安徽數(shù)字長江信息系統(tǒng)一期工程研究與建設

1、收稿日期:2005-05-05基金項目:安徽省科技廳“十五”科技攻關資助項目(01013052作者簡介:吳永林,男,安徽省水利廳,高級工程師。文章編號:1001-4179(200602-0070-03安徽數(shù)字長江信息系統(tǒng)一期工程研究與建設吳永林1王山東2(1.安徽省水利廳,安徽合肥230022;2.安徽工業(yè)大學計算機學院,安徽馬鞍山243011摘要:安徽數(shù)字長江信息系統(tǒng)(一期工程是一套綜合管理長江安徽段河道,分析其演變規(guī)律、監(jiān)測河道變化及防洪工程安全的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)建立了規(guī)模龐大的安徽長江歷年水下地形與長江防洪工程數(shù)據(jù)庫;可進行河道斷面、深泓線、重心線的自動計算;能進行任意區(qū)域的資料查詢、圖形

2、套繪和沖淤量計算;以長江干堤為基準線,實現(xiàn)了地質(zhì)資料、險工險段、護坡護岸、涵閘等快速查詢與分析;采用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)了河道地形和全長江的動態(tài)三維表現(xiàn);利用G PS 、無線通訊技術實現(xiàn)對采砂船的實時監(jiān)控等。系統(tǒng)的運用將大大提高河床演變分析的效率和研究深度,更有效地為工程管理、防汛搶險以及沿江經(jīng)濟建設提供服務。關鍵詞:數(shù)字長江;信息系統(tǒng);工程管理;河道演變;虛擬現(xiàn)實中圖分類號:TP274文獻標識碼:A1研究背景從1998年1月美國副總統(tǒng)戈爾的數(shù)字地球演講到美國“數(shù)字地球”戰(zhàn)略計劃出臺,“數(shù)字”便以現(xiàn)代化的化身成為國際“現(xiàn)代化戰(zhàn)略”發(fā)展的核心問題,成為世界各國所關心的熱點問題。澳大利亞、美國、日本等

3、國家都紛紛啟動這一計劃?！皵?shù)字中國”的概念在中國也提到了重要的議程,并按照計劃逐步實施。與此同時,“數(shù)字北京”、“數(shù)字上海”、“數(shù)字海南”、“數(shù)字水利”、“數(shù)字黃河”等概念已從一個提法逐步發(fā)展到實施階段。安徽省位于長江下游,長江流經(jīng)安徽段長約416km ,流域面積6.6萬km 2。安徽長江干堤總長約771km ,共有29個防洪堤圈,保護著沿江7個省轄市、20個縣(市、5個國營農(nóng)場的約60萬hm 2耕地、1200多萬人口及工礦、交通、國防設施等。安徽省境內(nèi)長江共分為13個河段,河道尚未經(jīng)過全面系統(tǒng)的整治,崩岸頻繁發(fā)生,總長達300多千米,部分河段河勢不穩(wěn),直接影響防洪工程安全及港口碼頭、取水工程

4、等的安全運行。因此,做好河道監(jiān)控和河道演變分析是長江河道治理和防洪保安的重要工作內(nèi)容。1998年長江大水后,國家投入60多億元新建、加固了一大批防洪工程,江堤防洪能力顯著提高,面貌煥然一新,如何加強對已建防洪工程的監(jiān)管,確保工程安全運行,充分發(fā)揮工程效益,已成為一個十分迫切的問題。3S (GIS 、RS 、G PS 技術及計算機網(wǎng)絡技術、多維虛擬現(xiàn)實技術、數(shù)據(jù)壓縮技術的發(fā)展為長江數(shù)字化管理提供了必要條件。建國以來,安徽省積累了大量的長江河道水下測量資料,1998年以后采用G PS 定位系統(tǒng)進行河道地形測量,數(shù)字化成圖,大大提高了工作效率和測量精度,為利用計算機處理水下地形圖、河道演變分析等提供

