水利工程測(cè)量中3S技術(shù)的應(yīng)用分析

賈志軍

【摘要】進(jìn)入數(shù)字信息化的時(shí)代，3S技術(shù)不斷的發(fā)展更新，投入應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。特別是在水利水電工程測(cè)量行業(yè)，其全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性等高效性能，為保證水利工程測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。文章結(jié)合了河道測(cè)量、沖淤變化監(jiān)測(cè)等案例，闡述了3S測(cè)量技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】水利工程；3S測(cè)量技術(shù)；河道測(cè)量；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；研究與應(yīng)用

1. 3S技術(shù)的含義

3S技術(shù)是遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）及全球定位系統(tǒng)（GPS）的統(tǒng)稱(chēng)。是多學(xué)科高度集成的對(duì)空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用的現(xiàn)代信息技術(shù)。能夠?qū)臻g實(shí)體快速地進(jìn)行精確定位，同時(shí)宏觀地獲取信息，對(duì)所得到的特定位置空間信息進(jìn)行綜合分析。

2. 3S技術(shù)的特點(diǎn)

（1）遙感（RS）技術(shù)是一種衛(wèi)星遙感技術(shù)，不直接接觸目標(biāo)或現(xiàn)象就能收集信息，并據(jù)此進(jìn)行識(shí)別與分類(lèi)。即在地球不同高度平臺(tái)上使用某種傳感器，收集地球各類(lèi)地物反射或發(fā)射的電磁波信息，對(duì)這些電磁波信息進(jìn)行加工處理，用特殊方法判讀解譯，從而達(dá)到識(shí)別、分類(lèi)的目的，為科研工程的生產(chǎn)應(yīng)用服務(wù)。

（2）地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)是以空間數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，在各種地理圖形的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、編輯、判讀存儲(chǔ)、查詢(xún)、顯示和綜合分析應(yīng)用的技術(shù)系統(tǒng)。

（3）全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)是一種全新的現(xiàn)代定位方法，具有多功能、高效率、高精度的特點(diǎn)，可在全球任意地點(diǎn)，為任意多個(gè)用戶同時(shí)提供幾乎是瞬時(shí)的三維測(cè)速、三維定位服務(wù)，極大地改變了傳統(tǒng)的定位技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)，并已逐漸在越來(lái)越多的領(lǐng)域中取代了常規(guī)光學(xué)和電子儀器。

（4）隨著3S技術(shù)在測(cè)繪科學(xué)中的應(yīng)用日趨成熟并廣泛應(yīng)用到水文測(cè)量中，河道水文測(cè)量的效率和精度有了很大程度的提高。下面作者結(jié)合河道測(cè)量、沖淤變化監(jiān)測(cè)等案例加以分析。

3. 河道水文測(cè)量傳統(tǒng)方法存在的缺陷

（1）河道測(cè)量是以河道治理和水量調(diào)度為應(yīng)用目的，涉及測(cè)量及描述水下泥表面及相鄰地帶的物理特性的應(yīng)用科學(xué)。長(zhǎng)期以來(lái)，河道水文測(cè)量常利用六分儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀測(cè)定，這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法，不僅測(cè)量周期長(zhǎng)、精度低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量標(biāo)志耗費(fèi)大，不能滿足河道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及河流治理、防洪減災(zāi)的需要。

（2）河道水下地形測(cè)量及容積、沖淤量的計(jì)算是水文測(cè)量的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)之一，及時(shí)了解河道變化及沖淤變化資料，為水資源合理調(diào)度、泥沙有效控制、防洪減災(zāi)正確決策、灌溉和發(fā)電等各項(xiàng)科學(xué)管理工作提供基本依據(jù)。河道主流變化分析主要是反映河勢(shì)情況。通常包括對(duì)河道平面形態(tài)變化、河道縱剖面變化及深泓線變化情況的分析等。

（3）河道沖淤分析是河道演變分析的重要環(huán)節(jié)，工程中常采用斷面法，即利用河道槽蓄量的大小變化判斷河道的沖淤。該方法的前提是斷面間距能夠正確的測(cè)定，斷面間水底地形和河床變化規(guī)則，而且無(wú)支流。而實(shí)際地形的變化錯(cuò)綜復(fù)雜，河床參差不齊，所以這種方法計(jì)算的沖淤量無(wú)法準(zhǔn)確反映河道的沖淤變化情況。

4. 3S測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

4.1利用遙感圖像獲取所需河道水文信息。

（1）以遙感手段獲得的河道信息通過(guò)信息提取產(chǎn)生需要的專(zhuān)題圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)的圖像校正、圖像增強(qiáng)、圖像分類(lèi)、圖像變換及圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，將遙感信息作為信息源提供給GIS。在對(duì)遙感圖像進(jìn)行判讀解譯和相關(guān)分析之前，必須首先對(duì)遙感圖像進(jìn)行投影變換和幾何糾正處理。為保證遙感圖像與地形圖保持地理幾何位置的一致性，須對(duì)遙感影像進(jìn)行相應(yīng)的投影變換，最后將圖像處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成GIS能夠接受的數(shù)據(jù)格式。

（2）充分利用圖形資料（尤其是電子地圖，對(duì)非電子形式的圖形資料要進(jìn)行數(shù)字化，建立起矢量圖形庫(kù)）和圖像資料，以便提取高程數(shù)據(jù)以建立數(shù)字高程模型（DEM），以及對(duì)遙感圖像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)和校正。產(chǎn)生數(shù)字高程模型后，就可以利用GIS軟件提供的地形分析功能進(jìn)行等高線計(jì)算、水面面積和體積計(jì)算、沖淤量計(jì)算、坡度坡向的分析和計(jì)算等。

