智慧瀾滄江地理信息系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

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(zhǎng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)態(tài)的方式對(duì)流域進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理[2]。

2021年，中國(guó)水利工作會(huì)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(tái)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(gè)水電梯級(jí)。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(jí)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(huì)、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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析、模擬和管理，而傳統(tǒng)的技術(shù)手段對(duì)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(guó)際河流，推進(jìn)國(guó)際河流管理模式升級(jí)，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(cè)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(cè)量技術(shù)等測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(duì)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(guó)青海，流經(jīng)老撾、緬甸、泰國(guó)、柬埔寨和越南，中國(guó)境內(nèi)稱為瀾滄江，出中國(guó)后稱為湄公河，是亞洲惟一的一江連六國(guó)的國(guó)際河流，對(duì)云南區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作以及中國(guó)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(wàn)km2，干流全長(zhǎng)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(wàn)km2，干流全長(zhǎng)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(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)410 km，地勢(shì)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(tái)層和應(yīng)用層分級(jí)，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(tái)，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(chǔ)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(chǔ)；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(chǔ)和計(jì)算設(shè)施，如云計(jì)算、云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2 平臺(tái)層

平臺(tái)層主要解決大數(shù)據(jù)平臺(tái)、GIS平臺(tái)、模型計(jì)算平臺(tái)等問題，包括：① 大數(shù)據(jù)平臺(tái)，如數(shù)據(jù)庫(kù)總集、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)等；② GIS平臺(tái)，如二、三維GIS、移動(dòng)GIS平臺(tái)等；③ 模型計(jì)算平臺(tái)，如降雨徑流、洪水演進(jìn)、水環(huán)境分析、水動(dòng)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(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)流域污染源排放情況，借助水質(zhì)評(píng)價(jià)模型和污染物動(dòng)態(tài)模型對(duì)水環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；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(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，通過氣象預(yù)報(bào)模型對(duì)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(shí)數(shù)據(jù)，分析用水變化趨勢(shì)；⑥ 水土保持，通過多時(shí)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(gè)具有集中、存儲(chǔ)、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(tái)，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(shí)，平臺(tái)自身需連接統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并針對(duì)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(shí)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(chǎng)景來確定。針對(duì)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(cè)量成果、傾斜攝影測(cè)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(tái)上，利用可見光、紅外、微波等探測(cè)儀器，通過攝影或掃描、信息感應(yīng)、傳輸和處理，從而識(shí)別地面物質(zhì)的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)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(cè)和環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面。利用遙感影像數(shù)據(jù)具有探測(cè)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(duì)瀾滄江流域植被覆蓋動(dòng)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(cè)植被生長(zhǎng)狀況及植被覆蓋度，結(jié)論認(rèn)為瀾滄江流域植被活動(dòng)具有明顯的區(qū)域差異，從總體上看存在顯著上升趨勢(shì)，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(cè)量技術(shù)及應(yīng)用

航空攝影測(cè)量是指在飛機(jī)上用航攝儀器對(duì)地面連續(xù)攝取像片，結(jié)合地面控制點(diǎn)測(cè)量、調(diào)繪和立體測(cè)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(cè)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(cè)繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)。近年來，無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比機(jī)動(dòng)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(cè)技術(shù)結(jié)合，形成了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，適合中小型水利水電工程測(cè)繪作業(yè)。

在瀾滄江開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中，航空攝影測(cè)量技術(shù)已在多個(gè)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(shí)，采用數(shù)碼相機(jī)，利用無人機(jī)飛行了4個(gè)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)量技術(shù)及應(yīng)用

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過無人機(jī)掛載多鏡頭相機(jī)從5個(gè)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(dòng)構(gòu)建拍攝對(duì)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(cè)繪專業(yè)要求，同時(shí)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(jí)電站開發(fā)涉及7地州14萬(wàn)人，征地移民工作戰(zhàn)線長(zhǎng)且分散、管理對(duì)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(cè)量技術(shù)，可對(duì)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(shí)動(dòng)態(tài)的資產(chǎn)管理平臺(tái)，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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(dòng)分類，再結(jié)合人工手動(dòng)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(yíng)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(píng)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(cè)深系統(tǒng)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)。測(cè)深時(shí)，載有多波束測(cè)深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個(gè)聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，且可同時(shí)獲得與船的航跡相垂直的面內(nèi)的256個(gè)水深值，一次測(cè)量即可覆蓋一個(gè)寬扇面，測(cè)量成果如圖5所示。多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、測(cè)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(kù)壩區(qū)淤積測(cè)量，為水電站汛前沖沙提供評(píng)估依據(jù)；也可用于復(fù)核庫(kù)容，以便為水庫(kù)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(kù)自身逐年淤積，水庫(kù)死庫(kù)容和調(diào)節(jié)庫(kù)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(kù)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(kù)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(kù)安全運(yùn)行，及時(shí)合理安排沖沙并評(píng)估沖沙效果，漫灣電站引進(jìn)了多波束測(cè)深技術(shù)分別在沖沙前后對(duì)壩前水庫(kù)進(jìn)行了測(cè)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(cè)深系統(tǒng)獲取水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著多個(gè)智慧瀾滄江前期項(xiàng)目的地實(shí)施，通過采用新興測(cè)繪裝備和技術(shù)(如衛(wèi)星遙感、傾斜攝影測(cè)量、機(jī)載激光雷達(dá)、多波束測(cè)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(shí)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(duì)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。