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1、概述
RS(遥感技术)是指从远距离高空及外层空间的各种平台上利用光学或者电子光学(称为遥感器或波探测仪器)通过接收地面反射或接收的电磁波信号,并以图象胶片或数据磁带形式记录下来,传送到地面,经过信息处理、判读分析与野外实地验证,最终服务与资源勘测、环境动态监测与有关部门的规划决策。通过摄影或扫描、信息响应、传输和处理,研究地面物体的形状、大小、位置及其与环境的相关关系等宏观规律的现代科学技术。广泛应用与农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、环境监测、地球资源勘探及军事侦察等各个领域,70年代开始用于水利。
GIS(地理信息系统)是近年发展起来的一种在计算机软硬件技术支持下对信息进行采集、存贮、查询、综合分析和输出,并为用户提供决策支持的综合性技术的空间信息管理信息计算机系统,是分析与处理海量地理数据等地理环境有关问题的通用技术。
GPS是一种可以定时与测距的空间交汇的导航系统,通过接收卫星信息来给出地球上任意地点的三维坐标以及载体的运行速度,同时它还可给出准确的时间信息,具有记录地物属性的功能。因其提供全天候实时、高精度三维位置、速度及精密的时间信息,已经被广泛应用于大地测量、工程测量、运载工具导航与管理,90年代后始应用与水利行业。
RS是数据获取与更新基础;坐标定位、局部监测是GPS的主要功能;数据存储、管理、分析、可视化是GIS的基本功能;计算机技术是3S技术的根基;网络是3S的翅膀;水利应用科学技术是3S发展的动力。
2、“3S”技术在水利方面的应用
3S技术就像一座多功能水库,对信息起着集中、调节和净化的作用,它兼容并蓄各种来源的信息,按地理空间坐标进行数据管理、查询和检索,通过地学分析、空间分析、相关分析、模拟和预测等手段进行科学加工与决策,提供多层次和多功能的信息服务。因此3S技术在水利信息化也就是水利现代化中起着并将继续起着至关重要的作用。3S是水利水电工程选址、规划、乃至设计、施工管理中十分重要的工具,例如移民安置地环境容量调查、调水工程选线及环境影响评价、梯级开发的淹没调查、水库高水位运行的淹没调查、大中型水利工程的环境影响评价、防洪规划、大型水利水电工程抗震安全、河道管理、大型水利水电工程物料贮运管理、蓄滞洪区规划与建设等等。
3、“3S”技术在水利测绘中的应用
3.1 GPS在水利测绘方面的应用
GPS定位系统具有定位精度高,实时定位速度快,提供三维坐标, 操作简便,全天候作业及全球地面连续覆盖等特点,在水利测绘方面得到广泛应用。
3.1.1平面控制测量
在南水北调东线一期工程、胶东地区引黄调水工程、沂沭泗河洪水东调南下测量工程中,淘汰了常规的导线测量的控制方式,根据工程的实际需要,利用GPS静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术(简称RTK)控制网测量和部分碎部测量。其基本优点为首先是高精度,应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10～6ppm。
3.1.2放样测量
在水利工程测量过程中,采取RTK点放样和线路放样,采用点放样时,首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起上传到GPS流动站中, 然后根据所放点标识进行实地放样,放样精度可以控制在5cm以内。利用GPS的放样功能在线路断面端点的放样和南水北调东线一期工程以及胶东地区引黄调水工程的征地边界放样工作中发挥了很大的作用。
3.1.3高程测量
GPS测量资料与水准测量资料相结合,来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当,分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差,并根据建立的适当大地水准面数学模型,内插出计算点的高程异常或异常差,从而得出特定点的正常高。在南水北调东线一期工程、胶东地区引黄调水工程、沂沭泗河洪水东调南下工程中,多次利用RTK技术进行纵、横断面测量,地形数据点的采集工作,大大提高了作业质量和生产效率。
3.2RS和GPS相结合在水利测绘方面的应用
