智慧水利中地质与测绘技术信息化提升与应用

2021-09-24赵文超刘满杰王国岗

水利规划与设计 2021年10期

赵文超，刘满杰，王国岗

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

水利现代化具备“智能化、数字化、信息化、智慧化、现代化”等五大特征，从我国基本“水问题”出发，为可持续发展的提供保障。水利部分别于2018年、2019年正式印发了《关于加快推进智慧水利发展的指导意见》、《智慧水利总体方案》，两者对我国水利现代化建设奠定了总的基调，从国家层面正式推行智慧水利的发展[1]。

地质测绘工作内容繁杂，涉及到野外数据的采集、编录、储存、建模以及分析等全生命周期[2]。同时，传统测绘技术相对落后，测绘设备相对陈旧，在很大程度上限制了其信息化水平。随着智慧水利的推行，其对地质勘察的三维数字化水平要求更高。因此，涌现出一大批现代化测绘技术并得到应用，对测绘事业的发展起到促进作用，在很大程度上提高了地质测绘信息化水平[3]。

1 智慧水利

1.1 智慧水利的内涵

智慧水利是先进的管理理念和科学技术方法的有机结合物[4]，主要由水利综合感知、水利信息传输、水利大数据、水利智能应用、水利网络信息安全和保障运维等体系构成。它主要是基于云技术、大数据处理技术、互联网网络技术和人工智能等新一代现代化科学技术方法，旨在对水利对象和活动进行透彻感知、网络互联、广泛共享、智能分析和泛在服务，为水旱灾害防范与抵御、水资源开发与配置、水环境监管与保护、河湖生态监督与管理等水利业务提供现代化支撑的新型业态。智慧水利是信息、知识和能力的综合体，信息是基础，知识是核心，能力提升是目标[5]。

运用先进的科学技术手段，进行信息的采集、录入、储存，这是智慧水利的基础。基于水利专业知识，如降水径流、水循环、水动力模型等，利用大数据快速分析处理能力，并结合人工智能的手段，对信息进行整合、分析、评价，挖掘信息中高层次、隐晦难懂的知识，或者是建立某一个广泛适用的模型，去解决某一类具体的问题。最终，借助于获取到的知识，去不断改善、解决各种水问题，提高水利行业智慧化水平，最终实现可持续发展的终极目标。

1.2 智慧水利的总体要求

智慧水利在实施的过程中仍然存在许多问题，如缺少标准规范、信息获取渠道单一以及高信息技术人才的匮乏等，使得其仍然处在不断发展创新探索的过程中。智慧水利从我国水资源、水生态、水环境和水灾害等四大“水问题”出发，秉承习总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的十六字治水方针，坚持水利部提出的水利工程补短板、水利行业强监管的总基调，力图实现信息化作用从支撑保障到驱动引领、服务方式从被动响应到主动应对、工作模式从流程复制到流程优化、建管方式从分建专用向共建共享以及监管方式从传统人工到智能自动等五大方面转变。具体如图1所示。

图1 智慧水利总体要求

智慧水利的发展不能一蹴而就，是一个循序渐进的过程。到2021年，补齐水利网络信息突出短板，提升强监督支撑能力，基本实现信息化；到2025年，基本建成智慧水利，全面提升水利智能化水平，基本实现智能化；到2035年，建成智慧水利，全面支撑水治理体系和治理能力现代化，实现智慧化水平。

2 地质与测绘技术信息化的发展趋势

智慧水利的基础是地质。地质勘察作为水利工程的基础性工作，在技术发展上是比较落后的。主要问题集中在如下几点：①勘察手段技术落后，设备陈旧，信息化程度较低；②工程勘察数据多源异构，数据标准不统一；③海量勘察数据缺乏有效管理与深度挖掘分析；④工程勘察采集数据共享性差、管理应用困难；⑤工程勘察周期缩短、地质条件更复杂；⑥智慧水利对勘察成果三维数字化提出更高要求。

大量工程实践和研究表明，要想从根本上解决上述问题，最重要的就是要有整体化思路，实现水利水电工程勘察的全过程生产信息化，达到BIM、GIS、GIM的同步发展与融合[6- 8]。实现这一目标的核心技术包括：地理信息平台、工程地质数据库、倾斜摄影以及三维地质建模；其关键是以数据库为中心，综合多种信息化手段，实现地质数字信息的采集、存储、传输、解译与可视化，从而探索出适用于水利水电工程地质外业工作的三维数字化采集系统，最终实现智慧水利。

智慧水利的主要任务之一是“构建天空地一体化水利感知网”。在这一方面，测绘技术已经形成了“天-空-地-水”的立体感知体系，响应了智慧水利建设的需求：

“天”所指的是卫星遥感。国内外包括导航、通讯、气象、资源等系列卫星已达上千颗，为我们提供了便捷的数据获取手段。既有遥感数据以及影像处理技术，可以实现地形图、数字正射影像、数字高程模型以及专题信息产品的数据采集和多期数据的动态监测，为国家、省市、流域级提供数据服务，例如土地二调、国情普查等项目。

