空間信息技術(shù)在水電工程全生命周期中的應(yīng)用綜述

朱 強(qiáng),樊啟祥,金和平,李紀(jì)人

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司,湖北宜昌 443002;2.北京大學(xué)遙感與地理信息研究所,北京 100871;3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)

據(jù)統(tǒng)計(jì),人類社會(huì)所有信息資源的80%是空間信息,世界各國(guó)都非常重視空間信息的建設(shè)和應(yīng)用。作為信息技術(shù)重要組成部分的空間信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是20世紀(jì)最有沖擊力的科技突破。美國(guó)勞工部曾將空間信息技術(shù)與納米技術(shù)和生物技術(shù)并列為全球新興和正在發(fā)展的重大技術(shù)[1]。通常,空間信息技術(shù)以“3S”技術(shù)為代表,分別指地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)。

空間信息技術(shù)從20世紀(jì)60年代逐漸發(fā)展壯大,技術(shù)不斷成熟并完善。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在環(huán)境、資源、軍事、農(nóng)業(yè)、水利 、國(guó)土 、衛(wèi)生等領(lǐng)域,在水利領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在水資源、水災(zāi)害、水環(huán)境等方面,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和應(yīng)用非常多[2-4]。在水利工程方面,RS和GIS技術(shù)最早應(yīng)用在與水利工程相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域,后來(lái)逐步擴(kuò)展到生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)、移民調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、影響評(píng)估等方面。由于水電工程的建設(shè)周期長(zhǎng)、涉及的專業(yè)領(lǐng)域較多,目前尚沒(méi)有專門的文獻(xiàn)對(duì)空間信息技術(shù)的應(yīng)用做一綜合描述,筆者從水電工程全生命周期的理念出發(fā),詳細(xì)介紹空間信息技術(shù)在水電工程規(guī)劃、建設(shè)實(shí)施和運(yùn)行3個(gè)階段的應(yīng)用情況。

1 空間信息技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用

一般來(lái)講,水電工程的生命周期包括了預(yù)可行性研究(預(yù)可研)、可行性研究(可研)、施工準(zhǔn)備(包括招標(biāo)設(shè)計(jì))、建設(shè)實(shí)施、生產(chǎn)準(zhǔn)備、竣工驗(yàn)收、運(yùn)行和后評(píng)價(jià)等階段。在此基礎(chǔ)上,又可以歸納為項(xiàng)目決策(即規(guī)劃)、工程實(shí)施和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)3個(gè)階段[5]。文中將其分為規(guī)劃、建設(shè)實(shí)施和運(yùn)行3個(gè)階段分別進(jìn)行闡述。

1.1 水電工程規(guī)劃階段

水電工程規(guī)劃階段是指工程可研核準(zhǔn)前的階段,包括預(yù)可研和可研2個(gè)時(shí)期?？臻g信息技術(shù)在水電工程規(guī)劃階段的主要作用是獲取各類專題信息,然后進(jìn)行分析處理,為工程規(guī)劃、工程建設(shè)方案的制定提供科學(xué)合理的決策支持,節(jié)省工程前期預(yù)可研工作的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)投入。在水電工程規(guī)劃階段,空間信息技術(shù)主要應(yīng)用于流域規(guī)劃、地形測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查、移民安置規(guī)劃、輔助設(shè)計(jì)、方案比選、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等方面。

20世紀(jì)80年代以來(lái),RS技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)水電建設(shè)前期最重要的調(diào)查手段。從80年代初的二灘水電站,到后來(lái)的紅水河龍灘、黃河龍羊峽、長(zhǎng)江三峽工程,以及金沙江下游的溪洛渡、向家壩、白鶴灘及烏東德等電站,在工程建設(shè)前期都開(kāi)展了大規(guī)模的航空遙感攝影測(cè)量工作,其獲取的多比例尺(1∶10000,1∶50000,1∶100000 等)、多通道(可見(jiàn)光 、紅外等)的航拍資料在工程區(qū)域穩(wěn)定性分析、庫(kù)區(qū)滑坡和泥石流分布、淹沒(méi)損失調(diào)查評(píng)估、生態(tài)及環(huán)境影響評(píng)價(jià)、移民等工作中發(fā)揮了重要的作用[6]。