5、了必要條件?；谝陨峡紤],安徽省水利廳與馬鋼集團設計研究院合作,研究開發(fā)了安徽數(shù)字長江信息系統(tǒng)(一期工程。2001年8月,該項目被安徽省科技廳確定為安徽省“十五”科技攻關項目。2系統(tǒng)研究的目標安徽數(shù)字長江信息系統(tǒng)(一期工程的研究目標是建立一套綜合管理長江安徽段河道,分析其演變規(guī)律,監(jiān)測河道變化及防洪工程安全的軟件系統(tǒng),本系統(tǒng)將長江安徽段河道與沿江各類水利工程資料進行數(shù)字化處理,建立安徽長江歷年水下地形與水利工程數(shù)據(jù)庫,使安徽段長江信息數(shù)字化、系統(tǒng)化、可視化,開發(fā)出從水下測量到河道演變分析系列軟件。系統(tǒng)能夠進行河道斷面、包絡線、深泓線、重心線的自動計算,能進行任意區(qū)域的資料查詢、圖形套繪和沖淤量

6、計算,并具備河道演變趨勢分析功能等,解決了傳統(tǒng)理論、方法難以解決的一系列問題。系統(tǒng)利用G PS 、無線通訊技術等初步建立了河道監(jiān)管系統(tǒng)等,進一步提高工作效率和管理水平,促進水利管理工作的科學化、規(guī)范化和現(xiàn)代化。3系統(tǒng)結構系統(tǒng)以河道地形為核心,長江干流堤防為基線,實現(xiàn)了水利工程與涉河信息管理的一體化,如圖1。系統(tǒng)的具體模塊有系統(tǒng)管理、區(qū)域概況、工程管理、圖形處理、沖淤分析、圖檔管理、動態(tài)三維、G PS 監(jiān)控等。整個系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡,把地理空間、汛情、工情等各種信息有機地結合到一起,并用各種生動直觀的方式予以表達。系統(tǒng)可視化程度高、人機界面友好。本系統(tǒng)為了與現(xiàn)有系統(tǒng)保持一致,GIS 采用ESRI

7、 公司的產(chǎn)品,數(shù)據(jù)采集采用AutoC AD 、ArcGIS ,虛擬現(xiàn)實采用Varmap ,開發(fā)軟件主要為Delphi 、VC +,數(shù)據(jù)庫管理以Oralce +ArcS DE 對空第37卷第2期人民長江V ol.37,N o.22006年2月Y angtze River Feb.,2006間與屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,軟件系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程主要是以基礎數(shù)字化測量為數(shù)據(jù)源,以DE M 、專題圖制作為主要加工方式;成果統(tǒng)一存放在關系數(shù)據(jù)庫中;上層基于基礎數(shù)據(jù)和各種計算模型,采用可視化界面進行分析計算,并能輸出計算結果。系統(tǒng)采用B S 與C S 兩種方式,B S 主要是表現(xiàn)各種以文字、多媒

8、體等形式出現(xiàn)的管理、工情、水情等一般性資料;C S 主要側(cè)重三維圖形的采集、制作、分析與表現(xiàn)。4系統(tǒng)建設的主要內(nèi)容4.1建立空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立了沿江堤防、水閘、護岸、泵站等各類水利工程以及河道地形、工程地質(zhì)等數(shù)據(jù)庫,采用了C S 和B S 兩種結構形式,C S 結構采取各類工程與電子地圖相結合,能快速準確地查找各類工程位置及相關屬性資料。如:對于堤防工程,能方便地查找任意斷面的堤防樁號、堤防斷面型式、堤頂高程、地質(zhì)資料以及所在堤圈的名稱、長度、等級、保護人口和面積等;對于大中型涵閘,能查閱該工程卡片,詳細了解其設計情況、運用情況和管理情況等,小型涵閘能查閱涵閘名稱、所在堤防及樁號、管理單位等,

9、并可自動定位到地圖上。電子地圖上對每個護岸段都進行了標注,切割任意護岸段,都能查找護岸工程名稱、施工時間、工程范圍、工程量、經(jīng)費等,這為河道監(jiān)測及河道整治規(guī)劃、設計等都提供了有效手段。此外,本系統(tǒng)已將安徽省建國以來約1萬張不同比例的水下地形圖進行數(shù)字化處理,并進行了科學地分類管理,調(diào)用非常方便,為河道監(jiān)測和河床演變分析提供了有利的條件。4.2沖淤計算與河演分析本系統(tǒng)可以對任意選定范圍的河道進行沖淤量計算,解決了手工計算工作量大且大多只能定性分析的問題,可以對整個河段甚至整個安徽段的長江河道多年來的沖淤變化量進行計算,研究沖淤變化規(guī)律和趨勢,通過局部河床的沖淤量計算,可對沿江取水口、碼頭等的選址