自2000年以来,山东省水利勘测设计院在RS和GPS新技术利用方面有了实质性的突破,填补了该院测绘技术在这方面的空白。利用山东省水利设计院引进的武汉适普公司研制开发的VirtuoZO312全数字化摄影测量系统对影像数据和GPS外业像控资料进行空中三角测量、估算空三加密精度、全野外碎部点采集、数字高程模型生成和编辑、数字正摄影像生成、正摄影像测图和数字线化图编辑并生成线划图,然后进行野外补调,最后编辑生成最终的线划图,并转换成Auto2CAD的DWG格式的图形文件。经实践证明,采用RS和GPS技术与传统的测图方式相比较,不仅大大提高了图形的精度和产品质量,也提高了工作效率,降低了劳动强度,收到了可观的经济效益。
3.3GIS技术在水利测绘行业的应用
由于技术和投资等方面的原因,GIS技术在水利工程中的应用只是初步阶段,但前景非常广阔,现仅将初步尝试和部分构想作以回顾。
3.3.1利用GIS技术实现部分水利工程测绘成果的信息化管理
利用GIS强大的地理数据的集成、存储功能对于GPS、RS获得水利工程数据和产品入库,进行测绘成果系统化管理。为进一步实现GIS的查询、分析等功能提供了良好的基础。GIS系统的建立后主要完成了南水北调东线一期工程南四湖至东平湖段、韩庄运河段、东平湖至济南段。
3.3.2建立测区的三维地面模型DTM
将地形原始数据(GPS、全站仪等采集数据)输入到系统,经过数据过滤后转化为三维矢量数据,进一步生成三维地面模型DTM。利用内插手段,可以生成更高精度的DTM。
4、“3S”技术在水利工程中的前景展望
在以信息化带动水利现代化的战略方针指导下,3S在水利行业的应用将“无孔不入”,而且迅速地占领管理和决策层面,并且势必作为基础技术支撑,进入数字流域或数字水利的框架。而且在水利行业开始应用的主要有以下几个趋势:
4.1网络化
WebGIS可用于除了一般数据外的特殊数据类型,尤其是矢量数据的处理,以网络浏览器为应用工作平台,在客户端可以实现对矢量数据的操作,可以在多个客户端实现原来在本机上才能实现的功能,并可通过网络远程调用和发布各类数据、图形、图像。
4.2集成化
水利信息化进程中的3S技术在实际应用中不仅要通过数据接口将RS、GIS、GPS严格地、紧密地、系统地集合起来,使其成为一个更具有应用价值的大系统,往往还要跟其他的诸如MIS或OA等系统紧密结合,方可满足需求。因此,3S技术与外部系统无缝集成是必然的发展趋势。
4.3以数学模型和决策分析为支撑
对于水利工作者来说,仅对图形进行简单的浏览、查询是没有太大意义的。如何要让3S在水利行业发挥出更大的作用,就要利用3S软件特有的专业分析功能。水利行业要求3S系统平台提供专业的分析算法和专业模型,以便对各种水利数据进行深层次的分析,使系统具有辅助决策支持功能,为有关部门提供科学的计算结果和决策依据。
4.4实时三维和虚拟现实技术
水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题。因此,加上时间维的3S技术应用需求很广。三维尤其是实时的三维3S系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。在调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、地面与地下结合的地质构造描述、水流流动的三维表现、厂房或结构内部的描述、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等等方面使用得特别多或者是特别有前景,而且它也是虚拟或仿真的基础。
4.5标准化
标准化就是要做到可移植性、互操作性、可收缩性、通用环境。其内容包括数据、数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件等方面及地理、算法、解译与行业等方面的标准内容。
5、结论
“3S”是遥感技术RS、地理信息技术GIS、以及全球定位技术GPS的统称。随着计算机技术的飞速发展,“3S”水利应用越来越广泛和深入,将来的发展方向一定是具有海量数据存储功能、网络功能、地理信息建模功能和无线通讯功能的3S集成系统。
总之,要在水利行业更好地应用和发展3S技术,必须在进一步加强标准化、规范化的基础上,大力开展基础数据库的建设、尤其是富有水利行业特色的数据库,如蓄滞洪区空间展布式社会经济数据库、雨情和水情数据库、水旱灾情数据库等等。此外还要加快提高3S技术的应用水平,充分发挥3S现有的和潜在的功能,并且与网络计算机等高新技术以及水利行业本身的技术紧密地结合在一起。为水利信息化和现代化作出它应有的贡献。■
