趙文超，劉滿杰，王國崗

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

水利現(xiàn)代化具備“智能化、數(shù)字化、信息化、智慧化、現(xiàn)代化”等五大特征，從我國基本“水問題”出發(fā)，為可持續(xù)發(fā)展的提供保障。水利部分別于2018年、2019年正式印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)智慧水利發(fā)展的指導(dǎo)意見》、《智慧水利總體方案》，兩者對我國水利現(xiàn)代化建設(shè)奠定了總的基調(diào)，從國家層面正式推行智慧水利的發(fā)展[1]。

地質(zhì)測繪工作內(nèi)容繁雜，涉及到野外數(shù)據(jù)的采集、編錄、儲存、建模以及分析等全生命周期[2]。同時，傳統(tǒng)測繪技術(shù)相對落后，測繪設(shè)備相對陳舊，在很大程度上限制了其信息化水平。隨著智慧水利的推行，其對地質(zhì)勘察的三維數(shù)字化水平要求更高。因此，涌現(xiàn)出一大批現(xiàn)代化測繪技術(shù)并得到應(yīng)用，對測繪事業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用，在很大程度上提高了地質(zhì)測繪信息化水平[3]。

1 智慧水利

1.1 智慧水利的內(nèi)涵

智慧水利是先進(jìn)的管理理念和科學(xué)技術(shù)方法的有機(jī)結(jié)合物[4]，主要由水利綜合感知、水利信息傳輸、水利大數(shù)據(jù)、水利智能應(yīng)用、水利網(wǎng)絡(luò)信息安全和保障運(yùn)維等體系構(gòu)成。它主要是基于云技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能等新一代現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)方法，旨在對水利對象和活動進(jìn)行透徹感知、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、廣泛共享、智能分析和泛在服務(wù)，為水旱災(zāi)害防范與抵御、水資源開發(fā)與配置、水環(huán)境監(jiān)管與保護(hù)、河湖生態(tài)監(jiān)督與管理等水利業(yè)務(wù)提供現(xiàn)代化支撐的新型業(yè)態(tài)。智慧水利是信息、知識和能力的綜合體，信息是基礎(chǔ)，知識是核心，能力提升是目標(biāo)[5]。

運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，進(jìn)行信息的采集、錄入、儲存，這是智慧水利的基礎(chǔ)?；谒麑I(yè)知識，如降水徑流、水循環(huán)、水動力模型等，利用大數(shù)據(jù)快速分析處理能力，并結(jié)合人工智能的手段，對信息進(jìn)行整合、分析、評價，挖掘信息中高層次、隱晦難懂的知識，或者是建立某一個廣泛適用的模型，去解決某一類具體的問題。最終，借助于獲取到的知識，去不斷改善、解決各種水問題，提高水利行業(yè)智慧化水平，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的終極目標(biāo)。

1.2 智慧水利的總體要求

智慧水利在實(shí)施的過程中仍然存在許多問題，如缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息獲取渠道單一以及高信息技術(shù)人才的匱乏等，使得其仍然處在不斷發(fā)展創(chuàng)新探索的過程中。智慧水利從我國水資源、水生態(tài)、水環(huán)境和水災(zāi)害等四大“水問題”出發(fā)，秉承習(xí)總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的十六字治水方針，堅持水利部提出的水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管的總基調(diào)，力圖實(shí)現(xiàn)信息化作用從支撐保障到驅(qū)動引領(lǐng)、服務(wù)方式從被動響應(yīng)到主動應(yīng)對、工作模式從流程復(fù)制到流程優(yōu)化、建管方式從分建專用向共建共享以及監(jiān)管方式從傳統(tǒng)人工到智能自動等五大方面轉(zhuǎn)變。具體如圖1所示。

