智慧瀾滄江地理信息系統(tǒng)建設及應用

尹 欣，夏 婧，李文格，肖 洲

(1.北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京 100048； 2.長江空間信息技術工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

0 引 言

為了推動流域的信息化、現(xiàn)代化、可持續(xù)發(fā)展，“智慧流域”作為具有特殊地理特征的一個層次被提出來，與近年來大力推廣的“數(shù)字流域”密切相關[1]。智慧流域將新一代IT技術充分運用于流域綜合管理，把傳感器嵌入到流域各個角落的自然系統(tǒng)，并通過普遍連接形成“流域物聯(lián)網”，然后通過云計算將流域物聯(lián)網整合起來，以更加精細和動態(tài)的方式對流域進行規(guī)劃設計和運營管理[2]。

2021年，中國水利工作會議提出“水利網絡安全與信息化水平進一步提升”，并提到“開通瀾湄水資源合作信息共享平臺網站，有序推進水利涉外交流合作”。瀾滄江流域水資源開發(fā)利用率高，干流已建成功果橋、小灣、漫灣、糯扎渡、景洪等多個水電梯級。在當前水資源開發(fā)利用情形下，流域面臨更精確、更高效、更便捷的水資源統(tǒng)籌管理、干支流梯級聯(lián)合調度、整體生態(tài)環(huán)境保護修復等方面的需求，急需整合流域內的地理、氣象、水文、環(huán)境、生態(tài)、社會、經濟、工程建設等各方面的信息，實現(xiàn)全流域的動態(tài)監(jiān)測、分析、模擬和管理，而傳統(tǒng)的技術手段對于大尺度下的流域并不適用。目前，瀾湄水資源合作正逐步深入，作為重要的國際河流，推進國際河流管理模式升級，促進流域范圍內的統(tǒng)一信息化管理要求迫切[3]。

在傳統(tǒng)的流域開發(fā)治理過程中，數(shù)字地形圖作為最廣泛使用的基礎數(shù)據之一，作用顯著，但利用傳統(tǒng)的測繪技術手段獲取數(shù)字地形圖效率較低，生產成本較高，且成果單一，顯然已不能滿足智慧流域對基礎地理信息數(shù)據的需求。隨著衛(wèi)星遙感技術、傾斜攝影測量技術等測繪新型裝備和技術的快速發(fā)展，如何利用這些新技術為智慧流域建設提供低成本的基礎地理信息數(shù)據成為當前熱門的研究課題。本文簡要介紹了智慧瀾滄江的頂層設計框架，闡述了地理信息系統(tǒng)(GIS)在智慧流域建設中的重要地位及支撐系統(tǒng)所需的各類基礎地理信息數(shù)據，詳細介紹了多種新型測繪裝備和技術在獲取各類基礎地理信息數(shù)據的方法和特點，針對瀾滄江不同位置的地形特點，分別采用不同的技術手段獲取不同類型的數(shù)據，分析了各類數(shù)據為智慧流域功能設計提供的數(shù)據支撐，并通過實際案例論證了數(shù)據的可靠性以及方法的可行性，為其他流域的智慧化、數(shù)字孿生建設提供了思路。

1 瀾滄江-湄公河流域概況

瀾滄江-湄公河發(fā)源于中國青海，流經老撾、緬甸、泰國、柬埔寨和越南，中國境內稱為瀾滄江，出中國后稱為湄公河，是亞洲惟一的一江連六國的國際河流，對云南區(qū)域經濟合作以及中國與東盟經濟自由貿易區(qū)的建設具有重大意義。瀾滄江-湄公河流域面積約81.24萬km2，干流全長約4 880 km，干流總落差約506 m，年平均徑流量4 750億m3。瀾滄江流經青海、西藏和云南三省，集水面積約16.44萬km2，干流全長約為2 160 km，天然落差458 m[4]。

