智慧澜沧江地理信息系统建设及应用

尹 欣，夏 婧，李文格，肖 洲

(1.北京市水利规划设计研究院，北京 100048； 2.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

0 引 言

为了推动流域的信息化、现代化、可持续发展，“智慧流域”作为具有特殊地理特征的一个层次被提出来，与近年来大力推广的“数字流域”密切相关[1]。智慧流域将新一代IT技术充分运用于流域综合管理，把传感器嵌入到流域各个角落的自然系统，并通过普遍连接形成“流域物联网”，然后通过云计算将流域物联网整合起来，以更加精细和动态的方式对流域进行规划设计和运营管理[2]。

2021年，中国水利工作会议提出“水利网络安全与信息化水平进一步提升”，并提到“开通澜湄水资源合作信息共享平台网站，有序推进水利涉外交流合作”。澜沧江流域水资源开发利用率高，干流已建成功果桥、小湾、漫湾、糯扎渡、景洪等多个水电梯级。在当前水资源开发利用情形下，流域面临更精确、更高效、更便捷的水资源统筹管理、干支流梯级联合调度、整体生态环境保护修复等方面的需求，急需整合流域内的地理、气象、水文、环境、生态、社会、经济、工程建设等各方面的信息，实现全流域的动态监测、分析、模拟和管理，而传统的技术手段对于大尺度下的流域并不适用。目前，澜湄水资源合作正逐步深入，作为重要的国际河流，推进国际河流管理模式升级，促进流域范围内的统一信息化管理要求迫切[3]。

在传统的流域开发治理过程中，数字地形图作为最广泛使用的基础数据之一，作用显著，但利用传统的测绘技术手段获取数字地形图效率较低，生产成本较高，且成果单一，显然已不能满足智慧流域对基础地理信息数据的需求。随着卫星遥感技术、倾斜摄影测量技术等测绘新型装备和技术的快速发展，如何利用这些新技术为智慧流域建设提供低成本的基础地理信息数据成为当前热门的研究课题。本文简要介绍了智慧澜沧江的顶层设计框架，阐述了地理信息系统(GIS)在智慧流域建设中的重要地位及支撑系统所需的各类基础地理信息数据，详细介绍了多种新型测绘装备和技术在获取各类基础地理信息数据的方法和特点，针对澜沧江不同位置的地形特点，分别采用不同的技术手段获取不同类型的数据，分析了各类数据为智慧流域功能设计提供的数据支撑，并通过实际案例论证了数据的可靠性以及方法的可行性，为其他流域的智慧化、数字孪生建设提供了思路。

1 澜沧江-湄公河流域概况

澜沧江-湄公河发源于中国青海，流经老挝、缅甸、泰国、柬埔寨和越南，中国境内称为澜沧江，出中国后称为湄公河，是亚洲惟一的一江连六国的国际河流，对云南区域经济合作以及中国与东盟经济自由贸易区的建设具有重大意义。澜沧江-湄公河流域面积约81.24万km2，干流全长约4 880 km，干流总落差约506 m，年平均径流量4 750亿m3。澜沧江流经青海、西藏和云南三省，集水面积约16.44万km2，干流全长约为2 160 km，天然落差458 m[4]。

澜沧江流域上、中、下游自然环境差异显著，从地势上看，流域由北向南呈阶梯状下降，其主体地貌特征表现为高山峡谷相间[5]。昌都以上为上游，长550 km，青海境内河谷宽广，河岛、漫滩汊流发育，水流平缓；上游西藏境内河段是全流域比降最大地段，水系较发育。昌都至云南四家村为中游，长1 180 km，为高山峡谷区，主河谷深切是典型的“V”形谷。四家村以下为下游，长410 km，地势趋于平缓，为中山峡谷、中低山宽谷地貌区[5]。

2 智慧澜沧江顶层设计

图1 智慧澜沧江顶层设计架构

智慧澜沧江建设是以解决澜沧江流域实际问题为导向，综合利用物联网、GIS、BIM、大数据、云计算等新兴IT技术，按基础层、平台层和应用层分级，以智慧水利建设标准规范和信息化安全体系为保障，结合流域综合管理、开发利用等实际需求，建设数据感知更精细、信息更联通、决策更智能的智慧型平台，智慧澜沧江顶层设计架构如图1所示。

