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水利

電子沙盤的制作|建設(shè)與管理|防洪抗災(zāi)｜河道治理｜農(nóng)田水利設(shè)計(jì)|優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)|成功案例

興利除害是建設(shè)水利工程的初衷，但是水利工程一般都非常宏偉、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，工程所屬的流域范圍通常也很大，有的甚至跨越數(shù)個(gè)省份。因此，無論是工程建設(shè)初期的勘察、施工還是工程竣工后的維修和監(jiān)管，在時(shí)間和空間跨度上都會(huì)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(diǎn)、不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，在水利工作中勢(shì)必會(huì)發(fā)揮越來越重要的。   

1、電子沙盤的制作    

電子沙盤(electronicsandtable)是相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)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(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化技術(shù)和多媒體技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，為使用者提供一個(gè)實(shí)時(shí)、可交互操作的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。它不僅可以察看真實(shí)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(diǎn)。電子沙盤不僅能夠使公眾對(duì)工程進(jìn)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(shè)計(jì)的，而這正是LiDAR的長(zhǎng)處，因?yàn)?/span>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(duì)DEM、遙感影像等進(jìn)行處理并對(duì)地物模型進(jìn)行制作和疊加，然后在GIS平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析功能。   

電子沙盤在水利中的應(yīng)用前景十分廣闊，我國(guó)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(jìn)行量測(cè)，融合矢量數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)后還可以提供進(jìn)一步的查詢功能。

  圖 河流電子沙盤    

2、工程建設(shè)與管理    

LiDAR在工程建設(shè)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(cè)    

水利工程很多都建在較為偏僻的地方，地形非常復(fù)雜，交通和通訊條件有時(shí)也不理想，給測(cè)量工作帶來很大困難。這時(shí)，勘測(cè)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(cè)區(qū)的地物屬性，將DEM和激光點(diǎn)云生成的等高線套合來進(jìn)行分析計(jì)算，可以確定大壩的位置及建設(shè)高度，并能模擬庫(kù)區(qū)淹沒范圍。    

2 )建設(shè)環(huán)境評(píng)估    

LiDAR獲得的高分辨率正射影像，結(jié)合點(diǎn)云可以進(jìn)一步進(jìn)行水體、植被和地形的提取分析，可用于工程的建設(shè)環(huán)境評(píng)估。   

3)工程建設(shè)三維可視化管理    

大型水電站的建設(shè)周期很長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計(jì)方案的專業(yè)性也較強(qiáng)，因此整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、管理等各個(gè)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(gè)基于電子沙盤的三維大型水電站管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可視化和施工進(jìn)度的直觀化，為項(xiàng)目的管理提供一個(gè)有效的支撐平臺(tái)，以提高工程設(shè)計(jì)、施工和管理的效率。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水電站基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理、水電站設(shè)施的三維仿真、工程建設(shè)進(jìn)度的三維模擬、工程測(cè)量以及庫(kù)區(qū)淹沒分析和庫(kù)容計(jì)算等。系統(tǒng)為大型水利設(shè)施開工、建設(shè)、管理和決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，決策者可以更為直觀、宏觀地了解整個(gè)大壩的規(guī)劃建設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)工程的信息化管理。水利工程的選址對(duì)水流、地形地勢(shì)等都需認(rèn)真考慮，可以根據(jù)某河道的點(diǎn)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(jìn)行工程的優(yōu)化選址。

 圖 LiDAR用于工程的優(yōu)化選址    

3、防洪抗災(zāi)    

對(duì)江河流域的險(xiǎn)情評(píng)估需要建立在真實(shí)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)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(zhǎng)情況；堤壩和山體的坡度；堤壩險(xiǎn)情分析評(píng)估；分水線和流向分析等；從點(diǎn)云可以分析出準(zhǔn)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(píng)估提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。堤壩和山體的坡度統(tǒng)計(jì)分析可以有利于對(duì)險(xiǎn)情做出評(píng)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(jì)信息相結(jié)合還可用于預(yù)測(cè)全國(guó)和局部流域的洪水發(fā)展趨勢(shì)、洪水淹沒范圍、淹沒損失。這些預(yù)測(cè)可以幫助我們?cè)谖镔Y貯備人員配置和救災(zāi)措施等方面預(yù)先做好準(zhǔn)備以縮短救援時(shí)間減少災(zāi)害損失。