1.1.1 流域規(guī)劃

采用空間信息技術(shù)可以縮短規(guī)劃周期、提高規(guī)劃效率、節(jié)約規(guī)劃成本。在規(guī)劃階段,開(kāi)展長(zhǎng)期、全面的水文、地質(zhì)、土地、植被、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境等調(diào)查是一項(xiàng)重要而艱巨的任務(wù)。我國(guó)70%～75%的水能資源集中在西部,該地區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,給人工調(diào)查帶來(lái)了巨大的困難。日臻完善的多時(shí)相、多波段、高分辨率的RS技術(shù)為解決數(shù)據(jù)源問(wèn)題提供了新的選擇,同時(shí)GIS的空間分析功能在進(jìn)行專業(yè)分析時(shí)也可發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[7-8]。隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展成熟,其在國(guó)家級(jí)、流域級(jí)水電發(fā)展規(guī)劃中的作用將愈加顯著。

1.1.2 地形測(cè)繪

基于天基或地基的雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成為測(cè)繪領(lǐng)域的重要生產(chǎn)技術(shù)手段。它改變了傳統(tǒng)地形測(cè)繪必須依靠人工逐點(diǎn)勘測(cè)的模式。雷達(dá)可以不受氣候和地形條件的影響,在短時(shí)間內(nèi)獲取當(dāng)?shù)氐牡匦位A(chǔ)數(shù)據(jù)。航空攝影測(cè)量結(jié)合重點(diǎn)地區(qū)的地面實(shí)測(cè)是水電工程前期地形測(cè)繪的有效方法。在技術(shù)層面上,目前美國(guó)NASA航天飛機(jī)完成的SRTM(shuttle radar topography mission)數(shù)據(jù)提供了全球北緯60°至南緯56°之間的陸地地表高程數(shù)據(jù),包括30m和90m這2種分辨率;機(jī)載的合成孔徑雷達(dá)(SAR)和干涉雷達(dá)(INSAR)的精度則可達(dá)到分米級(jí)分辨率,能夠用于1∶5000的4D產(chǎn)品的生產(chǎn)[9]。同時(shí),利用 SAR和可見(jiàn)光數(shù)據(jù)進(jìn)行淺水水下地形的探測(cè)也正在研究,隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟,將在河道水下地形的測(cè)量中起到一定的作用[10]。

1.1.3 地質(zhì)調(diào)查

水電工程地質(zhì)調(diào)查是工程可行性論證階段最基本的調(diào)查內(nèi)容。地質(zhì)調(diào)查是遙感最早在水電工程中應(yīng)用的領(lǐng)域。目前,地質(zhì)遙感調(diào)查技術(shù)已經(jīng)十分成熟,一般在1∶200000地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行,樞紐工程區(qū)則進(jìn)行1∶50000,1∶10000或者更大比例尺的調(diào)查。常用到的遙感數(shù)據(jù)有Landsat MSS,TM,ETM,SPOT,Aster,航空遙感等可見(jiàn)光及紅外影像等。水電工程地質(zhì)調(diào)查主要包括區(qū)域、水庫(kù)區(qū)、樞紐工程區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查三部分。

區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)查主要包括巖性調(diào)查和構(gòu)造調(diào)查。巖性調(diào)查以大中比例尺彩色紅外航片為主,與衛(wèi)片相結(jié)合。調(diào)查中,常以航片解譯巖類、巖性和產(chǎn)狀,在衛(wèi)星影像上追蹤其分布、總體產(chǎn)出形態(tài)及相鄰巖類的接觸情況。構(gòu)造調(diào)查以中小比例尺衛(wèi)星圖像為主、大中比例尺彩色紅外航片為輔進(jìn)行電站壩址及庫(kù)區(qū)的地層褶皺、斷裂、新構(gòu)造活動(dòng)形跡等調(diào)查。

水庫(kù)區(qū)的工程地質(zhì)調(diào)查主要是庫(kù)岸穩(wěn)定性調(diào)查,包括崩塌、滑坡調(diào)查和泥石流調(diào)查等。RS技術(shù)可以較為準(zhǔn)確、快速地獲取庫(kù)岸巖性結(jié)構(gòu)、地貌形態(tài)、崩塌、滑坡,以及泥石流的分布、數(shù)量、類型和規(guī)模等數(shù)據(jù),從而可以較為合理地根據(jù)這些因素進(jìn)行庫(kù)岸穩(wěn)定性分區(qū)。庫(kù)岸崩塌、滑坡調(diào)查以大中比例尺航片解譯為主,通過(guò)航片上所顯示的側(cè)壁、堆積體、裂縫、凹地等要素特征識(shí)別崩塌、滑坡,并可通過(guò)DEM計(jì)算其體積,確定活動(dòng)狀態(tài)。泥石流遙感解譯也以大中比例尺彩色紅外航片為主,根據(jù)圖像上的堆積扇區(qū)及流域的形態(tài)、規(guī)模、色調(diào)識(shí)別泥石流,并可結(jié)合DEM數(shù)據(jù)計(jì)算堆積扇面積、主溝道長(zhǎng)度、比降等信息。

