环境信息系统：数字化水管理铺路（水4.0）的发展与挑战

工程5（2019）828意见和评论环境信息系统：为数字化水管理铺平道路（水4.0）Olaf Kolditza，b，e，Karsten Rinka，Erik Nixdorfa，Thomas Fischera，Lars Bilkea，Dmitri Naumova，廖振良c，e，岳天祥d，ea德国莱比锡亥姆霍兹环境研究中心环境信息学系，邮编：04318b应用环境系统分析，德累斯顿工业大学，德累斯顿01069，德国c联合国环境署-同济大学环境科学与工程学院同济环境d中国科学院地理科学与资源研究所生态与环境信息学研究室，北京1000101e中德环境信息科学研究中心（RCEIS），莱比锡04318，德国1. 介绍描述我们的自然和人为环境的可靠信息的可用性，特别是它的变化，对于理解环境系统内结构和过程的复杂性至关重要。现代遥感和监测方法提供了越来越多的环境数据，可用于各种管理目的[1，2]。过去，地理信息系统（GIS）被广泛用于收集和展示地理背景下的数据，用于各种目的，特别是为了将来自不同领域的信息结合起来，例如环境和健康（见参考文献1）。[3，4]举两个例子。此外，网络工具已与地理信息系统方法联系起来，以便在线提供数据[5]。为各种目的建立信息系统的尝试是这并不新鲜;例如，在20世纪90年代，为环境数据管理设计了所谓的专家系统[6]。这些专家系统主要由综合数据库驱动，但由于缺乏协同工作的概念和工具以及当时的技术限制而关于环境信息系统（EIS）的一般研究始于大约十年前，并得到了政治承诺的支持，例如欧洲委员会要求共享EIS，旨在促进定期环境评估和环境状况报告[7]。Gu等人[8]提出了一个基于湖泊流域水流模型（WATLAC）湖泊模拟结果的虚拟环境来支持决策过程。梅尔维尔[9]提出了一个关于环境可持续性情景信息系统的研究议程。最近的工作涉及EIS的发展，例如农业中的精确耕作[10]，沿海系统陆地和海洋环境的联系[11]，经济[12]以及对信息不确定性影响的调查[13]。最近，出现了一些关于扩展EIS概念以解决社会经济问题和数据政策的作品[14]。Jung E和Jung EJ[15]介绍了一种EIS，决策和评估韩国自然灾害的影响。他们通过面向服务的体系结构（SOA）集成了EIS，以便在不同的规模上使用EIS方法，例如在全国范围内和选定的地区。此外，2018年出版了一些关于EIS基础的新的综合性著作[16上面提到的大多数方法都通过添加数据管理或信息可视化方法来扩展标准然而，这种类型的方法忽略了一个事实，即复杂的水文系统包括瞬态三维（3D）过程。相比之下，采用虚拟地理环境（VGE）进行数据探索，分析和决策需要考虑数据的复杂性Su等人[19]为大规模海洋水环境数据开发了一个利用虚拟现实（VR）方法在更真实的地理环境中呈现环境过程[20，21]是一个逻辑结论，涉及水文或大气输入数据的性质、参数空间的多变量性质以及探索和理解观测和模拟数据的需要，以便设计水管理概念。在这种情况下，当集成和组合来自各种数据源的异构信息时，科学可视化发挥着重要作用，特别是用于数据验证[22VGE可以应用于水文和水资源管理的业务方面，如缺水识别[25]，早期洪水预警[26]和水污染控制[27]。正在进行的大数据辩论正在关注信息科学在许多领域的应用，包括环境科学和技术。因此，大数据和相关的工业4.0范式正在加速构建有意义的信息系统的过程，并调用机器学习和人工智能等概念，以进一步提高数据的价值。https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.08.0022095-8099/©2019 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engO. 科尔迪茨 et al. / Engineering 5 （2019）828829环境信息系统的概念远远超出了地理信息系统的既定用途，即在地理范围内提供现有数据。EIS概念包括使用连续数据流进行模型验证来预测环境中的变化的能力。此外对于环境信息系统的概念性工作而言，为特定目的优化现有环境数据的可用性而制定定制工作流程的技术发展至关重要。2. 方法相应的“水4.0”框架[28，29]的开发目前的工作有助于①进一步发展信息物理系统（CPS）的概念，②展示其在中德合作项目中巢湖和鄱阳湖流域两个具有挑战性的水管理案例研究中的水资源管理数字化的概念如图1所示。真实水系统由所谓的“数字孪生”--虚拟水系统（VWS）--表示，根据具体应用目的，虚拟水系统必须包含真实系统的所有重要特性和特征。作为第一个案例研究（第3.1节）的示例，VWS包括现有的供水和废水处理基础设施。为了获得持续的信息，虚拟系统必须包括实时监测和遥感信息的接口。VWS需要两个主要功能：①连续数据集成（包括在线数据）算法和②水文过程（数量和质量）建模算法，以预测水系统的行为。这包括分别用于快速和慢速过程的短期和长期预测算法，例如下水道网络，洪水和地下水。具体而言，VWS需要代表地表和地下水生区室之间的反馈，以便成为用于操作和长期水管理目的的有意义的数字孪生模型。水基础设施的自动控制是水4.0概念的实际挑战之一。