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        智慧瀾滄江地理信息系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

        2022-12-21 06:49:34李文格
        水利水電快報 2022年12期
        關(guān)鍵詞:瀾滄江流域智慧

        尹 欣,夏 婧,李文格,肖 洲

        (1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,北京 100048; 2.長江空間信息技術(shù)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(guān)[1]。智慧流域?qū)⑿乱淮鶬T技術(shù)充分運(yùn)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(wǎng)”,然后通過云計(jì)算將流域物聯(lián)網(wǎng)整合起來,以更加精細(xì)和動態(tài)的方式對流域進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理[2]。

        2021年,中國水利工作會議提出“水利網(wǎng)絡(luò)安全與信息化水平進(jìn)一步提升”,并提到“開通瀾湄水資源合作信息共享平臺網(wǎng)站,有序推進(jìn)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(dāng)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(diào)度、整體生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)等方面的需求,急需整合流域內(nèi)的地理、氣象、水文、環(huán)境、生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)、工程建設(shè)等各方面的信息,實(shí)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(shù)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(jìn)國際河流管理模式升級,促進(jìn)流域范圍內(nèi)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(chǔ)數(shù)據(jù)之一,作用顯著,但利用傳統(tǒng)的測繪技術(shù)手段獲取數(shù)字地形圖效率較低,生產(chǎn)成本較高,且成果單一,顯然已不能滿足智慧流域?qū)A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的需求。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)等測繪新型裝備和技術(shù)的快速發(fā)展,如何利用這些新技術(shù)為智慧流域建設(shè)提供低成本的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成為當(dāng)前熱門的研究課題。本文簡要介紹了智慧瀾滄江的頂層設(shè)計(jì)框架,闡述了地理信息系統(tǒng)(GIS)在智慧流域建設(shè)中的重要地位及支撐系統(tǒng)所需的各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),詳細(xì)介紹了多種新型測繪裝備和技術(shù)在獲取各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的方法和特點(diǎn),針對瀾滄江不同位置的地形特點(diǎn),分別采用不同的技術(shù)手段獲取不同類型的數(shù)據(jù),分析了各類數(shù)據(jù)為智慧流域功能設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)支撐,并通過實(shí)際案例論證了數(shù)據(jù)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(shè)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(jīng)老撾、緬甸、泰國、柬埔寨和越南,中國境內(nèi)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(jīng)濟(jì)合作以及中國與東盟經(jīng)濟(jì)自由貿(mào)易區(qū)的建設(shè)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(jīng)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(nèi)河谷寬廣,河島、漫灘汊流發(fā)育,水流平緩;上游西藏境內(nèi)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(shè)計(jì)

        圖1 智慧瀾滄江頂層設(shè)計(jì)架構(gòu)

        智慧瀾滄江建設(shè)是以解決瀾滄江流域?qū)嶋H問題為導(dǎo)向,綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興IT技術(shù),按基礎(chǔ)層、平臺層和應(yīng)用層分級,以智慧水利建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和信息化安全體系為保障,結(jié)合流域綜合管理、開發(fā)利用等實(shí)際需求,建設(shè)數(shù)據(jù)感知更精細(xì)、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(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

        2.1 基礎(chǔ)層

        基礎(chǔ)層主要解決流域相關(guān)各類數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、存儲和計(jì)算問題,包括:① 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如流域基礎(chǔ)地理信息、水質(zhì)、水量、氣象、環(huán)境保護(hù)等數(shù)據(jù)的采集,按統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲;② 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),如無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、光纖有線網(wǎng)絡(luò)等;③ 數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算設(shè)施,如云計(jì)算、云存儲、數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施。

        2.2 平臺層

        平臺層主要解決大數(shù)據(jù)平臺、GIS平臺、模型計(jì)算平臺等問題,包括:① 大數(shù)據(jù)平臺,如數(shù)據(jù)庫總集、空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等;② GIS平臺,如二、三維GIS、移動GIS平臺等;③ 模型計(jì)算平臺,如降雨徑流、洪水演進(jìn)、水環(huán)境分析、水動學(xué)等模型。

        2.3 應(yīng)用層

        應(yīng)用層主要解決流域水資源調(diào)度管理、水環(huán)境保護(hù)、水電開發(fā)利用、防洪減災(zāi)、取水灌溉、水土保持等問題,包括:① 水資源調(diào)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(jù)以優(yōu)化水資源配置;② 水環(huán)境保護(hù),如通過實(shí)時監(jiān)測流域污染源排放情況,借助水質(zhì)評價模型和污染物動態(tài)模型對水環(huán)境進(jìn)行預(yù)測預(yù)報;③ 水電開發(fā)利用,如依托BIM技術(shù)建設(shè)智慧水電站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水電站運(yùn)行工況實(shí)時監(jiān)測分析和響應(yīng);④ 防洪減災(zāi),如利用氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和流域內(nèi)水文監(jiān)測數(shù)據(jù),通過氣象預(yù)報模型對流域內(nèi)降雨進(jìn)行分析為防洪減災(zāi)提供技術(shù)支撐;⑤ 取水灌溉,通過在取水源頭布設(shè)傳感器獲取取水量實(shí)時數(shù)據(jù),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(jù)等手段分析流域內(nèi)植被變化和水土流失等情況。

        3 GIS建設(shè)

        GIS是一種具有信息系統(tǒng)空間專業(yè)形式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。從嚴(yán)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在智慧流域的建設(shè)過程中,GIS作為流域相關(guān)信息的載體平臺,將絕大部分信息按照地理坐標(biāo)的維度進(jìn)行重組關(guān)聯(lián)。同時,平臺自身需連接統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)庫,并針對各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)提供管理和更新機(jī)制,為各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)地理信息服務(wù)。

