淺析遙感技術在水利工程建設中的應用

梁 亮

(南昌市水利規劃設計院，南昌 330000)

0 引 言

我國大江大河與湖泊分布眾多，是水利工程建設大國，水利建設對維護國計民生安全、生態環境健康演替具有重要意義[1]。工程區基礎測繪是水工建設的先行工作，以全站儀、RTK為代表的測點測量方法能夠獲取局地精確地形環境信息，然而其外業工作強度大、周期性長、面域精度低的劣勢明顯，不利于工程建設的細致設計。隨著科學技術迅速發展，呈現出多光譜、高光譜、雷達、激光掃描、InSar等多類型、多平臺遙感技術，它們在水工建設中取得良好應用，并發揮出一定優勢[2-3]。

1 遙感技術在水利工程中的應用

1.1 遙感技術流程

遙感(Remote Sensing)遠距離或非接觸目標物體情況下，通過傳感器接收地物的輻射、反射波普信息，并按照一定技術方法進行提取、處理、判別分析后識別或反演地物信息的一門科學技術[4-5]。自從20世紀中以期航空攝影技術為基礎的遙感技術起步以來，遙感向著多平臺、寬波段、高光譜、高精度高時效的方向發展，在地理資源調查、環境監測、地表生態過程、水資源、地質地貌、均取得良好應用。遙感技術在應用過程中主要分為以下步驟：

1)信息接收。自然界中物體發射或反射的電磁波信息是遙感的信息源，傳感器中的感光設備能夠捕捉這種電磁波信息，并將其記錄下來。

2)信息轉換與傳輸。輻射信息通過光電轉換成為電信號或圖像信息，通過地基接收站將電信號傳送到地面，以便室內分析。

3)信息處理。原始遙感信息包含很多噪聲或異常信息，需要通過信號或圖像處理手段優化處理，包含大氣校正、輻射變換、空間濾波、圖像增強等。

4)信息解譯。先根據實地踏勘與影像比對獲取信息解譯的先驗知識，再根據影像幾何、紋理等特征通過目視解譯結合計算機判別的方法識別目標地物。

1.2 遙感技術在水利工程中應用

1)工程區基礎背景測繪：

工程區環境背景精細測繪是水利工程建設的先導，主要摸清工程地的水文特征、地質狀況、地表環境、地形地貌特點，從而為施工可行性、施工難度、工程損耗等的估算提供必需資料。當前主要運用數字攝影測量、三維激光掃描、雷達技術結合GIS、GPS系統實現對面域的非接觸、自動化、高密度測量，從而構建工程區三維環境模型。特別是激光雷達技術在地形測量中的應用，避免了野外實地RTK精確測量所需人力時間消耗和測點密度稀疏造成的估算誤差。該技術特別適宜在偏僻、可達性低的工程區，可以解決傳統測量帶來的工作危險，并一定程度上減小技術人員工作強度、提高工作效率。該類遙感技術提供的測量成果能夠以二維、三維呈現，還具有動態可視化功能，成為當前工程建設中基礎測量的主要力量。

2)變形監測：

工程體變形是工程設施安全運營的重大隱患，也是工程管理的重要內容之一。現代工程變形檢測中應用的精密遙感結合GPS技術已經替代經緯儀、全站儀等傳統測點手段。其排除天氣和可達性影響，且各目標測點無需保持通視，經高密度像元遙感觀測便能提取工程設施空間信息，通過多時相比對之后能夠準確估算工程體變形、損耗、位移等信息。這些新技術的應用將多層次監測的變形數據網絡化、智能化，便于動態模擬變形過程與解析變形原因，從而為工程維護提供數據支持。

3)水利規劃與水環境治理：

水文水資源具有時空變化特征，準確掌握其時空變化特征是水利規劃的先導。而二維靜態水文圖形數據不便于精確計算覆水面積、水環境過程與災害模擬、環境影響評價；特別是陳舊的圖件或資料對識別水文國境、庫容估計、匯流過程等均有不利影響。水利部門可以借助遙感技術提取水文的年、季、月、旬等多時相空間分布變化信息，探測河道、湖泊的深度預河床等特征，結合三維環境重建與虛擬現實游戲技術，幫助實現水利工程動態規劃。

水環境治理不僅能保護區域居民生產生活安全，還對水工設施的維護具有重要意義。遙感技術能夠全方位觀測河道、湖泊、岸灘的立體環境，識別水體質量、泥沙、滲漏、地殼活動、生物活動的分布與變化信息，經技術加工后客觀而清晰反映區域水文環境現狀，從而更好地幫助水利部門實施相關治理工作。

