1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)在水利工程管理與保護(hù)范圍劃定中的應(yīng)用方法研究

趙強(qiáng)，劉華平，徐文海

（1.湖南省第三測繪院，湖南 長沙 410004；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南 長沙 410118；3.湖南地科院規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410118）

0 引言

水利工程是實(shí)施防洪排澇、農(nóng)業(yè)灌溉、抗旱供水、生態(tài)調(diào)節(jié)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全的重要保障，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中發(fā)揮著極為重要的作用（陳理政，2020；楊崧，2020）。水利工程作為民生工程，受重視程度越來越高，但由于歷史原因，我國部分水利工程管理范圍邊界不清，導(dǎo)致部分水利工程設(shè)施及水生態(tài)環(huán)境被破壞（孫達(dá)和孫楊，2016；蔣春利，2018），違法占用水域、違法利用管理與保護(hù)范圍土地的問題愈發(fā)普遍（朱立松等，2020）。《中華人民共和國水法》第四十三條規(guī)定：“國家對水工程實(shí)施保護(hù)。國家所有的水工程應(yīng)當(dāng)按照國務(wù)院的規(guī)定劃定工程管理和保護(hù)范圍”。依法劃定水利工程管理與保護(hù)范圍，是“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”、加強(qiáng)水利工程管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作（程普紅，2018），是推進(jìn)充分發(fā)揮水利工程效益、推進(jìn)水利管理現(xiàn)代化的需要，對推進(jìn)建立歸屬清晰、責(zé)權(quán)明確、監(jiān)管有效的水利工程資源管理體系具有重大意義（張輝，2016；常堃，2018）。

遙感、測繪和地理信息技術(shù)不斷發(fā)展，使其逐步被應(yīng)用于河道和水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作（陳亮雄等，2017；薛毅等，2018；張國麗和魏傳喜，2020；呂艷兵，2020；周長志等，2020；陳學(xué)彬，2021；申圓文，2021）。湖南省按照“整體設(shè)計、分期實(shí)施、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、一圖多用”的思路，于2014年初啟動了不動產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)（鄧世贊等，2017），歷時四年制作了覆蓋全省的1∶2000數(shù)字正射影像（DOM），及涵蓋水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌、植被等要素的1∶2000數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)，形成了精度高、覆蓋范圍廣、地類信息豐富、時效性較新的1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，可為社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)各領(lǐng)域應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。筆者按照國家和湖南省關(guān)于開展水利工程管理與保護(hù)范圍劃定的有關(guān)要求，根據(jù)擬劃界的水庫、灌區(qū)、水閘、泵站、堤防等水利工程具體情況，結(jié)合湖南省1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，探索提出了基于1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的水利工程管理與保護(hù)范圍劃定方法及其優(yōu)化方向，為創(chuàng)新水利工程管理與保護(hù)范圍劃定技術(shù)手段提供了參考。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域?yàn)楹鲜≡狸柺邢骊幙h，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°30′～113°2′、北緯28°30′～29°3′，位于湖南省東北部，居湘、資兩水尾閭，瀕南洞庭湖，全縣土地總面積1581.49 km2。該縣水系、湖泊眾多，主要有資江、湘江、鏡明河、爛泥湖撇洪河、洞庭湖、橫嶺湖、萬子湖、鶴龍湖等，各水利工程星羅棋布。根據(jù)湘陰縣水利普查結(jié)果，該縣行政轄區(qū)內(nèi)共有泵站311座、水閘59座、水庫148座、堤防64段、灌區(qū)32個，是湖南省水利大縣和三個防汛重點(diǎn)縣之一。

本文從湘陰縣國有大中型水利工程及重點(diǎn)?。?）型水庫中選擇了具代表性的54個水利工程為研究對象，其中中型水庫2座、?。?）型水庫10座，二級堤防8段、三級堤防17段，中型灌區(qū)5個、中型水閘3座、中型泵站9座。選定研究對象在全縣分布均勻，如圖1所示。