10、及安全運用提出合理化建議。系統(tǒng)可以對任意測次水下地形圖進行縱橫斷面切割和套繪、任意等高線的平面套繪,可以自動計算深泓線、包絡線、重心線等,大大提高了河道演變分析計算的速度和精度,為研究河道特征及其演變規(guī)律提供了有效手段,使研究分析更深入、細致。4.3G PS 監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)運用G PS 技術與電子地圖相結合,對安徽長江干流實現(xiàn)了自動定位和監(jiān)控,為工程管理、防汛搶險、河道采砂監(jiān)管等提供了準確便捷的手段。汛期查險時,系統(tǒng)用G PS 采集出險點的坐標,即可在電子地圖上查到出險點對應的堤防樁號、地質(zhì)資料、堤防斷面、護岸、護坡及防滲處理工程等情況, 可大大提高報險的準確性,為制定科學搶險方案提供決策支持

11、,為組織防汛搶險爭取時間。系統(tǒng)運用G PS 監(jiān)控系統(tǒng)能有效地對長江河道采砂進行監(jiān)控。首先建立監(jiān)控GIS 數(shù)據(jù)庫,對采砂船只的運行軌跡全部記錄在監(jiān)控中心的管理系統(tǒng)中,當采砂船越界采砂時,系統(tǒng)將自動報警,并可以把采砂船的所有航跡記錄下來,管理部門可根據(jù)其違規(guī)記錄做出相應處罰。4.4網(wǎng)站建設網(wǎng)站內(nèi)容基本涵蓋了安徽省長江河道管理各方面的資料和相關成果。采用了文字、表格和圖片等多種形式將各類水利工程進行分類、匯總,C S 結構中的相關計算成果可通過網(wǎng)絡發(fā)布。網(wǎng)站的主要內(nèi)容包括:(1長江流域和安徽長江概況。包括沿江社會、經(jīng)濟、文化圖1系統(tǒng)地理參照與功能結構圖2軟件系統(tǒng)組成17第2期吳永林等:安徽數(shù)字長江信

12、息系統(tǒng)一期工程研究與建設等情況。(2水利工程。以文字、表格和圖片形式,介紹安徽長江堤防、涵閘、護岸、護坡、泵站及垂直防滲等工程情況,還可對各類工程進行統(tǒng)計檢查。(3河道湖泊。包括河道、江心洲、外灘圩、沿江湖泊、水文泥沙、河道演變情況等。(4水利管理。包括管理機構、涉河項目管理、河道采砂、水土資源、堤防綠化、錐探灌漿、白蟻防治等。(5長江防汛。包括防汛機構、防汛器材、防汛道路等。(6法律法規(guī)。包括涉及水利管理方面的法律法規(guī)。4.5虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術是人們利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環(huán)境,它將模擬環(huán)境、視景系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)合三為一。通過20多年的研究探索,虛擬現(xiàn)實技術目前已在經(jīng)濟、文化、軍事等

13、領域廣泛運用。安徽長江段兩岸地形高低起伏、河道沖淤變化較大,運用虛擬現(xiàn)實技術對不同測次的水下地形通過三維動態(tài)變化,可直觀地反映河道沖淤變化的過程。DE M(數(shù)字高程模型是河道虛擬現(xiàn)實的基礎。本次通過對河道不同時期的DE M表現(xiàn)、處理及比較,能形成基礎地形、坡度、沖淤量、沖淤量變化值的三維表達。本系統(tǒng)中長江陸上地形是以110萬基礎地圖為數(shù)據(jù)源制作的DE M,以衛(wèi)星遙感圖像為貼圖,疊加堤防、橋梁等設施。河道地形是以11萬水下測圖資料為基礎制作的DE M,系統(tǒng)能實現(xiàn)飛行、縮放等操作。動態(tài)三維是根據(jù)兩個DE M之間的變化,求出任意格網(wǎng)點某一時段的變化。系統(tǒng)能對不同測次的水下地形通過三維動態(tài)變化,直觀地