1.1.4 移民安置規(guī)劃

移民工作是集社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理和信息于一體的復(fù)雜的系統(tǒng)工程,直接影響著移民的切身利益和水利水電工程的建設(shè)進(jìn)度。移民工作的好壞是衡量一個(gè)水利水電工程成敗的重要標(biāo)志之一[11]?？臻g信息技術(shù)在水電工程移民工作的應(yīng)用主要表現(xiàn)在實(shí)物調(diào)查、信息管理和輔助決策支持等方面。

a.實(shí)物調(diào)查。淹沒(méi)實(shí)物指標(biāo)調(diào)查是移民工作的基礎(chǔ)。RS技術(shù)可以作為規(guī)劃階段或預(yù)可研階段移民實(shí)物指標(biāo)調(diào)查的輔助手段。需要強(qiáng)調(diào)的是,盡管RS技術(shù)在移民實(shí)物指標(biāo)輔助調(diào)查中發(fā)揮了突出的作用,但其不能替代人工入戶調(diào)查。RS技術(shù)在移民調(diào)查中應(yīng)用的程度一方面取決于RS技術(shù)本身的性能指標(biāo),同時(shí)也取決于國(guó)家和政府的移民政策。

RS輔助調(diào)查主要以航空攝影影像為主、衛(wèi)星影像為輔。應(yīng)用時(shí),一般采用大比例尺的航拍數(shù)據(jù),解譯并判讀淹沒(méi)區(qū)的地物類型及屬性,包括土地利用、植被覆蓋、房屋建筑、道路、基礎(chǔ)設(shè)施、文物古跡等;然后在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)物進(jìn)行更詳細(xì)的判讀或統(tǒng)計(jì)計(jì)算,如根據(jù)立體像對(duì)估算房屋的高度、層數(shù)和種類,根據(jù)樹(shù)木的形狀、紋理并結(jié)合地形判斷樹(shù)種,以及依據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件、人口密度等估算城鎮(zhèn)、村莊的居住人口等。對(duì)于移民安置地調(diào)查,主要是分析計(jì)算土地資源、環(huán)境容量等指標(biāo),用于移民安置的規(guī)劃。

b.信息管理。水電工程移民安置工作涉及的數(shù)據(jù)和信息是海量的。移民搬遷安置活動(dòng)具有鮮明的地理區(qū)域分布特征,在工程移民決策實(shí)施中必須收集、管理和分析大量的空間數(shù)據(jù)。借助GIS不但能夠準(zhǔn)確表達(dá)移民相關(guān)信息,而且能將移民工作中涉及的實(shí)物指標(biāo)的屬性、位置以及相應(yīng)的資金補(bǔ)償有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來(lái),統(tǒng)一管理。在表達(dá)方式上可以利用二維GIS和三維GIS實(shí)現(xiàn)平面信息和立體信息的全方位顯示、查詢和分析。同時(shí),還可以根據(jù)設(shè)定的淹沒(méi)水位計(jì)算淹沒(méi)區(qū)域及其所屬的實(shí)物損失價(jià)值。因此,基于GIS的移民管理信息系統(tǒng)是水電工程移民安置工作中的重要工具。目前,在怒江、金沙江等許多在建的水電工程都已經(jīng)開(kāi)展了移民地理信息系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用[12-15]。

c.輔助決策支持。在實(shí)物指標(biāo)調(diào)查和數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行移民綜合管理工作,即業(yè)主和各級(jí)政府移民主管機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)的在建工程的移民安置和已建工程的移民經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)工作,業(yè)務(wù)工作綜合性強(qiáng)、內(nèi)容繁雜。在綜合管理過(guò)程中,將空間信息技術(shù)和決策支持系統(tǒng)相結(jié)合,建立空間決策支持系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)嵌水庫(kù)淹沒(méi)損失賠償模型、水庫(kù)移民安置模型、移民安置區(qū)土地資源評(píng)價(jià)模型、移民安置區(qū)環(huán)境容量評(píng)價(jià)模型、公共信息發(fā)布模型等[13],可為移民管理工作提供輔助決策支持。

1.1.5 輔助設(shè)計(jì)

