大型水利工程水土保持信息系統探索

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摘要：隨著信息技術的發展及其在各行業的普遍應用，依托大型水利工程項目構建的應用大系統平臺和生產建設項目水土保持監測工作，建設大型水利工程水土保持信息系統勢在必行。提出了大型水利工程水土保持信息系統建設的初步構想、構建方案、設計架構、主要模塊、系統開發思路、主要功能及實現方法等。可依托主體工程構建的應用大系統平臺和生產建設項目水土保持監測工作，在大型水利工程項目率先嘗試水土保持信息系統建設，將其作為主體工程應用大系統的其中一個子系統，促進工程又好又快建設，以期為實現生產建設與生態環境建設雙贏提供平臺支撐，并為其他生產建設項目水土保持信息系統建設提供參考。

關鍵詞：大型水利工程；水土保持；信息系統

隨著信息技術的發展及其在各行業的普遍應用，水利信息化、水利工程數字化的理念已貫穿于水利水電工程規劃、設計、實施及管理中。近年來，大型水利水電工程項目在規劃設計階段就采用智慧化、數字化設計，建設單位通過招標方式選擇第三方，圍繞工程的功能定位，開發覆蓋工程建設管理、智能施工、工程安全監控、智能分析決策、快速應急響應、綜合事務管理等業務的應用大系統已有先例。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建設、生產建設項目水土保持監督管理系統建設、生產建設項目水土保持空天地一體化監管信息化等工作，但迄今為止，鮮有針對具體的生產建設項目開發水土保持信息系統。與其他生產建設項目相比，水庫、水電站、長距離引調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水利行業相關規范標準進行規劃設計，兩者的規劃設計及實施密切關聯，因此可依托水利項目主體工程構建的應用大系統平臺和生產建設項目水土保持監測工作，進行水利工程水土保持信息系統建設，以期準確、高效地對項目區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行動態監控，為有效控制生產建設項目造成的新增水土流失、實現生產建設與生態環境建設雙贏提供平臺支撐。本文對大型水利工程水土保持信息系統建設提出初步構想和構建方案。

1水利工程水土保持信息系統構建基礎及依托

水土保持信息系統應與主體工程的應用大系統平臺同步開發，作為應用大系統的子系統。主體工程應用大系統平臺中常常創建有包含地形、地貌、工程結構等構件的設計信息的BIM模型，其從實體工程屬性到運行狀態均與工程建設同步，即實體工程和數字化工程為兩座“孿生”工程；此外，主體工程應用大系統平臺運用GIS技術為工程項目時空地理信息數據的管理、維護提供協同工作服務系統，實現工程空間地理信息的動態查詢。基于主體工程應用大系統平臺的BIM＋GIS，水土保持信息系統和生產建設項目水土保持監測均可將大系統中的信息資源作為數據來源和支持。可充分利用大系統平臺的BIM＋GIS，通過視圖定制、剖切和測量等工具對水土保持的有關信息進行全三維表達，實時掌握主體工程建設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。生產建設項目水土保持監測系統綜合采取衛星遙感、無人機遙感、視頻監控、地面觀測、實地調查量測等多種方式采集有關信息，可充分運用互聯網＋、大數據等高新信息技術手段，將各類水土保持監測信息納入本系統，為工程實時監控提供原始數據。

2系統設計構想

2．1系統總體架構

采用瀏覽器／服務器模式進行開發，實現水土保持數據庫的建設管理等。系統架構以工程項目各類空間數據、業務數據為基礎，圍繞水土保持管理，充分考慮數據采集、數據存儲、動態實時對比分析、統計與預測等功能，建立業務內容與空間信息的邏輯對應關系，各業務階段環環相扣。水土保持信息系統總體架構見圖1。水土保持信息系統平臺的用戶涉及多個部門，各用戶按照權限使用該平臺。該系統對水利工程項目基礎信息進行統一管理，由水土保持方案編制單位或水土保持設計單位負責水土保持方案及批復、水土保持設計等相關信息上傳，在項目建設的各階段，由管理者通過該系統對建設周期進行全過程監督管理。

2．2系統結構設計

如圖1所示，智能感知層主要是結合水利工程項目水土保持監測，并依托主體工程應用大系統平臺，充分利用高分遙感影像，對工程項目區的土地擾動情況進行動態監測。針對典型地段或必要時增加無人機近距離監測，保證實時掌握土地擾動和植被壓占情況。通過無人機低空遙測實現對棄土棄渣量、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措施等信息。通過對工程建設重要部位，包括棄渣場、料場等區域設置可視化監控設備，實時調看不同位置的監控信息，或通過移動端現場采集影像資料等，及時掌握工程情況，查看是否有水土流失危害事件并進行記錄。數據庫是本系統的支撐平臺。系統數據存儲層主要由空間數據和基礎信息兩大類數據組成，各項數據來源于項目大系統平臺數據庫、BIM＋GIS平臺、項目感知層信息輸入、水土保持監理／監測／施工／驗收等各相關人員人工填報等。應用支撐層的各組件為各項功能提供相應服務，本系統組件庫包括分析判別、分類提取、數據訪問、底圖等組件，各組件具有明確的接口，用戶通過系統操作調用接口獲取服務。通過多組件組合可得到所需的組件庫。在用戶層，生產建設單位、水土保持監理、水土保持監測、水土保持施工、水土保持設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統一界面登錄，按照各自權限進行動態監管、信息上傳、查詢、統計等相關操作。

