GIS水利工程管理应用效益及GPS监测系统在水利工程中的应用

1.GIS在水利系统中的应用

地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是以地理空间数据库为基础,在计算机硬、软件环境的支持下,运用系统工程和信息科学的理论,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据,以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统,对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示,并采用地理模型分析方法,适时提供多种空间和动态的地理信息,为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。

(1)GIS在水利工程管理工作中的应用。水利工程建设与管理是一项信息量极大的工作,涉及水利工程前期工作审查审批状况、投资计划情况、建设进度动态管理、工程质量、位置地图检索、项目简介、照片、图纸等一系列材料的存储、管理和分析,利用GIS技术可以把工程项目的建设与管理系统化,把水利工程建设情况进行实时记录,使工程动态变化能够及时反映给各级水行政主管部门。还可以对河道变化进行动态监测,预测河道发展趋势,可为水利规划、航道开发以及防灾减灾等提供依据,创造显著的经济效益。

利用GIS技术、三维可视化技术构建三维工程模型中,建筑物之间的空间位置关系与实地完全对应,而且任意点的空间三维坐标可以测量,是真实三维景观的再现,这项技术的应用将使工程的设计和模型建立等方面更加科学、准确。

(2)GIS水利工程管理应用效益。应用地理信息系统之后,完成各项任务与传统的方法相比,显示出许多优越性。具体说来,水利的优越性可以概括如下。

1)可以存储多种性质的数据,包括图形的、影像的、调查统计等,同时易于读取、确保安全。

2)允许使用数学、逻辑方法,借助计算机指令编写各种程序,易于实现各种分析处理,系统具有判断能力和辅助决策能力。

3)提供了多种造型能力,如覆盖分析、网络分析、地形分析,可以用来进行土地评价、土壤侵蚀估计、土地合理利用规划等模式研究,以及用来编制各种专题图、综合图等。

4)数据库可以做到及时更新,确保实时性。用户在使用时具有安全感,保证不读漏数据,处理结果令人信服。

5)易于改变比例尺和地图投影,易于进行坐标变换、平移或旋转、地图接边、制表和绘图等工作。

6)在短时间内,可以反复检验结果,开展多种方案的比较,从而可以减少错误,确保质量,减少数据处理和图形化成本。

2.GPS系统在水利工程系统中的应用

全球定位系统(Global Positioning Systems,GPS)是一种结合卫星及通信发展起来的技术,利用导航卫星进行测时和测距,具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS是美国国防部在1973年开始筹建的高精度卫星导航、授时与定位系统,截至1994年年底,用于定位的28颗GPS卫星全部发射完成并开始正常工作,历时20余年,耗资200亿美元。系统由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。由于定位的高精度性,并具有全天候、连续性、速度快、费用低、方法灵活和操作简便等特点,使其在水利工程领域获得了极其广泛的应用。经过近10年我国测绘等部门的使用表明,全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科,取得了好的经济效益和社会效益。

(1)地形测绘。传统的地形测绘,基于测绘仪等基本测绘工具和测绘人员艰辛而繁重的工作,其实际效果常因测量工具误差、天气情况变化等诸多影响因素而不甚令人满意。特别是在水利工程中,相关的地形勘测是进一步设计论证的重要前提,但常常因地势地形因素,给实际工作带来相当大的麻烦。目前,一个较为先进的方法是采用航空测绘,即通过航空器材从空中摄影绘图,进而完成地形测绘,但此方法的显著缺点是大大增加了测绘成本,因此在实际工程中远未得到推广,GPS全球卫星定位系统打开了解决该问题的新思路。

测绘的关键问题是找到特定区域的重要三维坐标纬度、经度和海拔高度。而这3个数据均可直接从一部GPS信号接收机上直接读出。GPS测绘方法还具有成本低廉、操作方便、实用性强等优点,并且与计算机CAD测绘软件、数据库等技术相结合,可实现更高程度的自动测绘。

(2)截流施工。截流的工期一般都比较紧张,其中最难的是水下地形测量。水下地形复杂,作业条件差,水下地形资料的准确性对水利工程建设十分重要。传统测量使用人工采集数据,精度不高、测区范围有限、工作量大、时间上不能满足要求,而GPS技术能大大提高数据精度、测区范围等,保证施工生产的效率,保证顺利进行。利用静态测量系统进行施工控制测量,选点主要考虑控制点能方便施工放样,其次是精度问题,尽量构成等边三角形,不必考虑点和点之间的通视问题。另外,用实时差分法GPS测量系统可实施水下地形测量,系统自动采集水深和定位数据,采集完成后,利用后处理软件,可数字化成图。在三峡工程二期围堰大江截流施工中,运用技术实施围堰控制测量及水下地形测量,并取得了成功。

