大型水利工程水土保持信息系统探索

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摘要：随着信息技术的发展及其在各行业的普遍应用，依托大型水利工程项目构建的应用大系统平台和生产建设项目水土保持监测工作，建设大型水利工程水土保持信息系统势在必行。提出了大型水利工程水土保持信息系统建设的初步构想、构建方案、设计架构、主要模块、系统开发思路、主要功能及实现方法等。可依托主体工程构建的应用大系统平台和生产建设项目水土保持监测工作，在大型水利工程项目率先尝试水土保持信息系统建设，将其作为主体工程应用大系统的其中一个子系统，促进工程又好又快建设，以期为实现生产建设与生态环境建设双赢提供平台支撑，并为其他生产建设项目水土保持信息系统建设提供参考。

关键词：大型水利工程；水土保持；信息系统

随着信息技术的发展及其在各行业的普遍应用，水利信息化、水利工程数字化的理念已贯穿于水利水电工程规划、设计、实施及管理中。近年来，大型水利水电工程项目在规划设计阶段就采用智慧化、数字化设计，建设单位通过招标方式选择第三方，围绕工程的功能定位，开发覆盖工程建设管理、智能施工、工程安全监控、智能分析决策、快速应急响应、综合事务管理等业务的应用大系统已有先例。水土保持工作作为水利部门的一项重要工作，近年来水土保持管理部门开展了水土保持信息系统建设、生产建设项目水土保持监督管理系统建设、生产建设项目水土保持空天地一体化监管信息化等工作，但迄今为止，鲜有针对具体的生产建设项目开发水土保持信息系统。与其他生产建设项目相比，水库、水电站、长距离引调水等水利工程具有扰动面积大、土石方量大、弃渣场及料场多、水土保持工作难度大的特点，水利工程项目的主体工程及其水土保持工程均依据水利行业相关规范标准进行规划设计，两者的规划设计及实施密切关联，因此可依托水利项目主体工程构建的应用大系统平台和生产建设项目水土保持监测工作，进行水利工程水土保持信息系统建设，以期准确、高效地对项目区水土流失变化情况及危害、水土保持方案编制及实施效果等进行动态监控，为有效控制生产建设项目造成的新增水土流失、实现生产建设与生态环境建设双赢提供平台支撑。本文对大型水利工程水土保持信息系统建设提出初步构想和构建方案。

1水利工程水土保持信息系统构建基础及依托

水土保持信息系统应与主体工程的应用大系统平台同步开发，作为应用大系统的子系统。主体工程应用大系统平台中常常创建有包含地形、地貌、工程结构等构件的设计信息的BIM模型，其从实体工程属性到运行状态均与工程建设同步，即实体工程和数字化工程为两座“孪生”工程；此外，主体工程应用大系统平台运用GIS技术为工程项目时空地理信息数据的管理、维护提供协同工作服务系统，实现工程空间地理信息的动态查询。基于主体工程应用大系统平台的BIM＋GIS，水土保持信息系统和生产建设项目水土保持监测均可将大系统中的信息资源作为数据来源和支持。可充分利用大系统平台的BIM＋GIS，通过视图定制、剖切和测量等工具对水土保持的有关信息进行全三维表达，实时掌握主体工程建设过程中料场开采情况、弃渣场堆弃渣状况、水土保持措施实施情况等。生产建设项目水土保持监测系统综合采取卫星遥感、无人机遥感、视频监控、地面观测、实地调查量测等多种方式采集有关信息，可充分运用互联网＋、大数据等高新信息技术手段，将各类水土保持监测信息纳入本系统，为工程实时监控提供原始数据。

2系统设计构想

2．1系统总体架构

采用浏览器／服务器模式进行开发，实现水土保持数据库的建设管理等。系统架构以工程项目各类空间数据、业务数据为基础，围绕水土保持管理，充分考虑数据采集、数据存储、动态实时对比分析、统计与预测等功能，建立业务内容与空间信息的逻辑对应关系，各业务阶段环环相扣。水土保持信息系统总体架构见图1。水土保持信息系统平台的用户涉及多个部门，各用户按照权限使用该平台。该系统对水利工程项目基础信息进行统一管理，由水土保持方案编制单位或水土保持设计单位负责水土保持方案及批复、水土保持设计等相关信息上传，在项目建设的各阶段，由管理者通过该系统对建设周期进行全过程监督管理。

2．2系统结构设计

如图1所示，智能感知层主要是结合水利工程项目水土保持监测，并依托主体工程应用大系统平台，充分利用高分遥感影像，对工程项目区的土地扰动情况进行动态监测。针对典型地段或必要时增加无人机近距离监测，保证实时掌握土地扰动和植被压占情况。通过无人机低空遥测实现对弃土弃渣量、取土取料量、局部地段的水土保持措施等情况的信息采集。通过无人机航摄，并利用遥测影像处理软件获得处理成果，获取渣场特性及防护措施等信息。通过对工程建设重要部位，包括弃渣场、料场等区域设置可视化监控设备，实时调看不同位置的监控信息，或通过移动端现场采集影像资料等，及时掌握工程情况，查看是否有水土流失危害事件并进行记录。数据库是本系统的支撑平台。系统数据存储层主要由空间数据和基础信息两大类数据组成，各项数据来源于项目大系统平台数据库、BIM＋GIS平台、项目感知层信息输入、水土保持监理／监测／施工／验收等各相关人员人工填报等。应用支撑层的各组件为各项功能提供相应服务，本系统组件库包括分析判别、分类提取、数据访问、底图等组件，各组件具有明确的接口，用户通过系统操作调用接口获取服务。通过多组件组合可得到所需的组件库。在用户层，生产建设单位、水土保持监理、水土保持监测、水土保持施工、水土保持设施验收评估单位等均为用户，各用户通过各自的账号从本系统统一界面登录，按照各自权限进行动态监管、信息上传、查询、统计等相关操作。