4.2遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)就是對(duì)同一區(qū)域運(yùn)用不同時(shí)相的遙感圖像，以獲得區(qū)域變化的遙感影像。動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)已成為遙感應(yīng)用的一個(gè)主要方面，多時(shí)相、多種類(lèi)型的傳感器對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行定期或不定期的資源與環(huán)境調(diào)查，能及時(shí)、準(zhǔn)確、宏觀地反映客觀情況。以多時(shí)相遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過(guò)重點(diǎn)分析最佳組合波段的選擇和水體信息特征提取的圖像處理方法，為遙感技術(shù)在水環(huán)境方面的研究提供一定的理論依據(jù)。同時(shí)，利用數(shù)字遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化的水域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和枯水期、豐水期的水域變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為防洪、抗洪、水資源合理調(diào)度、河道規(guī)劃治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

4.3水深遙感沖淤變化分析。

（1）水深遙感是利用可見(jiàn)光在水體內(nèi)的穿透能力，通過(guò)飛機(jī)、衛(wèi)星等遙感平臺(tái)，利用輻射計(jì)、攝影機(jī)等遙感設(shè)備，將水下一定深度范圍內(nèi)的立體單元信息按照一定的規(guī)則采集下來(lái)，再通過(guò)信息處理軟件分離出可見(jiàn)光空透的水體厚度信息，即可獲得水深。利用入水輻射強(qiáng)度與水深、水體渾濁度之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)定、處理輻射強(qiáng)度來(lái)量測(cè)水深。在研究河床沖淤時(shí)，常常因?qū)崪y(cè)資料遺缺無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)分析和比較。

（2）遙感信息獲取便捷，水深遙感研究已取得初步成果，因此在缺乏某一階段實(shí)測(cè)資料的情況下，可利用歷史階段遙感資料推求出水深，從而實(shí)現(xiàn)沖淤分析的目的?？紤]到用某一時(shí)相遙感資料所得水深精度較實(shí)測(cè)地形精度差。用實(shí)測(cè)地形與遙感所得地形直接產(chǎn)生河床沖淤值，誤差會(huì)很大。而用兩個(gè)時(shí)相遙感水深計(jì)算河床沖淤能滿足分析精度的要求。

（3）其原因是： 盡管遙感水深誤差大，但從反演所得的斷面圖來(lái)看，遙感水深誤差存在諸多綜合因素的影響，兩個(gè)時(shí)相遙感水深誤差表現(xiàn)形式基本一樣，所以差值減少了系統(tǒng)誤差，削減了由遙感信息源轉(zhuǎn)換成水深信息時(shí)的誤差。此方法計(jì)算的結(jié)果與用實(shí)測(cè)地形資料計(jì)算的結(jié)果基本一致，能滿足河床演變分析和沖淤量計(jì)算的要求。故水深遙感方法可以在地形資料短缺情況下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)段河床演變分析以補(bǔ)充缺測(cè)的資料。若將GIS與水深遙感技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)水下地形圖數(shù)字化，也可以很方便地得到所測(cè)水域不同時(shí)段、不同沖刷深度（或淤積厚度）的沖淤分布。

5. GIS技術(shù)在河道測(cè)量中的應(yīng)用

（1）GIS是水文資料管理的重要工具。在GIS中還有計(jì)算距離、曲率、表面積、周長(zhǎng)等工具，即用即得，利用DEM模型可以很方便得到某點(diǎn)的高程。河道演變分析主要是沖淤分析。GIS利用DEM模型數(shù)據(jù)能立即計(jì)算出兩沖淤監(jiān)測(cè)斷面間的沖淤量，不僅便捷且精度大為提高。

（2）河道某斷面圖的繪制、某地沖淤過(guò)程的累積圖等，可直接從圖上提取數(shù)據(jù)并自動(dòng)繪制成圖。所有這些GIS功能對(duì)于分析河道演變的成因、了解河道演變規(guī)律都有著十分積極的意義。GIS技術(shù)用于水下地形的沖淤變化分析比傳統(tǒng)分析方法更加科學(xué)合理、精確度高。

6. RTK技術(shù)的應(yīng)用

促進(jìn)GPS技術(shù)向更深、更廣、更新的方向發(fā)展，它既克服了常規(guī)測(cè)量要求點(diǎn)間通視、費(fèi)工費(fèi)時(shí)而且精度不均勻、外業(yè)不能實(shí)時(shí)了解測(cè)量成果和測(cè)量精度的缺點(diǎn)，同時(shí)又避免了GPS靜態(tài)定位及快速靜態(tài)相對(duì)定位需要進(jìn)行后處理，避免了業(yè)后處理中發(fā)現(xiàn)精度不合乎要求，需進(jìn)行返工的困擾，RTK實(shí)時(shí)三維精度可以達(dá)到厘米級(jí)，大大減輕了測(cè)量作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高了作業(yè)效率。為水下地形測(cè)量和GIS前端數(shù)據(jù)采集提供了有利保障。GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測(cè)量，測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量，再加上專(zhuān)業(yè)測(cè)繪軟件和繪圖儀便可組成河道測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)。工程中對(duì)采集到的水下地形點(diǎn)的平面、高程數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校核后，將其輸入專(zhuān)業(yè)的數(shù)字地形圖成圖軟件和斷面圖成圖軟件中進(jìn)行處理，即可得到高精度的數(shù)字地形圖和斷面圖。

7. 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給河道、水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理以及水文測(cè)量的勘測(cè)帶了很大的方便，為河道水文勘測(cè)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、管理方面提供一個(gè)嶄新的前景。

參考文獻(xiàn)

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