RS(遥感技术)是指从远距离高空及外层空间的各种平台上利用光学或者电子光学(称为遥感器或波探测仪器)通过接收地面反射或接收的电磁波信号,并以图象胶片或数据磁带形式记录下来,传送到地面,经过信息处理、判读分析与野外实地验证,最终服务与资源勘测、环境动态监测与有关部门的规划决策。通过摄影或扫描、信息响应、传输和处理,研究地面物体的形状、大小、位置及其与环境的相关关系等宏观规律的现代科学技术。广泛应用与农业、林业、地质、地理、海洋、水文、气象、环境监测、地球资源勘探及军事侦察等各个领域,70年代开始用于水利。
GIS(地理信息系统)是近年发展起来的一种在计算机软硬件技术支持下对信息进行采集、存贮、查询、综合分析和输出,并为用户提供决策支持的综合性技术的空间信息管理信息计算机系统,是分析与处理海量地理数据等地理环境有关问题的通用技术。
GPS是一种可以定时与测距的空间交汇的导航系统,通过接收卫星信息来给出地球上任意地点的三维坐标以及载体的运行速度,同时它还可给出准确的时间信息,具有记录地物属性的功能。因其提供全天候实时、高精度三维位置、速度及精密的时间信息,已经被广泛应用于大地测量、工程测量、运载工具导航与管理,90年代后始应用与水利行业。
RS是数据获取与更新基础;坐标定位、局部监测是GPS的主要功能;数据存储、管理、分析、可视化是GIS的基本功能;计算机技术是3S技术的根基;网络是3S的翅膀;水利应用科学技术是3S发展的动力。
2、“3S”技术在水利方面的应用
3S技术就像一座多功能水库,对信息起着集中、调节和净化的作用,它兼容并蓄各种来源的信息,按地理空间坐标进行数据管理、查询和检索,通过地学分析、空间分析、相关分析、模拟和预测等手段进行科学加工与决策,提供多层次和多功能的信息服务。因此3S技术在水利信息化也就是水利现代化中起着并将继续起着至关重要的作用。3S是水利水电工程选址、规划、乃至设计、施工管理中十分重要的工具,例如移民安置地环境容量调查、调水工程选线及环境影响评价、梯级开发的淹没调查、水库高水位运行的淹没调查、大中型水利工程的环境影响评价、防洪规划、大型水利水电工程抗震安全、河道管理、大型水利水电工程物料贮运管理、蓄滞洪区规划与建设等等。
3、“3S”技术在水利测绘中的应用
3.1 GPS在水利测绘方面的应用
GPS定位系统具有定位精度高,实时定位速度快,提供三维坐标, 操作简便,全天候作业及全球地面连续覆盖等特点,在水利测绘方面得到广泛应用。
3.1.1平面控制测量
在南水北调东线一期工程、胶东地区引黄调水工程、沂沭泗河洪水东调南下测量工程中,淘汰了常规的导线测量的控制方式,根据工程的实际需要,利用GPS静态定位、快速静态定位和实时动态定位技术(简称RTK)控制网测量和部分碎部测量。其基本优点为首先是高精度,应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10～6ppm。
3.1.2放样测量
在水利工程测量过程中,采取RTK点放样和线路放样,采用点放样时,首先将放样点坐标和静态网中的坐标转换参数一起上传到GPS流动站中, 然后根据所放点标识进行实地放样,放样精度可以控制在5cm以内。利用GPS的放样功能在线路断面端点的放样和南水北调东线一期工程以及胶东地区引黄调水工程的征地边界放样工作中发挥了很大的作用。
3.1.3高程测量
GPS测量资料与水准测量资料相结合,来确定区域性大地水准面的高程是一种有效的方法。这种方法要求GPS观测点具有水准测量资料且密度适当,分布比较均匀。利用高精度GPS定位技术精密确定观测点的大地高程差,并根据建立的适当大地水准面数学模型,内插出计算点的高程异常或异常差,从而得出特定点的正常高。在南水北调东线一期工程、胶东地区引黄调水工程、沂沭泗河洪水东调南下工程中,多次利用RTK技术进行纵、横断面测量,地形数据点的采集工作,大大提高了作业质量和生产效率。
3.2RS和GPS相结合在水利测绘方面的应用