瀾滄江流域上、中、下游自然環(huán)境差異顯著，從地勢上看，流域由北向南呈階梯狀下降，其主體地貌特征表現(xiàn)為高山峽谷相間[5]。昌都以上為上游，長550 km，青海境內河谷寬廣，河島、漫灘汊流發(fā)育，水流平緩；上游西藏境內河段是全流域比降最大地段，水系較發(fā)育。昌都至云南四家村為中游，長1 180 km，為高山峽谷區(qū)，主河谷深切是典型的“V”形谷。四家村以下為下游，長410 km，地勢趨于平緩，為中山峽谷、中低山寬谷地貌區(qū)[5]。

2 智慧瀾滄江頂層設計

圖1 智慧瀾滄江頂層設計架構

智慧瀾滄江建設是以解決瀾滄江流域實際問題為導向，綜合利用物聯(lián)網、GIS、BIM、大數(shù)據、云計算等新興IT技術，按基礎層、平臺層和應用層分級，以智慧水利建設標準規(guī)范和信息化安全體系為保障，結合流域綜合管理、開發(fā)利用等實際需求，建設數(shù)據感知更精細、信息更聯(lián)通、決策更智能的智慧型平臺，智慧瀾滄江頂層設計架構如圖1所示。

2.1 基礎層

基礎層主要解決流域相關各類數(shù)據的獲取、傳輸、存儲和計算問題，包括：① 數(shù)據采集系統(tǒng)，如流域基礎地理信息、水質、水量、氣象、環(huán)境保護等數(shù)據的采集，按統(tǒng)一的數(shù)據格式和標準進行存儲；② 數(shù)據傳輸系統(tǒng)，如無線傳輸網絡、光纖有線網絡等；③ 數(shù)據存儲和計算設施，如云計算、云存儲、數(shù)據中心等基礎設施。

2.2 平臺層

平臺層主要解決大數(shù)據平臺、GIS平臺、模型計算平臺等問題，包括：① 大數(shù)據平臺，如數(shù)據庫總集、空間數(shù)據庫、業(yè)務數(shù)據庫、多媒體數(shù)據庫等；② GIS平臺，如二、三維GIS、移動GIS平臺等；③ 模型計算平臺，如降雨徑流、洪水演進、水環(huán)境分析、水動學等模型。

2.3 應用層

應用層主要解決流域水資源調度管理、水環(huán)境保護、水電開發(fā)利用、防洪減災、取水灌溉、水土保持等問題，包括：① 水資源調度管理，如監(jiān)測取水、輸水、供水、用水、排水等環(huán)節(jié)數(shù)據以優(yōu)化水資源配置；② 水環(huán)境保護，如通過實時監(jiān)測流域污染源排放情況，借助水質評價模型和污染物動態(tài)模型對水環(huán)境進行預測預報；③ 水電開發(fā)利用，如依托BIM技術建設智慧水電站系統(tǒng)實現(xiàn)水電站運行工況實時監(jiān)測分析和響應；④ 防洪減災，如利用氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據和流域內水文監(jiān)測數(shù)據，通過氣象預報模型對流域內降雨進行分析為防洪減災提供技術支撐；⑤ 取水灌溉，通過在取水源頭布設傳感器獲取取水量實時數(shù)據，分析用水變化趨勢；⑥ 水土保持，通過多時相衛(wèi)星遙感數(shù)據等手段分析流域內植被變化和水土流失等情況。

3 GIS建設

GIS是一種具有信息系統(tǒng)空間專業(yè)形式的數(shù)據管理系統(tǒng)。從嚴格意義上說，GIS是一個具有集中、存儲、操作、和顯示地理參考信息的計算機系統(tǒng)。在智慧流域的建設過程中，GIS作為流域相關信息的載體平臺，將絕大部分信息按照地理坐標的維度進行重組關聯(lián)。同時，平臺自身需連接統(tǒng)一空間數(shù)據庫，并針對各類基礎地理信息數(shù)據提供管理和更新機制，為各應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基礎地理信息服務。