   圖 激光點(diǎn)云精確獲取地物坐標(biāo)和高度     

激光點(diǎn)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(diǎn)云獲取坐標(biāo)信息，制作專題地圖提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過數(shù)字高程模型可以協(xié)助進(jìn)行淹沒分析，對(duì)指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)提供決策的基礎(chǔ)數(shù)字?jǐn)?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(jìn)行地形坡度的測(cè)量，斷面測(cè)量，距離測(cè)量，對(duì)指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)提供決策和改造的基礎(chǔ)數(shù)字?jǐn)?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(zāi)救災(zāi)提供水流的匯集路線。針對(duì)性的進(jìn)行治理。    

4、河道治理    

過去河堤的測(cè)繪常常采用全站儀作業(yè)的方法，但這需要地面控制點(diǎn)，而且效率低，更重要的是，河流的岸線一般都很長(zhǎng)，在地形復(fù)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(diǎn)，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(jìn)行沿岸堤防的檢查，還可以用來進(jìn)行地貌形態(tài)、輪廓形狀、地勢(shì)變化、地質(zhì)構(gòu)造和斜坡特征等剖面分析，可以對(duì)任意方向上的兩點(diǎn)根據(jù)其所在的等高線表示的差值和平距計(jì)算坡度，能夠進(jìn)行表面面積和挖填方量的計(jì)算。對(duì)于規(guī)則的堤防，還可以通過建模獲得較為準(zhǔn)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(shè)計(jì)參數(shù)。由于堤防的設(shè)計(jì)要考慮地形、地質(zhì)和堤基等，所以LiDAR不僅能夠用于堤防的設(shè)計(jì)，還能為堤防的檢修和維護(hù)提供依據(jù)，因此，LiDAR在堤防的設(shè)計(jì)與維護(hù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。   

 圖 右江堤壩點(diǎn)云數(shù)據(jù)    

圖 堤壩的剖面設(shè)計(jì)參數(shù)    

5、農(nóng)田水利設(shè)計(jì)    

電子沙盤可以用于農(nóng)田水利設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)示意圖，如圖4-5所示。LiDAR在農(nóng)田水利中的具體應(yīng)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(chǎng)景；（2）管道布置：DOM可以進(jìn)行地物的識(shí)別，為農(nóng)田水利中渠系管道的布置提供參考，而且DEM也會(huì)在復(fù)雜地形的管網(wǎng)布置中發(fā)揮獨(dú)特的作用；    

（3）水力計(jì)算：灌溉對(duì)水源水位及水量都有要求，確定灌溉取水方式時(shí)要滿足灌溉所需要的控制高程，而電子沙盤中的斷面量測(cè)、坡度和坡向分析功能可以為灌溉中水頭損失的計(jì)算提供依據(jù)；    

（4）土地利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)于灌區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)控制范圍內(nèi)的地形、地貌特點(diǎn)，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(shè)計(jì)

6、優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)測(cè)量方法比較，機(jī)載LiDAR技術(shù)用于水利工程的突出特點(diǎn)和顯著進(jìn)步有：1. 作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)范圍更廣。尤其對(duì)于植被茂密以及無人區(qū)，傳統(tǒng)立體航測(cè)由于無法布設(shè)像控往往無法進(jìn)行，人工外業(yè)工測(cè)也是很難進(jìn)入，但對(duì)于機(jī)載LiDAR而言，則無須此顧慮；2.  測(cè)量精度更高。尤其是對(duì)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(cè)量作業(yè)方法需要作業(yè)人員估計(jì)樹高，方可獲取到地形表面數(shù)據(jù)，因此其測(cè)量誤差較大，尤其是高程精度；   

 3. 水利行業(yè)建設(shè)更加精確，投資精細(xì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的支持，使得對(duì)地形地物的判讀、空間信息的量測(cè)與獲取更加準(zhǔn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)方便地自動(dòng)提取，有利于在水利建設(shè)過程中對(duì)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(shè)計(jì)人員能夠更加精確細(xì)致地進(jìn)行控制，更加精細(xì)地控制工程投資；    

 4.水利建設(shè)效率更高。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度更高，無須進(jìn)行航外業(yè)像控測(cè)量。三維場(chǎng)景更加逼真，可方便進(jìn)行全線漫游以及多視角觀察，便于整體把握項(xiàng)目。