基于3S技术的新疆兵团第一次水利普查实践

气质、尐侽亽 · 发表于 2013-7-24 09:23

郭建华
【摘要】围绕正在进行的新疆生产建设兵团第一次水利普查工作中涉及的空间数据的特点、构成、类型、相互关系和组织模式，论述了3S技术在各类空间数据处理中的关键技术和特点。
【关键词】兵团第一次水利普查；3S技术；支撑技术
1  引言
水资源信息是人类生存、生产、生活、发展的基础信息，是完善国情国力基础信息体系的重要内容。开展第一次全国水利普查，是国务院做出的一项重大决策。新疆生产建设兵团（以下简称兵团）第一次水利普查是全国第一次水利普查的重要组成部分，是一次综合性、全方位的普查，涉及内容多、专业性强。3S技术则能提供从数据源获取、普查对象采集与处理到空间数据库的建设、数据入库到水资源分析、管理的整个过程的技术支持。
兵团是中央的直属单位，又是新疆自治区的重要组成部分。下辖14个师（市级）和176个团场（县级），分布在新疆维吾尔自治区各县区。兵团在新疆布局的特殊性决定了兵团水利资源的特殊性。兵团所属的垦区多数地处河流下游和“三边一线”，水资源分布非常不均衡，水资源利用紧张。近几年来，在国家的统一部署下，兵团相继开展了土地、农业、人口、污染源、经济等普查工作，获得了大量基础信息数据，作为重要基础信息数据之一的水利资源信息数据的普查，不仅能有效填补国家和兵团相关统计空白，并能为国家经济社会发展提供可靠的支撑和保障。
“3S”技术是遥感技术（RS）、全球定位系统技术(GPS）和地理信息系统技术(GIS）英文缩写的简称。以RS技术和GIS技术为支撑点，结合GPS技术是GIS在兵团第一次水利普查数据库建设中的三大支撑技术。
2  遥感影像在兵团第一次水利普查中的应用
2.1  数据源
兵团第一次水利普查数据是利用国务院水利普查办公室组织相关单位下发的国家基础数字地形图、遥感影像等资料及河湖基础名录及代码制作的县级（团级）行政区1：5万比例尺的2.5m正射镶嵌影像数据，50km²及以上河流和1km²及以上湖泊的数字水系和流域区划、县级行政区划边界、城乡居民地注记等信息打印的纸质图作为获取各类水利普查对象的工作底图。
兵团第一次水利普查办公室领取的数字正射影像图（DOM）除具有一般遥感影像的信息内容外，还同时具有地图的几何精度，是利用数字高程模型（DEM）逐像元进行投影差改正、镶嵌，按照国家基本比例尺地形图图幅范围裁切生成的标准分幅数字正射影像图。特点是精度高、信息丰富、直观真实，具有良好的判读性能和管理性能。可以利用图像的判读标示，如色调、颜色、形状、大小、纹理、图案等进行室内判读，可以确定水体和大坝、堤防、引调水工程、干渠、水闸、规模较大的水电站等普查对象。有助于普查对象判别，增加了数据准确程度。
2.2  数据采集
以县为调查单位，结合工作底图中地形图和水利专题信息，采取人机交互的方法，先采用室内目视解译的方法，根据影像特征，如色调、形状、纹理、图案、布局等信息，采用直接判读法、对比分析法、信息复合法，从已知到未知，先易后难，去伪存真，验证确认，将底图影像中可识别的普查对象，如水库、大坝、堤防、干渠、地表水源地等普查对象识别标示出来。然后利用普查人员熟悉当地地物的优势，逐地物核实确认。
利用遥感影像覆盖广、信息综合的特点，对水利工程基本情况、河流湖泊治理保护情况、灌区、地下水取水井、水土保持措施和行业能力建设情况普查；通过遥感影像解译、现场查勘、档案查阅等方法，对水土保持普查；通过基础资料分析、DEM信息提取、遥感和野外调查等技术手段的综合运用，获取气象、土壤、地形、植被、土地利用、水土保持措施等主要侵蚀影响因子；利用侵蚀模型定量评价侵蚀强度，综合分析水蚀、风蚀、冻融侵蚀的分布、面积与强度，有效提取灌区和水土保持中的土壤侵蚀分类分级等；对侵蚀沟道普查，在充分利用已有的基础资料的基础上，利用遥感影像与DEM提取侵蚀沟道基本信息，再通过野外调查进行复核、完善。遥感影像是兵团第一次水利普查空间数据采集的重要信息来源之一。
遥感影像在兵团第一次水利普查中的作用可以归纳为：
① 外业调查底图制作的基础，为外业调查提供指导。
② 充分利用现实性较强的遥感影像显现区域现状信息的最有效方法。
③ 充分发挥RS、GIS高新技术，减少外业调查工作量，是提高水利调查进度、降低调查成本的最合理、有效的途径。
3  基于GPS的普查对象采集