14、反映河道沖淤變化的過程。系統(tǒng)通過將沿江的衛(wèi)星遙感資料與河道實測水下地形資料相結合,實現(xiàn)了沿長江安徽段及某個河段的三維飛行,給人以身臨其境的感覺。5結語2003年9月,本系統(tǒng)基本研制完成,并投入了運行。系統(tǒng)在長江河道管理、河道演變分析、采砂規(guī)劃、河道整治工程設計、涉河項目的防洪評價等方面得到了廣泛運用。用戶反映本系統(tǒng)能夠快捷地查尋各類水利工程和河道信息,方便地調(diào)用各年次的水下測圖進行沖淤量計算和圖形套繪,大大提高了工程管理、工程設計、河道演變及崩岸預測、研究咨詢等方面的工作效率和研究深度,同時節(jié)約了大量的時間和人力,降低了成本。在運用中,用戶也提出了一些改進意見,系統(tǒng)相應地進行了修改。2004年

15、10月,該項目通過了安徽省科技廳組織的成果鑒定。本期工程由于受時間、經(jīng)費等條件限制,系統(tǒng)采集的資料還不夠完整,如工程地質(zhì)、堤防竣工資料等,有些研究還有待深入,在下期工程中進一步研究完善,如:本期工程主要研究的是長江干流,下階段計劃將安徽省長江流域內(nèi)的重要支流、湖泊、水庫等納入研究范圍,并結合防汛減災,研制安徽省沿江的災情預測、風險評估等系統(tǒng),此外,還可以將本系統(tǒng)與水文、河流泥沙等數(shù)學模型相結合,更深入地分析研究河床演變規(guī)律等。(編輯:常漢生(上接第69頁撇洪渠效果十分顯著,運行良好,成功地將撇洪區(qū)內(nèi)來水引入河道,水流平順,未發(fā)生沖刷現(xiàn)象。表3耒中庫區(qū)淹沒損失和移民安置主要指標項目不防護耕地hm

16、2水塘hm2人口人房屋m2公路km公路橋(m座人行橋(m座渡口處碼頭處泵站(kW座合計361.6 4.5129511113909.06267420194748218灶市辦事處21.856121462 2.011401泗門洲鎮(zhèn)262.2 4.11503660087.05255612717366.513水東江辦事處320.446616632312237.52黃市鎮(zhèn)31.62710156382南陽鎮(zhèn)143947288157421項目防護后耕地hm2水塘hm2人口人房屋m2公路km公路橋(m座人行橋(m座渡口處碼頭處泵站(kW座合計48.70.2312667617 1.7505651316474821

17、8灶市辦事處0.41060711401泗門洲鎮(zhèn)35.10.23916395 1.74045010717366.513水東江辦事處 5.7613362942237.52黃市鎮(zhèn) 1.222710126382南陽鎮(zhèn) 6.2180321153421排漬站按10a一遇3d暴雨(180.19mm3d內(nèi)排至水稻耐淹深度100mm設計,日開機定為20h設計,設計外河最高水位為外河10a一遇回水位,設計最低外河水位為庫區(qū)正常水位回水位。設計比選了兩種方案:排漬泵站采用傳統(tǒng)濕式型泵房,即泵站機組的水泵和電機是分體的,水泵安裝在水泵層,電動機在電機層;排漬站采用潛水軸流泵。這種泵站是國家“九五”科技推廣項目,優(yōu)點是:結構簡單,土建工程量小,比第1種方案節(jié)省636.17萬元,機組安裝、更換簡單,工期縮短50%,缺點是機組維修需到廠家,較為不便。已經(jīng)過2a多的運行,排漬站運行情況較好,10個防護區(qū)的雨洪水都能及時排出,未造成內(nèi)澇,達到了設計目的。5水庫淹沒影響及移民安置耒中庫區(qū)采取防護后尚有一定淹沒損失和控壓損失,具體見表3。需安置移民1266人,分布在16個村,84個組。通過