2.1 基础层

基础层主要解决流域相关各类数据的获取、传输、存储和计算问题，包括：① 数据采集系统，如流域基础地理信息、水质、水量、气象、环境保护等数据的采集，按统一的数据格式和标准进行存储；② 数据传输系统，如无线传输网络、光纤有线网络等；③ 数据存储和计算设施，如云计算、云存储、数据中心等基础设施。

2.2 平台层

平台层主要解决大数据平台、GIS平台、模型计算平台等问题，包括：① 大数据平台，如数据库总集、空间数据库、业务数据库、多媒体数据库等；② GIS平台，如二、三维GIS、移动GIS平台等；③ 模型计算平台，如降雨径流、洪水演进、水环境分析、水动学等模型。

2.3 应用层

应用层主要解决流域水资源调度管理、水环境保护、水电开发利用、防洪减灾、取水灌溉、水土保持等问题，包括：① 水资源调度管理，如监测取水、输水、供水、用水、排水等环节数据以优化水资源配置；② 水环境保护，如通过实时监测流域污染源排放情况，借助水质评价模型和污染物动态模型对水环境进行预测预报；③ 水电开发利用，如依托BIM技术建设智慧水电站系统实现水电站运行工况实时监测分析和响应；④ 防洪减灾，如利用气象卫星遥感数据和流域内水文监测数据，通过气象预报模型对流域内降雨进行分析为防洪减灾提供技术支撑；⑤ 取水灌溉，通过在取水源头布设传感器获取取水量实时数据，分析用水变化趋势；⑥ 水土保持，通过多时相卫星遥感数据等手段分析流域内植被变化和水土流失等情况。

3 GIS建设

GIS是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。从严格意义上说，GIS是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。在智慧流域的建设过程中，GIS作为流域相关信息的载体平台，将绝大部分信息按照地理坐标的维度进行重组关联。同时，平台自身需连接统一空间数据库，并针对各类基础地理信息数据提供管理和更新机制，为各应用系统提供统一的基础地理信息服务。

GIS作为空间数据的重要服务引擎，有多种不同的技术实现路径，能容纳各种不同尺度，不同分辨率和不同时相的空间数据，具体采用的数据形式和技术手段需根据智慧流域的不同应用场景来确定。针对澜沧江流域的地形特点和各水利设施建设需求，分析卫星遥感数据、航空摄影测量成果、倾斜摄影测量实景模型、机载激光雷达点云、多波束声呐水下地形点云等几种常见地理信息数据的应用情况。

3.1 卫星遥感技术及应用

遥感主要指从远距离高空，以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测仪器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术。

在智慧澜沧江建设过程中，卫星遥感数据可用于流域范围内资源普查、植被分类、水土保持、土地利用规划、灾害监测和环境污染监测等方面。利用遥感影像数据具有探测范围大、获取数据周期短、受雪山沙漠等恶劣地面条件限制少、信息量大等优点，可进行流域范围的大尺度研究，如在对澜沧江流域植被覆盖动态变化分析研究过程中，为直观反映澜沧江流域植被覆盖空间分布特征，利用流域内连续10 a的MODIS数据，计算归一化植被指数(NDVI)监测植被生长状况及植被覆盖度，结论认为澜沧江流域植被活动具有明显的区域差异，从总体上看存在显著上升趋势，覆盖整体得到改善的区域面积大于退化区域[6]。

3.2 航空摄影测量技术及应用

航空摄影测量是指在飞机上用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤，绘制出地形图的作业。作为4D产品，即数字高程模型；(DEM)，数字线划地图(DLG)；数字正射影像(DOM)；数字栅格地图(DRG)的主要生产方式，航空摄影测量具有技术成熟、作业效率高、成果精度高、生产成本低等特点，目前广泛应用于大范围基础测绘数据生产。近年来，无人机航空摄影测量技术取得了巨大进步，与传统航空摄影测量技术相比机动性更强，响应更快，影像分辨率更高，与卫星遥感和传统航测技术结合，形成了优势互补，适合中小型水利水电工程测绘作业。

