水利
電子沙盤的制作|建設與管理|防洪抗災｜河道治理｜農(nóng)田水利設計|優(yōu)勢特點|成功案例
興利除害是建設水利工程的初衷，但是水利工程一般都非常宏偉、建設時間長，工程所屬的流域范圍通常也很大，有的甚至跨越數(shù)個省份。因此，無論是工程建設初期的勘察、施工還是工程竣工后的維修和監(jiān)管，在時間和空間跨度上都會面臨諸多難題。而LiDAR具有能夠快速獲取三維地面信息且不需要大量地面控制點、不受天氣影響等優(yōu)點，在水利工作中勢必會發(fā)揮越來越重要的。
電子沙盤(electronicsandtable)是相對于傳統(tǒng)的實物沙盤(materialsandtable)模型而言的，也稱為數(shù)字沙盤(digitalsandtable)或虛擬沙盤(virtualsandtable)，又稱三維GIS。電子沙盤是集地理信息系統(tǒng)、計算機、虛擬現(xiàn)實、可視化技術和多媒體技術于一體的高新技術產(chǎn)品，為使用者提供一個實時、可交互操作的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。它不僅可以察看真實的地形地貌，并且具有易于加工處理、在一定的分辨率范圍內(nèi)可以任意縮放等諸多優(yōu)點。電子沙盤不僅能夠使公眾對工程進行更全面和更直觀地了解，還可以為決策者提供依據(jù)和參考。
電子沙盤是基于影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型以及其他矢量數(shù)據(jù)設計的，而這正是LiDAR的長處，因為LiDAR不僅能夠獲得高精度的數(shù)碼影像，而且能夠快速獲取高精度的DEM。電子沙盤的制作原理是，首先對DEM、遙感影像等進行處理并對地物模型進行制作和疊加，然后在GIS平臺基礎上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)相關分析功能。
電子沙盤在水利中的應用前景十分廣闊，我國已建成了7大流域的電子沙盤。根據(jù)LiDAR獲得的高精度DEM和DOM，可以在ARCGIS軟件中制作了江河的電子沙盤，如圖4-1所示。電子沙盤不僅可以通過漫游瀏覽流域的水系和河道信息，還可以獲得等高線、河道剖面圖和坡度坡向等信息，并可直接進行量測，融合矢量數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)后還可以提供進一步的查詢功能。
圖 河流電子沙盤
LiDAR在工程建設和建成后的管理中都能發(fā)揮較好的作用，主要包括：
1）工程勘測
水利工程很多都建在較為偏僻的地方，地形非常復雜，交通和通訊條件有時也不理想，給測量工作帶來很大困難。這時，勘測人員可以通過LiDAR獲得的分辨率優(yōu)于0.2米的正射影像圖清晰地判讀測區(qū)的地物屬性，將DEM和激光點云生成的等高線套合來進行分析計算，可以確定大壩的位置及建設高度，并能模擬庫區(qū)淹沒范圍。
2 )建設環(huán)境評估
LiDAR獲得的高分辨率正射影像，結合點云可以進一步進行水體、植被和地形的提取分析，可用于工程的建設環(huán)境評估。
3)工程建設三維可視化管理
大型水電站的建設周期很長、技術復雜，設計方案的專業(yè)性也較強，因此整個項目的設計、施工、監(jiān)理、管理等各個環(huán)節(jié)和部門的有效的協(xié)調(diào)、配合非常重要。開發(fā)一個基于電子沙盤的三維大型水電站管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)項目設計的可視化和施工進度的直觀化，為項目的管理提供一個有效的支撐平臺，以提高工程設計、施工和管理的效率。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)水電站基礎空間數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)的管理、水電站設施的三維仿真、工程建設進度的三維模擬、工程測量以及庫區(qū)淹沒分析和庫容計算等。系統(tǒng)為大型水利設施開工、建設、管理和決策提供強有力的技術支持，決策者可以更為直觀、宏觀地了解整個大壩的規(guī)劃建設情況。
4)建成后的信息化管理
工程建成后，融合了地理信息數(shù)據(jù)和水利專題數(shù)據(jù)的電子沙盤可以實現(xiàn)對工程的信息化管理。水利工程的選址對水流、地形地勢等都需認真考慮，可以根據(jù)某河道的點云提取了DEM，如圖所示，根據(jù)高精度的DEM輔以等高線和剖面分析等手段，可以進行工程的優(yōu)化選址。
圖 LiDAR用于工程的優(yōu)化選址
