大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)探索
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摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其在各行業(yè)的普遍應(yīng)用，依托大型水利工程項(xiàng)目構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，建設(shè)大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)勢(shì)在必行。提出了大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)的初步構(gòu)想、構(gòu)建方案、設(shè)計(jì)架構(gòu)、主要模塊、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路、主要功能及實(shí)現(xiàn)方法等?？梢劳兄黧w工程構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，在大型水利工程項(xiàng)目率先嘗試水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)，將其作為主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)的其中一個(gè)子系統(tǒng)，促進(jìn)工程又好又快建設(shè)，以期為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)雙贏提供平臺(tái)支撐，并為其他生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)提供參考。
關(guān)鍵詞：大型水利工程；水土保持；信息系統(tǒng)
隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其在各行業(yè)的普遍應(yīng)用，水利信息化、水利工程數(shù)字化的理念已貫穿于水利水電工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施及管理中。近年來(lái)，大型水利水電工程項(xiàng)目在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就采用智慧化、數(shù)字化設(shè)計(jì)，建設(shè)單位通過(guò)招標(biāo)方式選擇第三方，圍繞工程的功能定位，開(kāi)發(fā)覆蓋工程建設(shè)管理、智能施工、工程安全監(jiān)控、智能分析決策、快速應(yīng)急響應(yīng)、綜合事務(wù)管理等業(yè)務(wù)的應(yīng)用大系統(tǒng)已有先例。水土保持工作作為水利部門(mén)的一項(xiàng)重要工作，近年來(lái)水土保持管理部門(mén)開(kāi)展了水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持空天地一體化監(jiān)管信息化等工作，但迄今為止，鮮有針對(duì)具體的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)水土保持信息系統(tǒng)。與其他生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目相比，水庫(kù)、水電站、長(zhǎng)距離引調(diào)水等水利工程具有擾動(dòng)面積大、土石方量大、棄渣場(chǎng)及料場(chǎng)多、水土保持工作難度大的特點(diǎn)，水利工程項(xiàng)目的主體工程及其水土保持工程均依據(jù)水利行業(yè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，兩者的規(guī)劃設(shè)計(jì)及實(shí)施密切關(guān)聯(lián)，因此可依托水利項(xiàng)目主體工程構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，進(jìn)行水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)，以期準(zhǔn)確、高效地對(duì)項(xiàng)目區(qū)水土流失變化情況及危害、水土保持方案編制及實(shí)施效果等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為有效控制生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目造成的新增水土流失、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)雙贏提供平臺(tái)支撐。本文對(duì)大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)提出初步構(gòu)想和構(gòu)建方案。
1水利工程水土保持信息系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)及依托
水土保持信息系統(tǒng)應(yīng)與主體工程的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)同步開(kāi)發(fā)，作為應(yīng)用大系統(tǒng)的子系統(tǒng)。主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)中常常創(chuàng)建有包含地形、地貌、工程結(jié)構(gòu)等構(gòu)件的設(shè)計(jì)信息的BIM模型，其從實(shí)體工程屬性到運(yùn)行狀態(tài)均與工程建設(shè)同步，即實(shí)體工程和數(shù)字化工程為兩座“孿生”工程；此外，主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)用GIS技術(shù)為工程項(xiàng)目時(shí)空地理信息數(shù)據(jù)的管理、維護(hù)提供協(xié)同工作服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程空間地理信息的動(dòng)態(tài)查詢?