2 基于DEM的劉家峽庫區地形模擬

數字高程模型(digital elevation model，DEM)為美國地質調查局(USGS)應用衛星激光雷達技術獲取的數字化地形模型，其通過激光回波時間差值反演出地面高程，該技術避免了傳統大范圍地形測量耗時、費力，實現了全球范圍內地形數字化模擬。圖1為劉家峽庫區數字高程影像，顯示庫區海拔介于1539-4360m之間，與實際測量的高程1438.63-4359.72m十分接近，說明激光雷達遙感技術在對地探測方面精確度較高。該圖直觀顯示了庫區地形分布特征，可幫助施工者準確、迅速獲取庫區水文流向、匯集、淹沒區域等信息，為庫區建設提供基礎數據。同時，DEM數據的空間分辨率為30m，在大工程建設施工中為施工量的計算和庫容量精確模擬提供了可靠基礎。激光探測遙感能夠瞬時獲取廣域地表高程信息，相比于傳統定點測量手段更具有時效性、空間性的優勢，另外衛星遙感平臺的周期性運轉可實現長時間序列、多時相對地觀測，從而獲取地表變化信息。

圖1 劉家峽庫區數字高程影像

2.1 基于探地雷達的劉家峽庫區水文地質識別

探地雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是一種單波段遙感技術，其主要采用無線電波(頻率介于106-109Hz)發生高頻脈沖探測地下物質，并根據不同地物電性差異生成的波形、振幅特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態。探地雷達發射的脈沖對地下巖石結構、礦物組成、地下水發育極為敏感，成為在水利工程建設必備的技術手段。在壩體滲漏探測中，高頻脈沖在接觸滲透水流后產生反射頻率低、振幅大的特征影像，據此可識別壩體漏水位置、漏水量，以便及時進行工程補救。圖2為探地雷達獲取的劉家峽庫區水文地質特征影像，影像中具有細膩、層理較為規則的影像區為沉積巖層地帶，易于受到覆水侵蝕；具有凹凸、剪接紋理的影像區為花崗巖帶，巖體堅固，可因地制宜用于攔水、基建等。白色區域為庫區水域，統計得到其面積達127.38km2；基于水面高程與探測的庫體形態結構，計算得到其容積可達54.62億m3，這與官方給出的庫區面積130 km2、庫容57.3億m3的數值十分接近但偏小，主要由于影像據為近期所得，近40年來庫體不斷淤積導致其水面與容量有所減小[6]。

圖2 劉家峽庫區水文地質影像

2.2 基于多光譜遙感的劉家峽庫區環境監測

多光譜分辨率遙感是當前遙感應用的主要類型之一，其根據電磁波波動差異劃分多個通道，進而對地物進行探測，并將地物在不同通道的反射波譜信息記錄下來。相較攝影遙感而言，多光譜遙感可獲取地物更豐富信息如輻射特征、幾何紋理等。例如美國NASA實施的對地觀測計劃中的Landsat和MODIS系列衛星遙感、法國的SPOT和中國與巴西聯合研制CBERS系列，均采用多光譜遙感探測手段。在水利建設中，多光譜遙感主要獲取工程區地表覆被特征，如圖3所示。圖3為Landsat-8 OLI影像數據 (LC81310352018106LGN00),成像時間為2018/04/16，中心經緯度為103.0354 E、36.0432 N，云量為0，其可見光(band1-7)和紅外(b9-11)的空間分辨率為30 m，全色波段(band8)為15 m，通過光譜融合處理可得到光譜信息豐富、圖像質量清晰數據(圖3)。圖中直觀顯示了庫區周邊環境特征，水體、河道、河漫灘、植被、城鎮、耕地等多種地類清晰可辨；據此可在ENVI 5.3軟件中運用面向對象的方法精確提取地類分布與量化信息，從而為庫區水土保持治理、土方計算、防洪規劃等提供服務。

圖3 劉家峽庫區Landsat-8 OLI真彩色影像

3 結 論

遙感技術逐漸向著高精度、高光譜、多平臺和時態化的方向發展，與此同時水利工程建設中的遙感技術應用也與時俱進，不僅取代了獲取地形、地質、水文信息的傳統人工測量手段，還結合GPS、人工智能模擬技術實現工程區三維環境時空重建，為水利工程建設提供優質、高效、精準的數據服務。當前遙感技術的運用主要側重于時空精細數據獲取的方面，其在水利工程維護與管理中的優勢尚未體現，因此還需要明確水工建設中具體的需求側，拓展其應用路徑，從而更好地實現水利信息化。