GIS地理信息系統(tǒng)在硬梁包水電站建設(shè)中的應(yīng)用

何 岦， 范 慶 龍

(華能瀘定水電工程籌建處，四川 成都 610041)

1 概 述

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一套借助計算機(jī)軟、硬件設(shè)施，以輔助收集、存儲、調(diào)用、展示及分析與地理信息有關(guān)資料的信息系統(tǒng)。傳統(tǒng)的處理方法存在資料收集不齊全、重復(fù)、不統(tǒng)一，紙質(zhì)地圖不易管理、查詢不便，單調(diào)的數(shù)字、文字資料無法充分體現(xiàn)信息與空間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，平面資料無法表達(dá)空間立體信息等不足之處。而利用地理信息系統(tǒng)的軟件可以充分克服這些不足，為用戶提供更加豐富、有效的空間信息和屬性信息。

空間決策支持系統(tǒng)(Spatial Decission Support System,SDSS)作為一個新興技術(shù)領(lǐng)域，是以地理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以解決生產(chǎn)實踐問題為目標(biāo)，已廣泛應(yīng)用于交通、水利、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。

2 Terra Explorer(TE)軟件的基本情況

Terra Explorer是美國SkylineGloble產(chǎn)品體系中的一款軟件，它以Terra Builder產(chǎn)生的地形文件為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)建、編輯二維、三維圖形、圖標(biāo)、文字、三維模型、動態(tài)物體、瀏覽路徑、業(yè)務(wù)矢量等構(gòu)建三維場景。用戶通過應(yīng)用軟件本身的空間分析、對象編輯、圖層疊加等操作，實現(xiàn)輕松快捷的三維交互體驗，以場景的獨(dú)特視角展現(xiàn)地貌特征、視域、地物間的平面空間關(guān)系等，為工程的各項分析及決策提供支持。該軟件能讀取或?qū)?shù)據(jù)導(dǎo)出至Auto CAD、Google Earth、Google Map、Sketchup、3D及ArcGIS等軟件中，操控靈活，數(shù)據(jù)獲取方便，其主要工作流程見圖1。

圖1 GIS地理輔助決策信息系統(tǒng)工程流程圖

(1) 原始數(shù)據(jù)采購：高精度的DEM創(chuàng)建所需的原始數(shù)據(jù)主要包括兩方面：①航拍的原始影像資料；②大比例測量地形圖。為了滿足高精度要求并減少數(shù)據(jù)處理量，影像資料精度應(yīng)滿足0.3 m至0.6 m，在通過山林、林地等變化緩慢的部位宜采用1∶2 000地形圖，而對居民密集或變動頻繁的區(qū)域宜采用1∶500～1∶1 000地形圖。

(2)地形數(shù)據(jù)的處理及修正：地形數(shù)據(jù)處理及修正主要是將不同比例尺的地形圖進(jìn)行整合，并根據(jù)測繪手薄對道路、房屋、懸崖等進(jìn)行修正，其主要目的是減少空洞數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)重疊。

(3)三維地形場景的生成：將航拍影像圖與地形數(shù)據(jù)在Terra Builder中進(jìn)行疊加，生成TerraExplorer可以讀取的三維場景文件(.mpt文件)。

(4)利用TE強(qiáng)大的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，從CAD、ArcGIS、Sketchup、3D、Google Earth中獲取所需要的設(shè)計信息。對于本工程，前期主要收集的設(shè)計文件包括征地范圍圖、征地圖斑、設(shè)計圖紙、樞紐布置圖、總平面布置圖等。

(5)利用TE軟件對移民信息、設(shè)計信息等進(jìn)行分層處理，并利用TE強(qiáng)大的空間疊加能力和空間分析技術(shù)為決策提供分析與支持。