；谥黧w工程應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)的BIM＋GIS，水土保持信息系統(tǒng)和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)均可將大系統(tǒng)中的信息資源作為數(shù)據(jù)來(lái)源和支持。可充分利用大系統(tǒng)平臺(tái)的BIM＋GIS，通過(guò)視圖定制、剖切和測(cè)量等工具對(duì)水土保持的有關(guān)信息進(jìn)行全三維表達(dá)，實(shí)時(shí)掌握主體工程建設(shè)過(guò)程中料場(chǎng)開(kāi)采情況、棄渣場(chǎng)堆棄渣狀況、水土保持措施實(shí)施情況等。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合采取衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)遙感、視頻監(jiān)控、地面觀測(cè)、實(shí)地調(diào)查量測(cè)等多種方式采集有關(guān)信息，可充分運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)等高新信息技術(shù)手段，將各類(lèi)水土保持監(jiān)測(cè)信息納入本系統(tǒng)，為工程實(shí)時(shí)監(jiān)控提供原始數(shù)據(jù)。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想
2．1系統(tǒng)總體架構(gòu)
采用瀏覽器／服務(wù)器模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)管理等。系統(tǒng)架構(gòu)以工程項(xiàng)目各類(lèi)空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，圍繞水土保持管理，充分考慮數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)比分析、統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)等功能，建立業(yè)務(wù)內(nèi)容與空間信息的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系，各業(yè)務(wù)階段環(huán)環(huán)相扣。水土保持信息系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。水土保持信息系統(tǒng)平臺(tái)的用戶涉及多個(gè)部門(mén)，各用戶按照權(quán)限使用該平臺(tái)。該系統(tǒng)對(duì)水利工程項(xiàng)目基礎(chǔ)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，由水土保持方案編制單位或水土保持設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)水土保持方案及批復(fù)、水土保持設(shè)計(jì)等相關(guān)信息上傳，在項(xiàng)目建設(shè)的各階段，由管理者通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)建設(shè)周期進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)督管理。
2．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖1所示，智能感知層主要是結(jié)合水利工程項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)，并依托主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)，充分利用高分遙感影像，對(duì)工程項(xiàng)目區(qū)的土地?cái)_動(dòng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。針對(duì)典型地段或必要時(shí)增加無(wú)人機(jī)近距離監(jiān)測(cè)，保證實(shí)時(shí)掌握土地?cái)_動(dòng)和植被壓占情況。通過(guò)無(wú)人機(jī)低空遙測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)棄土棄渣量、取土取料量、局部地段的水土保持措施等情況的信息采集。通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝，并利用遙測(cè)影像處理軟件獲得處理成果，獲取渣場(chǎng)特性及防護(hù)措施等信息。通過(guò)對(duì)工程建設(shè)重要部位，包括棄渣場(chǎng)、料場(chǎng)等區(qū)域設(shè)置可視化監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)調(diào)看不同位置的監(jiān)控信息，或通過(guò)移動(dòng)端現(xiàn)場(chǎng)采集影像資料等，及時(shí)掌握工程情況，查看是否有水土流失危害事件并進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)庫(kù)是本系統(tǒng)的支撐平臺(tái)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要由空間數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息兩大類(lèi)數(shù)據(jù)組成，各項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)源于項(xiàng)目大系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、BIM＋GIS平臺(tái)、項(xiàng)目感知層信息輸入、水土保持監(jiān)理／監(jiān)測(cè)／施工／驗(yàn)收等各相關(guān)人員人工填報(bào)等。