前言

20世紀(jì)末，前美國副總統(tǒng)戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”的概念，受到國際社會(huì)的極大關(guān)注。“數(shù)字地球”是我們星球的虛擬表示，它包含了人類社會(huì)在內(nèi)的所有系統(tǒng)和各種生命形式，并以多維、多尺度、多時(shí)相、多層面的信息設(shè)施表現(xiàn)出來[1]。數(shù)字地球的外觀是一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的地球，具有交互式功能，是我們對(duì)真實(shí)地球認(rèn)識(shí)的虛擬對(duì)照體，以及對(duì)真實(shí)地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一性的數(shù)字化重現(xiàn)與認(rèn)識(shí)?！皵?shù)字地球”這一概念的提出，既是人們認(rèn)識(shí)世界、改造世界的客觀需要，更是知識(shí)經(jīng)濟(jì)、信息社會(huì)發(fā)展的必然進(jìn)程。構(gòu)筑“數(shù)字地球”對(duì)于提高人們的生活質(zhì)量，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義[2]。數(shù)字地球的應(yīng)用可以劃分為全球?qū)?、國家層、區(qū)域?qū)?個(gè)層次。全球?qū)邮侵敢哉麄€(gè)地球?yàn)閷?duì)象，主要包括全球氣候變化、全球植被與土地利用、土地覆蓋變化、生物多樣性變化、全球海平面及海洋環(huán)境變化、全球地形變化及地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)（地震）以及全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平監(jiān)測(cè)與評(píng)估等[3，4]。國家層是指以一個(gè)國家為對(duì)象，包括資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析為研究對(duì)象，尤其對(duì)于農(nóng)作物種植面積、長(zhǎng)勢(shì)及估產(chǎn)，洪澇、干旱、火災(zāi)、蟲害等的監(jiān)測(cè)，交通及經(jīng)濟(jì)狀況監(jiān)測(cè)等。區(qū)域?qū)邮侵敢猿鞘?、集?zhèn)、農(nóng)村、社區(qū)為對(duì)象，包括信息化帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和升級(jí)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展態(tài)勢(shì)、管理和服務(wù)等。目前，數(shù)字地球、數(shù)字中國、數(shù)字城市、數(shù)字流域等研究在我國已蓬勃開展，取得了顯著的成就。

發(fā)達(dá)國家在現(xiàn)代化管理（或數(shù)字管理）方面的研究和應(yīng)用起步較早，并已在實(shí)際工程和管理中發(fā)揮了重要的作用，收到了巨大的效益。例如，美國、加拿大、日本、澳大利亞及西歐發(fā)達(dá)的國家在自然資源管理、河流（流域）現(xiàn)代化管理等方面，逐步實(shí)施了現(xiàn)代化管理，為現(xiàn)代河流管理提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

數(shù)字流域是應(yīng)用遙感（RS）、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DCS）、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)、現(xiàn)代通信等高科技手段，對(duì)河流（流域）資源、環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化、數(shù)字整合、仿真等信息集成的應(yīng)用系統(tǒng)，并在可視化的條件下提供決策支持和服務(wù)。

本書深入分析討論了中國數(shù)字流域基本概念、框架和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，探討了數(shù)字流域涉及的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)部分成功的案例進(jìn)行了剖析。本書的特點(diǎn)是，跟蹤數(shù)字流域最新理論與技術(shù)發(fā)展，理論和實(shí)踐相結(jié)合，多視點(diǎn)探討數(shù)字流域開發(fā)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)。

本書共分9章和附錄。第1章簡(jiǎn)述數(shù)字流域的基本概念和演化，以及數(shù)字流域與水利信息化之間的關(guān)系，數(shù)字流域國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，數(shù)字流域的建設(shè)目標(biāo)等內(nèi)容，由李紀(jì)人、朱強(qiáng)執(zhí)筆。第2章討論數(shù)字流域基本框架、結(jié)構(gòu)組成和保障體系等，由魏加華、潘世兵執(zhí)筆。第3章討論數(shù)字流域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)內(nèi)容，涉及信息采集處理、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)以及信息安全體系建設(shè)等內(nèi)容，由潘世兵、魏加華執(zhí)筆。第4章討論專業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，涉及平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)任務(wù)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用服務(wù)中間件、模型庫及其管理系統(tǒng)以及資源服務(wù)管理等內(nèi)容，由魏加華、潘世兵執(zhí)筆。第5章重點(diǎn)討論數(shù)字流域?qū)I(yè)應(yīng)用與決策支持，涉及數(shù)字防汛抗旱、數(shù)字水資源調(diào)度與管理、數(shù)字水環(huán)境管理、數(shù)字水土保持、數(shù)字水利工程建設(shè)管理等內(nèi)容，由丁志雄、李紀(jì)人執(zhí)筆。第6章討論數(shù)字流域關(guān)鍵技術(shù)，包括信息采集自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、“3S”及其集成技術(shù)、三維可視化與虛擬仿真技術(shù)等，由張建立、李紀(jì)人和潘世兵執(zhí)筆，其中部分內(nèi)容引自《當(dāng)代水利科技前沿》[189]第十三章（該章由李紀(jì)人和潘世兵撰寫）。第7章討論流域模擬模型技術(shù)，涉及數(shù)字高程與河網(wǎng)提取模型、流域水文和水力學(xué)模型、水量調(diào)度模型、水環(huán)境模擬模型、水土侵蝕、泥沙模型、流域模型的檢驗(yàn)和比較以及協(xié)調(diào)大尺度跨學(xué)科集成模擬技術(shù)等內(nèi)容，由張建立、魏加華、李紀(jì)人、潘世兵和丁志雄執(zhí)筆。第8章介紹數(shù)字流域常用的專業(yè)軟件，由張建立、魏加華和李紀(jì)人執(zhí)筆。第9章介紹數(shù)字流域應(yīng)用的幾個(gè)典型成功案例，由李紀(jì)人、丁志雄和潘世兵執(zhí)筆，其中9.3節(jié)、9.4節(jié)分別由王忠靜、蔣云鐘編寫。附錄由張建立整理、編寫。全書由李紀(jì)人統(tǒng)稿。

本書是北京大學(xué)數(shù)字中國研究院組織編寫的《數(shù)字中國叢書》之一，院長(zhǎng)童慶禧院士、副院長(zhǎng)陳秀萬教授和多位院學(xué)術(shù)委員會(huì)委員在本書的編寫和出版過程中給予了諸多指導(dǎo)、督促和建議，特此致以衷心的感謝！

數(shù)字流域是近幾年提出和迅速發(fā)展的，但其理論和在我國的實(shí)踐還處于探索階段，本書涉及內(nèi)容浩瀚，由于編者水平有限，錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)讀者見諒和不吝賜教。