林永鋼，駱旭佳，劉犀力

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310030）

水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

林永鋼，駱旭佳，劉犀力

（浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310030）

水利水電工程建成投產(chǎn)后，大壩蓄水會(huì)引起流域范圍內(nèi)水流的重新分布，出現(xiàn)局部范圍沖刷、淤積、塌岸等現(xiàn)象，導(dǎo)致水下地形發(fā)生變化。在運(yùn)營維護(hù)階段的安全監(jiān)測管理工作中，將定期或不定期地對壩前、匯流區(qū)等重點(diǎn)部位的水下地形進(jìn)行監(jiān)測，分析和掌握水下地形演變情況。筆者介紹單位自主開發(fā)的一套水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用于水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和分析，推動(dòng)水利水電工程運(yùn)營管理信息化的實(shí)現(xiàn)。

水下地形監(jiān)測；信息管理系統(tǒng)；可視化管理

0 引言

水利水電工程在蓄水發(fā)電、灌溉、通航運(yùn)輸、防洪調(diào)度和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等方面起了重要作用，但人工興建大型水利水電工程使原有的水資源進(jìn)行了重新分布。大壩截流、支流匯水后，流速下降使泥沙搬運(yùn)能力下降[1]，在支流匯聚區(qū)、壩前靜水區(qū)、壩后緩流區(qū)等區(qū)域，往往都存在不同程度的泥沙沉積問題，一般采用“蓄清排渾”的方式進(jìn)行清淤和沖沙，但淤積現(xiàn)象仍普遍存在。水利水電工程的壩前淤積會(huì)降低有效庫容，削弱水庫的調(diào)節(jié)能力和防洪能力，因此，在水利水電工程的運(yùn)營維護(hù)過程中，通過水下地形監(jiān)測，及時(shí)了解水下地形的演變情況對保障水利水電工程的安全運(yùn)營具有重要意義。

1 水下地形監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

1.1 水下地形測量技術(shù)

目前，水下地形監(jiān)測大多采用多波束測深和GPS動(dòng)態(tài)差分定位等綜合方法技術(shù)，可快速獲取水下地形數(shù)據(jù)，并形成電子化成果[2]，僅有少量工程仍采用單波束斷面測量方法或其他測量方式。

1.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

單次水下地形測量可獲得某一時(shí)點(diǎn)的水下地形分布情況，往往采用點(diǎn)云文件或表格文件的方式進(jìn)行存儲(chǔ)與管理，但監(jiān)測水下地形的演變需要對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，顯然不適用點(diǎn)云文件或表格文件管理方式。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)與文件方式管理水下地形歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)將具有明顯的優(yōu)勢，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對每一期監(jiān)測數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息（采集時(shí)間、原因、坐標(biāo)系統(tǒng)等等）、特征作息、數(shù)據(jù)存放路徑等進(jìn)行快速檢索提取，通過文件方式對每一期監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。采用數(shù)據(jù)庫記錄與成果文件一一對應(yīng)的方式管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，極大地方便了監(jiān)測數(shù)據(jù)的單獨(dú)使用和檢索對比。

1.3 地形數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，工程上大多采用DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型的簡稱）來表示地形，可利用多期DEM地形疊加的方法，分析計(jì)算水下地形的變化。通過選擇任意兩期地形數(shù)據(jù)，以地理信息系統(tǒng)空間疊加的方法獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的空間格局變化，分析計(jì)算對應(yīng)的地形變化量，并根據(jù)比對變化量進(jìn)行區(qū)域的分級分類，以便指導(dǎo)后續(xù)監(jiān)測工作，如圖1所示。

圖1 DEM空間分析方法計(jì)算沖刷和淤積量Fig.1 DEM spatial analysis method is used to calculate scour and sediment volume

2 信息管理系統(tǒng)開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理和文件管理相結(jié)合的方法。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，分兩類表單進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)的記錄。一種是對每一期數(shù)據(jù)信息的描述，如：采集時(shí)間、數(shù)據(jù)分類（常規(guī)或者加測）、坐標(biāo)系統(tǒng)、對應(yīng)特征數(shù)據(jù)表名、對應(yīng)特征數(shù)據(jù)的存放路徑等元數(shù)據(jù)信息，以保障數(shù)據(jù)檢索；另一種是第一期特征離散點(diǎn)的坐標(biāo)值，用于快速展現(xiàn)水下地形，比如一個(gè)數(shù)據(jù)表內(nèi)存放了某一時(shí)段3 000個(gè)該監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地形特征點(diǎn)（如表1所示）。

在文件方式的管理中，程序設(shè)計(jì)了原始數(shù)據(jù)文件夾、工作文件夾和成果數(shù)據(jù)文件夾。各文件的描述性信息存放于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，通過程序檢查可以實(shí)現(xiàn)文件的查找與調(diào)用。原始數(shù)據(jù)文件夾用于存放各期地形測繪成果數(shù)據(jù)，如原始離散點(diǎn)位數(shù)據(jù)、地形圖電子版；工作文件夾用于存放各類計(jì)算過程中需要使用的中間數(shù)據(jù)，如中間TIN數(shù)據(jù)文件、DEM文件等；成果數(shù)據(jù)文件夾用于存放各類計(jì)算比對的成果文件，如庫容曲線圖、地形變化分布圖等等。

表1 數(shù)據(jù)管理表格數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Table 1 Database structure