圖1 智慧水利總體要求

智慧水利的發(fā)展不能一蹴而就，是一個循序漸進(jìn)的過程。到2021年，補(bǔ)齊水利網(wǎng)絡(luò)信息突出短板，提升強(qiáng)監(jiān)督支撐能力，基本實(shí)現(xiàn)信息化；到2025年，基本建成智慧水利，全面提升水利智能化水平，基本實(shí)現(xiàn)智能化；到2035年，建成智慧水利，全面支撐水治理體系和治理能力現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)智慧化水平。

2 地質(zhì)與測繪技術(shù)信息化的發(fā)展趨勢

智慧水利的基礎(chǔ)是地質(zhì)。地質(zhì)勘察作為水利工程的基礎(chǔ)性工作，在技術(shù)發(fā)展上是比較落后的。主要問題集中在如下幾點(diǎn)：①勘察手段技術(shù)落后，設(shè)備陳舊，信息化程度較低；②工程勘察數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；③海量勘察數(shù)據(jù)缺乏有效管理與深度挖掘分析；④工程勘察采集數(shù)據(jù)共享性差、管理應(yīng)用困難；⑤工程勘察周期縮短、地質(zhì)條件更復(fù)雜；⑥智慧水利對勘察成果三維數(shù)字化提出更高要求。

大量工程實(shí)踐和研究表明，要想從根本上解決上述問題，最重要的就是要有整體化思路，實(shí)現(xiàn)水利水電工程勘察的全過程生產(chǎn)信息化，達(dá)到BIM、GIS、GIM的同步發(fā)展與融合[6- 8]。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心技術(shù)包括：地理信息平臺、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、傾斜攝影以及三維地質(zhì)建模；其關(guān)鍵是以數(shù)據(jù)庫為中心，綜合多種信息化手段，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)字信息的采集、存儲、傳輸、解譯與可視化，從而探索出適用于水利水電工程地質(zhì)外業(yè)工作的三維數(shù)字化采集系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)智慧水利。

智慧水利的主要任務(wù)之一是“構(gòu)建天空地一體化水利感知網(wǎng)”。在這一方面，測繪技術(shù)已經(jīng)形成了“天-空-地-水”的立體感知體系，響應(yīng)了智慧水利建設(shè)的需求：

“天”所指的是衛(wèi)星遙感。國內(nèi)外包括導(dǎo)航、通訊、氣象、資源等系列衛(wèi)星已達(dá)上千顆，為我們提供了便捷的數(shù)據(jù)獲取手段。既有遙感數(shù)據(jù)以及影像處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)地形圖、數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型以及專題信息產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集和多期數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測，為國家、省市、流域級提供數(shù)據(jù)服務(wù)，例如土地二調(diào)、國情普查等項目。

“空”是航空數(shù)據(jù)。與衛(wèi)星采集技術(shù)相比，航空數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有更高的空間分辨率，可實(shí)現(xiàn)對地物更精細(xì)化的感知，如采用三角翼、直升機(jī)、無人機(jī)等平臺搭載大型航空相機(jī)、激光頭、傾斜相機(jī)、高光譜相機(jī)等，在國內(nèi)外多個水利項目中得到了很好的應(yīng)用。

“地”包括地面移動平臺搭載的激光、影像設(shè)備的數(shù)據(jù)采集等。

“水”指的是水下觀測包括多波束、Silas等儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 地質(zhì)技術(shù)應(yīng)用

地質(zhì)工作的傳統(tǒng)就是內(nèi)外業(yè)，其整體上可分為5個階段[9- 10]：

(1)外業(yè)階段。外業(yè)階段的主要工作是根據(jù)地質(zhì)測繪底圖等綜合信息進(jìn)行勘察數(shù)據(jù)的采集。該階段與測繪技術(shù)的融合程度是比較高的。其中，在水利水電地質(zhì)勘察工程中的底圖制作方面，已經(jīng)從二維進(jìn)步到了三維層面。在勘察數(shù)據(jù)采集方面，目前整個行業(yè)內(nèi)開始呈現(xiàn)出向無紙化發(fā)展的趨勢。通過在智能終端上搭載綜合底圖，實(shí)現(xiàn)勘察數(shù)據(jù)的數(shù)字化、智能化采集。

