淺析遙感技術(shù)在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用

梁 亮

(南昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南昌 330000)

0 引 言

我國(guó)大江大河與湖泊分布眾多，是水利工程建設(shè)大國(guó)，水利建設(shè)對(duì)維護(hù)國(guó)計(jì)民生安全、生態(tài)環(huán)境健康演替具有重要意義[1]。工程區(qū)基礎(chǔ)測(cè)繪是水工建設(shè)的先行工作，以全站儀、RTK為代表的測(cè)點(diǎn)測(cè)量方法能夠獲取局地精確地形環(huán)境信息，然而其外業(yè)工作強(qiáng)度大、周期性長(zhǎng)、面域精度低的劣勢(shì)明顯，不利于工程建設(shè)的細(xì)致設(shè)計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，呈現(xiàn)出多光譜、高光譜、雷達(dá)、激光掃描、InSar等多類(lèi)型、多平臺(tái)遙感技術(shù)，它們?cè)谒そㄔO(shè)中取得良好應(yīng)用，并發(fā)揮出一定優(yōu)勢(shì)[2-3]。

1 遙感技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

1.1 遙感技術(shù)流程

遙感(Remote Sensing)遠(yuǎn)距離或非接觸目標(biāo)物體情況下，通過(guò)傳感器接收地物的輻射、反射波普信息，并按照一定技術(shù)方法進(jìn)行提取、處理、判別分析后識(shí)別或反演地物信息的一門(mén)科學(xué)技術(shù)[4-5]。自從20世紀(jì)中以期航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)的遙感技術(shù)起步以來(lái)，遙感向著多平臺(tái)、寬波段、高光譜、高精度高時(shí)效的方向發(fā)展，在地理資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地表生態(tài)過(guò)程、水資源、地質(zhì)地貌、均取得良好應(yīng)用。遙感技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中主要分為以下步驟：

1)信息接收。自然界中物體發(fā)射或反射的電磁波信息是遙感的信息源，傳感器中的感光設(shè)備能夠捕捉這種電磁波信息，并將其記錄下來(lái)。

2)信息轉(zhuǎn)換與傳輸。輻射信息通過(guò)光電轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)或圖像信息，通過(guò)地基接收站將電信號(hào)傳送到地面，以便室內(nèi)分析。

3)信息處理。原始遙感信息包含很多噪聲或異常信息，需要通過(guò)信號(hào)或圖像處理手段優(yōu)化處理，包含大氣校正、輻射變換、空間濾波、圖像增強(qiáng)等。

4)信息解譯。先根據(jù)實(shí)地踏勘與影像比對(duì)獲取信息解譯的先驗(yàn)知識(shí)，再根據(jù)影像幾何、紋理等特征通過(guò)目視解譯結(jié)合計(jì)算機(jī)判別的方法識(shí)別目標(biāo)地物。

1.2 遙感技術(shù)在水利工程中應(yīng)用

1)工程區(qū)基礎(chǔ)背景測(cè)繪：

工程區(qū)環(huán)境背景精細(xì)測(cè)繪是水利工程建設(shè)的先導(dǎo)，主要摸清工程地的水文特征、地質(zhì)狀況、地表環(huán)境、地形地貌特點(diǎn)，從而為施工可行性、施工難度、工程損耗等的估算提供必需資料。當(dāng)前主要運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、三維激光掃描、雷達(dá)技術(shù)結(jié)合GIS、GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)面域的非接觸、自動(dòng)化、高密度測(cè)量，從而構(gòu)建工程區(qū)三維環(huán)境模型。特別是激光雷達(dá)技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用，避免了野外實(shí)地RTK精確測(cè)量所需人力時(shí)間消耗和測(cè)點(diǎn)密度稀疏造成的估算誤差。該技術(shù)特別適宜在偏僻、可達(dá)性低的工程區(qū)，可以解決傳統(tǒng)測(cè)量帶來(lái)的工作危險(xiǎn)，并一定程度上減小技術(shù)人員工作強(qiáng)度、提高工作效率。該類(lèi)遙感技術(shù)提供的測(cè)量成果能夠以二維、三維呈現(xiàn)，還具有動(dòng)態(tài)可視化功能，成為當(dāng)前工程建設(shè)中基礎(chǔ)測(cè)量的主要力量。

