海河流域?3S?技術(shù)應(yīng)用研究與實(shí)踐

黃 銳，喬 偼，于 磊

（海河水利委員會(huì)信息中心，天津 300170）

0 引言

當(dāng)今世界信息技術(shù)的飛速發(fā)展對水利信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、共享方式，水資源綜合管理、防汛抗旱、水生態(tài)保護(hù)、水利工程建設(shè)等水利業(yè)務(wù)應(yīng)用各方面都提出了更高的要求。傳統(tǒng)水利技術(shù)在時(shí)效性、準(zhǔn)確性、一致性等方面已不能完全滿足現(xiàn)代水利建設(shè)各項(xiàng)工作的各項(xiàng)需求，因此，應(yīng)用3S技術(shù)提升水利建設(shè)及管理的效率及效益是水利工作發(fā)展的必然。

1 海委水利信息化建設(shè) 3S 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

水利部海河水利委員會(huì)是較早應(yīng)用 3S 技術(shù)開展水利信息化建設(shè)的單位之一。多年來，通過技術(shù)、人才引進(jìn)，國內(nèi)外技術(shù)合作、交流等多種方式，結(jié)合流域?qū)嶋H，依托各類信息化建設(shè)項(xiàng)目的順利開展，使 3S 技術(shù)逐漸在流域信息化建設(shè)中發(fā)揮實(shí)際作用，提高了流域水利工作效率，收到了良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及社會(huì)效益，為打造“濕潤海河”提供了數(shù)據(jù)支持及技術(shù)支撐。

1.1 水利數(shù)據(jù)建設(shè)

數(shù)據(jù)是信息化工作的血液，空間數(shù)據(jù)的建設(shè)和管理能夠很好地結(jié)合傳統(tǒng)水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提高工作效率，帶動(dòng)流域水利工作的快速發(fā)展。近年來，海委充分利用 3S、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，通過水利基礎(chǔ)專項(xiàng)建設(shè)、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用等工作，不斷補(bǔ)充、更新與完善水利數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)覆蓋范圍，數(shù)據(jù)精度，數(shù)據(jù)時(shí)效性、準(zhǔn)確性等各方面均取得了較大進(jìn)展，已建設(shè)并積累了大量不同數(shù)據(jù)類型、比例尺、空間分辨率、數(shù)據(jù)時(shí)間的空間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)既包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)，還包括各類水利專題應(yīng)用、屬性等數(shù)據(jù)，并開發(fā)了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分布與服務(wù)。海河流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)成功的對空間、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合發(fā)布，用戶可以從平臺(tái)上獲取所需求的信息，同時(shí)數(shù)據(jù)建設(shè)人員可基于后臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)與更新，實(shí)現(xiàn)了資源的共享。并且在技術(shù)導(dǎo)則中統(tǒng)一了數(shù)據(jù)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與流程，為今后數(shù)據(jù)的規(guī)范化提供了依據(jù)。

1.2 水利業(yè)務(wù)應(yīng)用

1.2.1 水資源綜合管理

1）海河流域水資源綜合規(guī)劃制圖與信息系統(tǒng)建設(shè)。充分運(yùn)用 GIS 技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)化、空間化為主要特性，建立 1:250000海河流域水資源綜合規(guī)劃基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)整理流域水資源綜合規(guī)劃基礎(chǔ)資料，統(tǒng)一基礎(chǔ)資料的質(zhì)量，并以此為基礎(chǔ)，編制《海河流域水資源綜合規(guī)劃附圖圖集》，參加全國水資源綜合規(guī)劃的匯總，保證的水資源綜合規(guī)劃研究深度和成果質(zhì)量。并進(jìn)行海河流域水資源綜合規(guī)劃信息系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)。實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目數(shù)據(jù)成果的規(guī)范化管理，促進(jìn)資源共享，提高水資源綜合規(guī)劃工作效率。

