[必看]：GIS在水利水电工程建设中的应用与展望

jeffliang

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caogis

写得好，应该多加几分，GIS在水利方面的应用前景应该是很大的，特别是防汛方面，但实际上，与市政相比，GIS在水利方面使用却是最少的。可能与基础数据的采集有关吧？但在河道治理后，在这方面应有所加强！！

zsqgreen

GIS的应用范围可以用的方面何止水利，工程类的方面如果都采用GIS的话，不知要提高多少效率！

caogis

三维GIS在水利工程

三维GIS在水利工程前期选址中的应用


摘要：本文讨论了三维GIS技术在水利工程前期选址中应用。探讨了三维GIS的数据结构模型等基本概念，分析了三维GIS在水利工程前期选址中对空间数据的需求。讨论了在水利工程前期选址应用中三维GIS可以完成的的分析功能，包括三维图形图象显示、贯穿飞行、信息查询、淹没分析、土石方量分析（包括开挖土方量计算和回填土方量计算）、水利工程（如输水线路、枢纽）的布置；根据选定线路剖面分析等。
关键词：三维GIS，水利工程，前期选址，调水工程

ABSTRACT: This paper discusses how 3D GIS technology is applied to the site selection of water conservancy works. The data models of 3D GIS are discussed. The spatial data in the site selection of water conservancy works are analyzed. The analyzing functions of 3D GIS in the application of site selection of water conservancy works are discussed. The main contents are involved as following. Topography, remote sensing and thematic data are displayed and flying in 3D environment. Inundated area and depth are analyzed and cubic meters of groundwork is estimated. Water conservancy works can be put using the symbols of line or point. The information of transect is analyzed according the selected lines.
KEYWORDS: 3D GIS, Water Conservancy Works, Site Selection, Water Transfer Works


1．        引言

地理信息系统作为采集、存储、处理和分析空间数据的强大工具[1]，已经应用到各种研究领域当中，如资源管理、环境评价、区域规划、公共设施管理等,同时也被应用到各类工程设施的选址中。在水利工程选址中，特别是大型水利工程（如跨流域调水工程）选址，往往涉及范围广泛，专题内容复杂。应用传统的方法，在前期选址往往需要大量的野外实地踏勘工作，耗费巨大的人力、物力和财力。随着空间技术（如遥感技术、地理信息系统、全球定位系统）的飞速发展，各类空间基础数据获取的渠道不断增多，时效性也不断加强，在水利工程前期选址工程中充分利用这些信息，可以节约人力、物力和财力，加快工作效率，提高决策的科学水平。



2．        三维GIS的基本概念

空间数据从本质上说是三维连续分布的,如地质、气象、水文、地下水、灾害、环境等方面的研究对象大多是三维的，但是精确地描述和分析三维信息具有相当大的难度，往往将其投影到平面上，并进行分层分要素处理，从而达到在二维平面系统中来描述它们。三维GIS试图改进传统二维GIS对空间数据的表达和分析方法，加强处理三维问题的能力。
在三维GIS的数据结构模型大致可以分为两类，即基于表面表示的数据结构和基于体表示的数据结构[2]。

    (1) 基于表面表示的数据结构
侧重于三维空间表面的表示，如地形表面等。包括格网结构（Grid）、不规则三角网（TIN）、边界表示和参数函数等。实际应用中以格网结构和不规则三角网方式较多。

    (2) 基于体表示的数据结构
      (a)八叉树结构（Octree）
在八叉树的结构中，根结点表示一个包含整个目标的立方体。
  (b)四面体格网结构(TEN,Tetrahedral Network)
将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质是二维TIN结构的三维扩展。
  (c)不规则五面体结构(PEN)
将所有原始数据点求并集后联结TIN，然后在TIN的基础上对每一空间研究对象进行插值处理，最终形成不规则五面体。
    表面表示法便于显示和数据更新，但从本质上讲是二维的，只能获取地表的信息，对于地表内部任意一点不能有效地表示。由于视觉的效果，通常把它认为是三维模型。体表示法（即所谓的真三维）便于空间操作和分析，但是存储空间占用较大，软件设计复杂，真三维数据的获取难度和工作量也相当大。


3．        三维GIS在水利工程前期选址应用中对空间数据的需求分析

由于运用体表示法的三维GIS软件设计复杂，存储空间要求高，而且现有数据中以真三维结构表达的空间数据还相当少，因此体表示法的三维GIS基本处于研究阶段，距离实用还有一段距离。目前处理地学三维大多以表面表示法为主，部分要素可以用体表示法来实现。用于水利工程前期选址的空间数据很多，在三维GIS应用当中主要涉及以下几个方面的内容。


3.1地形数据

地形数据用于形成地形表面，是形成立体三维表现的主要数据来源。地形数据主要有两个来源：一是从现有地形图通过数字化得到，包括等高线数据和高程点数据。二是从航空像片或卫星影象，通过构成立体像对运用摄影测量方法获得高程数据。对于等高线数据和高程点数据，首先需要生成不规则三角网（TIN），见图1，根据应用软件要求可插值生成规则栅格数据（GRID）。在创建地面高程模型的过程中应充分利用内外边界和断线（如水系、陡崖等）信息[3，4]。












