浅析遥感技术在水利工程建设中的应用

梁 亮

(南昌市水利规划设计院，南昌 330000)

0 引 言

我国大江大河与湖泊分布众多，是水利工程建设大国，水利建设对维护国计民生安全、生态环境健康演替具有重要意义[1]。工程区基础测绘是水工建设的先行工作，以全站仪、RTK为代表的测点测量方法能够获取局地精确地形环境信息，然而其外业工作强度大、周期性长、面域精度低的劣势明显，不利于工程建设的细致设计。随着科学技术迅速发展，呈现出多光谱、高光谱、雷达、激光扫描、InSar等多类型、多平台遥感技术，它们在水工建设中取得良好应用，并发挥出一定优势[2-3]。

1 遥感技术在水利工程中的应用

1.1 遥感技术流程

遥感(Remote Sensing)远距离或非接触目标物体情况下，通过传感器接收地物的辐射、反射波普信息，并按照一定技术方法进行提取、处理、判别分析后识别或反演地物信息的一门科学技术[4-5]。自从20世纪中以期航空摄影技术为基础的遥感技术起步以来，遥感向着多平台、宽波段、高光谱、高精度高时效的方向发展，在地理资源调查、环境监测、地表生态过程、水资源、地质地貌、均取得良好应用。遥感技术在应用过程中主要分为以下步骤：

1)信息接收。自然界中物体发射或反射的电磁波信息是遥感的信息源，传感器中的感光设备能够捕捉这种电磁波信息，并将其记录下来。

2)信息转换与传输。辐射信息通过光电转换成为电信号或图像信息，通过地基接收站将电信号传送到地面，以便室内分析。

3)信息处理。原始遥感信息包含很多噪声或异常信息，需要通过信号或图像处理手段优化处理，包含大气校正、辐射变换、空间滤波、图像增强等。

4)信息解译。先根据实地踏勘与影像比对获取信息解译的先验知识，再根据影像几何、纹理等特征通过目视解译结合计算机判别的方法识别目标地物。

1.2 遥感技术在水利工程中应用

1)工程区基础背景测绘：

工程区环境背景精细测绘是水利工程建设的先导，主要摸清工程地的水文特征、地质状况、地表环境、地形地貌特点，从而为施工可行性、施工难度、工程损耗等的估算提供必需资料。当前主要运用数字摄影测量、三维激光扫描、雷达技术结合GIS、GPS系统实现对面域的非接触、自动化、高密度测量，从而构建工程区三维环境模型。特别是激光雷达技术在地形测量中的应用，避免了野外实地RTK精确测量所需人力时间消耗和测点密度稀疏造成的估算误差。该技术特别适宜在偏僻、可达性低的工程区，可以解决传统测量带来的工作危险，并一定程度上减小技术人员工作强度、提高工作效率。该类遥感技术提供的测量成果能够以二维、三维呈现，还具有动态可视化功能，成为当前工程建设中基础测量的主要力量。

2)变形监测：

工程体变形是工程设施安全运营的重大隐患，也是工程管理的重要内容之一。现代工程变形检测中应用的精密遥感结合GPS技术已经替代经纬仪、全站仪等传统测点手段。其排除天气和可达性影响，且各目标测点无需保持通视，经高密度像元遥感观测便能提取工程设施空间信息，通过多时相比对之后能够准确估算工程体变形、损耗、位移等信息。这些新技术的应用将多层次监测的变形数据网络化、智能化，便于动态模拟变形过程与解析变形原因，从而为工程维护提供数据支持。

3)水利规划与水环境治理：

水文水资源具有时空变化特征，准确掌握其时空变化特征是水利规划的先导。而二维静态水文图形数据不便于精确计算覆水面积、水环境过程与灾害模拟、环境影响评价；特别是陈旧的图件或资料对识别水文国境、库容估计、汇流过程等均有不利影响。水利部门可以借助遥感技术提取水文的年、季、月、旬等多时相空间分布变化信息，探测河道、湖泊的深度预河床等特征，结合三维环境重建与虚拟现实游戏技术，帮助实现水利工程动态规划。

水环境治理不仅能保护区域居民生产生活安全，还对水工设施的维护具有重要意义。遥感技术能够全方位观测河道、湖泊、岸滩的立体环境，识别水体质量、泥沙、渗漏、地壳活动、生物活动的分布与变化信息，经技术加工后客观而清晰反映区域水文环境现状，从而更好地帮助水利部门实施相关治理工作。

