發和應用的可持續發展模式。

　　（4）業務應用系統

　　建成了防汛減災、水量調度、水資源保護、水土保持、工程建設與管理和電子政務等業務應用系統，并采用應用服務與中間件技術，實現了水文氣象、洪水預報與防洪減災調度、黃河下游二維洪水演進與三維視景等系統耦合，提升了系統的整體性能。

　　（5）綜合集成

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

　　總之，“數字黃河”的建設形成了覆蓋全河的信息高速公路；數據采集平穩過渡到利用遙測、遙感等各類先進的技術與設備為主要手段并以寬帶網絡傳輸為主的方式；測驗站網布局與結構、黃河測驗體系得到進一步調整，滿足了信息采集的更高需要；實現了信息基礎設施和應用系統的資源整合；通過虛擬會商環境支持下的黃河防汛指揮中心、水文預報中心和水量調度中心，運行各種水利專業模型，初步形成了一個面向具體應用的虛擬仿真系統；可以對有關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字集成平臺和虛擬仿真環境下模擬、分析和研究，增強了決策的快速反應能力，提高了決策的科學性和準確性。

　　6、科技創新

　　“數字黃河”的提出及其一期工程建設取得的科技創新體現在以下幾個方面：

　　（1）提出了“數字黃河”的理念及其體系構架，開創了流域水利信息化建設的新模式，并對水利信息化的行業發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準及規范體系，填補了“數字黃河”工程標準體系的空白。

　　（2）按照“數字黃河”的總體構架，實現了數據采集、傳輸、存儲的一體化及六大應用系統的綜合集成，建立了“數字黃河”統一的共享應用服務平臺，提高了系統的整體技術水平。

　　（3）針對現有設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的瓶頸問題，研發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據采集設備，填補了多泥沙河流的多項測驗空白，使數據采集環節更符合信息化技術需求，提升了系統的整體先進性。

　　（4）結合黃河流域特色，深入機理研究，自主研發了適用于黃河的水沙聯合調度、二維水沙演進、產匯流和水資源調度等一系列專業數學模型。

　　（5）綜合各類先進的虛擬現實技術實現了決策會商的可視化。在豐富的黃河空間地理數據、經濟社會數據和各類專業數據的支持下，通過采用3D、GIS及虛擬現實等技術，運行相應的數學模型，在高速寬帶通信網、計算機網絡構成的平臺上，開發了黃河下游三維視景系統，可以模擬再現歷史洪水演進和給定水文、河流邊界條件模擬預測可能發生的洪水過程等。

　　7、應用實踐及效果

　　“數字黃河”遵循規劃確定的建設內容和建設原則，邊開發、邊應用、邊完善，穩步快速地推進。截至目前，基本實現了信息資源的共享，大大提高了黃河防汛減災、水量調度和水資源優化配置、水資源保護、水土保持生態環境監測、水利工程建設與管理等方面的現代化水平，提高了各類突發事件的應急處理能力，增強了決策的科學性和時效性。

　　（1） 基本實現了信息資源共享

　　在黃河治理開發與管理的長期過程中，積累了豐富的基礎資料和數據庫，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，標準不一，難以共享。通過實施“數字黃河”工程，對數據資源進行了統一規劃和建設，整合了現有數據資源，完善了通信和計算機網絡，實現了數據資源的共享和應用軟件系統的功能復用，避免了重復開發和資源浪費。

　　（2） 提高了各類突發事件的應急處理能力

　　黃河管理與決策的時效性非常強，突出表現在防汛、水污染防治和水資源調度緊急情況和突發事件的處理等方面。由于信息采集、傳輸和處理手段落后，耗時過多，造成預見期短，給防汛、水污染防治和水資源調度工作造成被動。如，在“數字黃河”工程之前，全流域的水情數據30分鐘到報率是45%左右。通過“數字黃河”工程建設，利用遙測、遙感等高新技術改造了傳統信息采集、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“數字黃河”工程之前，黃委各業務部門根據其業務需要，開發過一些軟件系統，但限于計算和模型技術，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，水調與發電不能結合。通過“數字黃河”工程建設，利用現代計算機和模型技術，開發了功能強大的業務應用系統，建立了綜合決策支持系統和虛擬環境，在可視化的環境下對黃河管理與決策方案進行模擬、分析和研究，增強了多目標沖突的解決能力，提高了綜合決策能力。

　　（4）“數字防汛”已建各系統形成聯動，在防洪調度和調水調沙的實踐中應用成效顯著

　　防洪預報調度與管理耦合系統縮短了制訂實時洪水預報方案、防洪調度方案所需時間，提高了計算精度。耦合系統在2003年黃河防洪合成演練、防御秋汛洪水、第二次調水調沙試驗以及2004年的第三次調水調沙試驗中，均發揮了重要作用。在2003年合成演練中進行了模擬調度方案的計算工作，在規定時間內提供了較為合理的模擬調度方案。在2003年黃河秋汛洪水及第二次調水調沙試驗，系統提供了多個實時調度方案。黃河下游工情險情會商系統大大提高了防洪搶險決策的時效性和準確性。2003年以來，利用該系統共上報了近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）水量調度系統運用為合理配置水資源，保證黃河連年不斷流發揮了巨大作用

