海河流域 3S 技术应用研究与实践

黄 锐，乔 偼，于 磊

（海河水利委员会信息中心，天津 300170）

0 引言

当今世界信息技术的飞速发展对水利信息的采集、传输、存储、处理、共享方式，水资源综合管理、防汛抗旱、水生态保护、水利工程建设等水利业务应用各方面都提出了更高的要求。传统水利技术在时效性、准确性、一致性等方面已不能完全满足现代水利建设各项工作的各项需求，因此，应用3S技术提升水利建设及管理的效率及效益是水利工作发展的必然。

1 海委水利信息化建设 3S 技术应用现状

水利部海河水利委员会是较早应用 3S 技术开展水利信息化建设的单位之一。多年来，通过技术、人才引进，国内外技术合作、交流等多种方式，结合流域实际，依托各类信息化建设项目的顺利开展，使 3S 技术逐渐在流域信息化建设中发挥实际作用，提高了流域水利工作效率，收到了良好的经济、生态及社会效益，为打造“湿润海河”提供了数据支持及技术支撑。

1.1 水利数据建设

数据是信息化工作的血液，空间数据的建设和管理能够很好地结合传统水利业务数据，提高工作效率，带动流域水利工作的快速发展。近年来，海委充分利用 3S、数据库、计算机等先进技术，通过水利基础专项建设、水利业务应用等工作，不断补充、更新与完善水利数据库，在数据覆盖范围，数据精度，数据时效性、准确性等各方面均取得了较大进展，已建设并积累了大量不同数据类型、比例尺、空间分辨率、数据时间的空间数据，这些数据既包括基础地理数据、遥感影像数据，还包括各类水利专题应用、属性等数据，并开发了数据基础平台进行数据分布与服务。海河流域基础数据平台成功的对空间、属性数据进行整合发布，用户可以从平台上获取所需求的信息，同时数据建设人员可基于后台对数据进行维护与更新，实现了资源的共享。并且在技术导则中统一了数据的建设标准与流程，为今后数据的规范化提供了依据。

1.2 水利业务应用

1.2.1 水资源综合管理

1）海河流域水资源综合规划制图与信息系统建设。充分运用 GIS 技术，以标准化、空间化为主要特性，建立 1:250000海河流域水资源综合规划基础地图数据库，系统整理流域水资源综合规划基础资料，统一基础资料的质量，并以此为基础，编制《海河流域水资源综合规划附图图集》，参加全国水资源综合规划的汇总，保证的水资源综合规划研究深度和成果质量。并进行海河流域水资源综合规划信息系统的开发建设。实现对项目数据成果的规范化管理，促进资源共享，提高水资源综合规划工作效率。

2）县级水资源与水环境综合管理工具。基于 GIS 和分布式水循环模型开发了县级水资源与水环境综合管理工具。工具能够基于项目县土地利用、土壤、气象等观测资料，构建适合项目县的水量水质综合模拟模型，利用模型能够对项目县的物理化学过程和地表水、地下水以及水质的时空变化过程进行模拟，同时还能对县级水资源与水环境综合管理（IWEMP）规划提出的不同情景方案包括节水措施和减污措施进行模拟分析，为县级水资源与水环境综合管理方案的制定提供强有力的数据支撑。已在海河流域河北省馆陶县、肥乡县、山东省德州市德城区等多个项目县进行了应用

1.2.2 防汛抗旱

近年来，3S 技术在防汛抗旱中的应用主要有：

1）防汛抗旱指挥系统一期工程——海河流域防汛抢险管理系统。基于三维技术，通过对海委防汛抗旱指挥系统一期工程防汛抢险系统进行补充和完善，建成1个操作简便、功能合理、满足应用的防汛抢险系统，为海委防办提供抢险减灾的信息技术支持，增强海委防办的抢险救灾能力，最大程度减小灾害对人民生命财产安全的威胁。

