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        水利監(jiān)測總體解決方案的研究

        2015-02-06 05:12:07邸國輝李冬平陳翠嬋
        地理空間信息 2015年2期
        關(guān)鍵詞:水利監(jiān)測

        邸國輝,李冬平,陳翠嬋

        (1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064;2.湖北省水利水電科學(xué)研究院,湖北 武漢 430070;3.廣東省國土資源技術(shù)中心,廣東 廣州 510075)

        水利監(jiān)測總體解決方案的研究

        邸國輝1,李冬平2,陳翠嬋3

        (1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064;2.湖北省水利水電科學(xué)研究院,湖北 武漢 430070;3.廣東省國土資源技術(shù)中心,廣東 廣州 510075)

        介紹了遙感技術(shù)、傳感器和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了水利監(jiān)測的總體解決方案,對監(jiān)測方法、變化檢測和建庫等方面進行研究。結(jié)果表明,水利監(jiān)測總體解決方案是可行的,具有大范圍、全天候、全天時的特點,可以為科學(xué)管理決策提供主要依據(jù)。

        水利監(jiān)測;遙感技術(shù);變化檢測

        在人類社會的生存和發(fā)展中,需要不斷地適應(yīng)、利用、改造和保護水環(huán)境。水利監(jiān)測信息不僅能客觀、準確地反映水利相關(guān)特征和現(xiàn)象,還能反映水利變化情況及其相互關(guān)系,反映國家自然資源、生態(tài)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀,是制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。

        1 水利監(jiān)測的內(nèi)容和方法

        1.1 干旱、洪澇監(jiān)測

        區(qū)域旱情監(jiān)測主要是對土壤濕度、作物需水狀況進行監(jiān)測??紤]到時間和空間分辨率的要求,主要以NOAA/AVHRR、EOS/MODIS為數(shù)據(jù)源,采用微波波段、熱紅外波段。旱情監(jiān)測方法主要有土壤熱慣量法(ATI)、作物缺水指數(shù)法(CW-SI)和溫度植被指數(shù)法(TVDI)(圖1)。

        圖1 干旱監(jiān)測圖

        旱情監(jiān)測可對灌區(qū)的運行管理提供決策依據(jù)。效果評價是高效灌溉管理的基本組成部分,來自田間信息的定期反饋可充分提高水利用效率,但獲取有關(guān)實際田間狀況的客觀評價是很困難的。采用遙感技術(shù)結(jié)合雨量計、水位計、流量計、土壤墑情監(jiān)測儀等傳感器則提供了解決問題的可能性。通過信息網(wǎng)絡(luò),傳感器數(shù)據(jù)傳輸至灌區(qū)信息中心,可實現(xiàn)定期監(jiān)測田間濕度指標,在整個灌溉季節(jié)對灌溉調(diào)度方案進行修正,并相應(yīng)地動態(tài)配水。

        洪水災(zāi)害是當今世界上最嚴重的自然災(zāi)害之一 ,對其進行科學(xué)有效的監(jiān)測和評估是科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)(圖2)。目前基于Landsat TM/ETM+、SPOT、EOS/ MODIS、NOAA/AVHRR、Radarsat/ SAR等衛(wèi)星遙感資料可應(yīng)用于洪水水體提取、 淹沒面積計算以及洪水災(zāi)情的影響評估。 合成孔徑雷達 (SAR) 具有全天時和全天候?qū)Φ赜^測優(yōu)勢,其空間分辨率高,可達到10 m甚至3 m。

        圖2 1998年長江簰洲灣洪澇遙感監(jiān)測圖

        利用遙感數(shù)據(jù)進行水體提取是基于水體與植被、土壤等在可見光段的光譜反射率有一定的差異,水體提取的方法主要有閾值法、譜間關(guān)系法等。

        1.2 河道監(jiān)測

        利用遙感技術(shù)可監(jiān)測河道岸線的變化。采用GNSS、回聲測深儀、水聲納、多波束測深系統(tǒng)測繪水下地形,并獲得水下三維影像,為河勢分析、近岸河床的沖淤變化、險段治理提供依據(jù)。

        堤防內(nèi)部埋設(shè)滲壓計等傳感器,可實時獲得堤身浸潤線、堤基滲透壓力等,配合外部變形監(jiān)測(一般采用GNSS、全站儀、水準儀等大地測量儀器),通過專業(yè)模型分析,可為堤防安全評估提供科學(xué)依據(jù)(圖3)。

        1.3 水環(huán)境監(jiān)測

        圖3 荊江河段沖淤厚度平面分布圖(1996~1998年)

        以環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星為主要數(shù)據(jù)源,對河流、水庫、湖泊等地表水體進行動態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)污染源、定位污染源,并監(jiān)測水面浮生物、水含沙量、葉綠素的空間分布以及反演水體的化學(xué)含量。