2 基于DEM的刘家峡库区地形模拟

数字高程模型(digital elevation model，DEM)为美国地质调查局(USGS)应用卫星激光雷达技术获取的数字化地形模型，其通过激光回波时间差值反演出地面高程，该技术避免了传统大范围地形测量耗时、费力，实现了全球范围内地形数字化模拟。图1为刘家峡库区数字高程影像，显示库区海拔介于1539-4360m之间，与实际测量的高程1438.63-4359.72m十分接近，说明激光雷达遥感技术在对地探测方面精确度较高。该图直观显示了库区地形分布特征，可帮助施工者准确、迅速获取库区水文流向、汇集、淹没区域等信息，为库区建设提供基础数据。同时，DEM数据的空间分辨率为30m，在大工程建设施工中为施工量的计算和库容量精确模拟提供了可靠基础。激光探测遥感能够瞬时获取广域地表高程信息，相比于传统定点测量手段更具有时效性、空间性的优势，另外卫星遥感平台的周期性运转可实现长时间序列、多时相对地观测，从而获取地表变化信息。

图1 刘家峡库区数字高程影像

2.1 基于探地雷达的刘家峡库区水文地质识别

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是一种单波段遥感技术，其主要采用无线电波(频率介于106-109Hz)发生高频脉冲探测地下物质，并根据不同地物电性差异生成的波形、振幅特征推断地下介质的空间位置、结构、形态。探地雷达发射的脉冲对地下岩石结构、矿物组成、地下水发育极为敏感，成为在水利工程建设必备的技术手段。在坝体渗漏探测中，高频脉冲在接触渗透水流后产生反射频率低、振幅大的特征影像，据此可识别坝体漏水位置、漏水量，以便及时进行工程补救。图2为探地雷达获取的刘家峡库区水文地质特征影像，影像中具有细腻、层理较为规则的影像区为沉积岩层地带，易于受到覆水侵蚀；具有凹凸、剪接纹理的影像区为花岗岩带，岩体坚固，可因地制宜用于拦水、基建等。白色区域为库区水域，统计得到其面积达127.38km2；基于水面高程与探测的库体形态结构，计算得到其容积可达54.62亿m3，这与官方给出的库区面积130 km2、库容57.3亿m3的数值十分接近但偏小，主要由于影像据为近期所得，近40年来库体不断淤积导致其水面与容量有所减小[6]。

图2 刘家峡库区水文地质影像

2.2 基于多光谱遥感的刘家峡库区环境监测

多光谱分辨率遥感是当前遥感应用的主要类型之一，其根据电磁波波动差异划分多个通道，进而对地物进行探测，并将地物在不同通道的反射波谱信息记录下来。相较摄影遥感而言，多光谱遥感可获取地物更丰富信息如辐射特征、几何纹理等。例如美国NASA实施的对地观测计划中的Landsat和MODIS系列卫星遥感、法国的SPOT和中国与巴西联合研制CBERS系列，均采用多光谱遥感探测手段。在水利建设中，多光谱遥感主要获取工程区地表覆被特征，如图3所示。图3为Landsat-8 OLI影像数据 (LC81310352018106LGN00),成像时间为2018/04/16，中心经纬度为103.0354 E、36.0432 N，云量为0，其可见光(band1-7)和红外(b9-11)的空间分辨率为30 m，全色波段(band8)为15 m，通过光谱融合处理可得到光谱信息丰富、图像质量清晰数据(图3)。图中直观显示了库区周边环境特征，水体、河道、河漫滩、植被、城镇、耕地等多种地类清晰可辨；据此可在ENVI 5.3软件中运用面向对象的方法精确提取地类分布与量化信息，从而为库区水土保持治理、土方计算、防洪规划等提供服务。

图3 刘家峡库区Landsat-8 OLI真彩色影像

3 结 论

遥感技术逐渐向着高精度、高光谱、多平台和时态化的方向发展，与此同时水利工程建设中的遥感技术应用也与时俱进，不仅取代了获取地形、地质、水文信息的传统人工测量手段，还结合GPS、人工智能模拟技术实现工程区三维环境时空重建，为水利工程建设提供优质、高效、精准的数据服务。当前遥感技术的运用主要侧重于时空精细数据获取的方面，其在水利工程维护与管理中的优势尚未体现，因此还需要明确水工建设中具体的需求侧，拓展其应用路径，从而更好地实现水利信息化。