邸國(guó)輝，李冬平，陳翠嬋

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；3.廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075）

水利監(jiān)測(cè)總體解決方案的研究

邸國(guó)輝1，李冬平2，陳翠嬋3

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；3.廣東省國(guó)土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 510075）

介紹了遙感技術(shù)、傳感器和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了水利監(jiān)測(cè)的總體解決方案，對(duì)監(jiān)測(cè)方法、變化檢測(cè)和建庫(kù)等方面進(jìn)行研究。結(jié)果表明，水利監(jiān)測(cè)總體解決方案是可行的，具有大范圍、全天候、全天時(shí)的特點(diǎn),可以為科學(xué)管理決策提供主要依據(jù)。

水利監(jiān)測(cè)；遙感技術(shù)；變化檢測(cè)

在人類社會(huì)的生存和發(fā)展中，需要不斷地適應(yīng)、利用、改造和保護(hù)水環(huán)境。水利監(jiān)測(cè)信息不僅能客觀、準(zhǔn)確地反映水利相關(guān)特征和現(xiàn)象，還能反映水利變化情況及其相互關(guān)系，反映國(guó)家自然資源、生態(tài)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，是制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。

1 水利監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方法

1.1 干旱、洪澇監(jiān)測(cè)

區(qū)域旱情監(jiān)測(cè)主要是對(duì)土壤濕度、作物需水狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？紤]到時(shí)間和空間分辨率的要求，主要以NOAA/AVHRR、EOS/MODIS為數(shù)據(jù)源，采用微波波段、熱紅外波段。旱情監(jiān)測(cè)方法主要有土壤熱慣量法（ATI）、作物缺水指數(shù)法（CW-SI）和溫度植被指數(shù)法（TVDI）（圖1）。

圖1 干旱監(jiān)測(cè)圖

旱情監(jiān)測(cè)可對(duì)灌區(qū)的運(yùn)行管理提供決策依據(jù)。效果評(píng)價(jià)是高效灌溉管理的基本組成部分，來(lái)自田間信息的定期反饋可充分提高水利用效率，但獲取有關(guān)實(shí)際田間狀況的客觀評(píng)價(jià)是很困難的。采用遙感技術(shù)結(jié)合雨量計(jì)、水位計(jì)、流量計(jì)、土壤墑情監(jiān)測(cè)儀等傳感器則提供了解決問(wèn)題的可能性。通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)，傳感器數(shù)據(jù)傳輸至灌區(qū)信息中心，可實(shí)現(xiàn)定期監(jiān)測(cè)田間濕度指標(biāo)，在整個(gè)灌溉季節(jié)對(duì)灌溉調(diào)度方案進(jìn)行修正，并相應(yīng)地動(dòng)態(tài)配水。

洪水災(zāi)害是當(dāng)今世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一 ，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)和評(píng)估是科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)（圖2）。目前基于Landsat TM/ETM+、SPOT、EOS/ MODIS、NOAA/AVHRR、Radarsat/ SAR等衛(wèi)星遙感資料可應(yīng)用于洪水水體提取、 淹沒(méi)面積計(jì)算以及洪水災(zāi)情的影響評(píng)估。 合成孔徑雷達(dá) （SAR） 具有全天時(shí)和全天候?qū)Φ赜^測(cè)優(yōu)勢(shì)，其空間分辨率高，可達(dá)到10 m甚至3 m。

圖2 1998年長(zhǎng)江簰洲灣洪澇遙感監(jiān)測(cè)圖

利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水體提取是基于水體與植被、土壤等在可見(jiàn)光段的光譜反射率有一定的差異，水體提取的方法主要有閾值法、譜間關(guān)系法等。

1.2 河道監(jiān)測(cè)

利用遙感技術(shù)可監(jiān)測(cè)河道岸線的變化。采用GNSS、回聲測(cè)深儀、水聲納、多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)繪水下地形，并獲得水下三維影像，為河勢(shì)分析、近岸河床的沖淤變化、險(xiǎn)段治理提供依據(jù)。

堤防內(nèi)部埋設(shè)滲壓計(jì)等傳感器，可實(shí)時(shí)獲得堤身浸潤(rùn)線、堤基滲透壓力等，配合外部變形監(jiān)測(cè)（一般采用GNSS、全站儀、水準(zhǔn)儀等大地測(cè)量?jī)x器），通過(guò)專業(yè)模型分析，可為堤防安全評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)（圖3）。

1.3 水環(huán)境監(jiān)測(cè)

圖3 荊江河段沖淤厚度平面分布圖（1996～1998年）

以環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)河流、水庫(kù)、湖泊等地表水體進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)污染源、定位污染源，并監(jiān)測(cè)水面浮生物、水含沙量、葉綠素的空間分布以及反演水體的化學(xué)含量。

水體及其污染物的光譜特性是利用遙感信息進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的依據(jù)。一般以光譜測(cè)量與采樣分析同步、地面光譜測(cè)量與遙感配合為基礎(chǔ)，建立水質(zhì)遙感模型（圖4）。