盡管水電工程的二維平面設(shè)計(jì)比較成熟,但在工程可視化輔助設(shè)計(jì)(VCAD),即工程設(shè)計(jì)條件可視化、設(shè)計(jì)建模過(guò)程可視化、計(jì)算分析過(guò)程可視化和設(shè)計(jì)成果可視化(包括三維真實(shí)感圖形顯示及非空間數(shù)據(jù)的圖表、文檔輸出)等方面仍處于相對(duì)較低的水平。GIS的空間數(shù)據(jù)管理、分析和顯示的優(yōu)勢(shì),注定了其與VCAD的同源性和互補(bǔ)性[16-17]。將兩者相結(jié)合并建立二、三維一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以大幅度提高工程設(shè)計(jì)的立體可視化效果,包括工程條件的數(shù)字化及可視化、設(shè)計(jì)過(guò)程的交互與可視、分析計(jì)算過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化仿真、設(shè)計(jì)對(duì)象的真實(shí)感圖形顯示以及設(shè)計(jì)成果的直觀提交等方面,同時(shí)也為建立水電工程數(shù)字檔案打下基礎(chǔ)。

1.1.6 方案比選

在工程規(guī)劃階段,空間信息技術(shù)可以應(yīng)用在項(xiàng)目建設(shè)方案的比選和優(yōu)化工作中。如最常用的道路選線設(shè)計(jì)方面,水電工程區(qū)道路設(shè)計(jì)不僅要考慮到道路的長(zhǎng)度,更多的是考慮到每個(gè)設(shè)計(jì)方案所選路徑的地形地質(zhì)條件?；跀?shù)字地質(zhì)模型和數(shù)字高程模型的道路選線方法可以快速地選出技術(shù)可行的路線方案,并且可以計(jì)算出不同路線所需的開(kāi)挖量,從而選擇最優(yōu)路徑。同時(shí),在導(dǎo)流河道、地下廠房開(kāi)挖建設(shè)等設(shè)計(jì)方面也可以利用三維GIS技術(shù)進(jìn)行方案的比選。

1.1.7 環(huán)境影響評(píng)價(jià)

環(huán)境影響評(píng)價(jià)是水電工程可行性研究階段的重要環(huán)節(jié)。利用RS技術(shù)獲取地表專題信息,通過(guò)GIS技術(shù)將基礎(chǔ)地理信息與土壤、土地利用、水土保持、敏感區(qū)等環(huán)境要素信息結(jié)合在一起,利用空間分析模塊對(duì)工程可能造成的環(huán)境影響進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià),從而為工程規(guī)劃批復(fù)提供決策支持[18-19]。

1.2 水電工程建設(shè)實(shí)施階段

空間信息技術(shù)在水電工程建設(shè)實(shí)施階段的主要作用是在規(guī)劃階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)發(fā)揮數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)(尤其是GPS定點(diǎn)觀測(cè)),對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理和發(fā)布顯示,其應(yīng)用主要體現(xiàn)在施工進(jìn)度管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、物流管理、安全監(jiān)控、數(shù)字檔案和資產(chǎn)維護(hù)等方面。

1.2.1 施工進(jìn)度管理

應(yīng)用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工計(jì)劃的三維動(dòng)態(tài)模擬,不僅可以較好地表現(xiàn)建筑物的外形及其與工程環(huán)境的關(guān)系,還能將施工系統(tǒng)各部分及其在進(jìn)度計(jì)劃中的相互關(guān)系通過(guò)形象直觀的立體圖形表現(xiàn)出來(lái),同時(shí)在三維模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工程信息的三維可視化查詢,為工程施工管理提供有力的支持[17]。如在大壩混凝土澆注過(guò)程中,利用定制的三維倉(cāng)面模型可以實(shí)現(xiàn)盯倉(cāng)管理、澆注查詢,并可實(shí)現(xiàn)混凝土澆注和灌漿的周、月和年進(jìn)度查詢及進(jìn)度展示。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在金沙江向家壩水電站和溪洛渡水電站的施工管理中。另外,基于移動(dòng)GIS和GPS技術(shù)的工程預(yù)埋儀器管理也是重要的應(yīng)用方向。

1.2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

水電工程建設(shè)期的環(huán)境監(jiān)測(cè)主要包括施工區(qū)的污染監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)以及水土保持監(jiān)測(cè)等。GIS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工生產(chǎn)區(qū)及生活區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、大氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)和噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理和可視化查詢,同時(shí)將測(cè)站的各監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)果通過(guò)WebGIS向管理部門和公眾發(fā)布。工程區(qū)的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)則可以通過(guò)多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè),從而制定、采取相應(yīng)的水土保持防治措施。

