3S技術(shù)在水文與水資源工程上的應(yīng)用分析

史偉彥

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水文水資源工程也逐漸朝著新的目標(biāo)邁進(jìn)，對(duì)水文水資源工程技術(shù)的要求也越來(lái)越高。3S技術(shù)是水文水資源工程領(lǐng)域最先進(jìn)、最有效的管理和應(yīng)用技術(shù)。它不僅可以進(jìn)行水文自動(dòng)檢測(cè)，而且對(duì)保證水資源工程的整體質(zhì)量起到一定的作用。

關(guān)鍵詞：3S技術(shù)；水文；水資源工程；應(yīng)用

1 前言

3S技術(shù)即地理信息系統(tǒng)，遙感技術(shù)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的統(tǒng)稱。3S技術(shù)在上世紀(jì)90年代初被提出，至今發(fā)展已接近30年，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、智慧城市等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著信息技術(shù)的不斷普及和大眾需求的增加，3S技術(shù)發(fā)展方興未艾。

2 基本概念

2.1 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理與分析的一種空間信息系統(tǒng)，由人員、數(shù)據(jù)、硬件、軟件和過(guò)程五部分組成。GIS作為一門(mén)交叉學(xué)科，綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測(cè)繪科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的成果。隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其在政府、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)及科學(xué)研究等方面取得廣泛應(yīng)用。

2.2 遙感

遙感即在遠(yuǎn)距離或高空利用傳感器采集地物輻射的電磁波譜信息，根據(jù)地物產(chǎn)生的波譜信息進(jìn)行地物識(shí)別、分析與應(yīng)用。衛(wèi)星遙感可根據(jù)采集的電磁波段分為可見(jiàn)光遙感、紅外遙感、多譜段遙感、紫外遙感和微波遙感；根據(jù)傳感器平臺(tái)，其可分為地面遙感、航空遙感和航天遙感。遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于氣象觀測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、生態(tài)資源、地圖測(cè)繪及軍事偵察等領(lǐng)域。

2.3 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷等數(shù)據(jù)對(duì)地面進(jìn)行點(diǎn)位觀測(cè)的一種技術(shù)。GNSS在政治、經(jīng)濟(jì)及國(guó)防等領(lǐng)域有著重大意義，是國(guó)家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。中國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GalileoSatelliteNavigationSystem）之后的第四個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。除軍事應(yīng)用以外，GNSS技術(shù)也在交通運(yùn)輸、氣象、個(gè)人位置服務(wù)、應(yīng)急救援等民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。

2.4 3S技術(shù)集成

GIS、RS和GNSS結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)彼此的不足，3S的集成應(yīng)用分為GPS與RS的結(jié)合、RS與GIS的集合和GPS與RS的兩兩結(jié)合和三者的集成應(yīng)用，其中三者的集成應(yīng)用成為人們追求的目標(biāo)。早前的3S集成應(yīng)用基本處于系統(tǒng)間相互調(diào)用功能的基礎(chǔ)階段，目前3S集成向一體化系統(tǒng)發(fā)展，利用GNSS快速獲取地面實(shí)時(shí)位置信息，RS為應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢與分析。“3S”集成具有重大意義，也具有相當(dāng)難度，集成方式多種多樣，宜從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從低成本到高成本，關(guān)鍵在于要找到它的應(yīng)用市場(chǎng)。

3 3S技術(shù)在水文與水資源工程中的實(shí)際運(yùn)用

3.1 對(duì)斷層中地下水進(jìn)行分析

按照水文地質(zhì)的相關(guān)理論，可以判斷出斷層富水程度和斷層巖石類型及斷層力學(xué)性質(zhì)、規(guī)模、活動(dòng)性等有直接的關(guān)系。根據(jù)斷層力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，張性與張扭性斷層的結(jié)構(gòu)十分疏松，而且多有空隙，具有很強(qiáng)的透水性與含水性，屬于富水?dāng)鄬?。?duì)可溶性與非可溶性的巖石判斷，會(huì)影響含水帶寬度，斷層如果具備含水的條件，即為富水?dāng)鄬?。根?jù)斷層活動(dòng)性來(lái)分析，非活動(dòng)性斷層不論壓性與張性，破碎帶被填充產(chǎn)生膠結(jié)或固結(jié)，都可以判斷為非富水?dāng)鄬?。根?jù)以上原則，應(yīng)用GIS進(jìn)行斷層富水的分析，按照翻譯的成果與地質(zhì)構(gòu)造，把斷層根據(jù)力學(xué)性質(zhì)分成張性與張扭性斷層、壓性和壓扭性斷層，判斷是否是富水?dāng)鄬?。?gòu)建壓性和壓扭性的斷層、與性質(zhì)不明的斷層10m緩沖區(qū)，把斷層線轉(zhuǎn)變成區(qū)，和巖性遙感的解譯圖分析空間疊加，來(lái)獲得斷層10m巖性信息。把斷層10m緩沖區(qū)巖性信息輸出，根據(jù)判斷原則來(lái)分析出斷層富水性。判斷原則為若碳酸鹽巖石大于斷層10m的緩沖區(qū)一半，就可以判斷出斷層是富水?dāng)鄬?，相反就是非富水?dāng)鄬?，在GIS中可以實(shí)現(xiàn)可視化。

