安徽数字长江信息系统一期工程研究与建设

1、收稿日期:2005-05-05基金项目:安徽省科技厅“十五”科技攻关资助项目(01013052作者简介:吴永林,男,安徽省水利厅,高级工程师。文章编号:1001-4179(200602-0070-03安徽数字长江信息系统一期工程研究与建设吴永林1王山东2(1.安徽省水利厅,安徽合肥230022;2.安徽工业大学计算机学院,安徽马鞍山243011摘要:安徽数字长江信息系统(一期工程是一套综合管理长江安徽段河道,分析其演变规律、监测河道变化及防洪工程安全的软件系统。系统建立了规模庞大的安徽长江历年水下地形与长江防洪工程数据库;可进行河道断面、深泓线、重心线的自动计算;能进行任意区域的资料查询、图形

2、套绘和冲淤量计算;以长江干堤为基准线,实现了地质资料、险工险段、护坡护岸、涵闸等快速查询与分析;采用虚拟现实技术实现了河道地形和全长江的动态三维表现;利用G PS 、无线通讯技术实现对采砂船的实时监控等。系统的运用将大大提高河床演变分析的效率和研究深度,更有效地为工程管理、防汛抢险以及沿江经济建设提供服务。关键词:数字长江;信息系统;工程管理;河道演变;虚拟现实中图分类号:TP274文献标识码:A1研究背景从1998年1月美国副总统戈尔的数字地球演讲到美国“数字地球”战略计划出台,“数字”便以现代化的化身成为国际“现代化战略”发展的核心问题,成为世界各国所关心的热点问题。澳大利亚、美国、日本等

3、国家都纷纷启动这一计划。“数字中国”的概念在中国也提到了重要的议程,并按照计划逐步实施。与此同时,“数字北京”、“数字上海”、“数字海南”、“数字水利”、“数字黄河”等概念已从一个提法逐步发展到实施阶段。安徽省位于长江下游,长江流经安徽段长约416km ,流域面积6.6万km 2。安徽长江干堤总长约771km ,共有29个防洪堤圈,保护着沿江7个省辖市、20个县(市、5个国营农场的约60万hm 2耕地、1200多万人口及工矿、交通、国防设施等。安徽省境内长江共分为13个河段,河道尚未经过全面系统的整治,崩岸频繁发生,总长达300多千米,部分河段河势不稳,直接影响防洪工程安全及港口码头、取水工程

4、等的安全运行。因此,做好河道监控和河道演变分析是长江河道治理和防洪保安的重要工作内容。1998年长江大水后,国家投入60多亿元新建、加固了一大批防洪工程,江堤防洪能力显著提高,面貌焕然一新,如何加强对已建防洪工程的监管,确保工程安全运行,充分发挥工程效益,已成为一个十分迫切的问题。3S (GIS 、RS 、G PS 技术及计算机网络技术、多维虚拟现实技术、数据压缩技术的发展为长江数字化管理提供了必要条件。建国以来,安徽省积累了大量的长江河道水下测量资料,1998年以后采用G PS 定位系统进行河道地形测量,数字化成图,大大提高了工作效率和测量精度,为利用计算机处理水下地形图、河道演变分析等提供

5、了必要条件。基于以上考虑,安徽省水利厅与马钢集团设计研究院合作,研究开发了安徽数字长江信息系统(一期工程。2001年8月,该项目被安徽省科技厅确定为安徽省“十五”科技攻关项目。2系统研究的目标安徽数字长江信息系统(一期工程的研究目标是建立一套综合管理长江安徽段河道,分析其演变规律,监测河道变化及防洪工程安全的软件系统,本系统将长江安徽段河道与沿江各类水利工程资料进行数字化处理,建立安徽长江历年水下地形与水利工程数据库,使安徽段长江信息数字化、系统化、可视化,开发出从水下测量到河道演变分析系列软件。系统能够进行河道断面、包络线、深泓线、重心线的自动计算,能进行任意区域的资料查询、图形套绘和冲淤量

6、计算,并具备河道演变趋势分析功能等,解决了传统理论、方法难以解决的一系列问题。系统利用G PS 、无线通讯技术等初步建立了河道监管系统等,进一步提高工作效率和管理水平,促进水利管理工作的科学化、规范化和现代化。3系统结构系统以河道地形为核心,长江干流堤防为基线,实现了水利工程与涉河信息管理的一体化,如图1。系统的具体模块有系统管理、区域概况、工程管理、图形处理、冲淤分析、图档管理、动态三维、G PS 监控等。整个系统通过计算机网络,把地理空间、汛情、工情等各种信息有机地结合到一起,并用各种生动直观的方式予以表达。系统可视化程度高、人机界面友好。本系统为了与现有系统保持一致,GIS 采用ESRI