2）海河流域典型洪水淹没实况图编制项目。 选取海河流域 1963年历史洪水，编制南部3水系，即漳卫南、子牙河、大清河水系的洪水淹没实况图。按照《洪水风险图编制导则》及《洪水风险图编制技术细则》的相关要求，洪水淹没实况图主要表现淹没范围、淹没水深等要素。其对海河流域防洪减灾工作具有非常重要的指导和借鉴作用，按照洪水风险图制作标准制作的 1963年海河洪水实况图，可作为今后海河流域防洪减灾工作的辅助参考工具。

3）山洪灾害监测预警系统。山洪灾害监测预警系统是1种重要的山洪灾害防治非工程措施。主要围绕监测、预警和响应3个环节，将集信息采集、传输、分析为一体的水雨情监测系统与预警、响应体系有机结合，根据预警信息危机程度及山洪可能危害范围的不同，选取适宜的预警程序和方式，实现预警信息及时、准确地上传下达，实施科学指挥、决策、调度以及抢险救灾，从而使得灾害区能够根据山洪灾害防御预案，及时采取预防措施，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

4）海河流域防洪调度系统业务支持平台及永定、子牙河调度子系统。基于 GIS、RS、水力学模型、水文学模型及业务支撑平台技术，为用户提供基于新安江模型、水箱模型和神经网络模型的洪水预报服务；为用户提供洪水调度、调度结果优选、洪水过程可视化、洪水过程模拟仿真和成果管理服务。实现了河系内水库、河道、水闸枢纽、蓄滞洪区联合调度和单节点调度，按调度方案“一键式”调度和逐个调度节点人工交互调度，对多种调度结果进行对比分析、结果优选，对洪水预报调度成果进行综合管理。

1.2.3 水生态保护

1）海河流域滦河山区土壤侵蚀遥感调查报告。基于遥感和 GIS 手段提取建立侵蚀因子例如土地利用、地形坡度、植被状况等图层，最后通过解译人员综合判断得出土壤侵蚀信息，定量分析了海河流域滦河山区土壤侵蚀状况。

2）水专项海河流域北运河水系水环境实时管理决策支持系统研究与示范。基础数据建立和系统入网国家水体污染控制与治理重大科技专项的“海河流域北运河水系水环境实时管理决策支持系统研究与示范”是针对海河流域水资源短缺、水污染严重、生态系统严重退化、京津唐城市群快速形成的特点，围绕北运河以非常规水源补给为主、水生态缓冲能力弱的特征，基于分布式水循环模型、3S 技术与虚拟现实等技术手段为北运河水污染控制、重污染河道水质改善与生态修复等提供决策支持的系统。

3）官厅密云水库上游水土保持监测系统。为解决首都北京社会经济发展中的水资源短缺、水环境污染和生态恶化等问题，确保21世纪初首都水资源可持续利用。国务院于 2001年5月23日，正式批准了《21世纪初期（2001-2005年）首都水资源可持续利用规划》（国函[2001] 53号）。“保住密云、挽救官厅”是《规划》提出的目标。官厅、密云水库（以下简称“两库”）上游水土保持监测能力建设是《规划》明确的建设项目。项目建设中，将 3S 技术作为项目建设的关键技术，开展了项目区水土保持遥感监测，水土流失调查研究与评价、土壤侵蚀模型研究与应用、水土保持系统建设等诸多工作。项目的建设，对于“两库”上游水土流失控制发挥了积极作用，同时促进了全流域水土保持监测工作，也丰富了海委水利数据库，为海委水生态工作的进一步开展，提供了工作基础。

1.2.4 水利综合应用

1）海河流域电子沙盘。海河流域电子沙盘应用图形索引及发布技术，以地形图、DEM、流域30m 分辨率 TM 遥感影像为基础，辅以官密上游 2.5m 分辨率 SPOT-5遥感影像、潘大库区1和0.125m 航片，对流域及重点区域进行立体展示。同时实现了用户标注、距离量测、沿路径飞行等功能。