3建設模塊及內容

3．1數據庫

數據庫包括空間數據庫和基礎信息數據庫，為系統各項基礎操作提供數據支持。（1）空間數據庫。空間數據庫是數據庫核心。首先，本系統數據庫與主體工程應用大系統的數據庫互通共享，應用大系統的數據庫統一建立了基礎地理數據庫，其對基礎地理、遙感影像、數字高程模型等數據進行安全高效管理，可為本系統提供地圖服務與地理數據服務；其次，利用應用大系統BIM＋GIS平臺的二維、三維數據實現立體可視化，可以更好地分析了解工程主體、重點設備設施等，針對工程布置、施工方式、工程進度、施工擾動的特點等更有效地開展水土保持工作；最后，空間數據庫還包括水土保持自動化監測接入、移動端輸入、水土保持監理／監測／施工等各相關人員人工填報上傳的空間數據。（2）基礎信息數據庫。根據水土保持專業工作內容，建設基礎信息數據庫。主要包括水土保持相關法律法規、水土保持方案報告書及批復文件相關數據（包括矢量數據）、水土保持初步設計、施工圖、水土保持監理、水土保持監測、水土保持招投標、水土保持施工、水土保持設施驗收、合同管理及來往文件等。基礎信息數據庫兼容現有的doc、pdf、dwg、shp等大多數文件格式。

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測工作結合，實時監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，其中棄渣場監測是重點。（1）擾動土地及水土流失防治成效感知。基于應用大系統的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近距離監測，全程實時動態監測工程建設擾動土地及植被占壓情況，水土保持措施實施情況，尤其關注大范圍高強度施工區域。可選擇國產高分1號或國產高分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測的頻次和精度要求。通過對土地擾動及水土保持措施進行實地調查和資料收集等，建立先驗知識和樣本數據集，可建立項目提取規則集，實現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任范圍疊加進行拓撲分析，以得出合規性判別結論。（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，動態監測棄渣情況和棄渣場防護措施情況是必要的。棄渣及棄渣場情況可通過低空無人機遙測實現。根據項目區范圍大小和成果精度要求設計飛行路線、飛行高度、拍攝角度及旁向重疊度，同時，布設滿足精度要求的地面控制點數量，設計好飛行路線，實施無人機飛行和拍攝，獲取原始遙感影像數據，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測指標，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級以上的棄渣場設置可視化監控設施，通過實時調看不同位置的監控信息，及時掌握棄渣情況、防護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，重點監測水土流失對主體工程、周邊重要設施等造成的影響及危害等。在監測擾動土地、棄土棄渣、水土流失狀況、水土流失防治成效等內容時，一并開展水土流失危害監測。

3．3業務應用模塊

根據用戶需求，系統可提供多種應用模塊，其中最重要的是動態實時對比分析模塊和預測預警模塊。（1）動態實時對比分析模塊。建設期間的土地擾動情況是水土保持管理的重要內容。基于建設項目高分遙感影像，根據水利工程建設對地面的擾動特點，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，工程建設后期，可將綠化植被恢復也作為圖斑自動化提取。擾動圖斑動態反映項目當前真實的建設情況，結合項目水土保持方案批復的防治責任范圍，對兩者進行空間疊加，判斷擾動圖斑與防治責任范圍的空間位置關系，進行實時對比展示，并對合規性進行判斷。水土保持有關法規要求，工程建設棄渣應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，否則為違法違規行為。通過棄渣場區域土地擾動情況的合規性判別、將信息感知模塊獲取的棄渣量與水土保持方案中設計的堆渣量進行對比分析，實現棄渣場合規性實時分析。（2）預測預警模塊。針對水土保持相關監測信息資料和工程建設過程中的相關信息，進行系統統計分析，對其規律性的信息進行展示，對超出設計范圍的現象或者信息進行實時預警。對涉及重大變更未重新編報水土保持方案、未開展水土保持監測、水土保持措施不落實、未依法依規足額繳納水土保持補償費、未驗先投等水土保持違法違規行為，水土流失對主體工程及周邊重要設施等造成影響，水土保持監測三色評價為“黃紅”狀態等情況進行預警，并采用移動的方式實時推送至相關平臺用戶。

4結語

依托主體工程構建的應用大系統平臺和生產建設項目水土保持監測工作，在大型水利工程項目率先嘗試水土保持信息系統建設，將其作為主體工程應用大系統的其中一個子系統，是促進工程又好又快建設及實現綠色工程、數字工程的可靠支持及有力保障，并為其他生產建設項目水土保持信息系統建設提供參考。

作者:楊娟 薛建慧 單位:黃河勘測規劃設計研究院有限公司