　　黃河水量實施統一調度管理以來，實現了連續6年不斷流，取得了顯著的經濟、社會和生態效益。這是綜合利用行政、法律、科技、經濟、工程等措施的結果，而其中作為科技手段的“數字水調”系統發揮了重要作用，為增強統一調度的科學性、提高調度精度和快速反應能力提供了不可替代的、強有力的支持。黃河下游枯水調度模型為優化配置水資源，實施水量精細調度提供了可靠依據，使水資源分配更趨合理，有效地節約了黃河水量，提高了黃河水量調度精度和時效性。如，在2002年冬季，采用枯水調度模型模擬優化的調度方案實施精確調度后節約了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重要的作用。黃河下游引黃涵閘遠程監控系統提升了黃河下游水量調度管理工作水平和工作效率。通過應用涵閘遠程監控系統，總調中心可隨時掌握遠程涵閘運行情況，實現了隨時啟閉涵閘閘門功能，極大地提高了防斷流與突發事件的應對能力。

　　（6）水資源監測與保護系統為水污染防治提供了實時可靠的水質信息

　　黃河水環境信息系統提高了數據采集和處理的準確性和時效性，完全改變了原來水質資料處理的落后方式，使黃河水資源保護工作在黃河水環境信息的管理方面更加規范化、現代化。干流自動水質監測系統實現了水質污染的有效監視，增強了突發性污染事件的快速反應能力，為水污染突發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、工農業生產帶來的損失方面發揮了作用。

　　（7）水土保持生態環境監測系統成為增強水土保持生態環境監測的關鍵手段

　　通過水土保持生態環境監測系統一期工程，初步建成了水土保持監控中心和監測中心站，構建了流域水土保持數據庫，開發了水土保持遙感調查、淤地壩設計和多沙粗沙區管理等相關應用系統。通過綜合應用遙感、地理信息系統和全球定位系統等技術，對全流域，特別是黃河中游多沙粗沙區有關水土流失和水土保持開展了快速調查和動態監測，使得監測手段和監測成果精度比傳統方法有了大幅度提高，為水土保持規劃、設計、監督和管理等業務提供了有力支撐。

　　（8）工程建設和管理系統提高了管理工作效率

　　工程建設和管理系統已建設了工程安全監測、在建工程管理及在線服務等系統。其中，工程安全監測對及時了解跟蹤水利工程的安全狀態、發現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。

　　8、結論與展望

　　“數字黃河”高度刻畫了以綜合集成的方式利用信息、水文、地理以及環境等多學科的理論與技術對黃河進行三維虛擬表達的原理、途徑和場景，從空間地理的視角奠定了黃河流域數字化的方向和目標，是我們科學地認識、研究、開發、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與管理的主要業務領域和數字流域的主要方面，科學定義了各自的功能和相互關系；所確定的標準化體系，不僅為“數字黃河”的數據采集和服務統一了標準，也豐富了水利行業數據的內涵；建立的數據存儲體系，科學配置了數據資源，實現了數據資源的有效存儲和開放共享；在服務平臺的支持下，實現了應用軟件的共享、復用及集成；所建立的三維視景系統把黃河下游的地理信息和工程建設有機的組合，裝入到計算機中，并實現了洪水模型的可視化表現，初步提供了虛擬仿真和虛擬實現的環境。

　　在一期工程的建設中，遵循“需求牽引，應用至上”的原則，成功搭建了“數字黃河”的框架，優先開發了主要業務應用系統。“數字黃河”在黃河治理開發與管理的創新實踐中發揮了重要作用，其建設成就與產生的廣泛影響是令人矚目的。

　　但是，“數字黃河”的現狀與其描繪的科學藍圖還有很大距離。在今后5~10年，“數字黃河”建設核心是數學模擬系統，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環境信息數據的系統化采集，以及以地理的視角在GIS環境下以空間對象的方式高效存儲組織數據；二是加大與黃河演變、治理開發與管理密切相關的數學模擬系統的開發，特別是黃土高原土壤侵蝕模型、水庫調度模型、黃河下游河道水沙演進模型、河口模型、水質預警預報模型、寧蒙河段冰凌預報模型的建設；三是推進虛擬現實技術的應用研究，逐步實現黃河的三維表達；四是進一步開展基礎設施、應用服務平臺、業務應用系統和綜合決策會商平臺建設。

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

　　參考文獻

　　[1] Al Gore，The Digital Earth: Understanding Our Planet in the 21st Century. Speech delivered at the California Science Center (CSC), Los Angeles, California, 31 January 1998

　　[2] SRI’s Digital Earth Project, http://www.ai.sri.com/pubs/files/908.pdf, August 1, 2002

　　[3] InfoTerre, http://infoterre.brgm.fr

　　[4] 李國英，建設“數字黃河”工程，人民黃河，2001, 23（14）：1~4

　　[5] 李國英，治理黃河思辨與踐行，中國水利水電出版社、黃河水利出版社，2003

　　[6] Toru Ishida, Understanding Digital Cities, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1765, Springer - Verlag, 2000

　　[7] 張勇傳 王乘, 數字流域：數字地球的一個重要區域層次, 水電能源科學, 2001, 19 (3): 1~3

　　[8] 黃河水利委員會，“數字黃河”工程規劃，黃河水利出版社，2003

　　報告人簡介

　　李國英，黃河水利委員會主任，研究生學歷，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月華北水利水電學院畢業，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劃、水利工程建設、技術管理、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》等學術專著，在國內外期刊發表論文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。