3s技術(shù)在水利領(lǐng)域中的應(yīng)用

3s技術(shù)在水利領(lǐng)域中的應(yīng)用

0水利工程對(duì)水利工程建設(shè)要求更高世界各國(guó)的信息技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)水保護(hù)信息的收集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和共享提出了更高的要求。水資源綜合管理、防洪抗旱、水生態(tài)保護(hù)、節(jié)水工程建設(shè)等節(jié)水應(yīng)用。傳統(tǒng)水利技術(shù)在時(shí)效性、準(zhǔn)確性、一致性等方面已不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)代水利建設(shè)各項(xiàng)工作的各項(xiàng)需求,因此,應(yīng)用3S技術(shù)提升水利建設(shè)及管理的效率及效益是水利工作發(fā)展的必然。1“正交合作+交流”是提升流域信息化管理水平的有效措施水利部海河水利委員會(huì)是較早應(yīng)用3S技術(shù)開(kāi)展水利信息化建設(shè)的單位之一。多年來(lái),通過(guò)技術(shù)、人才引進(jìn),國(guó)內(nèi)外技術(shù)合作、交流等多種方式,結(jié)合流域?qū)嶋H,依托各類(lèi)信息化建設(shè)項(xiàng)目的順利開(kāi)展,使3S技術(shù)逐漸在流域信息化建設(shè)中發(fā)揮實(shí)際作用,提高了流域水利工作效率,收到了良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及社會(huì)效益,為打造“濕潤(rùn)海河”提供了數(shù)據(jù)支持及技術(shù)支撐。1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用取得了較大進(jìn)展數(shù)據(jù)是信息化工作的血液,空間數(shù)據(jù)的建設(shè)和管理能夠很好地結(jié)合傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),提高工作效率,帶動(dòng)流域水利工作的快速發(fā)展。近年來(lái),海委充分利用3S、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù),通過(guò)水利基礎(chǔ)專(zhuān)項(xiàng)建設(shè)、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用等工作,不斷補(bǔ)充、更新與完善水利數(shù)據(jù)庫(kù),在數(shù)據(jù)覆蓋范圍,數(shù)據(jù)精度,數(shù)據(jù)時(shí)效性、準(zhǔn)確性等各方面均取得了較大進(jìn)展,已建設(shè)并積累了大量不同數(shù)據(jù)類(lèi)型、比例尺、空間分辨率、數(shù)據(jù)時(shí)間的空間數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)既包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù),還包括各類(lèi)水利專(zhuān)題應(yīng)用、屬性等數(shù)據(jù),并開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分布與服務(wù)。海河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)成功的對(duì)空間、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合發(fā)布,用戶(hù)可以從平臺(tái)上獲取所需求的信息,同時(shí)數(shù)據(jù)建設(shè)人員可基于后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)與更新,實(shí)現(xiàn)了資源的共享。并且在技術(shù)導(dǎo)則中統(tǒng)一了數(shù)據(jù)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與流程,為今后數(shù)據(jù)的規(guī)范化提供了依據(jù)。1.2節(jié)水應(yīng)用1.2.1水資源綜合規(guī)劃系統(tǒng)。在注1)海河流域水資源綜合規(guī)劃制圖與信息系統(tǒng)建設(shè)。充分運(yùn)用GIS技術(shù),以標(biāo)準(zhǔn)化、空間化為主要特性,建立1∶250000海河流域水資源綜合規(guī)劃基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)庫(kù),系統(tǒng)整理流域水資源綜合規(guī)劃基礎(chǔ)資料,統(tǒng)一基礎(chǔ)資料的質(zhì)量,并以此為基礎(chǔ),編制《海河流域水資源綜合規(guī)劃附圖圖集》,參加全國(guó)水資源綜合規(guī)劃的匯總,保證的水資源綜合規(guī)劃研究深度和成果質(zhì)量。并進(jìn)行海河流域水資源綜合規(guī)劃信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)。實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)成果的規(guī)范化管理,促進(jìn)資源共享,提高水資源綜合規(guī)劃工作效率。