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地理空间信息的获取和处理 3S技术在水利工作中的应用

[ 来源:互联网 | 时间:2009年04月01日 | 收藏本文 ] 【

“3S”技术在一些发达国家得到了广泛应用,在我国的基础测绘、土地利用、城市规划、国防建设等方面的应用越来越广泛和深入。在由传统水利向现代化水利转变过程中,“3S”技术将以其独具特色的空间信息采集、处理、分析和服务功能耍 挥出不可替代的重要作用,对于推进水利信息化建设、加快实现水利现代化,具有重大的现实意义和深远的历史意义。

“3S”技术是遥感(RS:Remote Sensing)、地理信息系统(GIS:Geographical Information System)、全球定位系统(GPS:Global Position System)的统称,是以地理空间信息的获取和处理为主要特征的空间信息科学与数字工程技术。

  遥感是采用卫星、雷达等观测技术对地球表面进行连续观测并经过一系列分析处理获得地表特征信息的一种新技术。随着卫星遥感、航空摄影测量技术等的发展,特别是小卫星群、高分辨率遥感图像的商业化,卫片、航片和大量实际勘测数据已成为重要的空间信息来源。

  地理信息系统作为一种特殊的以空间数据为基础的信息管理系统,将水利专题属性数据与空间位置直观而紧密地联系起来,进行空间数据与属性数据的综合分析,为水利信息可观化表达和高效处理分析提供强有力的技术手段。

  全球定位系统可以进行地表空间任一位置的准确定位,在水下地形测量、防汛抢险实时指挥和水利工程建设与管理等方面有广泛的应用潜力。

  在实际应用中,这三门技术是相辅相成、互相交叉和渗透的。遥感可为GIS提供数据源与数据更新途径,GIS为遥感提供遥感信息分析和利用的精确服务,GPS则为遥感和GIS快速、廉价地提供最基本的地表特征定位数据。

  据统计,人类社会信息资源中约有80%与空间位置有关,水利部门的大多数信息也与空间位置紧密联系。“3S”技术使得人们在获取大视野或难以到达的地区(困难地区、危险地区等)的空间信息方面掌握了主动权。

  一、及时有效的防洪减灾

  “3S”技术可用于灾前预测、灾中监测和灾后评估。利用“3S”技术建立GIS灾情数据库,根据历史灾害数据(如水位等)和灾情背景数据建立灾情预测、监测和评估数学模型。在GIS的各种专题数据库和灾情预测、监测和评估数学模型等的支持下,结合在DEM、水情、雨情和其他信息,能实现汛前预测、实情实时监测和灾情评估。1998年长江发生特大洪水时,“3S”技术在灾情监测与评估方面就发挥了重要作用,为抗洪抢险的正确决策提供了宝贵的信息。

  “3S”技术在抗洪救灾过程中也具有重要的作用。利用GIS强有力的空间分析功能,可以建立流域地面数字模型,结合预测和实测的水雨情信息以及地表渗透情况,通过产汇流模型的运算,模拟不同级别洪水可能的演进过程,直观显示不同滩区可能的淹没范围,进行全面的抗洪救灾规划,确定不同级别洪水条件下的人员撤退顺序及撤退路线,为地方政府的迁安救护提供科学、具体的意见,为防洪决策提供快速调度预案。同时结合遥感实时监测的灾情情况和GPS定位信息,能提高防洪调度指挥的效率和准确性。

  利用“3S”技术还可进行全面的防洪减灾规划。基于GIS水利工程数据库信息和历史洪水及灾情信息,可进行历史洪水反演,确定出在现有水利防洪标准下预防不同强度的洪水的能力,查明防洪的关键和当前需要加强的防洪减灾规划,指导防洪工程建设。

  二、水土流失调查预测和水土保持规划

  运用“3S”技术可以监测水蚀、风蚀等多种类型的土壤侵蚀区的侵蚀面积、数量和强度发展的动态变化。例如,利用遥感技术获取的植被和土地利用信息,并合GIS的地形信息结合,可快速得出土壤侵蚀等级,用GPS现场定位调查和校正,可以对水土保持状况进行快速准确的调查和动态监控。而通过历年的遥感影像数据和GIS中水土流失历史数据综合分析可以预测各区域的水土流失情况。

  在水土保持规划方面,根据水土流失数据库分析水土保持的关键因素,考虑地球整体环境和人类活动影响等自然、社会因素的变化情况,在遥感和GIS技术支持下,能做出针对性强的分区域水土保持规划,利于分区域的有效防治。三、水资源实时动态监测和科学管理

  水资源实时动态监测在水利信息化中非常重要,因为只有掌握瞬时变化的供水和需水等有关信息,才能科学、准确地进行水资源的配置及调度;只有掌握瞬时变化的水质信息,才能对环境质量进行动态评价和有效监督,才有可能应对水污染突发事件。而监测的内容既包括水量和水质等水资源信息,也包括水资源配置有关的用水信息。“3S”技术在水资源信息的实时动态监测中将扮演极为重要的角色。

  运用GIS对水质信息进行管理,可以合理地选择出那些能代表具体流域(或地区)地表(下)水水质总体状况的站点,以便进行水质水量连续自动实时的监测、水量调度和水污染控制。不同的水污染类型(主要包括水体富营养化、泥沙污染、石油污染和废水污染及热污染和固体漂浮物污染等)的反射率等存在差异,这些差异将在遥感影像中呈现出不同的特征,结合GIS的空间数据和GPS的定位数据进行遥感影像分析处理,可以快速地获取水污染的类型、地点及其污染范围。

  在GIS支持下,利用遥感技术进行地表水和地下水资源量的估算,并结合估算的灌溉水资源的分布及供求量情况,通过水流演进和调度系统模型,直观演示水流演进过程,模拟不同的水量调度方案,为水利水资源开发利用和调度管理提供科学决策依据。

  四、水利工程的勘察规划及维护管理

  “3S”技术在水利工程的勘察设计中得到了充分运用。如南水北调的选线,在DEM的基础上,进行地质情况分析,并结合GIS中的有关地质环境数据库实现合理的选线分析。

  在水利工程规划设计中也广泛运用“3S”技术。如在水库的规划设计中,利用GIS建立的库区DEM,可以直观、快速、准确地计算出各种库容和淹没面积及开挖土石方量;结合其他GIS专题数据可以进行大型水库淹没区实物量、灌溉区有效灌溉面积和水库淤积量的估算;可快速地提供坝轴线处的河谷断面图,对多种坝型方案进行比较分析,使设计达到经济、安全的目的;还能用GIS的空间分析来确定移民搬迁的地址、土地承载能力和环境容量等。

  “3S”技术在水利工程的维护管理中也能发挥重要作用。结合GIS数据库管理,利用GPS技术进行大坝、堤防等水利工程的变形监测,有助于水利工程的维护管理,并建立与DEM紧密结合的水利工程管理系统,有助于防洪管理和决策以及对防洪工程效益的评估。

  五、农田水利现代化
利用遥感技术监控农田土壤墒情、作物类型与产量,进行盐碱地调查等,制定作物的灌溉、排水标准,有利于指导水资源调度和农业生产,结合GIS建立先进的农田水利管理系统,对节水灌溉和农业现代化将起到推动作用。

  根据农田水利GIS中的灌区土壤类型及墒情、作物范围及类型等信息,结合流域水资源信息和DEM,可以有效地指导农田水利工程建设。如渠道开挖、管道铺设与河道整治等,以满足农业生产的基本需要。

  目前,“精准农业”概念的提出和研究,就是利用“3S”技术为农业现代化(包括农田水利现代化)服务的有益尝试和实践。

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