大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)探索

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摘要：隨著信息技術的發(fā)展及其在各行業(yè)的普遍應用，依托大型水利工程項目構建的應用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作，建設大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)勢在必行。提出了大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設的初步構想、構建方案、設計架構、主要模塊、系統(tǒng)開發(fā)思路、主要功能及實現(xiàn)方法等?？梢劳兄黧w工程構建的應用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作，在大型水利工程項目率先嘗試水土保持信息系統(tǒng)建設，將其作為主體工程應用大系統(tǒng)的其中一個子系統(tǒng)，促進工程又好又快建設，以期為實現(xiàn)生產(chǎn)建設與生態(tài)環(huán)境建設雙贏提供平臺支撐，并為其他生產(chǎn)建設項目水土保持信息系統(tǒng)建設提供參考。

關鍵詞：大型水利工程；水土保持；信息系統(tǒng)

隨著信息技術的發(fā)展及其在各行業(yè)的普遍應用，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、設計、實施及管理中。近年來，大型水利水電工程項目在規(guī)劃設計階段就采用智慧化、數(shù)字化設計，建設單位通過招標方式選擇第三方，圍繞工程的功能定位，開發(fā)覆蓋工程建設管理、智能施工、工程安全監(jiān)控、智能分析決策、快速應急響應、綜合事務管理等業(yè)務的應用大系統(tǒng)已有先例。水土保持工作作為水利部門的一項重要工作，近年來水土保持管理部門開展了水土保持信息系統(tǒng)建設、生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)督管理系統(tǒng)建設、生產(chǎn)建設項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，鮮有針對具體的生產(chǎn)建設項目開發(fā)水土保持信息系統(tǒng)。與其他生產(chǎn)建設項目相比，水庫、水電站、長距離引調(diào)水等水利工程具有擾動面積大、土石方量大、棄渣場及料場多、水土保持工作難度大的特點，水利工程項目的主體工程及其水土保持工程均依據(jù)水利行業(yè)相關規(guī)范標準進行規(guī)劃設計，兩者的規(guī)劃設計及實施密切關聯(lián)，因此可依托水利項目主體工程構建的應用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作，進行水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設，以期準確、高效地對項目區(qū)水土流失變化情況及危害、水土保持方案編制及實施效果等進行動態(tài)監(jiān)控，為有效控制生產(chǎn)建設項目造成的新增水土流失、實現(xiàn)生產(chǎn)建設與生態(tài)環(huán)境建設雙贏提供平臺支撐。本文對大型水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設提出初步構想和構建方案。

1水利工程水土保持信息系統(tǒng)構建基礎及依托

水土保持信息系統(tǒng)應與主體工程的應用大系統(tǒng)平臺同步開發(fā)，作為應用大系統(tǒng)的子系統(tǒng)。主體工程應用大系統(tǒng)平臺中常常創(chuàng)建有包含地形、地貌、工程結構等構件的設計信息的BIM模型，其從實體工程屬性到運行狀態(tài)均與工程建設同步，即實體工程和數(shù)字化工程為兩座“孿生”工程；此外，主體工程應用大系統(tǒng)平臺運用GIS技術為工程項目時空地理信息數(shù)據(jù)的管理、維護提供協(xié)同工作服務系統(tǒng)，實現(xiàn)工程空間地理信息的動態(tài)查詢?；谥黧w工程應用大系統(tǒng)平臺的BIM＋GIS，水土保持信息系統(tǒng)和生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測均可將大系統(tǒng)中的信息資源作為數(shù)據(jù)來源和支持?？沙浞掷么笙到y(tǒng)平臺的BIM＋GIS，通過視圖定制、剖切和測量等工具對水土保持的有關信息進行全三維表達，實時掌握主體工程建設過程中料場開采情況、棄渣場堆棄渣狀況、水土保持措施實施情況等。生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測系統(tǒng)綜合采取衛(wèi)星遙感、無人機遙感、視頻監(jiān)控、地面觀測、實地調(diào)查量測等多種方式采集有關信息，可充分運用互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)等高新信息技術手段，將各類水土保持監(jiān)測信息納入本系統(tǒng)，為工程實時監(jiān)控提供原始數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)設計構想