2)縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具?；贕IS和分布式水循環(huán)模型開(kāi)發(fā)了縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理工具。工具能夠基于項(xiàng)目縣土地利用、土壤、氣象等觀(guān)測(cè)資料,構(gòu)建適合項(xiàng)目縣的水量水質(zhì)綜合模擬模型,利用模型能夠?qū)?xiàng)目縣的物理化學(xué)過(guò)程和地表水、地下水以及水質(zhì)的時(shí)空變化過(guò)程進(jìn)行模擬,同時(shí)還能對(duì)縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理(IWEMP)規(guī)劃提出的不同情景方案包括節(jié)水措施和減污措施進(jìn)行模擬分析,為縣級(jí)水資源與水環(huán)境綜合管理方案的制定提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。已在海河流域河北省館陶縣、肥鄉(xiāng)縣、山東省德州市德城區(qū)等多個(gè)項(xiàng)目縣進(jìn)行了應(yīng)用1.2.2洪水沒(méi)收基礎(chǔ)近年來(lái),3S技術(shù)在防汛抗旱中的應(yīng)用主要有:1)防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程——海河流域防汛搶險(xiǎn)管理系統(tǒng)?；谌S技術(shù),通過(guò)對(duì)海委防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程防汛搶險(xiǎn)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和完善,建成1個(gè)操作簡(jiǎn)便、功能合理、滿(mǎn)足應(yīng)用的防汛搶險(xiǎn)系統(tǒng),為海委防辦提供搶險(xiǎn)減災(zāi)的信息技術(shù)支持,增強(qiáng)海委防辦的搶險(xiǎn)救災(zāi)能力,最大程度減小災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅。2)海河流域典型洪水淹沒(méi)實(shí)況圖編制項(xiàng)目。選取海河流域1963年歷史洪水,編制南部3水系,即漳衛(wèi)南、子牙河、大清河水系的洪水淹沒(méi)實(shí)況圖。按照《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》及《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》的相關(guān)要求,洪水淹沒(méi)實(shí)況圖主要表現(xiàn)淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深等要素。其對(duì)海河流域防洪減災(zāi)工作具有非常重要的指導(dǎo)和借鑒作用,按照洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作標(biāo)準(zhǔn)制作的1963年海河洪水實(shí)況圖,可作為今后海河流域防洪減災(zāi)工作的輔助參考工具。3)山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是1種重要的山洪災(zāi)害防治非工程措施。主要圍繞監(jiān)測(cè)、預(yù)警和響應(yīng)3個(gè)環(huán)節(jié),將集信息采集、傳輸、分析為一體的水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與預(yù)警、響應(yīng)體系有機(jī)結(jié)合,根據(jù)預(yù)警信息危機(jī)程度及山洪可能危害范圍的不同,選取適宜的預(yù)警程序和方式,實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息及時(shí)、準(zhǔn)確地上傳下達(dá),實(shí)施科學(xué)指揮、決策、調(diào)度以及搶險(xiǎn)救災(zāi),從而使得災(zāi)害區(qū)能夠根據(jù)山洪災(zāi)害防御預(yù)案,及時(shí)采取預(yù)防措施,最大限度地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。4)海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)支持平臺(tái)及永定、子牙河調(diào)度子系統(tǒng)?；贕IS、RS、水力學(xué)模型、水文學(xué)模型及業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)技術(shù),為用戶(hù)提供基于新安江模型、水箱模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的洪水預(yù)報(bào)服務(wù);為用戶(hù)提供洪水調(diào)度、調(diào)度結(jié)果優(yōu)選、洪水過(guò)程可視化、洪水過(guò)程模擬仿真和成果管理服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了河系內(nèi)水庫(kù)、河道、水閘樞紐、蓄滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度和單節(jié)點(diǎn)調(diào)度,按調(diào)度方案“一鍵式”調(diào)度和逐個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)人工交互調(diào)度,對(duì)多種調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析、結(jié)果優(yōu)選,對(duì)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度成果進(jìn)行綜合管理。