(2)數(shù)據(jù)庫管理階段。該階段的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對測繪與勘察數(shù)據(jù)的高效管理，并使外業(yè)工作中采集到的測繪與勘察數(shù)據(jù)得以可視化展示。

(3)三維地質(zhì)建模階段。在該階段中，地質(zhì)工程師基于數(shù)據(jù)庫信息建立鉆孔、平硐等模型，然后建立覆蓋層模型、構(gòu)造模型、風(fēng)化卸荷模型等，最終完成三維地質(zhì)模型。此外，對于重點(diǎn)研究區(qū)域或工程對象，還需要進(jìn)行專項建模，以反映其細(xì)節(jié)。

(4)模型分析階段。在三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，地質(zhì)工程師可實(shí)現(xiàn)高精度、多次層次的巖性分析、風(fēng)化分析、構(gòu)造分析、開挖分析。

(5)模型應(yīng)用階段。該階段的成果用于直接指導(dǎo)施工，包括二三維出圖、三維協(xié)同設(shè)計、數(shù)值分析等。如圖2所示。

3.2 測繪技術(shù)應(yīng)用

測繪技術(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取手段，可運(yùn)用于智慧水利各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域，為其提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。下面主要介紹測繪技術(shù)在水利工程建設(shè)、水利監(jiān)督、江河湖泊方面及智慧城市方面的應(yīng)用。

3.2.1水利工程建設(shè)

測繪技術(shù)在水利工程建設(shè)方面的應(yīng)用主要有3項，首先是快速提供4D產(chǎn)品?，F(xiàn)代測繪采用“飛機(jī)+相機(jī)+雷達(dá)系統(tǒng)”的一體化作業(yè)模式，一次飛行即可快速制作4D產(chǎn)品，為水利工程建設(shè)提供更加快速更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。其次是水下測量，結(jié)合地面激光雷達(dá)技術(shù)和水下地形測深系統(tǒng)快速獲取水工設(shè)施和周邊三維信息，了解、掌握水利工程現(xiàn)狀，以及河流水下地形變化，從而輔助解決水利工程修建帶來的不利影響。最后是高精度雷達(dá)、傾斜攝影。目前的三維攝影圖件精度均較高，能夠滿足絕大多數(shù)勘察期所需的各種比例尺圖件要求。

3.2.2水利監(jiān)督

四亂(亂采、亂建、亂堆、亂占)是目前河湖管理工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，傳統(tǒng)管理效率低、難度高、質(zhì)量差。通過信息化手段能夠極大提升管理效率。利用航測遙感數(shù)據(jù)，通過人工智能識別技術(shù)，可快速甄別四亂現(xiàn)象，為管理部門提供執(zhí)法依據(jù)。

3.2.3江河湖泊

首先，利用測繪中的航測遙感技術(shù)獲取機(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云和河道斷面，通過洪水分析，可確定河湖管理范圍線、快速高效且精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)水域的劃界。此外，測繪技術(shù)可輔助水環(huán)境調(diào)查。通過高光譜水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)分析，對水體中總氮、總磷、懸浮物、化學(xué)需氧量等水質(zhì)參數(shù)定量分析，并可視化表達(dá)。與傳統(tǒng)點(diǎn)狀分析相比，這種技術(shù)手段的數(shù)據(jù)空間連續(xù)、分布趨勢直觀。

3.2.4智慧城市

利用傾斜攝影技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域的高精度快速三維建模。基于高精度三維模型建立的管理系統(tǒng)，可為城市的規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)支撐。