2）縣級水資源與水環(huán)境綜合管理工具?；?GIS 和分布式水循環(huán)模型開發(fā)了縣級水資源與水環(huán)境綜合管理工具。工具能夠基于項(xiàng)目縣土地利用、土壤、氣象等觀測資料，構(gòu)建適合項(xiàng)目縣的水量水質(zhì)綜合模擬模型，利用模型能夠?qū)?xiàng)目縣的物理化學(xué)過程和地表水、地下水以及水質(zhì)的時(shí)空變化過程進(jìn)行模擬，同時(shí)還能對縣級水資源與水環(huán)境綜合管理（IWEMP）規(guī)劃提出的不同情景方案包括節(jié)水措施和減污措施進(jìn)行模擬分析，為縣級水資源與水環(huán)境綜合管理方案的制定提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。已在海河流域河北省館陶縣、肥鄉(xiāng)縣、山東省德州市德城區(qū)等多個(gè)項(xiàng)目縣進(jìn)行了應(yīng)用

1.2.2 防汛抗旱

近年來，3S 技術(shù)在防汛抗旱中的應(yīng)用主要有：

1）防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程——海河流域防汛搶險(xiǎn)管理系統(tǒng)?；谌S技術(shù)，通過對海委防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程防汛搶險(xiǎn)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，建成1個(gè)操作簡便、功能合理、滿足應(yīng)用的防汛搶險(xiǎn)系統(tǒng)，為海委防辦提供搶險(xiǎn)減災(zāi)的信息技術(shù)支持，增強(qiáng)海委防辦的搶險(xiǎn)救災(zāi)能力，最大程度減小災(zāi)害對人民生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅。

2）海河流域典型洪水淹沒實(shí)況圖編制項(xiàng)目。 選取海河流域 1963年歷史洪水，編制南部3水系，即漳衛(wèi)南、子牙河、大清河水系的洪水淹沒實(shí)況圖。按照《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》及《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》的相關(guān)要求，洪水淹沒實(shí)況圖主要表現(xiàn)淹沒范圍、淹沒水深等要素。其對海河流域防洪減災(zāi)工作具有非常重要的指導(dǎo)和借鑒作用，按照洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作標(biāo)準(zhǔn)制作的 1963年海河洪水實(shí)況圖，可作為今后海河流域防洪減災(zāi)工作的輔助參考工具。

3）山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是1種重要的山洪災(zāi)害防治非工程措施。主要圍繞監(jiān)測、預(yù)警和響應(yīng)3個(gè)環(huán)節(jié)，將集信息采集、傳輸、分析為一體的水雨情監(jiān)測系統(tǒng)與預(yù)警、響應(yīng)體系有機(jī)結(jié)合，根據(jù)預(yù)警信息危機(jī)程度及山洪可能危害范圍的不同，選取適宜的預(yù)警程序和方式，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息及時(shí)、準(zhǔn)確地上傳下達(dá)，實(shí)施科學(xué)指揮、決策、調(diào)度以及搶險(xiǎn)救災(zāi)，從而使得災(zāi)害區(qū)能夠根據(jù)山洪災(zāi)害防御預(yù)案，及時(shí)采取預(yù)防措施，最大限度地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4）海河流域防洪調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)支持平臺(tái)及永定、子牙河調(diào)度子系統(tǒng)?；?GIS、RS、水力學(xué)模型、水文學(xué)模型及業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)技術(shù)，為用戶提供基于新安江模型、水箱模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的洪水預(yù)報(bào)服務(wù)；為用戶提供洪水調(diào)度、調(diào)度結(jié)果優(yōu)選、洪水過程可視化、洪水過程模擬仿真和成果管理服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了河系內(nèi)水庫、河道、水閘樞紐、蓄滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度和單節(jié)點(diǎn)調(diào)度，按調(diào)度方案“一鍵式”調(diào)度和逐個(gè)調(diào)度節(jié)點(diǎn)人工交互調(diào)度，對多種調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對比分析、結(jié)果優(yōu)選，對洪水預(yù)報(bào)調(diào)度成果進(jìn)行綜合管理。

1.2.3 水生態(tài)保護(hù)

1）海河流域?yàn)春由絽^(qū)土壤侵蝕遙感調(diào)查報(bào)告?；谶b感和 GIS 手段提取建立侵蝕因子例如土地利用、地形坡度、植被狀況等圖層，最后通過解譯人員綜合判斷得出土壤侵蝕信息，定量分析了海河流域?yàn)春由絽^(qū)土壤侵蝕狀況。