GIS作為空間數(shù)據的重要服務引擎，有多種不同的技術實現(xiàn)路徑，能容納各種不同尺度，不同分辨率和不同時相的空間數(shù)據，具體采用的數(shù)據形式和技術手段需根據智慧流域的不同應用場景來確定。針對瀾滄江流域的地形特點和各水利設施建設需求，分析衛(wèi)星遙感數(shù)據、航空攝影測量成果、傾斜攝影測量實景模型、機載激光雷達點云、多波束聲吶水下地形點云等幾種常見地理信息數(shù)據的應用情況。

3.1 衛(wèi)星遙感技術及應用

遙感主要指從遠距離高空，以至外層空間的平臺上，利用可見光、紅外、微波等探測儀器，通過攝影或掃描、信息感應、傳輸和處理，從而識別地面物質的性質和運動狀態(tài)的現(xiàn)代化技術。

在智慧瀾滄江建設過程中，衛(wèi)星遙感數(shù)據可用于流域范圍內資源普查、植被分類、水土保持、土地利用規(guī)劃、災害監(jiān)測和環(huán)境污染監(jiān)測等方面。利用遙感影像數(shù)據具有探測范圍大、獲取數(shù)據周期短、受雪山沙漠等惡劣地面條件限制少、信息量大等優(yōu)點，可進行流域范圍的大尺度研究，如在對瀾滄江流域植被覆蓋動態(tài)變化分析研究過程中，為直觀反映瀾滄江流域植被覆蓋空間分布特征，利用流域內連續(xù)10 a的MODIS數(shù)據，計算歸一化植被指數(shù)(NDVI)監(jiān)測植被生長狀況及植被覆蓋度，結論認為瀾滄江流域植被活動具有明顯的區(qū)域差異，從總體上看存在顯著上升趨勢，覆蓋整體得到改善的區(qū)域面積大于退化區(qū)域[6]。

3.2 航空攝影測量技術及應用

航空攝影測量是指在飛機上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片，結合地面控制點測量、調繪和立體測繪等步驟，繪制出地形圖的作業(yè)。作為4D產品，即數(shù)字高程模型；(DEM)，數(shù)字線劃地圖(DLG)；數(shù)字正射影像(DOM)；數(shù)字柵格地圖(DRG)的主要生產方式，航空攝影測量具有技術成熟、作業(yè)效率高、成果精度高、生產成本低等特點，目前廣泛應用于大范圍基礎測繪數(shù)據生產。近年來，無人機航空攝影測量技術取得了巨大進步，與傳統(tǒng)航空攝影測量技術相比機動性更強，響應更快，影像分辨率更高，與衛(wèi)星遙感和傳統(tǒng)航測技術結合，形成了優(yōu)勢互補，適合中小型水利水電工程測繪作業(yè)。

在瀾滄江開發(fā)建設項目中，航空攝影測量技術已在多個水電站開發(fā)中應用，如糯扎渡水電工程中，在壩區(qū)航攝時，采用數(shù)碼相機，利用無人機飛行了4個架次，總面積約243 km2，數(shù)字航空攝影的影像地面分辨率達到0.2 m，數(shù)字高程模型格網分辨率為2.5 m，地形圖成圖比例尺為1∶2 000。該成果后期用于制作糯扎渡三維地形場景(圖2)，融合壩區(qū)建筑物三維模型，實現(xiàn)了糯扎渡水電站三維場景構建，作為糯扎渡水電站三維GIS的基礎地理數(shù)據可視化與水電站數(shù)字化運行載體，最終實現(xiàn)了與安全監(jiān)測系統(tǒng)、雨水情系統(tǒng)、泥沙管理系統(tǒng)、環(huán)境保護管等系統(tǒng)的集成[7]。

圖2 扎渡水電站三維模型效果圖

3.3 傾斜攝影測量技術及應用

傾斜攝影測量技術是通過無人機掛載多鏡頭相機從5個視角同步采集影像，獲取豐富的物體頂面及側視的高分辨率紋理，通過高重疊度的影像數(shù)據，可自動構建拍攝對象的三維實景模型，且模型視覺效果逼真(圖3)，精度可滿足測繪專業(yè)要求，同時還具有作業(yè)效率高、成果精度高、響應速度快等優(yōu)點。