圖2 三維地質(zhì)圖

3.3 信息化系統(tǒng)應(yīng)用

為提升智慧水利中地質(zhì)與測繪技術(shù)的信息化水平、將信息化真正落到實(shí)處，我們提出了4類信息化應(yīng)用系統(tǒng)，包括三維查勘系統(tǒng)、智慧建管系統(tǒng)、專題系統(tǒng)、城市輔助規(guī)劃系統(tǒng)。

(1)三維查勘系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于工程線路的布局，地質(zhì)測繪布置和移民安置規(guī)劃等工作，可有效地推進(jìn)項目前期工作的進(jìn)度。同時，通過在系統(tǒng)中加載高精度三維傾斜攝影模型和多源綜合底圖，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)全過程的數(shù)字一體化。

(2)智慧建管系統(tǒng)。利用信息化手段可對水利工程進(jìn)行全生命周期的建設(shè)和運(yùn)維管理。

(3)專題系統(tǒng)。根據(jù)不同項目，設(shè)計相應(yīng)的專題系統(tǒng)，可針對性地提高項目管理的水平。常用的專題系統(tǒng)包括河道管理系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)、水庫管理系統(tǒng)、河長制管理系統(tǒng)等，如沂沭泗河道管理信息系統(tǒng)、官廳水庫綜合管理信息系統(tǒng)、于橋水庫綜合管理信息系統(tǒng)、天津市河長制管理系統(tǒng)、三維輔助設(shè)計系統(tǒng)、薊縣地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)、云南保山河長制管理系統(tǒng)、海河流域排污口管理系統(tǒng)。

(4)城市輔助規(guī)劃系統(tǒng)。使用數(shù)字化技術(shù)輔助城市空間信息表達(dá)和管理，是城市化發(fā)展的必然趨勢?；跍y繪技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立城市輔助規(guī)劃系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)歷史、現(xiàn)狀、規(guī)劃、建設(shè)方案等統(tǒng)一展現(xiàn)，有效地提升城市規(guī)劃管控的精細(xì)化水平。

(5)拓展應(yīng)用。除上述應(yīng)用以外，地質(zhì)與測繪信息化建設(shè)成果可以適用于工程建設(shè)的各個階段，在施工期、運(yùn)維期也有應(yīng)用價值。結(jié)合不同的系統(tǒng)平臺和應(yīng)用場景，可以拓展原有的業(yè)務(wù)方向。

4 結(jié)語

(1)地質(zhì)工程：水平先進(jìn)，手段落后。隨著我國基建領(lǐng)域發(fā)展，我們的地質(zhì)水平是世界先進(jìn)的，但百年來，還是“五大地質(zhì)理論”，外業(yè)“三大件”，手段是落后的。應(yīng)該加強(qiáng)對工程地質(zhì)信息化的建設(shè)，創(chuàng)新地質(zhì)勘察工作新模式，減輕外業(yè)工作強(qiáng)度，提高效率和質(zhì)量。

(2)測繪工程：手段領(lǐng)先，需拓展應(yīng)用。隨著近年3S技術(shù)及無人機(jī)設(shè)備的發(fā)展，測繪工程在技術(shù)和手段上，是領(lǐng)先的。還要注意把單一的技術(shù)手段，系統(tǒng)化、平臺應(yīng)用化，擴(kuò)展專業(yè)鏈。

(3)專業(yè)界線在變薄，甚至消除。我們要及時發(fā)展占領(lǐng)與專業(yè)相關(guān)的新技術(shù)，新行業(yè)，使我們傳統(tǒng)專業(yè)換發(fā)新的生命力?，F(xiàn)在的測量工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)測量只出地形圖的概念。

(4)專業(yè)融合：主動融合、系統(tǒng)提升。地質(zhì)與測繪兩個基礎(chǔ)專業(yè)之間要緊密融合，形成GIS+GIM為基礎(chǔ)，融合BIM形成傳統(tǒng)行業(yè)的信息化全生命周期的專業(yè)鏈，同時不斷地把本專業(yè)通過信息化手段進(jìn)行系統(tǒng)化提升。