7、 公司的产品,数据采集采用AutoC AD 、ArcGIS ,虚拟现实采用Varmap ,开发软件主要为Delphi 、VC +,数据库管理以Oralce +ArcS DE 对空第37卷第2期人民长江V ol.37,N o.22006年2月Y angtze River Feb.,2006间与属性数据进行统一管理,软件系统组成如图2所示。系统的数据流程主要是以基础数字化测量为数据源,以DE M 、专题图制作为主要加工方式;成果统一存放在关系数据库中;上层基于基础数据和各种计算模型,采用可视化界面进行分析计算,并能输出计算结果。系统采用B S 与C S 两种方式,B S 主要是表现各种以文字、多媒

8、体等形式出现的管理、工情、水情等一般性资料;C S 主要侧重三维图形的采集、制作、分析与表现。4系统建设的主要内容4.1建立空间数据库系统建立了沿江堤防、水闸、护岸、泵站等各类水利工程以及河道地形、工程地质等数据库,采用了C S 和B S 两种结构形式,C S 结构采取各类工程与电子地图相结合,能快速准确地查找各类工程位置及相关属性资料。如:对于堤防工程,能方便地查找任意断面的堤防桩号、堤防断面型式、堤顶高程、地质资料以及所在堤圈的名称、长度、等级、保护人口和面积等;对于大中型涵闸,能查阅该工程卡片,详细了解其设计情况、运用情况和管理情况等,小型涵闸能查阅涵闸名称、所在堤防及桩号、管理单位等,

9、并可自动定位到地图上。电子地图上对每个护岸段都进行了标注,切割任意护岸段,都能查找护岸工程名称、施工时间、工程范围、工程量、经费等,这为河道监测及河道整治规划、设计等都提供了有效手段。此外,本系统已将安徽省建国以来约1万张不同比例的水下地形图进行数字化处理,并进行了科学地分类管理,调用非常方便,为河道监测和河床演变分析提供了有利的条件。4.2冲淤计算与河演分析本系统可以对任意选定范围的河道进行冲淤量计算,解决了手工计算工作量大且大多只能定性分析的问题,可以对整个河段甚至整个安徽段的长江河道多年来的冲淤变化量进行计算,研究冲淤变化规律和趋势,通过局部河床的冲淤量计算,可对沿江取水口、码头等的选址

10、及安全运用提出合理化建议。系统可以对任意测次水下地形图进行纵横断面切割和套绘、任意等高线的平面套绘,可以自动计算深泓线、包络线、重心线等,大大提高了河道演变分析计算的速度和精度,为研究河道特征及其演变规律提供了有效手段,使研究分析更深入、细致。4.3G PS 监控系统系统运用G PS 技术与电子地图相结合,对安徽长江干流实现了自动定位和监控,为工程管理、防汛抢险、河道采砂监管等提供了准确便捷的手段。汛期查险时,系统用G PS 采集出险点的坐标,即可在电子地图上查到出险点对应的堤防桩号、地质资料、堤防断面、护岸、护坡及防渗处理工程等情况, 可大大提高报险的准确性,为制定科学抢险方案提供决策支持

11、,为组织防汛抢险争取时间。系统运用G PS 监控系统能有效地对长江河道采砂进行监控。首先建立监控GIS 数据库,对采砂船只的运行轨迹全部记录在监控中心的管理系统中,当采砂船越界采砂时,系统将自动报警,并可以把采砂船的所有航迹记录下来,管理部门可根据其违规记录做出相应处罚。4.4网站建设网站内容基本涵盖了安徽省长江河道管理各方面的资料和相关成果。采用了文字、表格和图片等多种形式将各类水利工程进行分类、汇总,C S 结构中的相关计算成果可通过网络发布。网站的主要内容包括:(1长江流域和安徽长江概况。包括沿江社会、经济、文化图1系统地理参照与功能结构图2软件系统组成17第2期吴永林等:安徽数字长江信

12、息系统一期工程研究与建设等情况。(2水利工程。以文字、表格和图片形式,介绍安徽长江堤防、涵闸、护岸、护坡、泵站及垂直防渗等工程情况,还可对各类工程进行统计检查。(3河道湖泊。包括河道、江心洲、外滩圩、沿江湖泊、水文泥沙、河道演变情况等。(4水利管理。包括管理机构、涉河项目管理、河道采砂、水土资源、堤防绿化、锥探灌浆、白蚁防治等。(5长江防汛。包括防汛机构、防汛器材、防汛道路等。(6法律法规。包括涉及水利管理方面的法律法规。4.5虚拟现实虚拟现实技术是人们利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境,它将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一。通过20多年的研究探索,虚拟现实技术目前已在经济、文化、军事等