瀾滄江流域梯級電站開發(fā)涉及7地州14萬人，征地移民工作戰(zhàn)線長且分散、管理對象復雜、外圍環(huán)境惡劣，通過信息化手段管理可形成機制靈活、信息透明的先進管理工作機制。借助傾斜攝影測量技術，可對征地區(qū)域內所有權屬地物進行三維重建，建立實時動態(tài)的資產管理平臺，利用無人機作業(yè)效率高的特點，可建立固定周期性作業(yè)機制，準確掌握移民搬遷進度，同步關聯(lián)土地征用、移民政策、電站開發(fā)進度、移民資金管理等信息，提升征地移民的管理水平和工作效率[8]。

圖3 傾斜攝影測量實景建模

3.4 機載激光雷達技術及應用

機載激光雷達(LiDAR)集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機等光譜成像設備，可快速采集測區(qū)內高精度密集點云數(shù)據(圖4)，具有掃描速度快、可穿透植被、工作效率高等優(yōu)點。

圖4 機載激光雷達點云數(shù)據

針對瀾滄江流域山區(qū)復雜地形和植被茂密的特點，在水電站等水工建筑工程建設過程中，可利用機載LiDAR技術，通過布設少量的地面控制點，快速采集測區(qū)內高精度點云數(shù)據和高分辨率影像數(shù)據，采用加密三角網濾波進行點云自動分類，再結合人工手動修整實現(xiàn)點云的精細化分類，后期可生產高精度數(shù)字高程模型和高分辨率正射影像數(shù)據，可供工程設計、施工及運營服務，也可作為智慧瀾滄江中的高精度地形數(shù)據為洪水演進分析、災害評估等系統(tǒng)功能提供基礎地理信息數(shù)據[9]。

3.5 多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應用

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復雜組合系統(tǒng)。測深時，載有多波束測深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，且可同時獲得與船的航跡相垂直的面內的256個水深值，一次測量即可覆蓋一個寬扇面，測量成果如圖5所示。多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點，能夠高效獲取高精度的水下三維地形數(shù)據，可用于水庫壩區(qū)淤積測量，為水電站汛前沖沙提供評估依據；也可用于復核庫容，以便為水庫運行提供數(shù)據支撐。

位于瀾滄江中游的漫灣水電站已開發(fā)多年，電站水庫自身逐年淤積，水庫死庫容和調節(jié)庫容逐年減少。隨著上游小灣電廠投產發(fā)電，2010年后小灣電站龍頭開始發(fā)揮水庫調節(jié)能力，由此漫灣電站開始常年維持高水位運行，由于水庫運行方式改變，壩前的淤積情況也隨之改變，急需快速掌握壩前泥沙淤積情況。為確保水庫安全運行，及時合理安排沖沙并評估沖沙效果，漫灣電站引進了多波束測深技術分別在沖沙前后對壩前水庫進行了測量，形成了三維水下地形圖，直觀準確地反映出壩前淤積的實際情況，為其他電站安全管理提供了新的思路[10]。

圖5 多波束測深系統(tǒng)獲取水下地形點云數(shù)據

4 結 語

隨著多個智慧瀾滄江前期項目的地實施，通過采用新興測繪裝備和技術(如衛(wèi)星遙感、傾斜攝影測量、機載激光雷達、多波束測深系統(tǒng)等)，獲取了瀾滄江流域的基礎地理信息數(shù)據，為建設智慧瀾滄江地理信息系統(tǒng)開辟了一條新思路，不僅豐富了基礎地理信息數(shù)據類型，還大大提高了數(shù)據精度，同時降低了數(shù)據的獲取成本。

目前，智慧瀾滄江建設正在大力推進過程中，必將對地理信息數(shù)據的精度和實效性等方面提出更高的要求，通過不斷優(yōu)化這些新技術在智慧流域中的應用，將為智慧流域的發(fā)展提供更加有力的支撐。