圖1 湖南省岳陽市湘陰縣擬劃界水利工程分布示意圖

2 1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)特征

湖南省1∶2000基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括1∶2000數(shù)字正射影像圖和1∶2000數(shù)字線劃圖，由湖南省國土資源廳統(tǒng)一組織、以航攝影像為數(shù)據(jù)源制作，分幅成果采用2000國家大地坐標(biāo)系，高斯-克呂格投影、3度分帶，1985國家高程基準(zhǔn)。其中，數(shù)字航空攝影采用POS輔助航空攝影；數(shù)字正射影像采用數(shù)字微分糾正技術(shù)，經(jīng)影像預(yù)處理、空中三角測量、特征點(diǎn)匹配、DEM制作、微分糾正、影像鑲嵌、分幅裁切等環(huán)節(jié)制作而成，為非壓縮GEOTIFF格式數(shù)據(jù)，具有紋理清楚直觀、視覺特性豐富、可讀性強(qiáng)、可量測等眾多優(yōu)點(diǎn)，易于為社會公眾所接受；數(shù)字線劃圖以立體模型為基準(zhǔn)，采集可能作為不動產(chǎn)界線或?qū)Σ粍赢a(chǎn)界線具有定位作用的地理要素，內(nèi)容涵蓋水系、居民地及設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌、植被、地名等8個大類、169個小類，信息量十分豐富，且具有可編輯、可掛接拓展社會屬性的特點(diǎn)（徐文海等，2018）。

3 應(yīng)用方法

3.1 總體技術(shù)路線

水利工程管理與保護(hù)范圍劃定的總體技術(shù)路線如圖2所示，主要包括基礎(chǔ)資料收集與分析、工作底圖制作、管理與保護(hù)范圍線圖上標(biāo)繪、管理與保護(hù)范圍現(xiàn)場核實(shí)勘定、劃界方案編制、劃界方案審核與報批、劃定成果匯總、劃界數(shù)據(jù)庫入庫等工作環(huán)節(jié)。

圖2 總體技術(shù)路線圖

3.1.1 基礎(chǔ)資料收集與分析

從自然資源、水行政主管部門及水利工程管理機(jī)構(gòu)共收集了含1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)在內(nèi)的40余項(xiàng)基礎(chǔ)資料，開展各項(xiàng)資料的存儲介質(zhì)、主要內(nèi)容、采集時間、坐標(biāo)系統(tǒng)等基本情況分析，將有關(guān)空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一至同一數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：國家2000大地坐標(biāo)系、高斯-克呂格投影，中央經(jīng)線114度，利用1∶2000 DOM、水利普查數(shù)據(jù)、水利工程注冊登記信息掌握擬劃界水利工程的空間坐落、分布及影像特征。

3.1.2 劃界工作底圖制作

劃界工作底圖是劃定水利工程管理與保護(hù)范圍的基礎(chǔ)。以1∶2000 DOM為基礎(chǔ)，從第三次國土調(diào)查村級調(diào)查區(qū)名稱及界線，從水利普查數(shù)據(jù)成果中提取擬劃界水利工程空間范圍，從1∶2000數(shù)字線劃圖中提取水利工程相關(guān)水系要素，對提取的各類要素經(jīng)疊加、整飾制作劃界工作底圖。

3.1.3 管理與保護(hù)范圍圖上標(biāo)繪

按照《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》、《中華人民共和國河道管理?xiàng)l例》等相關(guān)法規(guī)政策規(guī)定的水利工程管理與保護(hù)范圍劃定標(biāo)準(zhǔn)，利用工作底圖分別標(biāo)繪各水利工程管理與保護(hù)范圍線。

3.1.4 現(xiàn)場核實(shí)勘定

對圖上標(biāo)繪的管理與保護(hù)范圍線，利用工作底圖進(jìn)行實(shí)地核實(shí)與修正，現(xiàn)場核實(shí)勘定需注意核實(shí)有關(guān)工程遺漏及變化情況，包括：①管理范圍劃定時，是否遺漏運(yùn)行區(qū)；②對于灌區(qū)是否遺漏部分溝渠遺漏、泵站引渠；③是否遺漏水庫溢洪道；④是否存在水利工程改擴(kuò)建情況；⑤有其他原因?qū)е鹿芾砼c保護(hù)范圍需要修改的情況?，F(xiàn)場核實(shí)勘定時應(yīng)注意做好記錄以便于后續(xù)成果完善。

