智慧水利中地質與測繪技術信息化提升與應用

趙文超，劉滿杰，王國崗

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

水利現代化具備“智能化、數字化、信息化、智慧化、現代化”等五大特征，從我國基本“水問題”出發，為可持續發展的提供保障。水利部分別于2018年、2019年正式印發了《關于加快推進智慧水利發展的指導意見》、《智慧水利總體方案》，兩者對我國水利現代化建設奠定了總的基調，從國家層面正式推行智慧水利的發展[1]。

地質測繪工作內容繁雜，涉及到野外數據的采集、編錄、儲存、建模以及分析等全生命周期[2]。同時，傳統測繪技術相對落后，測繪設備相對陳舊，在很大程度上限制了其信息化水平。隨著智慧水利的推行，其對地質勘察的三維數字化水平要求更高。因此，涌現出一大批現代化測繪技術并得到應用，對測繪事業的發展起到促進作用，在很大程度上提高了地質測繪信息化水平[3]。

1 智慧水利

1.1 智慧水利的內涵

智慧水利是先進的管理理念和科學技術方法的有機結合物[4]，主要由水利綜合感知、水利信息傳輸、水利大數據、水利智能應用、水利網絡信息安全和保障運維等體系構成。它主要是基于云技術、大數據處理技術、互聯網網絡技術和人工智能等新一代現代化科學技術方法，旨在對水利對象和活動進行透徹感知、網絡互聯、廣泛共享、智能分析和泛在服務，為水旱災害防范與抵御、水資源開發與配置、水環境監管與保護、河湖生態監督與管理等水利業務提供現代化支撐的新型業態。智慧水利是信息、知識和能力的綜合體，信息是基礎，知識是核心，能力提升是目標[5]。

運用先進的科學技術手段，進行信息的采集、錄入、儲存，這是智慧水利的基礎。基于水利專業知識，如降水徑流、水循環、水動力模型等，利用大數據快速分析處理能力，并結合人工智能的手段，對信息進行整合、分析、評價，挖掘信息中高層次、隱晦難懂的知識，或者是建立某一個廣泛適用的模型，去解決某一類具體的問題。最終，借助于獲取到的知識，去不斷改善、解決各種水問題，提高水利行業智慧化水平，最終實現可持續發展的終極目標。

1.2 智慧水利的總體要求

智慧水利在實施的過程中仍然存在許多問題，如缺少標準規范、信息獲取渠道單一以及高信息技術人才的匱乏等，使得其仍然處在不斷發展創新探索的過程中。智慧水利從我國水資源、水生態、水環境和水災害等四大“水問題”出發，秉承習總書記“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的十六字治水方針，堅持水利部提出的水利工程補短板、水利行業強監管的總基調，力圖實現信息化作用從支撐保障到驅動引領、服務方式從被動響應到主動應對、工作模式從流程復制到流程優化、建管方式從分建專用向共建共享以及監管方式從傳統人工到智能自動等五大方面轉變。具體如圖1所示。

圖1 智慧水利總體要求

智慧水利的發展不能一蹴而就，是一個循序漸進的過程。到2021年，補齊水利網絡信息突出短板，提升強監督支撐能力，基本實現信息化；到2025年，基本建成智慧水利，全面提升水利智能化水平，基本實現智能化；到2035年，建成智慧水利，全面支撐水治理體系和治理能力現代化，實現智慧化水平。

2 地質與測繪技術信息化的發展趨勢

智慧水利的基礎是地質。地質勘察作為水利工程的基礎性工作，在技術發展上是比較落后的。主要問題集中在如下幾點：①勘察手段技術落后，設備陳舊，信息化程度較低；②工程勘察數據多源異構，數據標準不統一；③海量勘察數據缺乏有效管理與深度挖掘分析；④工程勘察采集數據共享性差、管理應用困難；⑤工程勘察周期縮短、地質條件更復雜；⑥智慧水利對勘察成果三維數字化提出更高要求。

