【编者按】为了更好地推广学者的研究成果，我们将不定期地推送一些尚未见刊的稿件的精华观点，以飨读者。本文为本刊已录用文章《美国国家水文数据库的构建管理和行业应用》的精华版，作品的发布已取得作者授权。欢迎读者指正、讨论。在此感谢在百忙中抽出时间撰写精华版的作者，你们的努力让学术论文的阅读体验变得更好。
面对我国国土空间规划“一张图”的建设实践，将不同行业地理空间数据的规范标准、系统架构和管理维护进行整合与统一，已成为地理空间数据库的建设发展方向。水文数据作为反映区域场地的水文特征、水资源状况的主要依据，是国土空间规划“一张图”的组成部分，是构建国家地理信息数据框架的重要基础资料和信息资源，在乡村水利工程、小流域综合治理、水源地的整治保护、农业面源污染控制等方面具有重要作用。
1960年代后期，随着地理信息系统和数据库技术应用的逐渐普及，世界各国开始使用水文数据建立水文数据库，如俄罗斯建立的自动化水文资料系统（AHIS: Automatic Hydrology Information System），澳大利亚气象局建立的澳大利亚水资源信息系统（AWRIS: Australian Water Resources Information System），欧盟环境保护局建立的EU-Hydro数据集，以及加拿大的国家水文网络（National Hydro Network）等。
美国国家水文数据库始建于1990年代，由美国地质调查局主导，各州和地方水文部门协作共同建立，包含数字线化图（DLG: Digital Line Graphic）和河段编码数据（RF3: Reach File version 3.0）两部分，并于1999年开始提供公开服务。2000—2008年，美国地质调查局相继建立了国家水文数据集（NHD: National Hydrography Dataset，图1a）和国家水流域边界数据集（WBD: Watershed Boundary Dataset，图1b）两个产品；2007—2015年，美国地质调查局基于1: 24000比例尺的地图建立了国家水文数据集+（NHD Plus: National Hydrography Dataset Plus，图1c），提供了更为全面的水文信息；2016年开始建立高分辨率国家水文数据集+（NHD Plus HR: National Hydrography Dataset Plus High Resolution，图1d），数据精度得到进一步提升。
图1 美国国家水文数据库主要产品示意：a 国家水文数据集；b 水流域边界数据集；c 中分辨率国家水文数据集+；d 高分辨率国家水文数据集+
在数据库的构建与管理方面，美国国家水文数据库从资源数据采集、存储、预处理等方面，对数据符号、结构和属性信息等制定了统一的标准规范，包括相关导则、用户指南和数据模型等。地理空间数据库的各类专题数据录入、审查和更新等操作，涉及城乡多部门之间的管理与协调，需要建立规范化、协同化的管理机制。美国水文数据库基于全国“一张图”的模式建立，由联邦机构和地方各级相关单位共同编制，并通过管理者和用户社区进行更新与维护（图2）。美国地质调查局还发布了各类水文产品统一的编辑工具，以实现用户权限和编辑审批的协调管理。每个流域区域内由负责该区域的部门对水文数据进行采集、编辑、处理和上传，以完成各类水文产品数据的更新。
图2 美国国家水文数据集协同管理关系
各类地理空间数据库的建设、更新与维护过程需要大量人工判别与处理过程，随着计算机算法的发展，自动识别与处理技术已经成为新的研究热点。美国国家地质勘探局与相关研究机构合作，探索自动识别与处理技术的应用。如在河网提取方面，传统方法通常使用水流累积建模（FAM: Flow Accumulation Modeling）进行识别，然而由于数字高程模型（DEM）无法表达涵洞和地下管渠等设施，其生成的水网模型往往不够准确，且需要大量人工验证和编辑工作，因此，为降低人工成本，实现水文数据集处理的自动化，美国国家地质勘探局采用基于河流断面曲率和基于神经网络的自动识别技术（图3）。
图3 自动化识别测流方法：a 横截面分析确定河道位置；b 人工神经网络模型U-net训练数据确定涵洞位置
美国国家水文数据库各类数据产品对公众开放并持续更新，相关数据产品可在美国国家地图网站下载获取。通过数据的开放共享，可产生显著的行业效益与价值。美国水文学需求和收益研究中心（HRBS: Hydrography Requirements and Benefits Study）2012年的调查报告显示，美国国家地质勘探局提供的水文数据的年度效益高达5.38亿美元。应用范围包括水文建模（图4）、流域管理（图5）、环境保护（图6）、资源管理、制图、应急响应（图7）等。
图5 利用水流域边界数据集的次级边界流域数据来评估受损水域，保护生态敏感区，清除入侵物种，改善重要物种栖息地
图6 美国森林服务局（USFS）利用国家水文数据集建立了流域状况评估框架（WCF: Watershed Condition Framework），并对国家森林系统土地流域状况进行分类
相较于美国水文数据库而言，我国水文数据库建设尚存在水文数据标准不够统一、数据信息覆盖不够全面、数据库建设缺乏后期维护与更新、部分数据时效性不足等问题。借鉴美国国家水文数据库构建与管理经验，我国水文数据库可通过构建统一的城乡地理数据架构标准，建立数据库的协同管理协作机制，实现各类信息数据的架构平台统一和数据资源共享；并通过拓展水文数据信息应用服务，建立面向行业应用的数据平台，以发挥地理信息数据的服务价值，满足在城乡规划建设中土地管理、作物监测、环境保护等行业需求。UPI
作者：张炜（通信作者），博士，华中农业大学园艺林学学院副教授，农业农村部华中地区都市农业重点实验室成员。zhang28163@mail.hzau.edu.cn
徐霞，华中农业大学园艺林学学院，硕士研究生。xuxia@webmail.hzau.edu.cn
郝佳雪，华中农业大学园艺林学学院，硕士研究生。haojiaxue@webmail.hzau.edu.cn
朱春阳，博士，华中农业大学风景园林系副教授，农业农村部华中地区都市农业重点实验室成员。chun82006@sina.com
原文始发于微信公众号（国际城市规划）：期刊精粹 | 美国国家水文数据库的构建管理和行业应用【抢先版】
规划问道