1.2.3 物流管理

大中型水電工程建設(shè)規(guī)模大,耗用物資種類和數(shù)量多,質(zhì)量要求高。施工過(guò)程的不均衡性使得物資的需求和供應(yīng)不均衡,且物資必須在多個(gè)項(xiàng)目中協(xié)調(diào)平衡,這些都增加了水電工程施工物流問(wèn)題的復(fù)雜性[20]。而物流的關(guān)鍵問(wèn)題是把施工所需要的物資在正確的時(shí)間、按正確的數(shù)量供應(yīng)到正確的位置。GIS技術(shù)恰恰可以解決時(shí)間、數(shù)量和空間位置的問(wèn)題。建立水電工程物流地理信息系統(tǒng)可以對(duì)每批物資和設(shè)備進(jìn)行可視化管理和分析,提升傳統(tǒng)物流管理的效率,保證工程順利進(jìn)行。此外,利用GIS技術(shù),結(jié)合FRID,GPS和GPRS技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)物流或施工車輛的跟蹤管理,使監(jiān)控車輛準(zhǔn)確地進(jìn)入施工位置,避免發(fā)生事故、耽誤工程進(jìn)度。

1.2.4 安全監(jiān)控

由于水電工程規(guī)模巨大,塔吊等大型施工設(shè)備分布密集,如何管理這些施工設(shè)備并保證施工安全非常重要。利用安裝在塔吊機(jī)械臂上的基于差分GPS的防撞系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)控塔吊的位置和高度,并進(jìn)行報(bào)警,預(yù)防設(shè)備碰撞事故的發(fā)生。

1.2.5 數(shù)字檔案

水電工程工程量龐大,施工周期較長(zhǎng),諸如臨時(shí)船閘、導(dǎo)流明渠等臨時(shí)工程隨著水電工程的推進(jìn)將不復(fù)存在。對(duì)于工程管理來(lái)講,保存、管理不同性質(zhì)工程的檔案以及臨時(shí)工程的模型場(chǎng)景十分必要。三維GIS可以針對(duì)施工的不同階段進(jìn)行三維建模,工程完工后,可查詢或再現(xiàn)任意施工階段的工程建設(shè)情況。在工程建設(shè)期建立數(shù)字檔案系統(tǒng),將檔案的時(shí)間、位置以及所屬的建筑物集成在一起,方便工程管理及后期維護(hù)查詢。

1.2.6 資產(chǎn)維護(hù)

資產(chǎn)維護(hù)是工程管理的重要內(nèi)容?；跀?shù)字化成果,尤其是三維設(shè)計(jì)成果的水電工程水利、電力資產(chǎn)管理與維護(hù)是空間信息技術(shù)應(yīng)用的重要方向,也將逐步取代傳統(tǒng)的基于二維屬性表的管理模式。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多水電工程設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了嘗試。

1.3 水電工程運(yùn)行階段

空間信息技術(shù)在水電工程運(yùn)行階段的作用主要是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各類數(shù)據(jù)并加以綜合管理,為水電工程的安全生產(chǎn)運(yùn)行提供技術(shù)保障,也為水庫(kù)運(yùn)行的后評(píng)價(jià)提供決策支持。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度、大壩安全監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警、航道管理、樞紐區(qū)管理、旅游宣傳等方面。

1.3.1 水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度

流域的梯級(jí)開(kāi)發(fā)使水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度成為可能。水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度主要是針對(duì)流域、水庫(kù)和電站開(kāi)展水電調(diào)度管理、未來(lái)趨勢(shì)預(yù)測(cè)和歷史資料分析等工作,其包括短期洪水預(yù)報(bào)、中期水文預(yù)報(bào)、發(fā)電調(diào)度、防洪調(diào)度、渠化航道水資源調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)分析、決策支持等內(nèi)容。聯(lián)合調(diào)度的前提是建立針對(duì)流域的分布式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和統(tǒng)一的分析預(yù)測(cè)模型,而空間信息技術(shù)在降雨監(jiān)測(cè)、水資源監(jiān)測(cè)、水文模型構(gòu)建、水電調(diào)度目標(biāo)函數(shù)分析和規(guī)則制定等方面都發(fā)揮著重要的作用。