圖4 渤海灣葉綠素監(jiān)測(cè)

1.4 水土流失監(jiān)測(cè)

采用TM多光譜影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，采用GIS技術(shù)，利用DEM進(jìn)行子流域分析，并以土地利用數(shù)據(jù)為輔助資料，確立解譯標(biāo)志和解譯精度，通過(guò)人工交互式，采用監(jiān)督分類法，結(jié)合信息融合法和邏輯推理法進(jìn)行解譯，得到多年的流域土地利用類型分布圖，進(jìn)行水土流失強(qiáng)度分級(jí)，制作流域的水土流失分布圖。通過(guò)空間疊加分析，從中提取水土流失強(qiáng)度類型的面積變化數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到水土流失的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

1.5 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

利用遙感、GIS和計(jì)算機(jī)三維可視化技術(shù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行信息提取和解譯，可劃定滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害位置，利用GIS空間分析功能，結(jié)合高程、坡度、坡向、地層巖性、地震烈度和水系等因子對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征進(jìn)行分析，并采用層次分析法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性預(yù)測(cè)。

1.6 工程進(jìn)程監(jiān)測(cè)

利用高分辨率遙感影像、LiDAR掃描數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程進(jìn)展及其對(duì)周圍環(huán)境的影響。在南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程中，利用工程開(kāi)工前后的同一地點(diǎn)航空正射影像，對(duì)土方量、工程施工形象、移民村建設(shè)等進(jìn)行較全面了解。

從圖5、6可見(jiàn)，進(jìn)口閘、防洪閘的主體結(jié)構(gòu)已完成，移民村已建2處，大堤兩側(cè)布置了棄渣場(chǎng)。另外，利用航空像對(duì)獲得工程開(kāi)工前后的DEM，計(jì)算開(kāi)挖土方量。

圖5 2000年5月航攝影像圖

圖6 2012年12月航攝影像圖

2 變化檢測(cè)及建庫(kù)

水利監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)類型有文本、關(guān)系數(shù)據(jù)、影像、矢量等，采用面向?qū)ο驡eodatabase 數(shù)據(jù)模型比較適合建立水利國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

水利監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有：幾何尺度變化（如長(zhǎng)度、面積、坡度等）、水利指標(biāo)變化（如濕度、水量、水環(huán)境等）、變形體變化（如水平位移、沉降）等，采用自動(dòng)或人工輔助的方法進(jìn)行變化檢測(cè)，基于快照比較方式建立增量數(shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)庫(kù)操作提供便利。

3 結(jié) 語(yǔ)

建成完整的水利監(jiān)測(cè)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)3S、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的集成，可以持續(xù)地、全天時(shí)地進(jìn)行水利監(jiān)測(cè)，形成快速、規(guī)模化水利監(jiān)測(cè)與分析能力，實(shí)現(xiàn)水利監(jiān)測(cè)信息對(duì)政府、企業(yè)和公眾的智能化服務(wù)，為國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃制定、水利規(guī)劃管理、水利政策制定、災(zāi)害預(yù)警和科學(xué)研究等提供有力保障。

[1] 李瑞清,邸國(guó)輝,郭輝．采用3S技術(shù)保護(hù)湖泊資源[A]．紀(jì)念'98抗洪十周年學(xué)術(shù)研討會(huì)優(yōu)秀文集[C]．鄭州:黃河水利出版社,2008

[2] 李香顏,陳懷亮,李有．洪水災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估研究綜述[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2009(1):102-108

[3] 趙曉麗,張?jiān)鱿?劉斌,等．基于遙感和GIS的全國(guó)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究[J]．水土保持通報(bào),2002(4):29-31

[4] 李鄭,褚進(jìn)海,彭鵬,等．基于二期高分辨率遙感數(shù)據(jù)的巢湖礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境及動(dòng)態(tài)變化研究[J]．安徽地質(zhì)，2012(3):205-207

[5] 孫敏章,劉作新,吳炳方,等．衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)ET方法及其在水管理方面的應(yīng)用[J]．水科學(xué)進(jìn)展,2005(3):468-472

[6] 牛志春,李旭文,張?jiān)?等．太湖流域水環(huán)境天地一體化監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建與應(yīng)用[J]．環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2012(1):1-5

[7] 張良,涂瀾濤,邸國(guó)輝．基于GIS的移民信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．地理空間信息,2013,11(1):18-20

[8] 邸國(guó)輝,程崇木,劉傳生,等．基于IRS-P5衛(wèi)星影像測(cè)圖的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．地理空間信息,2012,10(3):27-30

P208

B

1672-4623（2015）02-0004-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.002

邸國(guó)輝，正高職高級(jí)工程師，從事GNSS、RS的應(yīng)用與研究工作。

2014-09-06。

項(xiàng)目來(lái)源：湖北省水利重點(diǎn)科技資助項(xiàng)目（TG1316）。