2．1系統(tǒng)總體架構

采用瀏覽器／服務器模式進行開發(fā)，實現(xiàn)水土保持數(shù)據(jù)庫的建設管理等。系統(tǒng)架構以工程項目各類空間數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)為基礎，圍繞水土保持管理，充分考慮數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、動態(tài)實時對比分析、統(tǒng)計與預測等功能，建立業(yè)務內(nèi)容與空間信息的邏輯對應關系，各業(yè)務階段環(huán)環(huán)相扣。水土保持信息系統(tǒng)總體架構見圖1。水土保持信息系統(tǒng)平臺的用戶涉及多個部門，各用戶按照權限使用該平臺。該系統(tǒng)對水利工程項目基礎信息進行統(tǒng)一管理，由水土保持方案編制單位或水土保持設計單位負責水土保持方案及批復、水土保持設計等相關信息上傳，在項目建設的各階段，由管理者通過該系統(tǒng)對建設周期進行全過程監(jiān)督管理。

2．2系統(tǒng)結構設計

如圖1所示，智能感知層主要是結合水利工程項目水土保持監(jiān)測，并依托主體工程應用大系統(tǒng)平臺，充分利用高分遙感影像，對工程項目區(qū)的土地擾動情況進行動態(tài)監(jiān)測。針對典型地段或必要時增加無人機近距離監(jiān)測，保證實時掌握土地擾動和植被壓占情況。通過無人機低空遙測實現(xiàn)對棄土棄渣量、取土取料量、局部地段的水土保持措施等情況的信息采集。通過無人機航攝，并利用遙測影像處理軟件獲得處理成果，獲取渣場特性及防護措施等信息。通過對工程建設重要部位，包括棄渣場、料場等區(qū)域設置可視化監(jiān)控設備，實時調(diào)看不同位置的監(jiān)控信息，或通過移動端現(xiàn)場采集影像資料等，及時掌握工程情況，查看是否有水土流失危害事件并進行記錄。數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的支撐平臺。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲層主要由空間數(shù)據(jù)和基礎信息兩大類數(shù)據(jù)組成，各項數(shù)據(jù)來源于項目大系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)庫、BIM＋GIS平臺、項目感知層信息輸入、水土保持監(jiān)理／監(jiān)測／施工／驗收等各相關人員人工填報等。應用支撐層的各組件為各項功能提供相應服務，本系統(tǒng)組件庫包括分析判別、分類提取、數(shù)據(jù)訪問、底圖等組件，各組件具有明確的接口，用戶通過系統(tǒng)操作調(diào)用接口獲取服務。通過多組件組合可得到所需的組件庫。在用戶層，生產(chǎn)建設單位、水土保持監(jiān)理、水土保持監(jiān)測、水土保持施工、水土保持設施驗收評估單位等均為用戶，各用戶通過各自的賬號從本系統(tǒng)統(tǒng)一界面登錄，按照各自權限進行動態(tài)監(jiān)管、信息上傳、查詢、統(tǒng)計等相關操作。