在水文預(yù)報(bào)方面,利用GPS、多普勒雷達(dá)和氣象衛(wèi)星進(jìn)行降雨預(yù)報(bào),根據(jù)實(shí)時(shí)氣象、水文、地形、工程運(yùn)行等數(shù)據(jù),通過(guò)基于GIS和RS的水文模型進(jìn)行計(jì)算、水文模擬和預(yù)報(bào)。在防洪調(diào)度方面,根據(jù)流域預(yù)報(bào)洪水、歷史洪水、不同頻率的設(shè)計(jì)洪水?dāng)?shù)據(jù)和水情測(cè)報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)利用水庫(kù)的蓄泄能力對(duì)入庫(kù)洪水進(jìn)行蓄泄控制、攔蓄洪水、削峰錯(cuò)峰,根除或減少洪水災(zāi)害,使洪水造成的損失最小。GIS主要應(yīng)用在庫(kù)容分析計(jì)算、防洪調(diào)度模型計(jì)算、防洪調(diào)度結(jié)果展示和防洪調(diào)度方案評(píng)估比選等方面。在水電聯(lián)合調(diào)度方面,GIS發(fā)揮著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用包括調(diào)度目標(biāo)函數(shù)分析和規(guī)則制定、水電聯(lián)合調(diào)度模型計(jì)算、水電聯(lián)合調(diào)度結(jié)果展示和水電聯(lián)合調(diào)度方案評(píng)估比選等。

1.3.2 大壩安全監(jiān)測(cè)

水庫(kù)大壩在側(cè)向水壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生位移,當(dāng)位移達(dá)到一定程度的時(shí)候會(huì)造成潰壩。而大型水壩在汛期一旦發(fā)生潰壩將造成無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失,危及下游廣大人民群眾的生命安全。監(jiān)測(cè)大壩在各種外界環(huán)境作用力的作用下運(yùn)行是否正常,是水電站運(yùn)行管理的一項(xiàng)重要工作[21]。GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等優(yōu)點(diǎn)成功地應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外許多理論分析以及大量實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)積累并進(jìn)行有效的處理,GPS測(cè)量的相對(duì)精度可達(dá)(0.1～1)×10-6m,點(diǎn)位誤差可達(dá)亞毫米級(jí)。在1998年夏季長(zhǎng)江流域的特大洪水中,隔河巖水利樞紐工程使用大壩外觀變形地理信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提供變形數(shù)據(jù)以確保在大壩安全的前提下最大限度地控制流量,在錯(cuò)峰調(diào)節(jié)洪水中發(fā)揮了重要作用。

1.3.3 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

水力資源蘊(yùn)藏豐富的地區(qū)通常地勢(shì)起伏、河流落差大,由于自然環(huán)境的限制人類活動(dòng)相對(duì)較少,對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響也比較小。實(shí)施大型水電資源開(kāi)發(fā)之后,人類活動(dòng)的影響強(qiáng)度必將大幅度增加,開(kāi)展工程影響的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)對(duì)于維護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展非常必要。對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和定期監(jiān)測(cè)、評(píng)估,可保證大型水電工程的設(shè)計(jì)與規(guī)劃更符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。而在建設(shè)期間對(duì)工程實(shí)施區(qū)及生態(tài)敏感區(qū)等重點(diǎn)位置的高精度監(jiān)測(cè),可以獲取建設(shè)過(guò)程的最直接生態(tài)環(huán)境反饋,以便及時(shí)調(diào)整與規(guī)范合理的建設(shè)方案和進(jìn)程。大型水電工程群的社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)在正常蓄水運(yùn)行之后才會(huì)逐漸體現(xiàn)出來(lái),因此必須對(duì)大型水電工程群進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[22-23]。

建立基于多源遙感數(shù)據(jù)的水電工程區(qū)生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以定期監(jiān)測(cè)工程及周邊區(qū)域的土地利用狀況、植被狀況、水土流失情況,通過(guò)建立生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù),并集成基于GIS的空間分析模塊,可以對(duì)目標(biāo)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境做出科學(xué)的評(píng)價(jià)。對(duì)于梯級(jí)開(kāi)發(fā)的河流,多級(jí)水電站的興建會(huì)造成生態(tài)環(huán)境影響在一段時(shí)間內(nèi)累積增強(qiáng),必須動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境的累積效應(yīng)。近期庫(kù)區(qū)溫室氣體(CH4,N2O等)的排放引起了國(guó)內(nèi)外很大的爭(zhēng)論[24],相對(duì)于地面定點(diǎn)觀測(cè),遙感監(jiān)測(cè)將為該研究提供新的思路和方法。