應(yīng)用支撐層的各組件為各項(xiàng)功能提供相應(yīng)服務(wù)，本系統(tǒng)組件庫(kù)包括分析判別、分類(lèi)提取、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、底圖等組件，各組件具有明確的接口，用戶通過(guò)系統(tǒng)操作調(diào)用接口獲取服務(wù)。通過(guò)多組件組合可得到所需的組件庫(kù)。在用戶層，生產(chǎn)建設(shè)單位、水土保持監(jiān)理、水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持施工、水土保持設(shè)施驗(yàn)收評(píng)估單位等均為用戶，各用戶通過(guò)各自的賬號(hào)從本系統(tǒng)統(tǒng)一界面登錄，按照各自權(quán)限進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管、信息上傳、查詢、統(tǒng)計(jì)等相關(guān)操作。
3建設(shè)模塊及內(nèi)容
3．1數(shù)據(jù)庫(kù)
數(shù)據(jù)庫(kù)包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)各項(xiàng)基礎(chǔ)操作提供數(shù)據(jù)支持。（1）空間數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)核心。首先，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)互通共享，應(yīng)用大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一建立了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，其對(duì)基礎(chǔ)地理、遙感影像、數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行安全高效管理，可為本系統(tǒng)提供地圖服務(wù)與地理數(shù)據(jù)服務(wù)；其次，利用應(yīng)用大系統(tǒng)BIM＋GIS平臺(tái)的二維、三維數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)立體可視化，可以更好地分析了解工程主體、重點(diǎn)設(shè)備設(shè)施等，針對(duì)工程布置、施工方式、工程進(jìn)度、施工擾動(dòng)的特點(diǎn)等更有效地開(kāi)展水土保持工作；最后，空間數(shù)據(jù)庫(kù)還包括水土保持自動(dòng)化監(jiān)測(cè)接入、移動(dòng)端輸入、水土保持監(jiān)理／監(jiān)測(cè)／施工等各相關(guān)人員人工填報(bào)上傳的空間數(shù)據(jù)。（2）基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)水土保持專業(yè)工作內(nèi)容，建設(shè)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。主要包括水土保持相關(guān)法律法規(guī)、水土保持方案報(bào)告書(shū)及批復(fù)文件相關(guān)數(shù)據(jù)（包括矢量數(shù)據(jù)）、水土保持初步設(shè)計(jì)、施工圖、水土保持監(jiān)理、水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持招投標(biāo)、水土保持施工、水土保持設(shè)施驗(yàn)收、合同管理及來(lái)往文件等。基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)兼容現(xiàn)有的doc、pdf、dwg、shp等大多數(shù)文件格式。
3．2信息感知模塊
信息感知模塊需充分和項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目施工全過(guò)程各階段擾動(dòng)土地情況、棄土棄渣情況、水土流失防治成效及水土流失危害等，其中棄渣場(chǎng)監(jiān)測(cè)是重點(diǎn)。（1）擾動(dòng)土地及水土流失防治成效感知?；趹?yīng)用大系統(tǒng)的BIM＋GIS平臺(tái)，充分利用高分遙感影像，針對(duì)典型地段或必要時(shí)增加無(wú)人機(jī)近距離監(jiān)測(cè)，全程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工程建設(shè)擾動(dòng)土地及植被占?jí)呵闆r，水土保持措施實(shí)施情況，尤其關(guān)注大范圍高強(qiáng)度施工區(qū)域。可選擇國(guó)產(chǎn)高分1號(hào)或國(guó)產(chǎn)高分2號(hào)遙感影像，其覆蓋周期和分辨率可滿足擾動(dòng)土地情況及水土流失防治成效監(jiān)測(cè)的頻次和精度要求。通過(guò)對(duì)土地?cái)_動(dòng)及水土保持措施進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和資料收集等，建立先驗(yàn)知識(shí)和樣本數(shù)據(jù)集，可建立項(xiàng)目提取規(guī)則集，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)土地及水土保持措施識(shí)別的程序化、自動(dòng)化；將土地?cái)_動(dòng)范圍與工程項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍疊加進(jìn)行拓?fù)浞治?，以得出合?guī)性判別結(jié)論。（2）棄渣場(chǎng)情況感知。棄渣場(chǎng)作為水土保持工程中的重要單元工程，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)棄渣情況和棄渣場(chǎng)防護(hù)措施情況是必要的。