        GIS作為空間數(shù)據(jù)的重要服務(wù)引擎,有多種不同的技術(shù)實(shí)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(jù),具體采用的數(shù)據(jù)形式和技術(shù)手段需根據(jù)智慧流域的不同應(yīng)用場景來確定。針對瀾滄江流域的地形特點(diǎn)和各水利設(shè)施建設(shè)需求,分析衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空攝影測量成果、傾斜攝影測量實(shí)景模型、機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云、多波束聲吶水下地形點(diǎn)云等幾種常見地理信息數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況。

        3.1 衛(wèi)星遙感技術(shù)及應(yīng)用

        遙感主要指從遠(yuǎn)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(yīng)、傳輸和處理,從而識別地面物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動狀態(tài)的現(xiàn)代化技術(shù)。

        在智慧瀾滄江建設(shè)過程中,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可用于流域范圍內(nèi)資源普查、植被分類、水土保持、土地利用規(guī)劃、災(zāi)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(jù)具有探測范圍大、獲取數(shù)據(jù)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(diǎn),可進(jìn)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(nèi)連續(xù)10 a的MODIS數(shù)據(jù),計(jì)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(jié)論認(rèn)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(shù)及應(yīng)用

        航空攝影測量是指在飛機(jī)上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片,結(jié)合地面控制點(diǎn)測量、調(diào)繪和立體測繪等步驟,繪制出地形圖的作業(yè)。作為4D產(chǎn)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(chǎn)方式,航空攝影測量具有技術(shù)成熟、作業(yè)效率高、成果精度高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于大范圍基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)。近年來,無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)取得了巨大進(jìn)步,與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比機(jī)動性更強(qiáng),響應(yīng)更快,影像分辨率更高,與衛(wèi)星遙感和傳統(tǒng)航測技術(shù)結(jié)合,形成了優(yōu)勢互補(bǔ),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(shè)項(xiàng)目中,航空攝影測量技術(shù)已在多個水電站開發(fā)中應(yīng)用,如糯扎渡水電工程中,在壩區(qū)航攝時,采用數(shù)碼相機(jī),利用無人機(jī)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(dá)到0.2 m,數(shù)字高程模型格網(wǎng)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(shí)現(xiàn)了糯扎渡水電站三維場景構(gòu)建,作為糯扎渡水電站三維GIS的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)可視化與水電站數(shù)字化運(yùn)行載體,最終實(shí)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(hù)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(shù)及應(yīng)用

        傾斜攝影測量技術(shù)是通過無人機(jī)掛載多鏡頭相機(jī)從5個視角同步采集影像,獲取豐富的物體頂面及側(cè)視的高分辨率紋理,通過高重疊度的影像數(shù)據(jù),可自動構(gòu)建拍攝對象的三維實(shí)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

        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(fù)雜、外圍環(huán)境惡劣,通過信息化手段管理可形成機(jī)制靈活、信息透明的先進(jìn)管理工作機(jī)制。借助傾斜攝影測量技術(shù),可對征地區(qū)域內(nèi)所有權(quán)屬地物進(jìn)行三維重建,建立實(shí)時動態(tài)的資產(chǎn)管理平臺,利用無人機(jī)作業(yè)效率高的特點(diǎn),可建立固定周期性作業(yè)機(jī)制,準(zhǔn)確掌握移民搬遷進(jìn)度,同步關(guān)聯(lián)土地征用、移民政策、電站開發(fā)進(jìn)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(shí)景建模

        3.4 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)及應(yīng)用

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

        圖4 機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

        針對瀾滄江流域山區(qū)復(fù)雜地形和植被茂密的特點(diǎn),在水電站等水工建筑工程建設(shè)過程中,可利用機(jī)載LiDAR技術(shù),通過布設(shè)少量的地面控制點(diǎn),快速采集測區(qū)內(nèi)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高分辨率影像數(shù)據(jù),采用加密三角網(wǎng)濾波進(jìn)行點(diǎn)云自動分類,再結(jié)合人工手動修整實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的精細(xì)化分類,后期可生產(chǎn)高精度數(shù)字高程模型和高分辨率正射影像數(shù)據(jù),可供工程設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營服務(wù),也可作為智慧瀾滄江中的高精度地形數(shù)據(jù)為洪水演進(jìn)分析、災(zāi)害評估等系統(tǒng)功能提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)[9]。

        3.5 多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用

        多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)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(nèi)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(diǎn),能夠高效獲取高精度的水下三維地形數(shù)據(jù),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(jù);也可用于復(fù)核庫容,以便為水庫運(yùn)行提供數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)庫容逐年減少。隨著上游小灣電廠投產(chǎn)發(fā)電,2010年后小灣電站龍頭開始發(fā)揮水庫調(diào)節(jié)能力,由此漫灣電站開始常年維持高水位運(yùn)行,由于水庫運(yùn)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(yùn)行,及時合理安排沖沙并評估沖沙效果,漫灣電站引進(jìn)了多波束測深技術(shù)分別在沖沙前后對壩前水庫進(jìn)行了測量,形成了三維水下地形圖,直觀準(zhǔn)確地反映出壩前淤積的實(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)

        4 結(jié) 語

        隨著多個智慧瀾滄江前期項(xiàng)目的地實(shí)施,通過采用新興測繪裝備和技術(shù)(如衛(wèi)星遙感、傾斜攝影測量、機(jī)載激光雷達(dá)、多波束測深系統(tǒng)等),獲取了瀾滄江流域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),為建設(shè)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(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)類型,還大大提高了數(shù)據(jù)精度,同時降低了數(shù)據(jù)的獲取成本。

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

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