13、领域广泛运用。安徽长江段两岸地形高低起伏、河道冲淤变化较大,运用虚拟现实技术对不同测次的水下地形通过三维动态变化,可直观地反映河道冲淤变化的过程。DE M(数字高程模型是河道虚拟现实的基础。本次通过对河道不同时期的DE M表现、处理及比较,能形成基础地形、坡度、冲淤量、冲淤量变化值的三维表达。本系统中长江陆上地形是以110万基础地图为数据源制作的DE M,以卫星遥感图像为贴图,叠加堤防、桥梁等设施。河道地形是以11万水下测图资料为基础制作的DE M,系统能实现飞行、缩放等操作。动态三维是根据两个DE M之间的变化,求出任意格网点某一时段的变化。系统能对不同测次的水下地形通过三维动态变化,直观地

14、反映河道冲淤变化的过程。系统通过将沿江的卫星遥感资料与河道实测水下地形资料相结合,实现了沿长江安徽段及某个河段的三维飞行,给人以身临其境的感觉。5结语2003年9月,本系统基本研制完成,并投入了运行。系统在长江河道管理、河道演变分析、采砂规划、河道整治工程设计、涉河项目的防洪评价等方面得到了广泛运用。用户反映本系统能够快捷地查寻各类水利工程和河道信息,方便地调用各年次的水下测图进行冲淤量计算和图形套绘,大大提高了工程管理、工程设计、河道演变及崩岸预测、研究咨询等方面的工作效率和研究深度,同时节约了大量的时间和人力,降低了成本。在运用中,用户也提出了一些改进意见,系统相应地进行了修改。2004年

15、10月,该项目通过了安徽省科技厅组织的成果鉴定。本期工程由于受时间、经费等条件限制,系统采集的资料还不够完整,如工程地质、堤防竣工资料等,有些研究还有待深入,在下期工程中进一步研究完善,如:本期工程主要研究的是长江干流,下阶段计划将安徽省长江流域内的重要支流、湖泊、水库等纳入研究范围,并结合防汛减灾,研制安徽省沿江的灾情预测、风险评估等系统,此外,还可以将本系统与水文、河流泥沙等数学模型相结合,更深入地分析研究河床演变规律等。(编辑:常汉生(上接第69页撇洪渠效果十分显著,运行良好,成功地将撇洪区内来水引入河道,水流平顺,未发生冲刷现象。表3耒中库区淹没损失和移民安置主要指标项目不防护耕地hm

16、2水塘hm2人口人房屋m2公路km公路桥(m座人行桥(m座渡口处码头处泵站(kW座合计361.6 4.5129511113909.06267420194748218灶市办事处21.856121462 2.011401泗门洲镇262.2 4.11503660087.05255612717366.513水东江办事处320.446616632312237.52黄市镇31.62710156382南阳镇143947288157421项目防护后耕地hm2水塘hm2人口人房屋m2公路km公路桥(m座人行桥(m座渡口处码头处泵站(kW座合计48.70.2312667617 1.7505651316474821

17、8灶市办事处0.41060711401泗门洲镇35.10.23916395 1.74045010717366.513水东江办事处 5.7613362942237.52黄市镇 1.222710126382南阳镇 6.2180321153421排渍站按10a一遇3d暴雨(180.19mm3d内排至水稻耐淹深度100mm设计,日开机定为20h设计,设计外河最高水位为外河10a一遇回水位,设计最低外河水位为库区正常水位回水位。设计比选了两种方案:排渍泵站采用传统湿式型泵房,即泵站机组的水泵和电机是分体的,水泵安装在水泵层,电动机在电机层;排渍站采用潜水轴流泵。这种泵站是国家“九五”科技推广项目,优点是:结构简单,土建工程量小,比第1种方案节省636.17万元,机组安装、更换简单,工期缩短50%,缺点是机组维修需到厂家,较为不便。已经过2a多的运行,排渍站运行情况较好,10个防护区的雨洪水都能及时排出,未造成内涝,达到了设计目的。5水库淹没影响及移民安置耒中库区采取防护后尚有一定淹没损失和控压损失,具体见表3。需安置移民1266人,分布在16个村,84个组。通过