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(shù)的發(fā)展及其在各行業(yè)的普遍應(yīng)用，依托大型水利工程項目構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作，建設(shè)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(shè)的初步構(gòu)想、構(gòu)建方案、設(shè)計架構(gòu)、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(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設(shè)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(shè)，將其作為主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)的其中一個子系統(tǒng)，促進(jìn)工程又好又快建設(shè)，以期為實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)雙贏提供平臺支撐，并為其他生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：大型水利工程；水土保持；信息系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展及其在各行業(yè)的普遍應(yīng)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(shè)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(shè)計階段就采用智慧化、數(shù)字化設(shè)計，建設(shè)單位通過招標(biāo)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(shè)管理、智能施工、工程安全監(jiān)控、智能分析決策、快速應(yīng)急響應(yīng)、綜合事務(wù)管理等業(yè)務(wù)的應(yīng)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(shè)、生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督管理系統(tǒng)建設(shè)、生產(chǎn)建設(shè)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(shè)項目開發(fā)水土保持信息系統(tǒng)。與其他生產(chǎn)建設(shè)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(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，兩者的規(guī)劃設(shè)計及實施密切關(guān)聯(lián)，因此可依托水利項目主體工程構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作，進(jìn)行水利工程水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)，以期準(zhǔn)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(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，為有效控制生產(chǎn)建設(shè)項目造成的新增水土流失、實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)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(shè)提出初步構(gòu)想和構(gòu)建方案。

1水利工程水土保持信息系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)及依托

水土保持信息系統(tǒng)應(yīng)與主體工程的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺同步開發(fā)，作為應(yīng)用大系統(tǒng)的子系統(tǒng)。主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)平臺中常常創(chuàng)建有包含地形、地貌、工程結(jié)構(gòu)等構(gòu)件的設(shè)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(shè)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(yīng)用大系統(tǒng)平臺運用GIS技術(shù)為工程項目時空地理信息數(shù)據(jù)的管理、維護(hù)提供協(xié)同工作服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)工程空間地理信息的動態(tài)查詢。基于主體工程應(yīng)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(shè)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(guān)信息進(jìn)行全三維表達(dá)，實時掌握主體工程建設(shè)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(shè)項目水土保持監(jiān)測系統(tǒng)綜合采取衛(wèi)星遙感、無人機(jī)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(guān)信息，可充分運用互聯(lián)網(wǎng)＋、大數(shù)據(jù)等高新信息技術(shù)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(shè)計構(gòu)想

2．1系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用瀏覽器／服務(wù)器模式進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的建設(shè)管理等。系統(tǒng)架構(gòu)以工程項目各類空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(yù)測等功能，建立業(yè)務(wù)內(nèi)容與空間信息的邏輯對應(yīng)關(guān)系，各業(yè)務(wù)階段環(huán)環(huán)相扣。水土保持信息系統(tǒng)總體架構(gòu)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(quán)限使用該平臺。該系統(tǒng)對水利工程項目基礎(chǔ)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，由水土保持方案編制單位或水土保持設(shè)計單位負(fù)責(zé)水土保持方案及批復(fù)、水土保持設(shè)計等相關(guān)信息上傳，在項目建設(shè)的各階段，由管理者通過該系統(tǒng)對建設(shè)周期進(jìn)行全過程監(jiān)督管理。

2．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，智能感知層主要是結(jié)合水利工程項目水土保持監(jiān)測，并依托主體工程應(yīng)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(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。針對典型地段或必要時增加無人機(jī)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(jī)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(jī)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(hù)措施等信息。通過對工程建設(shè)重要部位，包括棄渣場、料場等區(qū)域設(shè)置可視化監(jiān)控設(shè)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(jìn)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(chǔ)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(guān)人員人工填報等。應(yīng)用支撐層的各組件為各項功能提供相應(yīng)服務(wù)，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(wù)。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(shè)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(shè)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(quán)限進(jìn)行動態(tài)監(jiān)管、信息上傳、查詢、統(tǒng)計等相關(guān)操作。

