3S 技術(shù)在水文與水資源工程上的應(yīng)用策略

趙青松

（河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000）

0 引言

在水資源工程建設(shè)中，3S 技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，尤其在水源治理、南水北調(diào)、水資源開發(fā)、水資源保護(hù)等方面，都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。3S 技術(shù)以信息技術(shù)、傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，其在水資源開發(fā)和管理中的應(yīng)用不斷深入，符合時(shí)代發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求。因此，相關(guān)部門要給予3S 技術(shù)以高度重視，結(jié)合水資源工程現(xiàn)狀合理應(yīng)用，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)水資源開發(fā)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 3S 技術(shù)

1.1 GIS 技術(shù)

GIS 技術(shù)即地理信息系統(tǒng)，其以信息技術(shù)和地理知識(shí)為支撐，利用圖像構(gòu)建空間系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)制定空間地理信息的數(shù)據(jù)采集和分析，將數(shù)據(jù)信息以圖像或者地圖的方式呈現(xiàn)，進(jìn)而滿足使用人員的實(shí)際需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維成像技術(shù)已經(jīng)十分成熟，將數(shù)據(jù)通過(guò)三維立體圖像的方式呈現(xiàn)，還可以提升圖像的全面性和直觀性。隨著GIS 技術(shù)的發(fā)展，三維成像技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用，在地質(zhì)勘查、工程檢測(cè)、地理學(xué)、水資源工程等方面都發(fā)揮了重要價(jià)值。

1.2 RS 技術(shù)

RS 技術(shù)即遙感技術(shù)，屬于一門新型技術(shù)，該技術(shù)主要是通過(guò)遙感設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，當(dāng)前較為常見的遙感設(shè)備為無(wú)人機(jī)和無(wú)人潛艇。遙感技術(shù)的工作原理是在遙感設(shè)備上安裝攝影設(shè)備和傳感器，在攝影中將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，通過(guò)計(jì)算機(jī)分析進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，較為常用的傳感器包括電磁波傳感器和光輻射傳感器。在遙感技術(shù)應(yīng)用中，由于維度和空間不同，其接收的電波也存在差異，便于工作人員及時(shí)識(shí)別、核對(duì)信息。當(dāng)前遙感技術(shù)已經(jīng)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害預(yù)防、山體監(jiān)測(cè)以及氣象監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 GPS 技術(shù)

GPS 技術(shù)即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)快速發(fā)展，GPS 技術(shù)也更加完善和先進(jìn)，以北斗為代表的衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。利用GPS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)具有較高的精度和可靠性，目前隨著GPS 技術(shù)的成熟，其在軍事、民生、環(huán)保、工程等領(lǐng)域不斷獲得應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。

2 3S 技術(shù)在水文與水資源工程中的應(yīng)用理論分析

隨著我國(guó)水資源開發(fā)保護(hù)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，水文與水資源工程的數(shù)量也持續(xù)增加，應(yīng)用3S 技術(shù)進(jìn)行工程測(cè)量和數(shù)據(jù)獲取，具有較高的便捷性、高效性，特別在探測(cè)水下地形中，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。通常情況下，探測(cè)地形主要是以橫截面為準(zhǔn)，而結(jié)合水資源工程需求，將截面布置在河道上，利用水位、水面等數(shù)據(jù)測(cè)量，可以掌握水域深度，便于探測(cè)水下地形。3S 技術(shù)在具體應(yīng)用中，可以利用RS 遙感技術(shù)對(duì)河流的寬度、長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用GPS 技術(shù)可以科學(xué)定位測(cè)量位置，確保實(shí)地面積和高程；應(yīng)用GIS 技術(shù)能夠?qū)@取的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)數(shù)據(jù)和信息形成數(shù)字化三維立體地圖，為工程建設(shè)提供輔助作用[1]。

2.1 水文勘測(cè)

水文勘測(cè)屬于3S 技術(shù)應(yīng)用的主要方面，可勘測(cè)指定水域的水勢(shì)、水源等內(nèi)容，其應(yīng)用理論如下：水文勘測(cè)主要在野外進(jìn)行，GPS 技術(shù)在野外勘測(cè)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，能夠?qū)睖y(cè)位置進(jìn)行準(zhǔn)確校正和定位；RS遙感技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)等飛行器實(shí)現(xiàn)測(cè)量，在既定的測(cè)量區(qū)域中，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，低區(qū)域的地貌特征、地形情況進(jìn)行分析；GIS 技術(shù)可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，構(gòu)建合理的數(shù)字高程模型，并且對(duì)體積、高線以及面積等數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算，同時(shí)，GIS 技術(shù)還能夠確定水下地形、地貌以及植被分布，具體顯著的應(yīng)用效果。