2.2 組件式開發(fā)與可視化

在水利水電工程的運(yùn)營管理階段，通常采用信息化的系統(tǒng)對水下地形監(jiān)測的成果進(jìn)行管理與計(jì)算。目前，地理信息系統(tǒng)相關(guān)的軟件系統(tǒng)大多通過二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)，本監(jiān)測管理信息系統(tǒng)采用C#+ArcGIS Engine的組件式開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)功能方面，主要?jiǎng)澐譃椋河脩艄芾?、?shù)據(jù)管理、地圖基本操作、空間分析計(jì)算、場景瀏覽等五大模塊。其中空間分析計(jì)算模塊是監(jiān)測管理系統(tǒng)的核心部分，該模塊基于水下地形的DEM數(shù)據(jù)，采用DEM分析、剖面分析、疊加分析等一系列空間分析計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)水下地形演變的定性和定量分析。

計(jì)算過程中，先通過系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的文件內(nèi)容，得到不同時(shí)期的水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)，再由系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算，得到監(jiān)測區(qū)域的變化量及分布情況。與傳統(tǒng)的斷面計(jì)算方法相比，通過GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)地形的演變分析，可對水下地形進(jìn)行三維可視化表達(dá)，更形象直觀。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 觀音巖水電站壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測

觀音巖水電站位于云南省與四川省交接界的金沙江中游河段，為一等大（1）型工程。由于壩址兩岸沖溝較發(fā)育，左岸龍井溝和臘烏度溝較大且切割較深，其間還發(fā)育有三條小沖溝，故壩前水下地形復(fù)雜多變，水庫庫容、沖刷淤積量等重要數(shù)據(jù)難以精準(zhǔn)獲取。系統(tǒng)通過對觀音巖電站多波束測深數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)文本文件到TIN、DEM數(shù)據(jù)的一鍵式生成操作。水下地形構(gòu)建流程如圖2所示。

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對時(shí)序水下監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，分析提取水庫庫容信息（如圖3所示）以及水下地形的沖刷淤積信息（如圖4所示）。

圖2 水下三維地形構(gòu)建流程圖Fig.2 Construction procedures of underwater three dimension?al terrain

圖3 水庫庫容曲線及庫容統(tǒng)計(jì)輸出表Fig.3 Reservoir capacity curve and statistical output of storage capacity

圖4 庫區(qū)沖刷淤積區(qū)空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of scour and silting in reservoir area

3.2 富春江電廠壩下沖刷演變分析

富春江擴(kuò)建改造船閘布置在富春江電廠大壩下游右岸岸坡，是緊接原有船閘下閘首在其后新建的一座標(biāo)準(zhǔn)IV級船閘。隨著船閘擴(kuò)建工程的展開，富春江電廠壩下水底地形變化顯著。以2012年（原始水下地形數(shù)據(jù)）至2016年富春江電廠壩址下游流域部分河段水下地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，利用監(jiān)測管理信息系統(tǒng)生成數(shù)字高程模型（DEM）并進(jìn)行多期數(shù)據(jù)對比分析，實(shí)現(xiàn)對壩址下游泥沙輸移的定量分析計(jì)算和可視化成圖（如圖5所示），為富春江電廠的運(yùn)營維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

圖5 壩址下游沖刷淤積分析圖Fig.5 Analysis of scour and silting downstream the dam

利用水下地形監(jiān)測管理信息系統(tǒng)結(jié)合多波束測深、無人船和GPS動(dòng)態(tài)差分定位等新型測繪設(shè)備獲取的水下地形數(shù)據(jù)，可在水利水電工程運(yùn)營階段對重點(diǎn)區(qū)域的水下地形演變進(jìn)行長效管理。觀音巖水電站和富春江水電站的成功應(yīng)用表明，多期監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算分析可以挖掘、提取更多有效信息，用于水利水電工程運(yùn)行管理與決策分析，如輔助制定清淤計(jì)劃、壩前沖沙計(jì)劃等[3-4]。水下地形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)不僅提高了工作效率，也保障了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)解決了水下地形監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期存儲(chǔ)與管理問題。

[1]劉仙玉,毛小平.多波束測深系統(tǒng)在水庫庫容曲線復(fù)核與淤積測量中的應(yīng)用[J].大壩與安全,2013(6):24-26.

[2]謝運(yùn)山.GPS在水下地形測繪中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理[J].現(xiàn)代測繪,2002(S1):100-101.

[3]李正品,鄭江.多波速測深系統(tǒng)在漫灣壩前淤積壩后沖刷測量中的應(yīng)用[C].云南省水利水電巖土工程技術(shù)研討會(huì),2012:74-78.

[4]王鳳瑞.多波束測深系統(tǒng)在大浪淀水庫水下地形測量中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015(21):18-19.

2017-01-19；

2017-03-22

林永鋼（1984-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，碩士研究生，主要從事水電測繪及信息化工作。

作者郵箱：lin_yg@ecidi.com

Development and application of underwater topographic monitoring data management system

LIN Yong-gang,LUO Xu-jia and LIU Xi-li

Zhejiang Huadong Surveying,Mapping and Geoinforma?tion Co.,Ltd.

After the completion of water conservancy and hydropower projects,water storage would cause redistribution of water in the basin.As well,local scour,deposition and bank collapse would ap?pear,resulting in changes in underwater topography.In the safety monitoring management of operation and maintenance stage,the underwater topography of key areas,such as the dam front and the conflu?ence area,are monitored regularly or irregularly,and the evolution of underwater topography is analyzed and managed.This paper introduces a set of analysis and visualization management system for manage?ment of underwater terrain monitoring data which has promoted the informatization of operation and man?agement of water conservancy and hydropower projects.

underwater terrain monitoring;information management system;visual management

G250

A

1671-1092（2017）05-0022-04