2）水專項(xiàng)海河流域北運(yùn)河水系水環(huán)境實(shí)時(shí)管理決策支持系統(tǒng)研究與示范?；A(chǔ)數(shù)據(jù)建立和系統(tǒng)入網(wǎng)國家水體污染控制與治理重大科技專項(xiàng)的“海河流域北運(yùn)河水系水環(huán)境實(shí)時(shí)管理決策支持系統(tǒng)研究與示范”是針對海河流域水資源短缺、水污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化、京津唐城市群快速形成的特點(diǎn)，圍繞北運(yùn)河以非常規(guī)水源補(bǔ)給為主、水生態(tài)緩沖能力弱的特征，基于分布式水循環(huán)模型、3S 技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段為北運(yùn)河水污染控制、重污染河道水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)等提供決策支持的系統(tǒng)。

3）官廳密云水庫上游水土保持監(jiān)測系統(tǒng)。為解決首都北京社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的水資源短缺、水環(huán)境污染和生態(tài)惡化等問題，確保21世紀(jì)初首都水資源可持續(xù)利用。國務(wù)院于 2001年5月23日，正式批準(zhǔn)了《21世紀(jì)初期（2001-2005年）首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》（國函[2001] 53號）?！氨Ｗ∶茉?、挽救官廳”是《規(guī)劃》提出的目標(biāo)。官廳、密云水庫（以下簡稱“兩庫”）上游水土保持監(jiān)測能力建設(shè)是《規(guī)劃》明確的建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目建設(shè)中，將 3S 技術(shù)作為項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，開展了項(xiàng)目區(qū)水土保持遙感監(jiān)測，水土流失調(diào)查研究與評價(jià)、土壤侵蝕模型研究與應(yīng)用、水土保持系統(tǒng)建設(shè)等諸多工作。項(xiàng)目的建設(shè)，對于“兩庫”上游水土流失控制發(fā)揮了積極作用，同時(shí)促進(jìn)了全流域水土保持監(jiān)測工作，也豐富了海委水利數(shù)據(jù)庫，為海委水生態(tài)工作的進(jìn)一步開展，提供了工作基礎(chǔ)。

1.2.4 水利綜合應(yīng)用

1）海河流域電子沙盤。海河流域電子沙盤應(yīng)用圖形索引及發(fā)布技術(shù)，以地形圖、DEM、流域30m 分辨率 TM 遙感影像為基礎(chǔ)，輔以官密上游 2.5m 分辨率 SPOT-5遙感影像、潘大庫區(qū)1和0.125m 航片，對流域及重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行立體展示。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了用戶標(biāo)注、距離量測、沿路徑飛行等功能。

2）GEF 海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目。

a.海河流域 ET 耗水量分布特征研究。海河流域水資源需求日益增加，供水形勢日趨緊張，特別是降水與水資源消耗的時(shí)空分布之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)狀，加劇了流域水資源短缺矛盾。通過流域遙感ET估算全流域的分年度耗水量和耗水量空間分布；研究耗水空間分布規(guī)律和時(shí)間變化趨勢，掌握流域宏觀水資源消耗分布現(xiàn)狀，為水資源的可持續(xù)利用提供參考數(shù)據(jù)。

b.遙感監(jiān)測 ET 技術(shù)在區(qū)域水資源量核定中的應(yīng)用研究。通過對河北省館陶縣多年的遙感監(jiān)測 ET 資料分析，結(jié)合水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查，開展基于 ET 的水資源供耗平衡分析，分析遙感監(jiān)測 ET 與降水量、供水量、耗水量之間的相關(guān)關(guān)系，在水資源管理由粗放型向精細(xì)化轉(zhuǎn)變，減少無效耗水、提高水分生產(chǎn)效率，以及區(qū)域水資源量核定等方面提供參考，為館陶縣水資源的高效利用提供技術(shù)支撐，服務(wù)于區(qū)域的水資源管理和水資源的合理配置。

c.基于 ET 的流域尺度水平衡分析及工具開發(fā)?；?ET 的流域尺度水平衡分析工具是海河 GEF水資源與水環(huán)境綜合管理項(xiàng)目中遙感監(jiān)測 ET 系統(tǒng)中5個(gè)應(yīng)用工具之一。本項(xiàng)目是在海河流域 SWAT 模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于 ET 的流域尺度水平衡分析工具，在分析海河流域水文、氣象、土地利用和土壤類型等信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感監(jiān)測 ET 的成果建立海河流域的分布式水文模型，分析現(xiàn)狀條件下流域水平衡狀況，并模擬不同節(jié)水措施下流域 ET 的降低情況。