3.1.5 劃界方案編制與審核報批

對劃界依據(jù)、劃界區(qū)域和水利工程基本情況、劃界過程、劃界成果等情況進(jìn)行總結(jié)，形成涵蓋各水利工程管理與保護(hù)范圍劃定圖、簿冊等成果的劃界方案，經(jīng)縣級自然資源、水行政主管部門和水利工程審核后，按規(guī)定程序開展劃界成果報批。

3.1.6 劃界數(shù)據(jù)入庫

對管理與保護(hù)范圍劃定形成的各類空間數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)錄入數(shù)據(jù)庫，為該成果后續(xù)納入國土空間規(guī)劃一張圖平臺及其他運(yùn)用奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)方法

3.2.1 水利工程空間特征分析與確定

水利工程一般由工程區(qū)和運(yùn)行區(qū)構(gòu)成，前者主要指各類水利工程的主體工程樞紐，如水庫的庫區(qū)、大壩（含副壩）、溢洪道（含非常溢洪道）、輸水建筑物等，水閘的翼墻、閘室段、兩岸連接建筑物等，泵站的前池、進(jìn)水池、泵房、出水管道、出水池及壓力水箱等，后者主要指水利工程運(yùn)行管理場所，如辦公室、會議室、資料檔案室、倉庫、防汛調(diào)度室、值班室、車庫、食堂、值班宿舍及其他附屬設(shè)施等建（構(gòu)）筑物。

在管理與保護(hù)范圍劃定工作初期，可利用1∶2000 DOM空間分辨率較高的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合1∶2000數(shù)字線劃圖中的水系要素，掌握水庫、灌區(qū)、水閘、泵站、堤防等各類型水利工程的空間坐落與分布，逐水利工程參考其注冊登記、設(shè)計資料，分析掌握其工程區(qū)、運(yùn)行區(qū)空間特征，為后續(xù)管理與保護(hù)范圍劃定打好基礎(chǔ)，如圖3所示。其中，灌區(qū)由不同級別渠系及其附屬建（構(gòu)）筑物構(gòu)成，還應(yīng)結(jié)合灌區(qū)大中型渠道工程分布圖件，重點(diǎn)分析確定納入灌區(qū)劃界對象的渠系及及其附屬建（構(gòu)）筑物。

圖3 某水庫工程樞紐空間特征示意圖

3.2.2 水庫高程信息校核

水庫注冊登記資料中記載的設(shè)計洪水位線是確定水庫庫區(qū)管理與保護(hù)范圍的重要依據(jù)。本研究對收集的水庫注冊登記資料相關(guān)高程利用GNSS接收機(jī)和HNCORS進(jìn)行了實(shí)測，實(shí)測結(jié)果顯示該資料中記載的部分水庫大壩壩頂高程與實(shí)測值整體差異較大，差異最大值達(dá)9.34 m，差異平均值達(dá)2.18 m，而與1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中記錄的相同位置高程值差異整體較小，差異最大值為0.41 m，差異平均值為0.19 m（表1）。研究表明：①在劃定水庫管理與保護(hù)范圍時，應(yīng)對注冊登記資料中記載的相關(guān)高程進(jìn)行校核；②1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中記錄的高程值可靠程度較高，可用于水庫相關(guān)高程信息的修正，可用作水庫庫區(qū)管理與保護(hù)范圍劃定參考。

表1 水庫大壩壩頂高程實(shí)測結(jié)果對比分析表/m

3.2.3 1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)關(guān)鍵要素提取應(yīng)用