图1 根据等高线数据(a)创建不规则三角网（TIN）(b)

3.2 遥感影像数据

    遥感影像用于形成地形表面的纹理信息，是最形象的视觉表现。根据应用尺度的要求，采用卫星遥感影像或航空遥感影像。遥感影像需要进行必要的辐射和几何纠正，并通过采集地面控制点坐标，转换投影将其配准到大地坐标系，必要时还需要对图象进行正射纠正，以保证遥感影象与地形数据及其他专题数据在空间上配准一致。遥感影像数据分为多个光谱波段，可选择合适的光谱波段进行彩色合成，最大限度突出感兴趣地物。

3.3 专题地图数据

    包括行政境界、水系、交通、土地利用等专题数据，这些数据可以丰富三维立体的表现内容，同时也提供大量可供分析的内容。如在淹没分析中统计和评估淹没范围内的土地、交通、居民财产等方面的损失。

3.4水利工程专题数据

包括已有的和拟建的水利工程设施。分为依比例尺和不依比例尺两类，依比例尺的按实际大小和形状给出，不依比例尺的则以各种符号来表示。

4．        在水利工程前期选址应用中三维GIS可以完成的的分析功能[5，6]

4.1．三维图形图象显示、贯穿飞行与信息查询

在地形数据、遥感影像数据和专题数据的支持下进行三维立体显示，见图2。各层数据均显示在地形表面之上，地形表面由高程数据生成的数字地面高程模型形成，遥感影像形成地形表面纹理，用来表现宏观地貌特征、土地利用状况及相关地物特征。为了达到更形象的立体显示效果，需要设定垂直夸大因子和太阳方位角及高度角。
对三维立体显示的内容可进行放大、缩小、漫游、旋转等操作，以便于对工程本身和所在的环境进行三维立体观察。在预先设定路线的情况下，进行三维贯穿飞行模拟。同时在三维立体显示环境中，对专题信息进行查询和检索，对穿越地形表面的工程线路的曲线距离和曲面面积进行测量。
















4.2淹没分析

淹没分析是水利工程前期选址中最重要的分析项目之一。其不仅涉及直接的淹没损失，还与移民安置，周边或沿线的生态环境影响评价有密切的关系。按照规划设计方案中工程的设计淹没水位，会对工程周边的影响区域形成一定范围的淹没区，对于如水库等静止水体形成的淹没区一般水流缓慢，水面比降小，一般可近似为水平平面。对于其他大型水体形成的淹没区，如水面高程相差较大可采取分片或作为倾斜平面处理。淹没区计算按公式（1）逐一进行判断，其中Fij为淹没状态，1代表受淹，0代表未受淹，Zij为地面高程， H为淹没水位。
         (1)

淹没分析内容包括淹水范围和淹没深度，以及对受淹土地类型、受淹基础设施、居民财产、影响人口等分析，同时还可以计算库容及库容曲线。

4.3土石方量分析：

在三维GIS中，计算土石方量实际是在DEM的基础上把三维空间实体变为长方体或立方体，然后统计计算，最终得到研究区域的体积。在水利工程规划设计中，需要计算开挖土方量和回填土方量，见图3 。通过土石方量分析，可以快速计算在各种设计方案条件下开挖及回添土石方量，便于估计总体工程量及工程造价。









图3 开挖土方量(a)和回填土方量(b)的计算

4.4 布置输水线路、枢纽

    在水利工程初步设计阶段，设计人员可能会随时对设计方案进行改动。输水线路和枢纽等工程在系统中采用空间数据的点、线和面来表达，系统提供对空间数据进行编辑修改功能，如对输水线路和枢纽的添加、删除、移动位置、改变走向，以及进行输水工程属性的编辑修改等。编辑修改采用人机交互方式进行。布置的工程设施用规定的点线面符号显示，同时在三维立体环境中表现出来。在三维表现环境中，可以观察水利工程所在和穿过的地形、植被和基础设施等环境，为设计方案的优选提供依据。

4.5剖面分析

    剖面分析可以以线代面，研究线路所穿过区域的地势、地质和水文特征在线路上的变化过程。以地势变化为例，沿所选线路高程沿线路变化的剖面图的生成如图4所示。同时剖面信息除地势高程以外，还可以是如岩层厚度、坡度、侵蚀强度等其他类型信息。这些定量、定位的剖面信息也是设计方案优选的重要依据。











图4 沿线路方向高程剖面分析

5．        结语

综上所述，三维GIS技术可以在水利工程前期选址中发挥重要的作用。随着空间技术和计算机技术的不断发展，空间数据的数量和精度都在不断增加，大量的空间信息可以集成到三维GIS系统中进行分析使用。系统进行的各种类型分析，如淹没分析、土石方量分析、水利工程的布置、剖面分析、三维贯穿飞行模拟等，可以为水利工程前期选址提供大量的信息。由于基于体表示的三维GIS系统从软件和数据条件还不够成熟，因此在这方面还需要进行不断的探索，例如从数据结构、分析模型、数据获取方式等方面。

学一招

GIS在水利方面的应用前景是很大的。