“空”是航空数据。与卫星采集技术相比，航空数据采集技术具有更高的空间分辨率，可实现对地物更精细化的感知，如采用三角翼、直升机、无人机等平台搭载大型航空相机、激光头、倾斜相机、高光谱相机等，在国内外多个水利项目中得到了很好的应用。

“地”包括地面移动平台搭载的激光、影像设备的数据采集等。

“水”指的是水下观测包括多波束、Silas等仪器设备的数据采集。

3 技术应用

3.1 地质技术应用

地质工作的传统就是内外业，其整体上可分为5个阶段[9- 10]：

(1)外业阶段。外业阶段的主要工作是根据地质测绘底图等综合信息进行勘察数据的采集。该阶段与测绘技术的融合程度是比较高的。其中，在水利水电地质勘察工程中的底图制作方面，已经从二维进步到了三维层面。在勘察数据采集方面，目前整个行业内开始呈现出向无纸化发展的趋势。通过在智能终端上搭载综合底图，实现勘察数据的数字化、智能化采集。

(2)数据库管理阶段。该阶段的主要目标是实现对测绘与勘察数据的高效管理，并使外业工作中采集到的测绘与勘察数据得以可视化展示。

(3)三维地质建模阶段。在该阶段中，地质工程师基于数据库信息建立钻孔、平硐等模型，然后建立覆盖层模型、构造模型、风化卸荷模型等，最终完成三维地质模型。此外，对于重点研究区域或工程对象，还需要进行专项建模，以反映其细节。

(4)模型分析阶段。在三维地质模型的基础上，地质工程师可实现高精度、多次层次的岩性分析、风化分析、构造分析、开挖分析。

(5)模型应用阶段。该阶段的成果用于直接指导施工，包括二三维出图、三维协同设计、数值分析等。如图2所示。

3.2 测绘技术应用

测绘技术作为基础数据获取手段，可运用于智慧水利各个业务领域，为其提供基础数据。下面主要介绍测绘技术在水利工程建设、水利监督、江河湖泊方面及智慧城市方面的应用。

3.2.1水利工程建设

测绘技术在水利工程建设方面的应用主要有3项，首先是快速提供4D产品。现代测绘采用“飞机+相机+雷达系统”的一体化作业模式，一次飞行即可快速制作4D产品，为水利工程建设提供更加快速更加准确的数据支撑。其次是水下测量，结合地面激光雷达技术和水下地形测深系统快速获取水工设施和周边三维信息，了解、掌握水利工程现状，以及河流水下地形变化，从而辅助解决水利工程修建带来的不利影响。最后是高精度雷达、倾斜摄影。目前的三维摄影图件精度均较高，能够满足绝大多数勘察期所需的各种比例尺图件要求。

3.2.2水利监督

四乱(乱采、乱建、乱堆、乱占)是目前河湖管理工作中的重点和难点，传统管理效率低、难度高、质量差。通过信息化手段能够极大提升管理效率。利用航测遥感数据，通过人工智能识别技术，可快速甄别四乱现象，为管理部门提供执法依据。

3.2.3江河湖泊

首先，利用测绘中的航测遥感技术获取机载雷达点云和河道断面，通过洪水分析，可确定河湖管理范围线、快速高效且精准地实现水域的划界。此外，测绘技术可辅助水环境调查。通过高光谱水质监测技术分析，对水体中总氮、总磷、悬浮物、化学需氧量等水质参数定量分析，并可视化表达。与传统点状分析相比，这种技术手段的数据空间连续、分布趋势直观。

3.2.4智慧城市

利用倾斜摄影技术，可实现城市区域的高精度快速三维建模。基于高精度三维模型建立的管理系统，可为城市的规划设计提供技术支撑。

图2 三维地质图

3.3 信息化系统应用

为提升智慧水利中地质与测绘技术的信息化水平、将信息化真正落到实处，我们提出了4类信息化应用系统，包括三维查勘系统、智慧建管系统、专题系统、城市辅助规划系统。

(1)三维查勘系统。该系统可用于工程线路的布局，地质测绘布置和移民安置规划等工作，可有效地推进项目前期工作的进度。同时，通过在系统中加载高精度三维倾斜摄影模型和多源综合底图，可实现内外业全过程的数字一体化。

(2)智慧建管系统。利用信息化手段可对水利工程进行全生命周期的建设和运维管理。

(3)专题系统。根据不同项目，设计相应的专题系统，可针对性地提高项目管理的水平。常用的专题系统包括河道管理系统、地质灾害系统、水库管理系统、河长制管理系统等，如沂沭泗河道管理信息系统、官厅水库综合管理信息系统、于桥水库综合管理信息系统、天津市河长制管理系统、三维辅助设计系统、蓟县地质灾害系统、云南保山河长制管理系统、海河流域排污口管理系统。

(4)城市辅助规划系统。使用数字化技术辅助城市空间信息表达和管理，是城市化发展的必然趋势。基于测绘技术、GIS技术和数据库技术，建立城市辅助规划系统，可实现历史、现状、规划、建设方案等统一展现，有效地提升城市规划管控的精细化水平。

(5)拓展应用。除上述应用以外，地质与测绘信息化建设成果可以适用于工程建设的各个阶段，在施工期、运维期也有应用价值。结合不同的系统平台和应用场景，可以拓展原有的业务方向。