3.2 對(duì)碳酸巖含水程度的分析

①需要充分的分析出碳酸鹽巖中的含水量與巖層的厚度、巖性以及巖層裂縫的發(fā)育程度，通常情況下通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察與GIS技術(shù)對(duì)碳酸鹽巖石的性質(zhì)進(jìn)行分析的同時(shí)還可以分析出地層的厚度與碳酸鹽巖斷裂的程度，根據(jù)碳酸鹽巖層的分析能夠有效分析出巖層的含水量與巖層的實(shí)際結(jié)構(gòu)與情況，這樣一來(lái)就可以為水文與水資源工程的進(jìn)行提供相應(yīng)的基礎(chǔ)保障。②根據(jù)GIS技術(shù)對(duì)于碳酸鹽巖的實(shí)際分析可以確定供水性能與地下巖層的實(shí)際數(shù)據(jù)信息并計(jì)算出碳酸鹽巖的溶隙密度。將已經(jīng)分析出的數(shù)據(jù)結(jié)果與相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)，以便能夠確保現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息可以為水文與水資源工程的進(jìn)行提供保證。③根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示碳酸鹽巖的溶隙密度若高于巖層溶隙密度的平均值就可以形成含水量較大的含水層。

3.3 在地形測(cè)量設(shè)備中3S技術(shù)的作用

首先針對(duì)水文與水資源進(jìn)行分析，在實(shí)際分析的過(guò)程中可以將水資源的實(shí)際數(shù)據(jù)信息與相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)，以便能夠確保實(shí)際水質(zhì)可以為水文與水資源工程的進(jìn)行提供基礎(chǔ)保障。其次需要通過(guò)地形測(cè)量設(shè)備對(duì)水下地形繪制出相應(yīng)的水下地形圖而后通過(guò)飛機(jī)定位以及深度測(cè)量，在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中可以通過(guò)RTK技術(shù)與回聲測(cè)探儀進(jìn)行測(cè)量從而能夠完成測(cè)量工作，以便可以為接下來(lái)的工作打下良好的基礎(chǔ)。

4 問(wèn)題與探討

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：受遙感衛(wèi)星不同傳感器影響，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)空間、時(shí)間及輻射分辨率的不統(tǒng)一，而目前還沒(méi)有能夠較好兼容不同數(shù)據(jù)的方法。另外，柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)擁有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，綜合柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、兼容不同數(shù)據(jù)的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，是3S技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。（2）提升數(shù)據(jù)精度：現(xiàn)階段GNSS技術(shù)大多只能用于室外定位，室內(nèi)定位技術(shù)還未取得突破性進(jìn)展，難以滿足室內(nèi)高精度應(yīng)用需求；目前的定位信息大多為二維坐標(biāo)信息，在像重慶這樣的山地城市中往往不能提供精確的導(dǎo)航服務(wù)，因此加入準(zhǔn)確的高程信息有助于解決這一問(wèn)題。另外，提升遙感數(shù)據(jù)和GIS模型的精度，有助于將3S技術(shù)應(yīng)用到更多精細(xì)化領(lǐng)域。（3）多學(xué)科整合：3S技術(shù)作為一門(mén)多學(xué)科交叉技術(shù)，不僅需要做到三者的內(nèi)部整合，還需要與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、大數(shù)據(jù)等眾多領(lǐng)域深度結(jié)合。目前國(guó)內(nèi)的3S主要集中于科研應(yīng)用方向，對(duì)3S集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作還有待加強(qiáng)，而構(gòu)建3S系統(tǒng)需要相關(guān)人員不僅具備3S技術(shù)知識(shí)，還應(yīng)有計(jì)算機(jī)軟硬件等各方面背景，因此應(yīng)該加強(qiáng)培養(yǎng)多學(xué)科高素質(zhì)復(fù)合型人才，為3S技術(shù)的發(fā)展提供充足的人才儲(chǔ)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

水資源無(wú)論是在生產(chǎn)活動(dòng)中，還是在人們?nèi)粘Ｉ钪芯袚?dān)著至關(guān)重要的作用。水資源作為人類賴以生存的主要資源之一，其自身的發(fā)展水平直接關(guān)系到人們的生活質(zhì)量。在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，社會(huì)各類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水資源量和水環(huán)境的影響較為突出，這不僅會(huì)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成影響，還會(huì)為我國(guó)的水資源利用率造成較大影響。由此可見(jiàn)，針對(duì)水資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，宣傳節(jié)水意識(shí)的重要性。

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