大量工程實踐和研究表明，要想從根本上解決上述問題，最重要的就是要有整體化思路，實現水利水電工程勘察的全過程生產信息化，達到BIM、GIS、GIM的同步發展與融合[6- 8]。實現這一目標的核心技術包括：地理信息平臺、工程地質數據庫、傾斜攝影以及三維地質建模；其關鍵是以數據庫為中心，綜合多種信息化手段，實現地質數字信息的采集、存儲、傳輸、解譯與可視化，從而探索出適用于水利水電工程地質外業工作的三維數字化采集系統，最終實現智慧水利。

智慧水利的主要任務之一是“構建天空地一體化水利感知網”。在這一方面，測繪技術已經形成了“天-空-地-水”的立體感知體系，響應了智慧水利建設的需求：

“天”所指的是衛星遙感。國內外包括導航、通訊、氣象、資源等系列衛星已達上千顆，為我們提供了便捷的數據獲取手段。既有遙感數據以及影像處理技術，可以實現地形圖、數字正射影像、數字高程模型以及專題信息產品的數據采集和多期數據的動態監測，為國家、省市、流域級提供數據服務，例如土地二調、國情普查等項目。

“空”是航空數據。與衛星采集技術相比，航空數據采集技術具有更高的空間分辨率，可實現對地物更精細化的感知，如采用三角翼、直升機、無人機等平臺搭載大型航空相機、激光頭、傾斜相機、高光譜相機等，在國內外多個水利項目中得到了很好的應用。

“地”包括地面移動平臺搭載的激光、影像設備的數據采集等。

“水”指的是水下觀測包括多波束、Silas等儀器設備的數據采集。

3 技術應用

3.1 地質技術應用

地質工作的傳統就是內外業，其整體上可分為5個階段[9- 10]：

(1)外業階段。外業階段的主要工作是根據地質測繪底圖等綜合信息進行勘察數據的采集。該階段與測繪技術的融合程度是比較高的。其中，在水利水電地質勘察工程中的底圖制作方面，已經從二維進步到了三維層面。在勘察數據采集方面，目前整個行業內開始呈現出向無紙化發展的趨勢。通過在智能終端上搭載綜合底圖，實現勘察數據的數字化、智能化采集。

(2)數據庫管理階段。該階段的主要目標是實現對測繪與勘察數據的高效管理，并使外業工作中采集到的測繪與勘察數據得以可視化展示。

(3)三維地質建模階段。在該階段中，地質工程師基于數據庫信息建立鉆孔、平硐等模型，然后建立覆蓋層模型、構造模型、風化卸荷模型等，最終完成三維地質模型。此外，對于重點研究區域或工程對象，還需要進行專項建模，以反映其細節。

(4)模型分析階段。在三維地質模型的基礎上，地質工程師可實現高精度、多次層次的巖性分析、風化分析、構造分析、開挖分析。

(5)模型應用階段。該階段的成果用于直接指導施工，包括二三維出圖、三維協同設計、數值分析等。如圖2所示。

3.2 測繪技術應用

測繪技術作為基礎數據獲取手段，可運用于智慧水利各個業務領域，為其提供基礎數據。下面主要介紹測繪技術在水利工程建設、水利監督、江河湖泊方面及智慧城市方面的應用。

3.2.1水利工程建設

測繪技術在水利工程建設方面的應用主要有3項，首先是快速提供4D產品。現代測繪采用“飛機+相機+雷達系統”的一體化作業模式，一次飛行即可快速制作4D產品，為水利工程建設提供更加快速更加準確的數據支撐。其次是水下測量，結合地面激光雷達技術和水下地形測深系統快速獲取水工設施和周邊三維信息，了解、掌握水利工程現狀，以及河流水下地形變化，從而輔助解決水利工程修建帶來的不利影響。最后是高精度雷達、傾斜攝影。目前的三維攝影圖件精度均較高，能夠滿足絕大多數勘察期所需的各種比例尺圖件要求。