3建设模块及内容

3．1数据库

数据库包括空间数据库和基础信息数据库，为系统各项基础操作提供数据支持。（1）空间数据库。空间数据库是数据库核心。首先，本系统数据库与主体工程应用大系统的数据库互通共享，应用大系统的数据库统一建立了基础地理数据库，其对基础地理、遥感影像、数字高程模型等数据进行安全高效管理，可为本系统提供地图服务与地理数据服务；其次，利用应用大系统BIM＋GIS平台的二维、三维数据实现立体可视化，可以更好地分析了解工程主体、重点设备设施等，针对工程布置、施工方式、工程进度、施工扰动的特点等更有效地开展水土保持工作；最后，空间数据库还包括水土保持自动化监测接入、移动端输入、水土保持监理／监测／施工等各相关人员人工填报上传的空间数据。（2）基础信息数据库。根据水土保持专业工作内容，建设基础信息数据库。主要包括水土保持相关法律法规、水土保持方案报告书及批复文件相关数据（包括矢量数据）、水土保持初步设计、施工图、水土保持监理、水土保持监测、水土保持招投标、水土保持施工、水土保持设施验收、合同管理及来往文件等。基础信息数据库兼容现有的doc、pdf、dwg、shp等大多数文件格式。

3．2信息感知模块

信息感知模块需充分和项目水土保持监测工作结合，实时监控项目施工全过程各阶段扰动土地情况、弃土弃渣情况、水土流失防治成效及水土流失危害等，其中弃渣场监测是重点。（1）扰动土地及水土流失防治成效感知。基于应用大系统的BIM＋GIS平台，充分利用高分遥感影像，针对典型地段或必要时增加无人机近距离监测，全程实时动态监测工程建设扰动土地及植被占压情况，水土保持措施实施情况，尤其关注大范围高强度施工区域。可选择国产高分1号或国产高分2号遥感影像，其覆盖周期和分辨率可满足扰动土地情况及水土流失防治成效监测的频次和精度要求。通过对土地扰动及水土保持措施进行实地调查和资料收集等，建立先验知识和样本数据集，可建立项目提取规则集，实现扰动土地及水土保持措施识别的程序化、自动化；将土地扰动范围与工程项目水土流失防治责任范围叠加进行拓扑分析，以得出合规性判别结论。（2）弃渣场情况感知。弃渣场作为水土保持工程中的重要单元工程，动态监测弃渣情况和弃渣场防护措施情况是必要的。弃渣及弃渣场情况可通过低空无人机遥测实现。根据项目区范围大小和成果精度要求设计飞行路线、飞行高度、拍摄角度及旁向重叠度，同时，布设满足精度要求的地面控制点数量，设计好飞行路线，实施无人机飞行和拍摄，获取原始遥感影像数据，利用遥测影像处理软件获得处理成果，以获取弃渣场最大堆渣高度、堆弃面积、堆渣量、挡渣墙长度、截排水沟长度及植物措施面积等监测指标，获取弃渣场的堆弃渣量、水土流失状况、水土保持措施实施情况等信息。此外，对3级以上的弃渣场设置可视化监控设施，通过实时调看不同位置的监控信息，及时掌握弃渣情况、防护措施实施情况及水土流失危害情况。（3）水土流失危害感知。在水土流失危害方面，重点监测水土流失对主体工程、周边重要设施等造成的影响及危害等。在监测扰动土地、弃土弃渣、水土流失状况、水土流失防治成效等内容时，一并开展水土流失危害监测。

3．3业务应用模块

根据用户需求，系统可提供多种应用模块，其中最重要的是动态实时对比分析模块和预测预警模块。（1）动态实时对比分析模块。建设期间的土地扰动情况是水土保持管理的重要内容。基于建设项目高分遥感影像，根据水利工程建设对地面的扰动特点，可将建筑物、裸地、硬化地面等作为项目扰动图斑自动化提取，工程建设后期，可将绿化植被恢复也作为图斑自动化提取。扰动图斑动态反映项目当前真实的建设情况，结合项目水土保持方案批复的防治责任范围，对两者进行空间叠加，判断扰动图斑与防治责任范围的空间位置关系，进行实时对比展示，并对合规性进行判断。水土保持有关法规要求，工程建设弃渣应堆放在水土保持方案确定的弃渣场。弃渣场位置变化或弃渣量增加可能涉及工程项目重大变更，需重新编报水土保持方案，否则为违法违规行为。通过弃渣场区域土地扰动情况的合规性判别、将信息感知模块获取的弃渣量与水土保持方案中设计的堆渣量进行对比分析，实现弃渣场合规性实时分析。（2）预测预警模块。针对水土保持相关监测信息资料和工程建设过程中的相关信息，进行系统统计分析，对其规律性的信息进行展示，对超出设计范围的现象或者信息进行实时预警。对涉及重大变更未重新编报水土保持方案、未开展水土保持监测、水土保持措施不落实、未依法依规足额缴纳水土保持补偿费、未验先投等水土保持违法违规行为，水土流失对主体工程及周边重要设施等造成影响，水土保持监测三色评价为“黄红”状态等情况进行预警，并采用移动的方式实时推送至相关平台用户。

4结语

依托主体工程构建的应用大系统平台和生产建设项目水土保持监测工作，在大型水利工程项目率先尝试水土保持信息系统建设，将其作为主体工程应用大系统的其中一个子系统，是促进工程又好又快建设及实现绿色工程、数字工程的可靠支持及有力保障，并为其他生产建设项目水土保持信息系统建设提供参考。

作者:杨娟 薛建慧 单位:黄河勘测规划设计研究院有限公司