1.2.3規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容1)海河流域?yàn)春由絽^(qū)土壤侵蝕遙感調(diào)查報(bào)告?；谶b感和GIS手段提取建立侵蝕因子例如土地利用、地形坡度、植被狀況等圖層,最后通過(guò)解譯人員綜合判斷得出土壤侵蝕信息,定量分析了海河流域?yàn)春由絽^(qū)土壤侵蝕狀況。2)水專(zhuān)項(xiàng)海河流域北運(yùn)河水系水環(huán)境實(shí)時(shí)管理決策支持系統(tǒng)研究與示范?；A(chǔ)數(shù)據(jù)建立和系統(tǒng)入網(wǎng)國(guó)家水體污染控制與治理重大科技專(zhuān)項(xiàng)的“海河流域北運(yùn)河水系水環(huán)境實(shí)時(shí)管理決策支持系統(tǒng)研究與示范”是針對(duì)海河流域水資源短缺、水污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化、京津唐城市群快速形成的特點(diǎn),圍繞北運(yùn)河以非常規(guī)水源補(bǔ)給為主、水生態(tài)緩沖能力弱的特征,基于分布式水循環(huán)模型、3S技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段為北運(yùn)河水污染控制、重污染河道水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)等提供決策支持的系統(tǒng)。3)官?gòu)d密云水庫(kù)上游水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為解決首都北京社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的水資源短缺、水環(huán)境污染和生態(tài)惡化等問(wèn)題,確保21世紀(jì)初首都水資源可持續(xù)利用。國(guó)務(wù)院于2001年5月23日,正式批準(zhǔn)了《21世紀(jì)初期(2001-2005年)首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》(國(guó)函53號(hào))。“保住密云、挽救官?gòu)d”是《規(guī)劃》提出的目標(biāo)。官?gòu)d、密云水庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“兩庫(kù)”)上游水土保持監(jiān)測(cè)能力建設(shè)是《規(guī)劃》明確的建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目建設(shè)中,將3S技術(shù)作為項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)展了項(xiàng)目區(qū)水土保持遙感監(jiān)測(cè),水土流失調(diào)查研究與評(píng)價(jià)、土壤侵蝕模型研究與應(yīng)用、水土保持系統(tǒng)建設(shè)等諸多工作。項(xiàng)目的建設(shè),對(duì)于“兩庫(kù)”上游水土流失控制發(fā)揮了積極作用,同時(shí)促進(jìn)了全流域水土保持監(jiān)測(cè)工作,也豐富了海委水利數(shù)據(jù)庫(kù),為海委水生態(tài)工作的進(jìn)一步開(kāi)展,提供了工作基礎(chǔ)。1.2.4遙感監(jiān)測(cè)et的技術(shù)應(yīng)用1)海河流域電子沙盤(pán)。海河流域電子沙盤(pán)應(yīng)用圖形索引及發(fā)布技術(shù),以地形圖、DEM、流域30m分辨率TM遙感影像為基礎(chǔ),輔以官密上游2.5m分辨率SPOT-5遙感影像、潘大庫(kù)區(qū)1和0.125m航片,對(duì)流域及重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行立體展示。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)標(biāo)注、距離量測(cè)、沿路徑飛行等功能。2)GEF海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目。a.海河流域ET耗水量分布特征研究。海河流域水資源需求日益增加,供水形勢(shì)日趨緊張,特別是降水與水資源消耗的時(shí)空分布之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)狀,加劇了流域水資源短缺矛盾。通過(guò)流域遙感ET估算全流域的分年度耗水量和耗水量空間分布;研究耗水空間分布規(guī)律和時(shí)間變化趨勢(shì),掌握流域宏觀(guān)水資源消耗分布現(xiàn)狀,為水資源的可持續(xù)利用提供參考數(shù)據(jù)。