棄渣及棄渣場(chǎng)情況可通過(guò)低空無(wú)人機(jī)遙測(cè)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)范圍大小和成果精度要求設(shè)計(jì)飛行路線、飛行高度、拍攝角度及旁向重疊度，同時(shí)，布設(shè)滿足精度要求的地面控制點(diǎn)數(shù)量，設(shè)計(jì)好飛行路線，實(shí)施無(wú)人機(jī)飛行和拍攝，獲取原始遙感影像數(shù)據(jù)，利用遙測(cè)影像處理軟件獲得處理成果，以獲取棄渣場(chǎng)最大堆渣高度、堆棄面積、堆渣量、擋渣墻長(zhǎng)度、截排水溝長(zhǎng)度及植物措施面積等監(jiān)測(cè)指標(biāo)，獲取棄渣場(chǎng)的堆棄渣量、水土流失狀況、水土保持措施實(shí)施情況等信息。此外，對(duì)3級(jí)以上的棄渣場(chǎng)設(shè)置可視化監(jiān)控設(shè)施，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)看不同位置的監(jiān)控信息，及時(shí)掌握棄渣情況、防護(hù)措施實(shí)施情況及水土流失危害情況。（3）水土流失危害感知。在水土流失危害方面，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)水土流失對(duì)主體工程、周邊重要設(shè)施等造成的影響及危害等。在監(jiān)測(cè)擾動(dòng)土地、棄土棄渣、水土流失狀況、水土流失防治成效等內(nèi)容時(shí)，一并開(kāi)展水土流失危害監(jiān)測(cè)。
3．3業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊
根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)可提供多種應(yīng)用模塊，其中最重要的是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)比分析模塊和預(yù)測(cè)預(yù)警模塊。（1）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)對(duì)比分析模塊。建設(shè)期間的土地?cái)_動(dòng)情況是水土保持管理的重要內(nèi)容?；诮ㄔO(shè)項(xiàng)目高分遙感影像，根據(jù)水利工程建設(shè)對(duì)地面的擾動(dòng)特點(diǎn)，可將建筑物、裸地、硬化地面等作為項(xiàng)目擾動(dòng)圖斑自動(dòng)化提取，工程建設(shè)后期，可將綠化植被恢復(fù)也作為圖斑自動(dòng)化提取。擾動(dòng)圖斑動(dòng)態(tài)反映項(xiàng)目當(dāng)前真實(shí)的建設(shè)情況，結(jié)合項(xiàng)目水土保持方案批復(fù)的防治責(zé)任范圍，對(duì)兩者進(jìn)行空間疊加，判斷擾動(dòng)圖斑與防治責(zé)任范圍的空間位置關(guān)系，進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比展示，并對(duì)合規(guī)性進(jìn)行判斷。水土保持有關(guān)法規(guī)要求，工程建設(shè)棄渣應(yīng)堆放在水土保持方案確定的棄渣場(chǎng)。棄渣場(chǎng)位置變化或棄渣量增加可能涉及工程項(xiàng)目重大變更，需重新編報(bào)水土保持方案，否則為違法違規(guī)行為。通過(guò)棄渣場(chǎng)區(qū)域土地?cái)_動(dòng)情況的合規(guī)性判別、將信息感知模塊獲取的棄渣量與水土保持方案中設(shè)計(jì)的堆渣量進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)棄渣場(chǎng)合規(guī)性實(shí)時(shí)分析。（2）預(yù)測(cè)預(yù)警模塊。針對(duì)水土保持相關(guān)監(jiān)測(cè)信息資料和工程建設(shè)過(guò)程中的相關(guān)信息，進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)其規(guī)律性的信息進(jìn)行展示，對(duì)超出設(shè)計(jì)范圍的現(xiàn)象或者信息進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。對(duì)涉及重大變更未重新編報(bào)水土保持方案、未開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)、水土保持措施不落實(shí)、未依法依規(guī)足額繳納水土保持補(bǔ)償費(fèi)、未驗(yàn)先投等水土保持違法違規(guī)行為，水土流失對(duì)主體工程及周邊重要設(shè)施等造成影響，水土保持監(jiān)測(cè)三色評(píng)價(jià)為“黃紅”狀態(tài)等情況進(jìn)行預(yù)警，并采用移動(dòng)的方式實(shí)時(shí)推送至相關(guān)平臺(tái)用戶。
4結(jié)語(yǔ)
依托主體工程構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺(tái)和生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作，在大型水利工程項(xiàng)目率先嘗試水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)，將其作為主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)的其中一個(gè)子系統(tǒng)，是促進(jìn)工程又好又快建設(shè)及實(shí)現(xiàn)綠色工程、數(shù)字工程的可靠支持及有力保障，并為其他生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)提供參考。
作者:楊娟 薛建慧 單位:黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司