2)變形監(jiān)測(cè)：

工程體變形是工程設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)的重大隱患，也是工程管理的重要內(nèi)容之一?，F(xiàn)代工程變形檢測(cè)中應(yīng)用的精密遙感結(jié)合GPS技術(shù)已經(jīng)替代經(jīng)緯儀、全站儀等傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)手段。其排除天氣和可達(dá)性影響，且各目標(biāo)測(cè)點(diǎn)無(wú)需保持通視，經(jīng)高密度像元遙感觀測(cè)便能提取工程設(shè)施空間信息，通過(guò)多時(shí)相比對(duì)之后能夠準(zhǔn)確估算工程體變形、損耗、位移等信息。這些新技術(shù)的應(yīng)用將多層次監(jiān)測(cè)的變形數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，便于動(dòng)態(tài)模擬變形過(guò)程與解析變形原因，從而為工程維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

3)水利規(guī)劃與水環(huán)境治理：

水文水資源具有時(shí)空變化特征，準(zhǔn)確掌握其時(shí)空變化特征是水利規(guī)劃的先導(dǎo)。而二維靜態(tài)水文圖形數(shù)據(jù)不便于精確計(jì)算覆水面積、水環(huán)境過(guò)程與災(zāi)害模擬、環(huán)境影響評(píng)價(jià)；特別是陳舊的圖件或資料對(duì)識(shí)別水文國(guó)境、庫(kù)容估計(jì)、匯流過(guò)程等均有不利影響。水利部門(mén)可以借助遙感技術(shù)提取水文的年、季、月、旬等多時(shí)相空間分布變化信息，探測(cè)河道、湖泊的深度預(yù)河床等特征，結(jié)合三維環(huán)境重建與虛擬現(xiàn)實(shí)游戲技術(shù)，幫助實(shí)現(xiàn)水利工程動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

水環(huán)境治理不僅能保護(hù)區(qū)域居民生產(chǎn)生活安全，還對(duì)水工設(shè)施的維護(hù)具有重要意義。遙感技術(shù)能夠全方位觀測(cè)河道、湖泊、岸灘的立體環(huán)境，識(shí)別水體質(zhì)量、泥沙、滲漏、地殼活動(dòng)、生物活動(dòng)的分布與變化信息，經(jīng)技術(shù)加工后客觀而清晰反映區(qū)域水文環(huán)境現(xiàn)狀，從而更好地幫助水利部門(mén)實(shí)施相關(guān)治理工作。

2 基于DEM的劉家峽庫(kù)區(qū)地形模擬

數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)應(yīng)用衛(wèi)星激光雷達(dá)技術(shù)獲取的數(shù)字化地形模型，其通過(guò)激光回波時(shí)間差值反演出地面高程，該技術(shù)避免了傳統(tǒng)大范圍地形測(cè)量耗時(shí)、費(fèi)力，實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)地形數(shù)字化模擬。圖1為劉家峽庫(kù)區(qū)數(shù)字高程影像，顯示庫(kù)區(qū)海拔介于1539-4360m之間，與實(shí)際測(cè)量的高程1438.63-4359.72m十分接近，說(shuō)明激光雷達(dá)遙感技術(shù)在對(duì)地探測(cè)方面精確度較高。該圖直觀顯示了庫(kù)區(qū)地形分布特征，可幫助施工者準(zhǔn)確、迅速獲取庫(kù)區(qū)水文流向、匯集、淹沒(méi)區(qū)域等信息，為庫(kù)區(qū)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，DEM數(shù)據(jù)的空間分辨率為30m，在大工程建設(shè)施工中為施工量的計(jì)算和庫(kù)容量精確模擬提供了可靠基礎(chǔ)。激光探測(cè)遙感能夠瞬時(shí)獲取廣域地表高程信息，相比于傳統(tǒng)定點(diǎn)測(cè)量手段更具有時(shí)效性、空間性的優(yōu)勢(shì)，另外衛(wèi)星遙感平臺(tái)的周期性運(yùn)轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間序列、多時(shí)相對(duì)地觀測(cè)，從而獲取地表變化信息。