        水體及其污染物的光譜特性是利用遙感信息進行水環(huán)境監(jiān)測和評價的依據(jù)。一般以光譜測量與采樣分析同步、地面光譜測量與遙感配合為基礎(chǔ),建立水質(zhì)遙感模型(圖4)。

        圖4 渤海灣葉綠素監(jiān)測

        1.4 水土流失監(jiān)測

        采用TM多光譜影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,采用GIS技術(shù),利用DEM進行子流域分析,并以土地利用數(shù)據(jù)為輔助資料,確立解譯標志和解譯精度,通過人工交互式,采用監(jiān)督分類法,結(jié)合信息融合法和邏輯推理法進行解譯,得到多年的流域土地利用類型分布圖,進行水土流失強度分級,制作流域的水土流失分布圖。通過空間疊加分析,從中提取水土流失強度類型的面積變化數(shù)據(jù),進而得到水土流失的動態(tài)變化數(shù)據(jù)。

        1.5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

        利用遙感、GIS和計算機三維可視化技術(shù),對地質(zhì)災(zāi)害進行信息提取和解譯,可劃定滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害位置,利用GIS空間分析功能,結(jié)合高程、坡度、坡向、地層巖性、地震烈度和水系等因子對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征進行分析,并采用層次分析法進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性預(yù)測。

        1.6 工程進程監(jiān)測

        利用高分辨率遙感影像、LiDAR掃描數(shù)據(jù),可實時監(jiān)測工程進展及其對周圍環(huán)境的影響。在南水北調(diào)中線引江濟漢工程中,利用工程開工前后的同一地點航空正射影像,對土方量、工程施工形象、移民村建設(shè)等進行較全面了解。

        從圖5、6可見,進口閘、防洪閘的主體結(jié)構(gòu)已完成,移民村已建2處,大堤兩側(cè)布置了棄渣場。另外,利用航空像對獲得工程開工前后的DEM,計算開挖土方量。

        圖5 2000年5月航攝影像圖

        圖6 2012年12月航攝影像圖

        2 變化檢測及建庫

        水利監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型有文本、關(guān)系數(shù)據(jù)、影像、矢量等,采用面向?qū)ο驡eodatabase 數(shù)據(jù)模型比較適合建立水利國情監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

        水利監(jiān)測的數(shù)據(jù)有:幾何尺度變化(如長度、面積、坡度等)、水利指標變化(如濕度、水量、水環(huán)境等)、變形體變化(如水平位移、沉降)等,采用自動或人工輔助的方法進行變化檢測,基于快照比較方式建立增量數(shù)據(jù)庫,為數(shù)據(jù)庫操作提供便利。

        3 結(jié) 語

        建成完整的水利監(jiān)測技術(shù)、標準,通過3S、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的集成,可以持續(xù)地、全天時地進行水利監(jiān)測,形成快速、規(guī)?;O(jiān)測與分析能力,實現(xiàn)水利監(jiān)測信息對政府、企業(yè)和公眾的智能化服務(wù),為國家戰(zhàn)略規(guī)劃制定、水利規(guī)劃管理、水利政策制定、災(zāi)害預(yù)警和科學(xué)研究等提供有力保障。

        [1] 李瑞清,邸國輝,郭輝.采用3S技術(shù)保護湖泊資源[A].紀念'98抗洪十周年學(xué)術(shù)研討會優(yōu)秀文集[C].鄭州:黃河水利出版社,2008

        [2] 李香顏,陳懷亮,李有.洪水災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測與評估研究綜述[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2009(1):102-108

        [3] 趙曉麗,張增祥,劉斌,等.基于遙感和GIS的全國土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測方法研究[J].水土保持通報,2002(4):29-31

        [4] 李鄭,褚進海,彭鵬,等.基于二期高分辨率遙感數(shù)據(jù)的巢湖礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境及動態(tài)變化研究[J].安徽地質(zhì),2012(3):205-207

        [5] 孫敏章,劉作新,吳炳方,等.衛(wèi)星遙感監(jiān)測ET方法及其在水管理方面的應(yīng)用[J].水科學(xué)進展,2005(3):468-472

        [6] 牛志春,李旭文,張詠,等.太湖流域水環(huán)境天地一體化監(jiān)測體系構(gòu)建與應(yīng)用[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2012(1):1-5

        [7] 張良,涂瀾濤,邸國輝.基于GIS的移民信息系統(tǒng)設(shè)計[J].地理空間信息,2013,11(1):18-20

        [8] 邸國輝,程崇木,劉傳生,等.基于IRS-P5衛(wèi)星影像測圖的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].地理空間信息,2012,10(3):27-30

        P208

        B

        1672-4623(2015)02-0004-02

        10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.002

        邸國輝,正高職高級工程師,從事GNSS、RS的應(yīng)用與研究工作。

        2014-09-06。

        項目來源:湖北省水利重點科技資助項目(TG1316)。

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