3.2.2水利監督

四亂(亂采、亂建、亂堆、亂占)是目前河湖管理工作中的重點和難點，傳統管理效率低、難度高、質量差。通過信息化手段能夠極大提升管理效率。利用航測遙感數據，通過人工智能識別技術，可快速甄別四亂現象，為管理部門提供執法依據。

3.2.3江河湖泊

首先，利用測繪中的航測遙感技術獲取機載雷達點云和河道斷面，通過洪水分析，可確定河湖管理范圍線、快速高效且精準地實現水域的劃界。此外，測繪技術可輔助水環境調查。通過高光譜水質監測技術分析，對水體中總氮、總磷、懸浮物、化學需氧量等水質參數定量分析，并可視化表達。與傳統點狀分析相比，這種技術手段的數據空間連續、分布趨勢直觀。

3.2.4智慧城市

利用傾斜攝影技術，可實現城市區域的高精度快速三維建模。基于高精度三維模型建立的管理系統，可為城市的規劃設計提供技術支撐。

圖2 三維地質圖

3.3 信息化系統應用

為提升智慧水利中地質與測繪技術的信息化水平、將信息化真正落到實處，我們提出了4類信息化應用系統，包括三維查勘系統、智慧建管系統、專題系統、城市輔助規劃系統。

(1)三維查勘系統。該系統可用于工程線路的布局，地質測繪布置和移民安置規劃等工作，可有效地推進項目前期工作的進度。同時，通過在系統中加載高精度三維傾斜攝影模型和多源綜合底圖，可實現內外業全過程的數字一體化。

(2)智慧建管系統。利用信息化手段可對水利工程進行全生命周期的建設和運維管理。

(3)專題系統。根據不同項目，設計相應的專題系統，可針對性地提高項目管理的水平。常用的專題系統包括河道管理系統、地質災害系統、水庫管理系統、河長制管理系統等，如沂沭泗河道管理信息系統、官廳水庫綜合管理信息系統、于橋水庫綜合管理信息系統、天津市河長制管理系統、三維輔助設計系統、薊縣地質災害系統、云南保山河長制管理系統、海河流域排污口管理系統。

(4)城市輔助規劃系統。使用數字化技術輔助城市空間信息表達和管理，是城市化發展的必然趨勢。基于測繪技術、GIS技術和數據庫技術，建立城市輔助規劃系統，可實現歷史、現狀、規劃、建設方案等統一展現，有效地提升城市規劃管控的精細化水平。

(5)拓展應用。除上述應用以外，地質與測繪信息化建設成果可以適用于工程建設的各個階段，在施工期、運維期也有應用價值。結合不同的系統平臺和應用場景，可以拓展原有的業務方向。

4 結語

(1)地質工程：水平先進，手段落后。隨著我國基建領域發展，我們的地質水平是世界先進的，但百年來，還是“五大地質理論”，外業“三大件”，手段是落后的。應該加強對工程地質信息化的建設，創新地質勘察工作新模式，減輕外業工作強度，提高效率和質量。

(2)測繪工程：手段領先，需拓展應用。隨著近年3S技術及無人機設備的發展，測繪工程在技術和手段上，是領先的。還要注意把單一的技術手段，系統化、平臺應用化，擴展專業鏈。

(3)專業界線在變薄，甚至消除。我們要及時發展占領與專業相關的新技術，新行業，使我們傳統專業換發新的生命力。現在的測量工作遠遠超出了傳統測量只出地形圖的概念。

(4)專業融合：主動融合、系統提升。地質與測繪兩個基礎專業之間要緊密融合，形成GIS+GIM為基礎，融合BIM形成傳統行業的信息化全生命周期的專業鏈，同時不斷地把本專業通過信息化手段進行系統化提升。