2.2 水文模擬

在水文與水資源工程中，應(yīng)用GIS 技術(shù)的主要作用是確定地形地貌，并且將獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)地形或者模型的方式呈現(xiàn)，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地形圖更加直觀，三維立體模式為主。在水文模擬中，主要通過(guò)DEM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，將水文模型和RS 技術(shù)充分結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化和精準(zhǔn)化，進(jìn)行可視化操作和空間化分析。同時(shí)，同時(shí)DEM 建模，還可以掌握地形的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括流域界限、坡度等，促使模型更具參考和使用價(jià)值[2]。

2.3 水文預(yù)報(bào)

水文預(yù)報(bào)屬于水文與水資源工程中應(yīng)用3S 技術(shù)的重要功能，通過(guò)科學(xué)的預(yù)報(bào)能夠?yàn)楫?dāng)?shù)胤篮榫葹?zāi)提供指導(dǎo)，3S 技術(shù)在具體應(yīng)用中，主要是利用RS 技術(shù)對(duì)水域相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過(guò)對(duì)云圖動(dòng)態(tài)分布和氣象資料開展分析，將分析數(shù)據(jù)與GIS 獲取的地理信息技術(shù)相結(jié)合，形成水文氣象模型，模型中涉及大量的水文要素，可以做出提前預(yù)報(bào)，例如洪峰的持續(xù)時(shí)間、流量等參數(shù)，進(jìn)而幫助相關(guān)部門判斷洪峰造成的影響，制定應(yīng)對(duì)措施和居民疏散計(jì)劃。

2.4 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作具有一定的動(dòng)態(tài)性、即時(shí)性和持續(xù)性，在監(jiān)測(cè)活動(dòng)中，3S 技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其應(yīng)用理論如下：通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)工作，將自動(dòng)化和智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備與3S 系統(tǒng)結(jié)合；例如在RS 技術(shù)應(yīng)用中，將紅線測(cè)量?jī)x安裝在無(wú)人機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境污染程序的動(dòng)態(tài)監(jiān)控；將傳感器與GIS 技術(shù)相結(jié)合，可利用傳感器及時(shí)傳遞的數(shù)據(jù)，判斷水環(huán)境的污染物、污染程度、pH、重金屬含量等[3]。

3 3S 技術(shù)在水文與水資源工程中的具體應(yīng)用

3.1 在工程規(guī)劃中應(yīng)用

水資源是一種重要且稀缺的資源，我國(guó)擁有豐富的水資源儲(chǔ)備量，但是由于人口眾多，人均占水量落后于世界平均水平，水文與水資源工程能夠?qū)λY源進(jìn)行合理使用和科學(xué)開發(fā)，從源頭規(guī)避水資源浪費(fèi)情況。在以往的工程規(guī)劃中，需要消耗大量的人力和物力資源用于采集信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而為工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用3S 技術(shù)可以快速完成數(shù)據(jù)采集，減少企業(yè)的人力和物力資源投入，數(shù)據(jù)采集具有高效性，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。例如在判斷水域水量中，可利用GIS 技術(shù)可以獲取水域的寬度、長(zhǎng)度、流速等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立水體流量模型，以三維立體成像的方式，幫助工作人員判斷水體流量[4]。

3.2 在水污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)政府提出構(gòu)建“生態(tài)型社會(huì)”這一理念，生態(tài)發(fā)展也深入人心，人們對(duì)生態(tài)保護(hù)也更加重視。在以往粗放式發(fā)展模式下，水污染情況較為嚴(yán)重，在開展水源治理中，需要通過(guò)污染監(jiān)測(cè)，明確水源的污染源、污染程度、污染物性質(zhì)，進(jìn)而制定科學(xué)的整治方案。在水污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)用3S 技術(shù)，能夠?qū)χ付ㄋ虻奈廴咀兓闆r進(jìn)行分析，例如應(yīng)用RS 遙感技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)整個(gè)水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)排放污染物的源頭，將具體位置傳輸?shù)降孛?；又例如?yīng)用GIS 技術(shù)，能夠?qū)λ蛭廴境潭鹊淖兓M(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并且建立水源污染模型，便于相關(guān)部門掌握水域的污染程度和污染情況，制定科學(xué)的應(yīng)對(duì)處理措施。