3 GIS在硬梁包水電站移民規(guī)劃及建設(shè)管理中的應(yīng)用

水利水電工程的開發(fā)利用往往會產(chǎn)生大量的移民，而做好移民安置規(guī)劃，既是水利水電工程開發(fā)的前提，又是保證移民生活水平提高及社會穩(wěn)定與團(tuán)結(jié)的基礎(chǔ)，同時亦為工程的順利建設(shè)與推進(jìn)提供了保證。隨著遙感技術(shù)(Remote Sensing)、地理信息技術(shù)(Geopraphic Information System)、全球定位技術(shù)(Global Position System)的成熟，3S技術(shù)已廣泛應(yīng)用于交通、智慧城市、市政規(guī)劃等行業(yè)。對于水電工程而言，由于移民工作的復(fù)雜性，項目的設(shè)計分屬設(shè)計院不同的部門，設(shè)計院各部門之間、設(shè)計院與現(xiàn)場承包商、設(shè)計院移民處與地方政府和業(yè)主之間的溝通聯(lián)系工作量極大，并很難解決閉門設(shè)計與現(xiàn)場不符、設(shè)計版本不及時更新、不同專業(yè)設(shè)計重疊、錯漏等引起的問題。因此，3S技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用潛力巨大。

硬梁包水電站位于瀘定縣境內(nèi)，為大渡河22級規(guī)劃中的第13級。電站移民工作涉及瀘定縣6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、32個自然村、15家企事業(yè)單位和7個采砂場，涉及人口407 戶，1 371 人，涉 及 土 地8 000畝，影響大渡河沿線上下25 km、50多km2的范圍。根據(jù)水電工程移民的特點，在封庫令下達(dá)前，對工程影響范圍內(nèi)的影像進(jìn)行了高精度航拍(精度0.5 m)，并與1∶500～1∶1 000地形圖疊合形成了工程高精度三維場景，并在此基礎(chǔ)上疊加了移民實物指標(biāo)調(diào)查成果，建立了移民實物指標(biāo)成果與地理信息的動態(tài)聯(lián)系，從而為后續(xù)移民信息查詢、移民工作主動管理、土地利用分析、移民容量分析、環(huán)境容量分析及移民安置點規(guī)劃等提供了重要基礎(chǔ)。筆者選擇了其中幾個典型應(yīng)用實例進(jìn)行介紹。

(1)實物指標(biāo)調(diào)查與三維影像圖的動態(tài)鏈接：由于電站移民工作涉及面多、類型多、對象多，移民之間的糾紛亦比較多。因此，建立實物指標(biāo)調(diào)查成果與三維影像資料的動態(tài)鏈接，可以使管理人員在時間上隨時動態(tài)地了解并掌握本地區(qū)移民工作的詳細(xì)信息和工程進(jìn)度情況。哪些地塊存在爭議，哪些地塊或房屋的協(xié)議沒有簽定，何時簽定；同時在空間上，管理人員也可極為方便、快捷、精確地查看、定位并分析移民地區(qū)的詳細(xì)信息：移民類型、占地面積、地形地貌、淹沒區(qū)、影響區(qū)、工程施工的影響范圍及可能影響程度等。通過實物指標(biāo)的疊加，可以使管理人員更加主動、高效、全面、動態(tài)地進(jìn)行移民管理與決策，隨時掌握移民工作的動態(tài)、工作重點、難點。圖2為電站庫區(qū)扯索壩區(qū)域的實物指標(biāo)成果與GIS的疊加效果圖。該圖不僅記錄了每個地塊的編號、作物類型、面積、戶主，還記錄了現(xiàn)場可能存在的爭議，從而更好地指導(dǎo)了移民工作。

(2)洪水淹沒區(qū)分析及影響區(qū)分析：電站水庫及樞紐工程建設(shè)完成并蓄水后，將會有部分區(qū)域因水位上升而被淹沒。由于TE特有的空間分析技術(shù)，可以根據(jù)不同批次、不同淹沒高程，動態(tài)模擬淹沒過程及面積，并對淹沒區(qū)的居民信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，同時根據(jù)所掌握的區(qū)域地質(zhì)情況對水庫蓄水后的影響區(qū)域進(jìn)行分析。圖3為電站蓄水后庫區(qū)興隆溝范圍內(nèi)的淹沒高程圖和影響范圍線，利用該范圍線可以快速統(tǒng)計、分析所影響的實物指標(biāo)，從而為移民管理決策提供支持。