b.遙感監(jiān)測(cè)ET技術(shù)在區(qū)域水資源量核定中的應(yīng)用研究。通過(guò)對(duì)河北省館陶縣多年的遙感監(jiān)測(cè)ET資料分析,結(jié)合水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查,開(kāi)展基于ET的水資源供耗平衡分析,分析遙感監(jiān)測(cè)ET與降水量、供水量、耗水量之間的相關(guān)關(guān)系,在水資源管理由粗放型向精細(xì)化轉(zhuǎn)變,減少無(wú)效耗水、提高水分生產(chǎn)效率,以及區(qū)域水資源量核定等方面提供參考,為館陶縣水資源的高效利用提供技術(shù)支撐,服務(wù)于區(qū)域的水資源管理和水資源的合理配置。c.基于ET的流域尺度水平衡分析及工具開(kāi)發(fā)?；贓T的流域尺度水平衡分析工具是海河GEF水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目中遙感監(jiān)測(cè)ET系統(tǒng)中5個(gè)應(yīng)用工具之一。本項(xiàng)目是在海河流域SWAT模型的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)基于ET的流域尺度水平衡分析工具,在分析海河流域水文、氣象、土地利用和土壤類(lèi)型等信息的基礎(chǔ)上,結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)ET的成果建立海河流域的分布式水文模型,分析現(xiàn)狀條件下流域水平衡狀況,并模擬不同節(jié)水措施下流域ET的降低情況。d)基于ET的流域尺度地下水管理工具的開(kāi)發(fā)。以遙感監(jiān)測(cè)ET及SWAT模型輸出結(jié)果為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)流域尺度的地下水管理工具,展示計(jì)算年份海河流域的降雨、實(shí)際ET、徑流量、地下水凈開(kāi)采量、土壤水的儲(chǔ)變量,地下水水位變化等的時(shí)空分布情況;利用流域尺度的地下水管理工具,分析流域內(nèi)現(xiàn)狀條件下的地下水凈使用量及其空間分布,以及達(dá)到目標(biāo)ET時(shí)對(duì)應(yīng)的地下水允許開(kāi)采量及其空間分布;開(kāi)發(fā)情景分析功能模塊,模擬節(jié)水措施對(duì)地下水凈使用量的影響及作用。2價(jià)格補(bǔ)充2.13與其他系統(tǒng)的組合水利信息化進(jìn)程中的3S技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中不僅要通過(guò)數(shù)據(jù)接口將RS,GIS,GPS嚴(yán)格地、緊密地、系統(tǒng)地集合起來(lái),使其成為更具有應(yīng)用價(jià)值的大系統(tǒng),往往還要跟其他的諸如MIS或OA等系統(tǒng)緊密結(jié)合,方可滿(mǎn)足需求。另一方面,需要3S技術(shù)與業(yè)務(wù)模型緊密集成應(yīng)用,發(fā)揮3S技術(shù)空間性、現(xiàn)勢(shì)性、直觀(guān)性等優(yōu)勢(shì),更好的為水利業(yè)務(wù)提供更好的支持。因此,3S技術(shù)與外部系統(tǒng)無(wú)縫集成是必然的發(fā)展趨勢(shì)。2.2輔助決策支持充分利用3S技術(shù)特有的專(zhuān)業(yè)分析能力,基于專(zhuān)業(yè)的分析算法和模型,從不同尺度,對(duì)各種水利數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析,使構(gòu)建的系統(tǒng)具有輔助決策支持功能,為有關(guān)部門(mén)提供科學(xué)的計(jì)算結(jié)果和決策依據(jù)。2.3應(yīng)用新技術(shù)的必要性時(shí)間序列、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及過(guò)程,是水利工作中經(jīng)常接觸的問(wèn)題,三維尤其是實(shí)時(shí)的三維3S系統(tǒng)為各種水利信息提供了更為直觀(guān)的表現(xiàn)方式。應(yīng)用3S技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)水線(xiàn)路沿線(xiàn)貫穿飛行、城市及蓄滯區(qū)洪水演進(jìn)、水利工程布置、大壩及堤防等工情信息的表達(dá)、地面與地下結(jié)合的地質(zhì)構(gòu)造描述、水流流動(dòng)的三維表現(xiàn)、廠(chǎng)房或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的描述、庫(kù)區(qū)的描述、宏觀(guān)地形地貌表現(xiàn)、通視性分析等方面正得到越來(lái)越多的關(guān)注。VR-GIS技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3S技術(shù)的結(jié)合,用于研究地學(xué)或以地球系統(tǒng)為對(duì)象的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。應(yīng)用VR-GIS技術(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)必須要了解對(duì)象的機(jī)制,并建立模