3.3 在預(yù)防洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用

洪災(zāi)屬于一種自然災(zāi)害，具有突然性、不可預(yù)見性以及破壞性等特點(diǎn)，如果發(fā)生嚴(yán)重洪災(zāi)，會(huì)危害當(dāng)?shù)鼐用竦呢?cái)產(chǎn)和生命安全，如果可以在發(fā)生洪災(zāi)前及時(shí)預(yù)警。緊急撤離當(dāng)?shù)鼐用?，則能夠降低洪災(zāi)的危害，避免造成社會(huì)動(dòng)蕩和居民傷亡。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3S 技術(shù)在洪澇災(zāi)害預(yù)防中獲得深入應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)防洪工作的全面開展具有重要價(jià)值。例如應(yīng)用RS 遙感技術(shù)，能夠?qū)λ虻乃孔兓畔⑦M(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，便于工作人員判斷水量變化情況；又例如應(yīng)用GIS 技術(shù)，可以獲取水域的相關(guān)圖片、影像和數(shù)據(jù)，構(gòu)建準(zhǔn)確的水量變化模型，提前預(yù)判可能發(fā)現(xiàn)的洪災(zāi)，進(jìn)而制定相關(guān)應(yīng)對(duì)方案。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其在災(zāi)區(qū)重建中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，利用無(wú)人機(jī)可以對(duì)災(zāi)區(qū)情況進(jìn)行全面監(jiān)控，為制定重建計(jì)劃提供數(shù)據(jù)輔助。

3.4 在水土保護(hù)中的應(yīng)用

當(dāng)前，我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)普遍存在水土流失問(wèn)題，不僅對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響，還阻礙了經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)程，水土保護(hù)已經(jīng)成為當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)業(yè)部門的重要任務(wù)。在開展水土保護(hù)中應(yīng)用3S 技術(shù)，能夠快速完成數(shù)據(jù)獲取，通過(guò)數(shù)據(jù)分析制定科學(xué)的應(yīng)對(duì)方案。水土流失是一個(gè)緩慢的過(guò)程，應(yīng)用GIS 技術(shù)水土流失數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，通過(guò)每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)建立模型，通過(guò)模型分析掌握導(dǎo)致水土流失的原因，為開展防治工作提供幫助。

3.5 在地形測(cè)量中的應(yīng)用

在開展水文與水資源工程中，地形測(cè)量屬于關(guān)鍵環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性與工程建設(shè)質(zhì)量密切相關(guān)，而在應(yīng)用3S 技術(shù)中，需要整合各個(gè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而縮短測(cè)量的周期、保證數(shù)據(jù)真實(shí)。在地形測(cè)量中，通過(guò)GIS 技術(shù)能夠?qū)Ａ康臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，處理過(guò)程為：智能化采集、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存、集成管理以及綜合處理；應(yīng)用GPS 技術(shù)可以快速、實(shí)時(shí)的提供目標(biāo)空間信息；應(yīng)用RS 技術(shù)可以快速獲得目標(biāo)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。將3S技術(shù)進(jìn)行整合，能夠快速得出目標(biāo)地形的具體信息，并且生成三維立體圖形，實(shí)現(xiàn)智能化、實(shí)時(shí)化以及自動(dòng)化測(cè)量。同時(shí)，3S 技術(shù)還可以解決以往測(cè)量中存在的問(wèn)題，例如在測(cè)量地下平面和地形高程中，通過(guò)應(yīng)用GIS 技術(shù)能夠快速生成數(shù)據(jù)，得到高進(jìn)度的地形圖和斷面圖。