(3)移民安置點選擇分析：在專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的支持下，移民安置區(qū)的選取和建設(shè)，可以通過GIS空間分析的方法加以輔助解決。如移民安置點的選擇，首先確定移民數(shù)量及規(guī)模。這些均可通過庫水位淹沒高程或施工區(qū)影響范圍在GIS中選擇、統(tǒng)計、確定；其次，移民安置點的選擇要考慮水庫蓄水后及工程施工對周邊環(huán)境的影響范圍，水電站庫區(qū)移民的居民點建設(shè)應(yīng)選擇在淹沒線或影響線2 m以上區(qū)域；對于工程建設(shè)存在施工生產(chǎn)振動及噪音的，安置點區(qū)域應(yīng)在振動及噪音影響范圍線以外，通常不少于200 m。同時，選址分析還要結(jié)合所選區(qū)域的地形、地質(zhì)條件等進(jìn)行分析判斷，如所選新址坡度應(yīng)小于25°，并要避開泥石流、滑坡、塌岸等不良地質(zhì)地段；對于有耕種要求的農(nóng)村居民，還要考慮安置點居民的平均耕作半徑不得大于3 km等。將通過以上條件的區(qū)域進(jìn)行疊加，可能會得到幾個不同的安置點。這時，需要在GIS信息系統(tǒng)中，對所比選的幾個安置點的周圍環(huán)境條件進(jìn)行合理的統(tǒng)計并進(jìn)行進(jìn)一步分析：如與最近水源點的距離、與公路的距離、附近是否有現(xiàn)成的電力、通信接點、安置點的高差、平均坡度及土地人口承載力等。借助GIS地理信息系統(tǒng)的空間輔助分析方法，通?？梢哉业揭恢羶蓚€適合生產(chǎn)、生活和居住的區(qū)域，進(jìn)而為精準(zhǔn)移民打下堅實的基礎(chǔ)；最后，再征求移民意愿對比選的安置點進(jìn)行最終確定。圖4為硬梁包水電站庫區(qū)扯索壩移民安置點的選址及規(guī)劃平面圖。

圖2 硬梁包水電站庫區(qū)址索壩區(qū)域移民實物指標(biāo)調(diào)查成果圖

圖3 硬梁包水電站庫區(qū)蓄水后興隆溝淹沒范圍及影響范圍圖

圖4 硬梁包水電站庫區(qū)扯索壩移民安置點選址及規(guī)劃圖

4 設(shè)計優(yōu)化與應(yīng)用

隨著GIS和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對設(shè)計的要求也在不斷提高，三維數(shù)據(jù)能夠彌補(bǔ)二維數(shù)據(jù)的不足，能為設(shè)計人員和決策者提供更為直觀、可視、可交互、虛擬的設(shè)計環(huán)境，特別是在管理和規(guī)劃決策上能大大提高工作效率。筆者針對硬梁包水電站的設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行了說明。

(1)S211改線公路設(shè)計優(yōu)化。

根據(jù)原初步設(shè)計，S211改線公路廠房樞紐區(qū)段在趙家崖段采用的是明路設(shè)計，并采用樁基托梁的設(shè)計方案。后來將此方案導(dǎo)入GIS地理信息系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，此方案在經(jīng)濟(jì)上是最優(yōu)的，技術(shù)上也是可行的，但其缺陷是沒有考慮該區(qū)域的地質(zhì)及地勢環(huán)境影響：在樁基托梁的正上方有一泥石流溝，每到汛期均有來自上方泥石流對橋梁的威脅，如一定要采用明路方案，則必須在橋梁上面增加一個保護(hù)蓋等措施，但這無疑是不經(jīng)濟(jì)的。設(shè)計人員將明路方案和隧洞方案同時導(dǎo)入GIS地理信息系統(tǒng)中，管理人員和設(shè)計人員很直觀地作出了正確的決策，并最終選定了 隧洞方案。圖5是硬梁包水電站S211改線公路廠房樞紐區(qū)段跨趙家崖明路及隧洞方案對比圖。