(3)工程质量监测。水利设施的工程质量监测是水利建设及使用时必须贯彻实施的关键措施。传统的监管方法包括目测、测绘仪定位、激光聚焦扫描等,而基于GPS技术的质量监测是一种完全意义上的高科技监测方法。专门用于该功能的信号接收机,实际上为一微小的GPS信号接收芯片,将其置于相关工程设施待检测处,如水坝的表面、防洪堤坝的表面、山体岩壁的接缝处等,一旦出现微小的裂缝、开口,乃至过度的压力,相关的物理变化促使高精度信号接收芯片的记录信息发生变化,进而将问题反映出来。若将该套GPS监测系统与相关工程监测体系软件、报警系统相结合,即可实现更加严密而完善的工程质量监测。

3.遥感技术在水利系统中的应用

遥感技术(Remote Sensing,RS)是一门综合性的技术,它是利用一定的技术设备系统,在远离被测目标处,测量和记录这些目标的空间状态和物理特性。从广义上来讲,可以把一切非接触的检测和识别技术都归入遥感技术。如航空摄影及相片判读就是早期的遥感手段之一。现代空间技术光学和电子学的飞速发展,促进了遥感技术的迅速发展,扩大了人们的视野,提高了应用水平。

(1)遥感技术在水利规划方面的运用。水利规划的基础是调查研究,遥感技术作为一种新的调查手段与传统的手段综合运用,能为现状调查及其变化预测提供有价值的资料。现行水利规划的现状调查主要依靠地形图资料及野外调查,如果地形图资料陈旧,则需要耗费大量人力、物力和时间重新测绘。卫星遥感资料具有周期短、现实性强的特点,北方受气候条件影响较小,很容易获得近期的卫星图像,即使在南方一般每年也可以得到几个较好的图像。根据卫星相片可以分析判断已有地形图的可利用程度,如果仅仅是增加了若干公路和建筑物,就可以只作相应的修测、补测或直接利用卫星相片作为地形图的替代品或补充。

水资源及水环境保护是水利规划的一项重要内容,可利用卫星遥感资料对水资源现状及其变化作出评价。首先,利用可见光和红外线波段的资料探测某些严重污染河段及其污染源,可见光探查煤矿开采和造纸厂排废造成的污染红外波段探查热废水排放造成的污染。其次,结合水质监测数据进行水环境容量评价,确定允许河道的水容量,再根据污染物的组成及含量测定值确定不同季节的允许排放量。利用卫星遥感资料及其处理技术,可以确定不同时期的水陆边界及水域面积,因而可以把地形测量工作简化为断面测量,从而节省工作量与经费。此项技术已在珠江三角洲河网地区及河口获得成功应用。

(2)RS技术在水库工程方面的运用。水库工程是水利建设的一项重要内容,不论防洪、发电、灌溉、供水都离不开水库工程建设。水库工程论证一般包括问题识别、方案拟订、影响评价、方案论证等几部分。论证的重点一般包括水库任务、工程安全、泥沙问题、库区淹没、生态环境评价、工程效益分析评价等。卫星遥感技术在水库淹没调查和移民安置规划方面,尤其具有应用价值和开发潜力。规划阶段的水库淹没损失研究一般利用小比例尺地形图作本底,比较粗略,且由于地形图的更新周期长,一般需要进行相当规模的现场调查进行补充修改。如果利用计算机分类统计等技术,可以显著提高工作效率和成果的宏观可靠性。在规划以后阶段的工作中,利用红外线或正影射航空相片制作正影射影像图进行水库淹没损失调查,避免了人为因素的干扰,使成果具有最高的权威性,已得到越来越广泛的使用。

(3)RS技术在河口治理方面的运用。河口治理的目标一般是稳定河床和岸滩,顺利排洪、排涝、排沙,保护生态,改善水环境等。多河口的河流要求能合理分水分沙,通航河流还要求能稳定和改善航道,有效治理拦门沙,这就需要大量的、全面的与区域性的包括水域和陆地,水上和水下地形、地质、地貌、水文、泥沙、水质、环境及社会经济调查工作,而卫星遥感技术可为自然和社会经济调查提供大量信息。