3.6 在斷層富水分析中應(yīng)用

斷層是工程建設(shè)中較為常見的現(xiàn)狀，斷層通常是指地區(qū)內(nèi)存在的導(dǎo)水通道，富含大量的水資源，需要對(duì)其富水進(jìn)行科學(xué)分析。在應(yīng)用3S 技術(shù)中，首先，需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩硇畔⒑偷乩碣Y料，對(duì)斷層進(jìn)行初步判斷，重點(diǎn)分析其巖性，不同材料和結(jié)構(gòu)的斷層，其透水性能和儲(chǔ)水性能存在差異；其次，利用GIS 技術(shù)獲取其地理信息和水文地質(zhì)等信息，判斷斷層巖石的疏松程度，如果結(jié)構(gòu)較為疏松，則富水含量較大，乳溝結(jié)構(gòu)較為緊實(shí)，則富水含量較??；最后，應(yīng)用GPS 技術(shù)和GIS 技術(shù)，采集和分析斷層數(shù)據(jù)以及巖層結(jié)構(gòu)，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)以圖像的方式呈現(xiàn)，能夠幫助工作人員更加準(zhǔn)確的判斷其富水含量。

3.7 在水資源自動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

水資源監(jiān)測(cè)屬于水資源開發(fā)和利用的基礎(chǔ)性工作，在自動(dòng)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用3S 技術(shù)，能夠節(jié)約物力以及人力資源，進(jìn)而保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。檢測(cè)單位首先要建設(shè)監(jiān)測(cè)信息化平臺(tái)，將動(dòng)態(tài)獲得的數(shù)據(jù)信息上傳到平臺(tái)上，而獲取信息的方式則為3S 技術(shù)，例如應(yīng)用RS 遙感技術(shù)，對(duì)指定水域的寬度、流速進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；利用GIS 技術(shù)，將數(shù)據(jù)生成可視化圖像，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化保存和利用。同時(shí)，將GIS 技術(shù)和RS 技術(shù)充分結(jié)合，還能夠?qū)λY源的污染情況、水土流失、富營(yíng)養(yǎng)化以及污染源分布進(jìn)行監(jiān)控

3.8 在水文勘測(cè)中的應(yīng)用

在勘測(cè)水文地質(zhì)中，3S 技術(shù)也發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其能夠?qū)雍吹木唧w情況進(jìn)行探測(cè)，獲取圖形、圖像以及數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，并且將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到云端。例如利用RS 遙感技術(shù)，能夠動(dòng)態(tài)收集各項(xiàng)水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)降孛?，利用GIS 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，使用GPS 技術(shù)核對(duì)相關(guān)位置和數(shù)據(jù)，確定檢驗(yàn)范圍。在完成圖像建模后，可通過(guò)三維立體圖形將數(shù)據(jù)直觀展示給使用者，完成水文地質(zhì)的全面勘測(cè)。同時(shí)，應(yīng)用數(shù)字化模型，還可以體現(xiàn)勘測(cè)目標(biāo)的體積、面積等數(shù)據(jù)，進(jìn)而更好地體現(xiàn)勘測(cè)區(qū)域的地貌特點(diǎn)和水文特性。

4 在水文與水資源工程中3S 技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 落實(shí)前期準(zhǔn)備

在應(yīng)用3S 技術(shù)之前，需要制定科學(xué)的應(yīng)用方案，并且遵守相關(guān)法規(guī)法律在明確技術(shù)方案后，制定RS 遙感飛行的路線。同時(shí)，施工單位還要準(zhǔn)備好相關(guān)人員、設(shè)備以及材料，對(duì)工程成本、質(zhì)量、速度以及安全等因素進(jìn)行綜合考慮，為后續(xù)的工程建設(shè)夯實(shí)基礎(chǔ)。

4.2 做好組織協(xié)調(diào)

在3S 技術(shù)具體應(yīng)用中，施工單位需要做好組織協(xié)調(diào)工作，如果發(fā)現(xiàn)工作中存在問(wèn)題和不足，要及時(shí)組織人員解決，并且對(duì)原本的技術(shù)方案進(jìn)行妥善修改。同時(shí)，在連續(xù)作業(yè)中還要做好交接工作，規(guī)范臨時(shí)設(shè)備的使用行為，確保后續(xù)工作的有序和順利進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著社會(huì)的蓬勃發(fā)展，水作為一種重要的資源，在社會(huì)生產(chǎn)、居民生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中扮演了關(guān)鍵角色，在水文和水資源工程中應(yīng)用3S 技術(shù)，能夠顯著提升工程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)開發(fā)利用，充分滿足社會(huì)居民的用水需求。因此，相關(guān)部門要積極開發(fā)和利用3S 技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍、提升其應(yīng)用價(jià)值，緩解社會(huì)生產(chǎn)與水資源管理的矛盾。