自2000年以来,山东省水利勘测设计院在RS和GPS新技术利用方面有了实质性的突破,填补了该院测绘技术在这方面的空白。利用山东省水利设计院引进的武汉适普公司研制开发的VirtuoZO312全数字化摄影测量系统对影像数据和GPS外业像控资料进行空中三角测量、估算空三加密精度、全野外碎部点采集、数字高程模型生成和编辑、数字正摄影像生成、正摄影像测图和数字线化图编辑并生成线划图,然后进行野外补调,最后编辑生成最终的线划图,并转换成Auto2CAD的DWG格式的图形文件。经实践证明,采用RS和GPS技术与传统的测图方式相比较,不仅大大提高了图形的精度和产品质量,也提高了工作效率,降低了劳动强度,收到了可观的经济效益。
3.3GIS技术在水利测绘行业的应用
由于技术和投资等方面的原因,GIS技术在水利工程中的应用只是初步阶段,但前景非常广阔,现仅将初步尝试和部分构想作以回顾。
3.3.1利用GIS技术实现部分水利工程测绘成果的信息化管理
利用GIS强大的地理数据的集成、存储功能对于GPS、RS获得水利工程数据和产品入库,进行测绘成果系统化管理。为进一步实现GIS的查询、分析等功能提供了良好的基础。GIS系统的建立后主要完成了南水北调东线一期工程南四湖至东平湖段、韩庄运河段、东平湖至济南段。
3.3.2建立测区的三维地面模型DTM
将地形原始数据(GPS、全站仪等采集数据)输入到系统,经过数据过滤后转化为三维矢量数据,进一步生成三维地面模型DTM。利用内插手段,可以生成更高精度的DTM。
4、“3S”技术在水利工程中的前景展望
在以信息化带动水利现代化的战略方针指导下,3S在水利行业的应用将“无孔不入”,而且迅速地占领管理和决策层面,并且势必作为基础技术支撑,进入数字流域或数字水利的框架。而且在水利行业开始应用的主要有以下几个趋势:
4.1网络化
WebGIS可用于除了一般数据外的特殊数据类型,尤其是矢量数据的处理,以网络浏览器为应用工作平台,在客户端可以实现对矢量数据的操作,可以在多个客户端实现原来在本机上才能实现的功能,并可通过网络远程调用和发布各类数据、图形、图像。
4.2集成化
水利信息化进程中的3S技术在实际应用中不仅要通过数据接口将RS、GIS、GPS严格地、紧密地、系统地集合起来,使其成为一个更具有应用价值的大系统,往往还要跟其他的诸如MIS或OA等系统紧密结合,方可满足需求。因此,3S技术与外部系统无缝集成是必然的发展趋势。
4.3以数学模型和决策分析为支撑
对于水利工作者来说,仅对图形进行简单的浏览、查询是没有太大意义的。如何要让3S在水利行业发挥出更大的作用,就要利用3S软件特有的专业分析功能。水利行业要求3S系统平台提供专业的分析算法和专业模型,以便对各种水利数据进行深层次的分析,使系统具有辅助决策支持功能,为有关部门提供科学的计算结果和决策依据。
4.4实时三维和虚拟现实技术
水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题。因此,加上时间维的3S技术应用需求很广。三维尤其是实时的三维3S系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。在调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、地面与地下结合的地质构造描述、水流流动的三维表现、厂房或结构内部的描述、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等等方面使用得特别多或者是特别有前景,而且它也是虚拟或仿真的基础。
4.5标准化
标准化就是要做到可移植性、互操作性、可收缩性、通用环境。其内容包括数据、数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件等方面及地理、算法、解译与行业等方面的标准内容。
5、结论
“3S”是遥感技术RS、地理信息技术GIS、以及全球定位技术GPS的统称。随着计算机技术的飞速发展,“3S”水利应用越来越广泛和深入,将来的发展方向一定是具有海量数据存储功能、网络功能、地理信息建模功能和无线通讯功能的3S集成系统。
总之,要在水利行业更好地应用和发展3S技术,必须在进一步加强标准化、规范化的基础上,大力开展基础数据库的建设、尤其是富有水利行业特色的数据库,如蓄滞洪区空间展布式社会经济数据库、雨情和水情数据库、水旱灾情数据库等等。此外还要加快提高3S技术的应用水平,充分发挥3S现有的和潜在的功能,并且与网络计算机等高新技术以及水利行业本身的技术紧密地结合在一起。为水利信息化和现代化作出它应有的贡献。■