1.3.4 災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警

以滑坡為代表的地質(zhì)災(zāi)害是庫(kù)區(qū)經(jīng)常發(fā)生的自然災(zāi)害。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的滑坡情況對(duì)于通航安全及大壩安全都有重要的意義。目前,在滑坡監(jiān)測(cè)方面,GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟;同時(shí),雷達(dá)遙感監(jiān)測(cè)滑坡也是一項(xiàng)精度比較高的技術(shù)手段。GPS定位技術(shù)目前在滑坡、地面沉降、地震、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用廣泛,且可進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),具有全天候、高精度、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)以坐標(biāo)、距離和角度為基礎(chǔ),用新值與初始坐標(biāo)之差反映目標(biāo)的運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)。該技術(shù)適用于監(jiān)測(cè)滑坡在不同變形階段的地表三維位移。GPS滑坡監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括滑坡體與地表水平位移和垂直位移[25]。另外,運(yùn)用合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR技術(shù))以及以此為基礎(chǔ)的合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(differential InSAR)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè),理論上可以達(dá)到毫米級(jí)的精度,不僅能夠反映滑坡靜態(tài)信息,而且可以反映滑坡的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律;通過(guò)對(duì)滑坡區(qū)的相關(guān)測(cè)量,可以探測(cè)地面變形的早期信號(hào),有助于確定滑坡的范圍并預(yù)測(cè)潛在事件發(fā)生的可能性;通過(guò)記錄相關(guān)特征的變化史,建立災(zāi)害的演變模型,有效地制定減災(zāi)措施。

此外,基于GIS的應(yīng)急處置系統(tǒng)在水電工程中也有很大的應(yīng)用空間,可以針對(duì)自然災(zāi)害及人為事故的應(yīng)急處理進(jìn)行統(tǒng)一響應(yīng)并做出處置。

1.3.5 航道管理

航運(yùn)是流域干流電站肩負(fù)的一個(gè)重要任務(wù)。通過(guò)三維仿真技術(shù)的應(yīng)用,利用航空遙感獲取的大比例尺DEM數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像可以構(gòu)建出航道的逼真三維場(chǎng)景,在較大比例尺三維場(chǎng)景中展示沿河地形、地貌和重要防洪樞紐等信息,并構(gòu)建重點(diǎn)水電樞紐的三維仿真模型,實(shí)現(xiàn)與流域三維空間場(chǎng)景的無(wú)縫鏈接。在此基礎(chǔ)上,可以全天候、全VTS區(qū)域?qū)Ω劭?、航道中任意地點(diǎn)、任意船只及其周圍信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢,從而為船只監(jiān)控、導(dǎo)航和調(diào)度、航行指導(dǎo)、應(yīng)急管理提供有力的支持。

1.3.6 樞紐區(qū)管理

樞紐區(qū)管理涉及面比較廣,建立樞紐區(qū)市政地理信息系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)樞紐區(qū)基礎(chǔ)地理信息、管網(wǎng)、安全保衛(wèi)、綠化環(huán)衛(wèi)、土地、交通、物業(yè)等業(yè)務(wù)的綜合管理,方便信息的輸入、管理、查詢、分析及各類專題圖制作等?？臻g信息技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)“數(shù)字城市”的建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用,而樞紐區(qū)可以看成一個(gè)功能簡(jiǎn)單的小城市,因此將GIS技術(shù)應(yīng)用于樞紐區(qū)的市政管理是可行的。

1.3.7 旅游宣傳

大多數(shù)水電站都建在山清水秀的地區(qū),具有豐富的旅游資源。旅游信息中有許多屬空間信息,具有定位性,并且信息時(shí)序特征十分明顯,可按時(shí)間尺度進(jìn)行劃分,稱其為旅游地理信息。處理這些區(qū)域性、動(dòng)態(tài)變化的空間信息,普通的管理信息系統(tǒng)很難做到,而以空間數(shù)據(jù)作為主要處理和操作對(duì)象的地理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位、定性、定量和拓?fù)潢P(guān)系的描述,并利用地理空間分析能力和快速的空間定位搜索及復(fù)雜的查詢功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)支持下的決策支持,準(zhǔn)確地根據(jù)旅游地理信息的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行管理。而且,三維GIS系統(tǒng)在電站對(duì)外宣傳展示中有著不可替代的作用,可以使用戶全方位地了解水電工程的情況。虛擬現(xiàn)實(shí)地理信息系統(tǒng)(VRGIS)具有極高的仿真性、交互性、人工性,游客通過(guò)操作數(shù)據(jù)手套即可身臨其境,仿佛置身于真實(shí)的旅游世界。