對江河流域的險情評估需要建立在真實準確的基礎數(shù)據(jù)上， LiDAR數(shù)據(jù)可以協(xié)助我們分析植被的覆蓋生長情況；堤壩和山體的坡度；堤壩險情分析評估；分水線和流向分析等；從點云可以分析出準確植被高、植被冠和植被范圍等信息，為江河流域的生態(tài)環(huán)境評估提供準確的數(shù)據(jù)基礎。堤壩和山體的坡度統(tǒng)計分析可以有利于對險情做出評估。數(shù)字高程模型與江河流域的水情、雨情和所在地區(qū)的人文和經(jīng)濟信息相結合還可用于預測全國和局部流域的洪水發(fā)展趨勢、洪水淹沒范圍、淹沒損失。這些預測可以幫助我們在物資貯備人員配置和救災措施等方面預先做好準備以縮短救援時間減少災害損失。
圖 激光點云精確獲取地物坐標和高度
激光點云可以清晰表示出建筑、樹木和地表，提供了可直接從三維點云獲取坐標信息，制作專題地圖提供基礎數(shù)據(jù)。
通過數(shù)字高程模型可以協(xié)助進行淹沒分析，對指導防災減災提供決策的基礎數(shù)字數(shù)據(jù)。
圖 坡度和橫斷面
通過數(shù)字高程模型可以協(xié)助進行地形坡度的測量，斷面測量，距離測量，對指導防災減災提供決策和改造的基礎數(shù)字數(shù)據(jù)。
圖 流域面與合水線提取
數(shù)字高程模型可以協(xié)助我們分析地形的流域面積以及匯水線，為防災救災提供水流的匯集路線。針對性的進行治理。
過去河堤的測繪常常采用全站儀作業(yè)的方法，但這需要地面控制點，而且效率低，更重要的是，河流的岸線一般都很長，在地形復雜地區(qū)，全站儀很難順利作業(yè)，而LiDAR不需要大量地面控制點，能夠快速獲取流域三維信息，是傳統(tǒng)方法難以企及的。LiDAR不僅能夠進行沿岸堤防的檢查，還可以用來進行地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢變化、地質構造和斜坡特征等剖面分析，可以對任意方向上的兩點根據(jù)其所在的等高線表示的差值和平距計算坡度，能夠進行表面面積和挖填方量的計算。對于規(guī)則的堤防，還可以通過建模獲得較為準確的三維信息。
如圖4-3所示為右江的原始LiDAR數(shù)據(jù)，圖4-4為利用Terrasolid提取的大堤剖面設計參數(shù)。由于堤防的設計要考慮地形、地質和堤基等，所以LiDAR不僅能夠用于堤防的設計，還能為堤防的檢修和維護提供依據(jù)，因此，LiDAR在堤防的設計與維護中具有重要的應用價值。
圖 右江堤壩點云數(shù)據(jù)
圖 堤壩的剖面設計參數(shù)
電子沙盤可以用于農(nóng)田水利設計，將右江某堤防附近農(nóng)田的LiDAR數(shù)據(jù)制作成了電子沙盤，并在ARCGIS中繪制了農(nóng)田水利設計示意圖，如圖4-5所示。LiDAR在農(nóng)田水利中的具體應用如下：
（1）選擇灌溉方式：灌溉方式的選擇要考慮地形，而電子沙盤可以再現(xiàn)三維地形場景；（2）管道布置：DOM可以進行地物的識別，為農(nóng)田水利中渠系管道的布置提供參考，而且DEM也會在復雜地形的管網(wǎng)布置中發(fā)揮獨特的作用；
（3）水力計算：灌溉對水源水位及水量都有要求，確定灌溉取水方式時要滿足灌溉所需要的控制高程，而電子沙盤中的斷面量測、坡度和坡向分析功能可以為灌溉中水頭損失的計算提供依據(jù)；
（4）土地利用結構設計：對于灌區(qū)土地利用結構設計，應根據(jù)控制范圍內(nèi)的地形、地貌特點，電子沙盤也能為此提供參考。
圖 電子沙盤用于農(nóng)田水利設計
與傳統(tǒng)測量方法比較，機載LiDAR技術用于水利工程的突出特點和顯著進步有：1. 作業(yè)環(huán)境的適應范圍更廣。尤其對于植被茂密以及無人區(qū)，傳統(tǒng)立體航測由于無法布設像控往往無法進行，人工外業(yè)工測也是很難進入，但對于機載LiDAR而言，則無須此顧慮；2. 測量精度更高。尤其是對于植被覆蓋較多地區(qū)，由于激光具有一定的穿透能力，能夠獲取到更高精度的地形表面數(shù)據(jù)，航空攝影測量作業(yè)方法需要作業(yè)人員估計樹高，方可獲取到地形表面數(shù)據(jù)，因此其測量誤差較大，尤其是高程精度；
3. 水利行業(yè)建設更加精確，投資精細控制，有效減少森林砍伐、農(nóng)田占用、房屋拆遷及洪水淹沒等，最大限度避免水利矛盾。高精度DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)以及激光點云數(shù)據(jù)的支持，使得對地形地物的判讀、空間信息的量測與獲取更加準確和便捷，諸如房高、樹高以及流域面積等信息可借助激光點云數(shù)據(jù)方便地自動提取，有利于在水利建設過程中對一些重要地物的避讓，譬如公路、村莊、規(guī)劃區(qū)、廟宇、榕樹、礦區(qū)等，設計人員能夠更加精確細致地進行控制，更加精細地控制工程投資；
4.水利建設效率更高。機載激光雷達數(shù)據(jù)處理自動化程度更高，無須進行航外業(yè)像控測量。三維場景更加逼真，可方便進行全線漫游以及多視角觀察，便于整體把握項目。