3建設模塊及內(nèi)容

3．1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和基礎信息數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)各項基礎操作提供數(shù)據(jù)支持。（1）空間數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫核心。首先，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與主體工程應用大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫互通共享，應用大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一建立了基礎地理數(shù)據(jù)庫，其對基礎地理、遙感影像、數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)進行安全高效管理，可為本系統(tǒng)提供地圖服務與地理數(shù)據(jù)服務；其次，利用應用大系統(tǒng)BIM＋GIS平臺的二維、三維數(shù)據(jù)實現(xiàn)立體可視化，可以更好地分析了解工程主體、重點設備設施等，針對工程布置、施工方式、工程進度、施工擾動的特點等更有效地開展水土保持工作；最后，空間數(shù)據(jù)庫還包括水土保持自動化監(jiān)測接入、移動端輸入、水土保持監(jiān)理／監(jiān)測／施工等各相關人員人工填報上傳的空間數(shù)據(jù)。（2）基礎信息數(shù)據(jù)庫。根據(jù)水土保持專業(yè)工作內(nèi)容，建設基礎信息數(shù)據(jù)庫。主要包括水土保持相關法律法規(guī)、水土保持方案報告書及批復文件相關數(shù)據(jù)（包括矢量數(shù)據(jù)）、水土保持初步設計、施工圖、水土保持監(jiān)理、水土保持監(jiān)測、水土保持招投標、水土保持施工、水土保持設施驗收、合同管理及來往文件等?；A信息數(shù)據(jù)庫兼容現(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目水土保持監(jiān)測工作結合，實時監(jiān)控項目施工全過程各階段擾動土地情況、棄土棄渣情況、水土流失防治成效及水土流失危害等，其中棄渣場監(jiān)測是重點。（1）擾動土地及水土流失防治成效感知?；趹么笙到y(tǒng)的BIM＋GIS平臺，充分利用高分遙感影像，針對典型地段或必要時增加無人機近距離監(jiān)測，全程實時動態(tài)監(jiān)測工程建設擾動土地及植被占壓情況，水土保持措施實施情況，尤其關注大范圍高強度施工區(qū)域?？蛇x擇國產(chǎn)高分1號或國產(chǎn)高分2號遙感影像，其覆蓋周期和分辨率可滿足擾動土地情況及水土流失防治成效監(jiān)測的頻次和精度要求。通過對土地擾動及水土保持措施進行實地調(diào)查和資料收集等，建立先驗知識和樣本數(shù)據(jù)集，可建立項目提取規(guī)則集，實現(xiàn)擾動土地及水土保持措施識別的程序化、自動化；將土地擾動范圍與工程項目水土流失防治責任范圍疊加進行拓撲分析，以得出合規(guī)性判別結論。（2）棄渣場情況感知。棄渣場作為水土保持工程中的重要單元工程，動態(tài)監(jiān)測棄渣情況和棄渣場防護措施情況是必要的。棄渣及棄渣場情況可通過低空無人機遙測實現(xiàn)。根據(jù)項目區(qū)范圍大小和成果精度要求設計飛行路線、飛行高度、拍攝角度及旁向重疊度，同時，布設滿足精度要求的地面控制點數(shù)量，設計好飛行路線，實施無人機飛行和拍攝，獲取原始遙感影像數(shù)據(jù)，利用遙測影像處理軟件獲得處理成果，以獲取棄渣場最大堆渣高度、堆棄面積、堆渣量、擋渣墻長度、截排水溝長度及植物措施面積等監(jiān)測指標，獲取棄渣場的堆棄渣量、水土流失狀況、水土保持措施實施情況等信息。此外，對3級以上的棄渣場設置可視化監(jiān)控設施，通過實時調(diào)看不同位置的監(jiān)控信息，及時掌握棄渣情況、防護措施實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，重點監(jiān)測水土流失對主體工程、周邊重要設施等造成的影響及危害等。在監(jiān)測擾動土地、棄土棄渣、水土流失狀況、水土流失防治成效等內(nèi)容時，一并開展水土流失危害監(jiān)測。

3．3業(yè)務應用模塊

根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)可提供多種應用模塊，其中最重要的是動態(tài)實時對比分析模塊和預測預警模塊。（1）動態(tài)實時對比分析模塊。建設期間的土地擾動情況是水土保持管理的重要內(nèi)容?；诮ㄔO項目高分遙感影像，根據(jù)水利工程建設對地面的擾動特點，可將建筑物、裸地、硬化地面等作為項目擾動圖斑自動化提取，工程建設后期，可將綠化植被恢復也作為圖斑自動化提取。擾動圖斑動態(tài)反映項目當前真實的建設情況，結合項目水土保持方案批復的防治責任范圍，對兩者進行空間疊加，判斷擾動圖斑與防治責任范圍的空間位置關系，進行實時對比展示，并對合規(guī)性進行判斷。水土保持有關法規(guī)要求，工程建設棄渣應堆放在水土保持方案確定的棄渣場。棄渣場位置變化或棄渣量增加可能涉及工程項目重大變更，需重新編報水土保持方案，否則為違法違規(guī)行為。通過棄渣場區(qū)域土地擾動情況的合規(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計的堆渣量進行對比分析，實現(xiàn)棄渣場合規(guī)性實時分析。（2）預測預警模塊。針對水土保持相關監(jiān)測信息資料和工程建設過程中的相關信息，進行系統(tǒng)統(tǒng)計分析，對其規(guī)律性的信息進行展示，對超出設計范圍的現(xiàn)象或者信息進行實時預警。對涉及重大變更未重新編報水土保持方案、未開展水土保持監(jiān)測、水土保持措施不落實、未依法依規(guī)足額繳納水土保持補償費、未驗先投等水土保持違法違規(guī)行為，水土流失對主體工程及周邊重要設施等造成影響，水土保持監(jiān)測三色評價為“黃紅”狀態(tài)等情況進行預警，并采用移動的方式實時推送至相關平臺用戶。

4結語

依托主體工程構建的應用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)測工作，在大型水利工程項目率先嘗試水土保持信息系統(tǒng)建設，將其作為主體工程應用大系統(tǒng)的其中一個子系統(tǒng)，是促進工程又好又快建設及實現(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)建設項目水土保持信息系統(tǒng)建設提供參考。

作者:楊娟 薛建慧 單位:黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司