河口卫星遥感的基本手段是以悬浮泥作为直接或间接标志。通常选择合适的波段进行图像复合,经过计算机和光学图像处理和增强,突出浮泥沙信息,抑制背景信息和其他次要信息,以获得某一水情下的泥沙和水的动力信息。经过处理的图像上悬浮泥沙显得非常清晰、直观、真实,通过研究河流的悬浮泥沙与滩涂现状、演变、发展,为治理河口提供比较真实的资料。

4.水利信息数据仓库在水利信息化管理中的应用(www.xing528.com)

水利信息数据仓库在水利信息化管理中的应用,主要体现在以下几个方面。

(1)水利工程基础数据仓库,主要包括以下信息。

1)河道概况。河道特征、河道断面及冲淤情况、桥梁等。

2)水沙概况。水沙特征值、较大洪水特征值、水位统计及洪水位比较、控制站设计水位流量关系等。

3)堤防工程。堤防长度、堤防标准、堤防作用、堤防横断面、加固情况、涵闸虹吸穿堤建筑物、险点隐患、护堤坝工程等。

4)河道整治工程。干流险工控导工程状况、支流险工控导工程状况、工程靠溜情况、险情抢险等。

5)分滞洪工程。特性指标、水位面积容积、堤防、分洪退水技术指标、滞洪区经济状况、淹没损失估算、运用情况等。

6)水库工程。枢纽工程、水库特征、主要技术指标、泄流能力、水位库容及淹没情况等。

(2)水质基础数据仓库。完成数据库表结构的设计,在整编基础上,逐步形成包括基本监测、自动监测和移动监测等水质数据内容的水环境基础数据仓库,开发数据库接口程序和账务软件,为水资源优化配置、水资源监督管理、水资源规划和科学研究提供水环境基础信息服务。

(3)水土保持数据仓库。规范数据格式,完成数据库表结构设计,逐步建立包括自然地理、社会经济、土壤侵蚀、水土保持监测、水土流失防治等信息的水土保持数据仓库。

(4)地图数据仓库。采用地理信息系统基础软件平台,对数字地形图进行数据入库,建立地图数据仓库。要求地图数据仓库具有各种比例尺地形图之间图形无缝拼接、图幅漫游、分层、分要素显示、输出等GIS基本功能。

(5)地形地貌数字高程模型。利用地形图地貌要素或采用全数字摄影测量的方法,生成区域数字高程模型,直观表示地形地貌特征,并利用DEM进行各种分析计算,如冲淤量计算、工程量计算、库容计算、断面生成以及洪水风险模拟、严密范围分析等。

(6)地物、地貌数字正影射影像。对重点区域、重点河段进行航空摄影成像,采用全数字摄影测量系统,编制数字正影射影像图,清晰、直观地表示各种地物、地貌要素。

(7)遥感影像和测量资料数据仓库。收集卫星遥感影像,编制区域遥感影像地图,并建立遥感影像数据仓库。根据不同时期的遥感影像,反映全区域治理开发成果,实现对本地区的动态监测。测量资料数据仓库包括各等级控制点、GPS点、水准点资料,表示出点名、点号、等级、坐标、高程及施测单位、施测日期等。

5.虚拟现实技术应用

虚拟现实技术(VR)是利用计算机技术生成逼真的三维虚拟环境。虚拟现实技术最重要的特点就是“逼真感”与“交互性”。虚拟现实技术可以创造形形色色的人造现实环境,其形象逼真,令人有身临其境的感觉,并且与虚拟的环境可进行交互作用。

现在虚拟现实技术在水利信息化建设中的应用日渐广泛。

(1)构建水利工程的三维虚拟模型,如大坝、堤防、水闸等三维虚拟模型,实现了水利工程三维空间示景。

(2)洪水流动和淹没的三维动态模拟,实现了三维空间场景中的洪水演进动画过程,三维场景中洪水淹没情况的虚拟展示。

(3)水利工程规划中枢纽布置三维虚拟模型,包括大坝、泄洪洞、发电厂、变电站等,为工程规划提供直观三维视觉效果场景。

(4)云层和降雨效果渲染三维虚拟模型,模拟云层流动、降雨过程等动态效果。

(5)土石坝、碾压混凝土坝等坝料开采、运输、摊铺、填筑碾压及施工进度和形象的虚拟展示。

(6)防渗体系(防渗墙、防渗帷幕、灌浆)灌浆效果检验及三维动态模拟效果场景。

(7)安全监测布设、效应量三维虚拟模拟,三维场景演化的虚拟展示等。