圖1 劉家峽庫(kù)區(qū)數(shù)字高程影像

2.1 基于探地雷達(dá)的劉家峽庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)識(shí)別

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是一種單波段遙感技術(shù)，其主要采用無(wú)線電波(頻率介于106-109Hz)發(fā)生高頻脈沖探測(cè)地下物質(zhì)，并根據(jù)不同地物電性差異生成的波形、振幅特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)。探地雷達(dá)發(fā)射的脈沖對(duì)地下巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成、地下水發(fā)育極為敏感，成為在水利工程建設(shè)必備的技術(shù)手段。在壩體滲漏探測(cè)中，高頻脈沖在接觸滲透水流后產(chǎn)生反射頻率低、振幅大的特征影像，據(jù)此可識(shí)別壩體漏水位置、漏水量，以便及時(shí)進(jìn)行工程補(bǔ)救。圖2為探地雷達(dá)獲取的劉家峽庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)特征影像，影像中具有細(xì)膩、層理較為規(guī)則的影像區(qū)為沉積巖層地帶，易于受到覆水侵蝕；具有凹凸、剪接紋理的影像區(qū)為花崗巖帶，巖體堅(jiān)固，可因地制宜用于攔水、基建等。白色區(qū)域?yàn)閹?kù)區(qū)水域，統(tǒng)計(jì)得到其面積達(dá)127.38km2；基于水面高程與探測(cè)的庫(kù)體形態(tài)結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到其容積可達(dá)54.62億m3，這與官方給出的庫(kù)區(qū)面積130 km2、庫(kù)容57.3億m3的數(shù)值十分接近但偏小，主要由于影像據(jù)為近期所得，近40年來(lái)庫(kù)體不斷淤積導(dǎo)致其水面與容量有所減小[6]。

圖2 劉家峽庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)影像

2.2 基于多光譜遙感的劉家峽庫(kù)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)

多光譜分辨率遙感是當(dāng)前遙感應(yīng)用的主要類(lèi)型之一，其根據(jù)電磁波波動(dòng)差異劃分多個(gè)通道，進(jìn)而對(duì)地物進(jìn)行探測(cè)，并將地物在不同通道的反射波譜信息記錄下來(lái)。相較攝影遙感而言，多光譜遙感可獲取地物更豐富信息如輻射特征、幾何紋理等。例如美國(guó)NASA實(shí)施的對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃中的Landsat和MODIS系列衛(wèi)星遙感、法國(guó)的SPOT和中國(guó)與巴西聯(lián)合研制CBERS系列，均采用多光譜遙感探測(cè)手段。在水利建設(shè)中，多光譜遙感主要獲取工程區(qū)地表覆被特征，如圖3所示。圖3為L(zhǎng)andsat-8 OLI影像數(shù)據(jù) (LC81310352018106LGN00),成像時(shí)間為2018/04/16，中心經(jīng)緯度為103.0354 E、36.0432 N，云量為0，其可見(jiàn)光(band1-7)和紅外(b9-11)的空間分辨率為30 m，全色波段(band8)為15 m，通過(guò)光譜融合處理可得到光譜信息豐富、圖像質(zhì)量清晰數(shù)據(jù)(圖3)。圖中直觀顯示了庫(kù)區(qū)周邊環(huán)境特征，水體、河道、河漫灘、植被、城鎮(zhèn)、耕地等多種地類(lèi)清晰可辨；據(jù)此可在ENVI 5.3軟件中運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ň_提取地類(lèi)分布與量化信息，從而為庫(kù)區(qū)水土保持治理、土方計(jì)算、防洪規(guī)劃等提供服務(wù)。

圖3 劉家峽庫(kù)區(qū)Landsat-8 OLI真彩色影像

3 結(jié) 論

遙感技術(shù)逐漸向著高精度、高光譜、多平臺(tái)和時(shí)態(tài)化的方向發(fā)展，與此同時(shí)水利工程建設(shè)中的遙感技術(shù)應(yīng)用也與時(shí)俱進(jìn)，不僅取代了獲取地形、地質(zhì)、水文信息的傳統(tǒng)人工測(cè)量手段，還結(jié)合GPS、人工智能模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程區(qū)三維環(huán)境時(shí)空重建，為水利工程建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)、高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)。當(dāng)前遙感技術(shù)的運(yùn)用主要側(cè)重于時(shí)空精細(xì)數(shù)據(jù)獲取的方面，其在水利工程維護(hù)與管理中的優(yōu)勢(shì)尚未體現(xiàn)，因此還需要明確水工建設(shè)中具體的需求側(cè)，拓展其應(yīng)用路徑，從而更好地實(shí)現(xiàn)水利信息化。