2）GEF 海河流域水资源与水环境综合管理项目。

a.海河流域 ET 耗水量分布特征研究。海河流域水资源需求日益增加，供水形势日趋紧张，特别是降水与水资源消耗的时空分布之间的不协调现状，加剧了流域水资源短缺矛盾。通过流域遥感ET估算全流域的分年度耗水量和耗水量空间分布；研究耗水空间分布规律和时间变化趋势，掌握流域宏观水资源消耗分布现状，为水资源的可持续利用提供参考数据。

b.遥感监测 ET 技术在区域水资源量核定中的应用研究。通过对河北省馆陶县多年的遥感监测 ET 资料分析，结合水资源开发利用现状调查，开展基于 ET 的水资源供耗平衡分析，分析遥感监测 ET 与降水量、供水量、耗水量之间的相关关系，在水资源管理由粗放型向精细化转变，减少无效耗水、提高水分生产效率，以及区域水资源量核定等方面提供参考，为馆陶县水资源的高效利用提供技术支撑，服务于区域的水资源管理和水资源的合理配置。

c.基于 ET 的流域尺度水平衡分析及工具开发。基于 ET 的流域尺度水平衡分析工具是海河 GEF水资源与水环境综合管理项目中遥感监测 ET 系统中5个应用工具之一。本项目是在海河流域 SWAT 模型的基础上，开发基于 ET 的流域尺度水平衡分析工具，在分析海河流域水文、气象、土地利用和土壤类型等信息的基础上，结合遥感监测 ET 的成果建立海河流域的分布式水文模型，分析现状条件下流域水平衡状况，并模拟不同节水措施下流域 ET 的降低情况。

d）基于 ET 的流域尺度地下水管理工具的开发。以遥感监测 ET 及 SWAT 模型输出结果为基础，开发流域尺度的地下水管理工具，展示计算年份海河流域的降雨、实际 ET、径流量、地下水净开采量、土壤水的储变量，地下水水位变化等的时空分布情况；利用流域尺度的地下水管理工具，分析流域内现状条件下的地下水净使用量及其空间分布，以及达到目标 ET 时对应的地下水允许开采量及其空间分布；开发情景分析功能模块，模拟节水措施对地下水净使用量的影响及作用。

2 展望

2.1 3S 集成应用

水利信息化进程中的 3S 技术在实际应用中不仅要通过数据接口将 RS，GIS，GPS 严格地、紧密地、系统地集合起来，使其成为更具有应用价值的大系统,往往还要跟其他的诸如 MIS 或 OA 等系统紧密结合，方可满足需求。另一方面，需要 3S 技术与业务模型紧密集成应用，发挥 3S 技术空间性、现势性、直观性等优势，更好的为水利业务提供更好的支持。因此，3S 技术与外部系统无缝集成是必然的发展趋势。

2.2 以数学模型和决策分析为支撑

充分利用 3S 技术特有的专业分析能力，基于专业的分析算法和模型，从不同尺度，对各种水利数据进行深层次的分析，使构建的系统具有辅助决策支持功能，为有关部门提供科学的计算结果和决策依据。

2.3 三维动态和虚拟现实技术

时间序列、动态监测及过程，是水利工作中经常接触的问题，三维尤其是实时的三维 3S 系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。应用 3S 技术实现调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、地面与地下结合的地质构造描述、水流流动的三维表现、厂房或结构内部的描述、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等方面正得到越来越多的关注。VR-GIS 技术是虚拟现实技术与 3S 技术的结合，用于研究地学或以地球系统为对象的虚拟现实技术。应用 VR-GIS 技术进行模拟试验时必须要了解对象的机制，并建立模型（数理或概念模型）或采用人工智能及可视化技术，此外还必须进行实验分析和验证。

总之，要在水利行业更好地应用和发展 3S 技术，必须在进一步加强标准化、规范化的基础上，大力开展基础数据库的建设、尤其是有水利行业特色的数据库，如蓄滞洪区空间展布式社会经济、雨情和水情、水旱灾情等等数据库。此外还要加快提高 3S 技术的应用水平，充分发挥 3S现有的和潜在的功能，并且与网络计算机等高新技术以及水利行业本身的技术紧密地结合在一起。为水利信息和现代化作出它应有的科技贡献。

[1] 王燕平，彭德永.探讨“3S”集成技术的应用与研究[J].中国科技纵横，2010（9）: 18.

[2] 田米粮，王雷.“3S”技术对现代人类社会的影响[J].测绘与空间地理信息，2009（4）: 23.