VWS捕捉了真实水系统的所有重要特征，是实现这一目标的重要先决条件。科学可视化在VWS概念中起着关键作用，它集成了大量的异构数据，Fig. 1.为供水目的建立环境影响报告书的概念。‘‘>” means在现实地理背景下的环境数据[22]，以及在解决数据和模型的不确定性方面[34]。3. 示范实例为了说明上述方法，我们提出了两个水资源管理的示范案例：①巢湖案例，涉及一个快速发展的城市供水，②鄱阳湖案例，涉及保护水生态系统。3.1. 巢湖EIS巢湖环境影响报告书（简称巢湖环境影响报告书）是专门为巢湖供水而编制的，因为巢湖是巢湖的主要水源。这一环境影响报告书的挑战是将三个水生部分的数据和过程结合起来：湖泊、城市水系统和地下水。图2[32]描述了从可用监测设备收集数据的相应工作流程。数据集成包 括 硬 件 （SensoMastery[35] ） 和 软 件 组件 （ 用 于 数 据 可 视 化 的AL.VIS 网 络 接 口 [36] 整 个 工 作 流 程 嵌 入 到 3D VR 环 境 yy[37]（OpenGeoSys DataExplorer，图3[32]）中。可视化是实现企业信息系统的重要工具数据的结构和复杂性需要现实的地理环境和交互式数据探索的可能性[38，39]。最终产品使用Unity构建[40]，以确保为个人计算机和VR环境（如头戴式显示器或视频墙）提供有关巢湖环境影响报告书的详细信息，请参阅参考文件。[32].3.2. 鄱阳EIS环境影响报告书的概念非常灵活，可以在不同的尺度上处理水管理的几个方面为了反映鄱阳湖流域的水文过程，如由于流域复杂的产流过程以及与长江水位动态的相互作用而引起的湖泊面积的季节变化，开发了鄱阳湖EIS原型（Poyang EIS）。 4）[41]。鄱阳湖形成了一个规模独特的高度动态的作为长江下游流域的一部分，太湖分析湖泊的恢复力对于三峡大坝或南水北调工程等长江沿线的大型水利建设措施非常重要。高精度的环境信息系统可用于规划和环境影响评估。鄱阳湖环境信息系统将鄱阳湖流域（162225km2）的水质、水量水文观测数据、地表水和湿地地下水的水位、流量特征数值模拟结果关于鄱阳湖环境影响报告书的更多信息可以在参考文献中找到。[41，44]。y来自AMC-Analytik Messtechnik GmbH Chemnitz。来自WISUTEC Umwelttechnik GmbH。亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）。830O. 科尔迪茨 et al. / Engineering 5 （2019）828图2. 巢湖EIS数据工作流程。复制自Ref。[32]经Springer Nature Switzerland AG许可，©2019。图三.巢湖EIS：展示巢湖市的基础设施;对于给定的数据点，可以交互显示在线照片和模拟结果。复制自Ref。[32]经Springer Nature Switzerland AG许可©2019。图4.鄱阳湖EIS：显示水质方面（彩色水体）以及观察和测量位置（彩色球体）[41]。图五. EIS观点。OGS：OpenGeoSys。4. 结论和观点Water 4.0主要关注水系统的自动操作管理，以控制和优化现有基础设施。这一概念的实现仍处于初级阶段。为了证明和进一步推进一般概念，必须进行实际案例研究。水的成功4.0 这些概念不仅取决于计算机科学的进展，而且主要取决于决策者、利益相关者和决策者的参与EIS的概念依赖于水4.0，但通过包括已建立的建模工具，在水文环境的可预测性方面又向前迈进了一步。图5描绘了从分析平台OpenGeoSys[45]的角度来看的透视图，其中工作流已经被实现用于各种环境应用，包括城市能源基础设施（即，地热系统[46-未来的应用程序将受益于对信息科学和技术的现代概念的探索，例如可视化数据分析，机器学习方法和人工智能。需要考虑计算机硬件的新发展，以便将可用的计算能力用于O. 科尔迪茨 et al. / Engineering 5 （2019）828831更精细和精确的工艺模拟（例如，exascale计算）。因此，开发路径需要以面向开发和面向应用的原则为指导通过EIS和水4.0概念，特别是通过应用研究，将环境科学与信息技术相结合，将进一步为数字媒体水管理铺平道路，这是一个有前途的新研究领域中德环境研究合作[52]。确认本文的材料基于2018年10月24日至25日在中国杭州举行的中国工程院（CAE）水污染控制国际高峰论坛我们非常感谢中国环境科学研究院（CRAES）对会议的作者还非常感谢各种赠款的财政支持：德国联邦教育和研究部（BMBF）在中国重大水资源计划（02 WCL 1337 A-E）框架内资助巢湖项目，中德科学促进中心（CDZ）为鄱阳湖项目（GZ1167）提供资金，亥姆霍兹协会支持建立环境信息科学中心（HIRN0002 ） ， 中 国 科 学 院 （ CAS ） 通 过 中 科 院 院 长 国 际 奖 学 金 计 划（PIFI）为各种活动引用[1] [10]张文辉，张文辉，张文辉，张文辉. 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