以利用1∶2000 DOM、1∶2000數(shù)字線劃圖除運(yùn)用于水利工程空間特征分析與確定及水庫高程信息校核為基礎(chǔ)，按照相關(guān)法規(guī)政策規(guī)定的劃界標(biāo)準(zhǔn)，從1∶2000數(shù)字線劃圖中提取關(guān)鍵要素用于水利工程管理與保護(hù)范圍劃定：

（1）提取普通溝渠（221100）、硬化溝渠（221200）、輸水渡槽（220600）、輸水隧道出入口（220700）、倒虹吸（220800）、涵洞（220900）、溝渠名（229000）等溝渠及地名要素，可快速確定灌區(qū)渠系及其建（構(gòu)）筑物空間位置、分布。

（2）提取水庫（240101）、溢洪道（240200）、泄洪洞出水口（240300）、水庫名（249000）等要素，可事先掌握水庫工程樞紐構(gòu)成情況。

（3）提取干堤（270101）、一般堤（270102）、加固岸（270800）、水利及附屬設(shè)施名（279000）等水利及附屬設(shè)施、地名要素，可確定各堤防段總體分布。

（4）水閘要素（270201）可用于快速定位水閘空間位置。

（5）地形高程點(diǎn)及注記要素（7200000）與等高線要素與校核后的設(shè)計洪水位相結(jié)合可快速標(biāo)繪水庫庫區(qū)管理與保護(hù)范圍線，坡腳線要素可作為確定水庫壩區(qū)、堤防及渠道管理與保護(hù)范圍線劃定起算線。

綜合運(yùn)用1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)相關(guān)要素劃定某水庫管理與保護(hù)范圍，結(jié)果如圖4所示。

圖4 某水庫工程管理與保護(hù)范圍劃定結(jié)果示意圖

4 應(yīng)用效果分析

水庫、灌區(qū)、水閘、泵站、堤防等水利工程管理與保護(hù)范圍劃定傳統(tǒng)方法以法規(guī)政策規(guī)定的劃界標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，需要實(shí)地掌握各水利工程分布及其樞紐構(gòu)成，對劃界標(biāo)準(zhǔn)涉及高程信息時需開展實(shí)地測量，整體執(zhí)行工序較多，要求技術(shù)人員掌握較完備的測繪理論、方法及測繪儀器使用技巧，工作投入成本較高且不易于推廣使用。

1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為水利工程管理與保護(hù)范圍劃定提供了可靠的定位依據(jù)，有利于快速掌握水利工程總體分布，為工作組織實(shí)施和工作投入計劃提供了重要參考，其中，1∶2000數(shù)字線劃圖還提供了豐富的參考要素，可直接運(yùn)用于各水利工程管理與保護(hù)范圍劃定，將專業(yè)性較強(qiáng)的現(xiàn)場測繪工作集中在1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)階段解決，基層工作人員只需攜帶工作底圖或平板電腦即可現(xiàn)場完成劃定，可總體確保全天候作業(yè)，極大地提高了工作效率、節(jié)約了財政資金，更易于為廣大基層工作人員所掌握和推廣。

5 結(jié)論

本文結(jié)合1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)特征，探索提出其在水利工程管理與保護(hù)范圍劃定應(yīng)用流程與方法，并在研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，基于該方法的工作成果通過了自然資源、水利行業(yè)專家評審，已經(jīng)當(dāng)?shù)卣鷾?zhǔn)公告，應(yīng)用結(jié)果表明基于該方法的成果滿足水利工程管理與保護(hù)需求，較傳統(tǒng)方法而言更加簡便易行，極大地提高了工作效率，可為創(chuàng)新水利工程管理與保護(hù)劃定工作方法和技術(shù)手段提供借鑒和參考。在后續(xù)工作中，若通過充分發(fā)揮1∶2000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的作用，開發(fā)相應(yīng)的APP，將有望實(shí)現(xiàn)集內(nèi)外業(yè)操作一體化、成果審查實(shí)時化等特點(diǎn)為一體的新型方法；通過充分利用高程信息實(shí)現(xiàn)三維可視化，可更加直觀地展現(xiàn)有關(guān)水利工程特征，進(jìn)一步提升工作效率和質(zhì)量。