在澜沧江开发建设项目中，航空摄影测量技术已在多个水电站开发中应用，如糯扎渡水电工程中，在坝区航摄时，采用数码相机，利用无人机飞行了4个架次，总面积约243 km2，数字航空摄影的影像地面分辨率达到0.2 m，数字高程模型格网分辨率为2.5 m，地形图成图比例尺为1∶2 000。该成果后期用于制作糯扎渡三维地形场景(图2)，融合坝区建筑物三维模型，实现了糯扎渡水电站三维场景构建，作为糯扎渡水电站三维GIS的基础地理数据可视化与水电站数字化运行载体，最终实现了与安全监测系统、雨水情系统、泥沙管理系统、环境保护管等系统的集成[7]。

图2 扎渡水电站三维模型效果图

3.3 倾斜摄影测量技术及应用

倾斜摄影测量技术是通过无人机挂载多镜头相机从5个视角同步采集影像，获取丰富的物体顶面及侧视的高分辨率纹理，通过高重叠度的影像数据，可自动构建拍摄对象的三维实景模型，且模型视觉效果逼真(图3)，精度可满足测绘专业要求，同时还具有作业效率高、成果精度高、响应速度快等优点。

澜沧江流域梯级电站开发涉及7地州14万人，征地移民工作战线长且分散、管理对象复杂、外围环境恶劣，通过信息化手段管理可形成机制灵活、信息透明的先进管理工作机制。借助倾斜摄影测量技术，可对征地区域内所有权属地物进行三维重建，建立实时动态的资产管理平台，利用无人机作业效率高的特点，可建立固定周期性作业机制，准确掌握移民搬迁进度，同步关联土地征用、移民政策、电站开发进度、移民资金管理等信息，提升征地移民的管理水平和工作效率[8]。

图3 倾斜摄影测量实景建模

3.4 机载激光雷达技术及应用

机载激光雷达(LiDAR)集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备，可快速采集测区内高精度密集点云数据(图4)，具有扫描速度快、可穿透植被、工作效率高等优点。

图4 机载激光雷达点云数据

针对澜沧江流域山区复杂地形和植被茂密的特点，在水电站等水工建筑工程建设过程中，可利用机载LiDAR技术，通过布设少量的地面控制点，快速采集测区内高精度点云数据和高分辨率影像数据，采用加密三角网滤波进行点云自动分类，再结合人工手动修整实现点云的精细化分类，后期可生产高精度数字高程模型和高分辨率正射影像数据，可供工程设计、施工及运营服务，也可作为智慧澜沧江中的高精度地形数据为洪水演进分析、灾害评估等系统功能提供基础地理信息数据[9]。

3.5 多波束测深系统在水下地形测量中的应用

多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统。测深时，载有多波束测深系统的船，每发射一个声脉冲，不仅可以获得船下方的垂直深度，且可同时获得与船的航迹相垂直的面内的256个水深值，一次测量即可覆盖一个宽扇面，测量成果如图5所示。多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，能够高效获取高精度的水下三维地形数据，可用于水库坝区淤积测量，为水电站汛前冲沙提供评估依据；也可用于复核库容，以便为水库运行提供数据支撑。

位于澜沧江中游的漫湾水电站已开发多年，电站水库自身逐年淤积，水库死库容和调节库容逐年减少。随着上游小湾电厂投产发电，2010年后小湾电站龙头开始发挥水库调节能力，由此漫湾电站开始常年维持高水位运行，由于水库运行方式改变，坝前的淤积情况也随之改变，急需快速掌握坝前泥沙淤积情况。为确保水库安全运行，及时合理安排冲沙并评估冲沙效果，漫湾电站引进了多波束测深技术分别在冲沙前后对坝前水库进行了测量，形成了三维水下地形图，直观准确地反映出坝前淤积的实际情况，为其他电站安全管理提供了新的思路[10]。

图5 多波束测深系统获取水下地形点云数据

4 结 语

随着多个智慧澜沧江前期项目的地实施，通过采用新兴测绘装备和技术(如卫星遥感、倾斜摄影测量、机载激光雷达、多波束测深系统等)，获取了澜沧江流域的基础地理信息数据，为建设智慧澜沧江地理信息系统开辟了一条新思路，不仅丰富了基础地理信息数据类型，还大大提高了数据精度，同时降低了数据的获取成本。

目前，智慧澜沧江建设正在大力推进过程中，必将对地理信息数据的精度和实效性等方面提出更高的要求，通过不断优化这些新技术在智慧流域中的应用，将为智慧流域的发展提供更加有力的支撑。