3S技术与数字水利建设

3S技术与数字水利建设

陈 波


　随着我国信息化进程的推进，水利行业也面临着信息化建设的问题。目前，水利行业的信息化受到高度重视，建立了众多的水利信息系统，取得了一定的成绩，但同时也普遍存在着网络功能弱、数据共享能力弱、数据更新周期长、数据可视化手段单一、系统各自为政和缺乏决策支持分析能力等弱点。要解决这些问题，实现水利行业中各种数据的整合，使之便于共享和应用，使政府决策机构、水利工作者、企业、个人都能方便有效地进行网上办公、网上查询、网上学习、网上工作，就必须实施以3S技术为核心的数字水利战略。

　　3S：数字水利的支撑技术
　　数字水利涉及的技术非常广泛，主要有3S技术、数据库技术、通信和计算机网络技术、系统集成和互操作技术等，但其中的3S是支撑技术。
　　地理信息系统把计算机技术与空间数据相结合，以地理空间数据库为基础，实时提供各种空间及动态的统计和分析资料。水利信息中固定实体的河道、湖泊、水库、枢纽工程、抽水泵站、开采井等信息和非固定实体的水位、降水量、蒸发量、调水量等信息，它们的最大特点是具有空间属性，与地理信息系统空间实体的点、线、面属性一致。水利信息在图形上表现数据，与地理信息系统的图形表现能力是一致的，用地理信息系统完全能表现水利的各方面信息。地理信息系统可以根据水利信息的地理坐标进行管理、评价、分析、结果输出等处理，提供决策支持、动态模拟、统计分析、预测预报，是数字水利的技术基础。
　　遥感技术在数字水利建设的应用也十分广泛，可测量河道、湖泊的水位值，确定水体面积；可分析时间段内洪水淹没的范围，反映洪水移动的方向和速度，估算洪灾造成的损失，以便有关部门决策；可实时获取洪水情况，输出地图、图表；可逐项进行成因分析，编制洪水预报方案；可进行水环境、干旱及土壤含水量实时监测；在防洪工程检查、河道清障等方面也大有用武之地。
　　全球定位系统目前已在江河、湖泊、水库的水下地形测量、堤防险工险段监测、抛石护岸监测、大堤安全监测、泥石流滑坡预警监测等方面得到了广泛的应用。如在1996年和1998年长江特大洪水的监测中发挥了重要作用，特别是在长江险工险段监测，长江水道地形和洞庭湖、鄱阳湖的水域监测及长江堤防安全监测等方面，发挥了很大的作用。

　　3S集成：数字水利建设的必然要求
　　地理信息是一种信息流，但3S中的每一项都只侧重了一个方面，不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求，因此，3S集成是必然的要求。现代科学技术的发展也促使它们紧密结合，成为一个强有力的整体。事实上，遥感强大的信息采集和获取能力，与全球定位系统快速、精确、全天候提供定位信息的能力以及地理信息系统强大的存储、分析、处理和输出地理空间数据的能力结合在一起，正越来越多地应用于国民经济的各个领域。
　　3S集成技术的发展目标是“在线的连接，实时的处理”。但目前3S集成的应用水平不高，仅能实现功能互补而已，要实现真正的集成，还要解决数据存储、数据处理、数据传输以及数据可视化等问题。在水利领域，3S的集成应用还不够深入，基本上是处于1S状态。地理信息系统大多被简单地用于图形显示和查询，遥感大多用于提取背景信息，全球定位系统在大多数情形下只被用于遥感图像处理的定位信息获取。

　　数字水利的框架内容
　　数字水利是水利公共信息平台上的空间信息获取、更新、处理和应用系统，包括利用3S集成等技术建成的数据获取和更新体系、数据库体系、网络体系等。其中数据获取和更新体系是根据数字水利的实际情况和有效需求来获取数据，确定其更新周期、更新办法和管理办法，建立起更新体系。空间实体数据在传统上是用航测手段采集，包括彩色、黑白影像的获取，空间基础信息提取(地貌、地物)，数字高程模型自动提取，数字正射影像制作等。近年来，遥感技术发展十分迅速，可以通过卫星、航天飞机、宇宙飞船、飞机、热气球携带的各种传感器提供连续的表面数据，保证数字水利具有准实时数据。数据库体系是数字水利的核心，包括卫星影像数据库、不同比例尺的地形图库、专题信息数据库、三维模型库、知识库、元数据库等等。

　　数字水利的应用
　　目前，作为数字水利重要组成部分的国家防汛指挥系统工程正在建设，而且已在某些领域得到广泛应用。从实际情况看，数字水利的应用十分广泛，比如：
　　灾情评估系统，可以实时评估洪涝干旱灾害涉及的耕地及居民地面积、受灾人口和受淹房屋间数，实时监控大面积水体污染和赤潮的影响范围，实时监控大面积泥石流、滑坡等山地灾害的影响范围。水资源水环境调查系统，可以根据多年平均降水量，计算出多年平均地表径流、入渗补给量，还可以计算出多年平均水量，对国内某些流域进行估算的相对误差小于7%，尤其适用于无水文资料地区。此外，还可根据遥感资料提供的积雪分布、积雪量、雪面湿度，用融雪径流流域模型估算融雪水资源和流域出流过程。还可以对水的混浊度、PH值、含盐度等要素进行定量监测，对污染带的位置作定性监测。土地资源调查系统，可实时监测水蚀、风蚀等多种类型的土壤侵蚀区的侵蚀面积、数量和强度的动态变化，进行盐碱地、沼泽地、风沙地、山地侵蚀地等劣质土地的面积调查与动态监测，开展土地利用现状调查、耕地面积和滩涂面积调查。工程规划与管理系统，可以进行大型水库淹没区实物量估算，库区移民安置环境容量调查，灌溉区实际灌溉面积和有效灌溉面积调查，水库淤积测量等等。
　　除了提供调查、监测和统计数据外，3S技术与传统手段相结合，还在防灾减灾、水资源开发利用以及水利工程规划、建设和管理等方面发挥了重要作用。如监测与评价大型水利水电工程及跨流域调水工程对生态环境的影响，包括大型水利水电枢纽工程地质条件的遥感调查、技术经济评价及动态监测、流域综合规划、灌区规划、水库上游水土流失调查及对水库淤积的趋势预测、河口泥沙监测和综合治理、河道演变监测、河道水库湖泊等水体水质污染遥感动态监测、流域治理效益调查、海岸带综合治理、对施工过程中的坝址进行1:2000大比例尺遥感制图。还可以在洪灾前作洪水预报，对未来各种降雨情况下的水情进行模拟分析；可以针对洪水预报制定多个调度预案，进行后效与损失比较，为决策提供依据；可优化分洪区居民撤离、抢险物资及救灾物资运输的路线；可对灾情的发展作出空间与时间上的预测；可对灾后重建提供决策依据。