2 結(jié) 語(yǔ)

如何利用先進(jìn)的科技手段和信息技術(shù)為水電工程的決策、實(shí)施和管理提供科學(xué)合理的依據(jù)及手段,是一項(xiàng)重要的課題。以“3S”為代表的空間信息技術(shù)憑借其數(shù)據(jù)獲取、處理、分析與顯示等方面的優(yōu)勢(shì),成為水電工程建設(shè)和管理中不可或缺的技術(shù)力量?？臻g信息技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用是自始至終的,無(wú)論是在規(guī)劃、建設(shè)實(shí)施還是運(yùn)行階段,都發(fā)揮著巨大的作用。但要說(shuō)明的是,文中只是針對(duì)空間信息技術(shù)在水電工程全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)中的主要或重點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行了介紹,在實(shí)際應(yīng)用中,并沒(méi)有明確的界限劃分,比如生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是貫穿在工程規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行整個(gè)過(guò)程的。目前,RS,GIS和GNSS技術(shù)都比較成熟,應(yīng)用也比較廣泛。但仍有一些問(wèn)題亟待解決:

a.統(tǒng)一規(guī)劃?？臻g信息技術(shù)在水電工程的應(yīng)用是貫穿其整個(gè)生命周期的,而水電工程從規(guī)劃到建設(shè)、運(yùn)行是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,需經(jīng)歷幾十年甚至幾百年。因此,在開(kāi)展空間信息技術(shù)應(yīng)用時(shí),首先應(yīng)該針對(duì)不同時(shí)期的應(yīng)用做統(tǒng)一規(guī)劃。這對(duì)水電工程的業(yè)主單位乃至相關(guān)政府機(jī)構(gòu)都是一勞永逸的。在規(guī)劃的指導(dǎo)下開(kāi)展系統(tǒng)的應(yīng)用可以更加節(jié)約資源,提高效率。

b.統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)是所有地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ),而數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)則是數(shù)據(jù)模型。水電工程涉及的領(lǐng)域眾多,包括水文、地質(zhì)、水工、機(jī)電、環(huán)境等;參與建設(shè)的部門也比較多,不同時(shí)期都有不同的單位參加。因此在工程規(guī)劃建設(shè)之初就應(yīng)建立詳細(xì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,使工程各階段采集的數(shù)據(jù)符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),并在此基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),供不同的部門使用,避免重復(fù)建設(shè)。

c.統(tǒng)一平臺(tái)。目前空間信息技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用是零散的,缺乏系統(tǒng)性。主要集中在諸如地質(zhì)調(diào)查、土地覆蓋監(jiān)測(cè)、洪水淹沒(méi)區(qū)監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)管理、變形監(jiān)測(cè)等相對(duì)比較成熟的應(yīng)用點(diǎn)上。各個(gè)業(yè)務(wù)部門建立自己的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)大多只考慮本部門業(yè)務(wù)的需求,系統(tǒng)建立時(shí)采用的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)也各不相同。由于平臺(tái)的不同導(dǎo)致采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)格式不同,這是水電工程業(yè)主實(shí)施統(tǒng)一管理的主要障礙。因此,在應(yīng)用空間信息技術(shù)時(shí)應(yīng)該全盤考慮,統(tǒng)籌規(guī)劃,對(duì)于同類的業(yè)務(wù)盡量采用統(tǒng)一的平臺(tái),在統(tǒng)一平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)展不同的應(yīng)用,避免重復(fù)選型,并可降低成本。

d.業(yè)務(wù)和技術(shù)緊密結(jié)合。在應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中,要緊密結(jié)合各專業(yè)的應(yīng)用目標(biāo)和要求開(kāi)展應(yīng)用,不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為建設(shè)GIS系統(tǒng)就是買一套GIS軟件或平臺(tái)。目前的應(yīng)用中,深度不夠是當(dāng)前普遍存在的問(wèn)題。無(wú)論是GIS技術(shù)還是RS技術(shù),都是一種手段、一個(gè)工具而已?？臻g信息技術(shù)與行業(yè)核心業(yè)務(wù)流程真正融合是關(guān)鍵。因此,一定要開(kāi)展大量的需求調(diào)研工作,深入挖掘行業(yè)的業(yè)務(wù)需求,抽象、提煉出對(duì)應(yīng)的功能模型和數(shù)據(jù)模型,建立完善的系統(tǒng)平臺(tái),為水電事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的決策支持。

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