3建設(shè)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(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)各項基礎(chǔ)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(yīng)用大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫互通共享，應(yīng)用大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一建立了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，其對基礎(chǔ)地理、遙感影像、數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行安全高效管理，可為本系統(tǒng)提供地圖服務(wù)與地理數(shù)據(jù)服務(wù)；其次，利用應(yīng)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(shè)備設(shè)施等，針對工程布置、施工方式、工程進(jìn)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(guān)人員人工填報上傳的空間數(shù)據(jù)。（2）基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫。根據(jù)水土保持專業(yè)工作內(nèi)容，建設(shè)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫。主要包括水土保持相關(guān)法律法規(guī)、水土保持方案報告書及批復(fù)文件相關(guān)數(shù)據(jù)（包括矢量數(shù)據(jù)）、水土保持初步設(shè)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(biāo)、水土保持施工、水土保持設(shè)施驗收、合同管理及來往文件等?；A(chǔ)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(jié)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?yīng)用大系統(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(jī)近距離監(jiān)測，全程實時動態(tài)監(jiān)測工程建設(shè)擾動土地及植被占壓情況，水土保持措施實施情況，尤其關(guān)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(jìn)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(zé)任范圍疊加進(jìn)行拓?fù)浞治觯缘贸龊弦?guī)性判別結(jié)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(hù)措施情況是必要的。棄渣及棄渣場情況可通過低空無人機(jī)遙測實現(xiàn)。根據(jù)項目區(qū)范圍大小和成果精度要求設(shè)計飛行路線、飛行高度、拍攝角度及旁向重疊度，同時，布設(shè)滿足精度要求的地面控制點數(shù)量，設(shè)計好飛行路線，實施無人機(jī)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(biāo)，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(shè)置可視化監(jiān)控設(shè)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(hù)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(shè)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(wù)應(yīng)用模塊

根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)可提供多種應(yīng)用模塊，其中最重要的是動態(tài)實時對比分析模塊和預(yù)測預(yù)警模塊。（1）動態(tài)實時對比分析模塊。建設(shè)期間的土地擾動情況是水土保持管理的重要內(nèi)容?；诮ㄔO(shè)項目高分遙感影像，根據(jù)水利工程建設(shè)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(shè)后期，可將綠化植被恢復(fù)也作為圖斑自動化提取。擾動圖斑動態(tài)反映項目當(dāng)前真實的建設(shè)情況，結(jié)合項目水土保持方案批復(fù)的防治責(zé)任范圍，對兩者進(jìn)行空間疊加，判斷擾動圖斑與防治責(zé)任范圍的空間位置關(guān)系，進(jìn)行實時對比展示，并對合規(guī)性進(jìn)行判斷。水土保持有關(guān)法規(guī)要求，工程建設(shè)棄渣應(yīng)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(shè)計的堆渣量進(jìn)行對比分析，實現(xiàn)棄渣場合規(guī)性實時分析。（2）預(yù)測預(yù)警模塊。針對水土保持相關(guān)監(jiān)測信息資料和工程建設(shè)過程中的相關(guān)信息，進(jìn)行系統(tǒng)統(tǒng)計分析，對其規(guī)律性的信息進(jìn)行展示，對超出設(shè)計范圍的現(xiàn)象或者信息進(jìn)行實時預(yù)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(shè)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(jìn)行預(yù)警，并采用移動的方式實時推送至相關(guān)平臺用戶。

4結(jié)語

依托主體工程構(gòu)建的應(yīng)用大系統(tǒng)平臺和生產(chǎn)建設(shè)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(shè)，將其作為主體工程應(yīng)用大系統(tǒng)的其中一個子系統(tǒng)，是促進(jìn)工程又好又快建設(shè)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(shè)項目水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

作者:楊娟 薛建慧 單位:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司