(2)廠房花石包區(qū)域電力線路改建設(shè)計。

根據(jù)工程樞紐布置需要，廠房花石包區(qū)域內(nèi)有10 kV等級花瓦線、二花線及明源電廠上網(wǎng)線三條；有35 kV雨花線、磨花線、桃花線、花桐線四條；有110 kV沙桃線一條，共八條電源線路需進(jìn)行遷建。但由于該區(qū)域平面及空間資源有限，同時還要考慮不同電源線之間的安全間距要求，按常規(guī)的二維設(shè)計，除了進(jìn)行復(fù)雜的計算外，還有可能在空間某個位置的電源線間距仍不滿足規(guī)范要求。因此，對于該區(qū)域，可在二維設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行可視化設(shè)計，利用軟件強(qiáng)大的空間分析能力和計算能力，不僅有效地避免了線路之間的交叉影響，而且在保證安全的情況下，使各個線路布置更加合理，在加快設(shè)計效率的同時，保證了空間資源的充分利用。圖6為硬梁包水電站花石包區(qū)域110 kV、35 kV、10 kV電力線路改建空間布置圖。

圖6 硬梁包水電站花石包區(qū)域110 kV、35 kV、10 kV電力線路改建空間布置圖

5 結(jié)語與前景

采用3S技術(shù)并通過Terra Explorer軟件構(gòu)建的工程GIS地理信息系統(tǒng)，由于其具有易于操控、靈活、高效、可視化效果好且與CAD、3D、Google Earth、ArcGis等軟件無縫結(jié)合等優(yōu)點，通過應(yīng)用GIS空間分析方法、空間疊加分析法、空間統(tǒng)計分析法及三維顯示分析等多種地理信息技術(shù)及動態(tài)管理方法、對比分析等方法，為工程的各項設(shè)計成果提供了一個檢查、校核、優(yōu)化的工具；為移民規(guī)劃、安置、搬遷、補(bǔ)償?shù)纫泼窆芾砉ぷ魈峁┝司珳?zhǔn)的空間決策分析與支持；為工程的各項工作協(xié)調(diào)提供了更為直觀的解決方案；為工程的各項設(shè)計管理、移民管理提供了方便快速的決策分析手段。借助該系統(tǒng)，管理人員能更加主動、高效、全面、動態(tài)地進(jìn)行工作，易于實現(xiàn)對工程規(guī)劃、設(shè)計、安全、環(huán)保等方面的管理和決策。

可視化決策與管理是未來管理的一種趨勢，也是管理領(lǐng)域的重大變革和創(chuàng)新，除了能顯著提高管理者決策水平外，在一定程度上還能大大減少協(xié)調(diào)工作量，提高工作效率并減少低級錯誤和返工的發(fā)生，具有不可估量的管理效益。通過該系統(tǒng)對施工場地布局和施工時序銜接的直觀、動態(tài)管理，有利于施工組織設(shè)計的優(yōu)化，從而獲得投資效益及進(jìn)度效益；由于TE強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口，該系統(tǒng)可較為方便的與未來實施的施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等相結(jié)合，通過物聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，還可快速打造數(shù)字水電、四維水電、智慧水電，創(chuàng)新水電管理模式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李維乾，解建倉，等.基于3S的移民工程信息化平臺設(shè)計與應(yīng)用[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47(25)：22-25.

[2] 陳雪冬，楊武年.水庫移民GIS輔助決策支持系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].測繪科學(xué)，2004，29(3)：67-70.

[3] 徐占華，梁建國，等.Skyline精細(xì)地形場景生成探討[J].北京測繪，2009，23(1)：40-42.

[4] 翟建軍，葉芳毅，等.大型水庫移民規(guī)劃管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 人民長江，2007，38(10)：12-13.

[5] 陳 鵬，范新南，等.地理信息系統(tǒng)在低壓電網(wǎng)可視化信息系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 河海大學(xué)常州分校學(xué)報，2001，15(3)：11-14.