d）基于 ET 的流域尺度地下水管理工具的開發(fā)。以遙感監(jiān)測 ET 及 SWAT 模型輸出結(jié)果為基礎(chǔ)，開發(fā)流域尺度的地下水管理工具，展示計(jì)算年份海河流域的降雨、實(shí)際 ET、徑流量、地下水凈開采量、土壤水的儲(chǔ)變量，地下水水位變化等的時(shí)空分布情況；利用流域尺度的地下水管理工具，分析流域內(nèi)現(xiàn)狀條件下的地下水凈使用量及其空間分布，以及達(dá)到目標(biāo) ET 時(shí)對應(yīng)的地下水允許開采量及其空間分布；開發(fā)情景分析功能模塊，模擬節(jié)水措施對地下水凈使用量的影響及作用。

2 展望

2.1 3S 集成應(yīng)用

水利信息化進(jìn)程中的 3S 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中不僅要通過數(shù)據(jù)接口將 RS，GIS，GPS 嚴(yán)格地、緊密地、系統(tǒng)地集合起來，使其成為更具有應(yīng)用價(jià)值的大系統(tǒng),往往還要跟其他的諸如 MIS 或 OA 等系統(tǒng)緊密結(jié)合，方可滿足需求。另一方面，需要 3S 技術(shù)與業(yè)務(wù)模型緊密集成應(yīng)用，發(fā)揮 3S 技術(shù)空間性、現(xiàn)勢性、直觀性等優(yōu)勢，更好的為水利業(yè)務(wù)提供更好的支持。因此，3S 技術(shù)與外部系統(tǒng)無縫集成是必然的發(fā)展趨勢。

2.2 以數(shù)學(xué)模型和決策分析為支撐

充分利用 3S 技術(shù)特有的專業(yè)分析能力，基于專業(yè)的分析算法和模型，從不同尺度，對各種水利數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析，使構(gòu)建的系統(tǒng)具有輔助決策支持功能，為有關(guān)部門提供科學(xué)的計(jì)算結(jié)果和決策依據(jù)。

2.3 三維動(dòng)態(tài)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

時(shí)間序列、動(dòng)態(tài)監(jiān)測及過程，是水利工作中經(jīng)常接觸的問題，三維尤其是實(shí)時(shí)的三維 3S 系統(tǒng)為各種水利信息提供了更為直觀的表現(xiàn)方式。應(yīng)用 3S 技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)水線路沿線貫穿飛行、城市及蓄滯區(qū)洪水演進(jìn)、水利工程布置、大壩及堤防等工情信息的表達(dá)、地面與地下結(jié)合的地質(zhì)構(gòu)造描述、水流流動(dòng)的三維表現(xiàn)、廠房或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的描述、庫區(qū)的描述、宏觀地形地貌表現(xiàn)、通視性分析等方面正得到越來越多的關(guān)注。VR-GIS 技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與 3S 技術(shù)的結(jié)合，用于研究地學(xué)或以地球系統(tǒng)為對象的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。應(yīng)用 VR-GIS 技術(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)必須要了解對象的機(jī)制，并建立模型（數(shù)理或概念模型）或采用人工智能及可視化技術(shù)，此外還必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證。

總之，要在水利行業(yè)更好地應(yīng)用和發(fā)展 3S 技術(shù)，必須在進(jìn)一步加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的基礎(chǔ)上，大力開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)、尤其是有水利行業(yè)特色的數(shù)據(jù)庫，如蓄滯洪區(qū)空間展布式社會(huì)經(jīng)濟(jì)、雨情和水情、水旱災(zāi)情等等數(shù)據(jù)庫。此外還要加快提高 3S 技術(shù)的應(yīng)用水平，充分發(fā)揮 3S現(xiàn)有的和潛在的功能，并且與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)以及水利行業(yè)本身的技術(shù)緊密地結(jié)合在一起。為水利信息和現(xiàn)代化作出它應(yīng)有的科技貢獻(xiàn)。

[1] 王燕平，彭德永.探討“3S”集成技術(shù)的應(yīng)用與研究[J].中國科技縱橫，2010（9）: 18.

[2] 田米糧，王雷.“3S”技術(shù)對現(xiàn)代人類社會(huì)的影響[J].測繪與空間地理信息，2009（4）: 23.