根据国务院第一次全国水利普查领导小组办公室发布的《第一次全国水利普查实施方案》要求和兵团第一次水利普查办公室的部署，在外业普查中，涉及面积、长度和位置的，都利用GPS卫星定位仪进行实地测量，对河湖取水口、排污口、地下取水井、农村供水工程等在影像工作底图上无法直接判读或标绘的对象，使用GPS接收设备和参考资料进行现场勘查，获取普查对象的空间位置信息。其他普查对象，如泵站、闸、用水大户、支渠等也是采用GPS作为主要测量手段，结合地图数据及遥感数据进行采集。工作底图中没有或实地情况与遥感影像不一致的也采用GPS外业测量获取普查对象空间位置信息，进而将普查对象标绘到工作底图中。
GPS接收机采集到的坐标信息与GPS放置的位置有直接关系，为了满足水利普查空间数据的采集要求，根据不同的采集对象特点，需要对GPS放置位置进行统一或规范。
（1）点状对象：对于能够直接到达的点状对象，原则上要求选择该对象的中心点作为GPS放置位置（如泵站），如果存在障碍时也应尽量靠近该对象，便于内业标绘时进行调整。对于不能直接到达的点状对象，结合空间数据采集要求选择GPS放置位置。如进行河湖取水口数据采集时，结合该对象的标绘要求“在其同侧岸线上取距最近中间点位标注”，可以将GPS直接放置在该位置。
（2）线状对象：根据线状对象的空间分布，沿着该对象选取特征点进行位置信息采集，采样密度以能够较准确绘制线状对象为宜。典型的直线类对象，如水闸，应在对象两端各采集一次位置信息；而对于曲线类对象，如堤防，则应选择转角处进行GPS放置以采集位置信息。
（3）面状对象：可以将面状对象视为封闭的线状对象，其采集方法及GPS放置位置与线状对象的处理方式相同。
兵团第一次水利普查采用的是GPS单点定位方法，定位精度保持在10m-15m之间，数据采集的精度在1"以内。GPS测量数据以数字方式存储，可以直接导入GIS系统成图，避免了传统方法中多次调绘、转绘带来的误差累计。
兵团第一次水利普查技术要求高、时间紧，但由于兵团团场区域分散，普查工作量大。GIS系统定位时间短、操作简单、劳动强度低，可以方便、快捷的进行空间分析、综合、提取和修改的特点有效提高了精度和效率。
4  GIS支持下的空间数据处理的主要方面
兵团第一次水利普查使用的空间数据处理系统遵从国务院水利普查办公室提供的统一数据模型，可在单机和网络环境下使用。具有对象采集、编辑、属性数据与图形数据关系建立、数据库建设和管理、数据汇集与分发等功能。
4.1  空间数据采集处理系统方面
兵团第一次水利普查空间数据采集处理系统使用国家水利普查办公室统一配发的采集、处理系统，由县级（团级）空间数据采集处理系统采集版和配发省级（兵团级）以上机构的空间数据采集处理系统处理版构成。其中县级空间数据采集处理系统（采集版）数据处理系统依赖桌面GIS引擎和基于文件管理系统开发，重点支持县级完成空间数据采集和简单编辑，实现普查要素标绘和建立要素间关系。省级以上机构的空间数据采集处理系统（处理版）支持普查成果数据的长期维护与应用，支持网络环境下使用。其依赖GIS服务器和支持空间大型数据库管理系统开发。实现数据合并、成果分析、数据校验、统计分析和成果数据的切割导出等功能。
4.2  普查对象关系方面
在普查成果数据库中，要素类空间特征及关系特征实体数据库集的管理由基于关系型数据库的GIS引擎管理，主要有普查对象空间关系和普查对象业务关系两类。
① 普查对象空间关系
由GIS管理工具结合水利普查空间数据模型设计选取的各类关系规则建立。对象空间关系是空间数据由“看”到“算”的基础，也是做到普查对象不重不漏与质量保障的基础。水利普查对象空间关系样例见表1。

表1 水利普查对象空间关系样例表

② 普查对象业务关系
基于属性的业务依附关系由GIS的空间分析方法建立。水利普查对象业务关系样例见表2。

表2 水利普查对象业务关系样例表

4.3  空间数据库建设方面
兵团水利普查空间数据库是基于统一的数据模型与技术要求，通过普查对象数字化构建普查对象空间数据库，实现水利普查指标的属性数据与空间信息关联整合，完成普查综合成果数据库对调查和上报数据进行全面校验、分析协调、反馈完善、平衡衔接跨区普查数据。
利用GIS技术对对象空间关系的多样性表达，不仅可以可视化地展现普查成果的地理分布，满足普查对象的图形属性联合查询、统计、表现等，而且可以形成多层级协同的长效数据维护与持续更新管理；其空间分析功能和专业模型结合，可支持水利与社会经济发展相互依存、相互作用等复杂应用要求，提高水利普查成果的应用广度和深度。
4.4  空间数据库管理与返切方面
空间数据库指的是GIS在计算机上以一系列特定结构文件的形式组织在存储介质之上的物理存储介质与应用相关的地理空间数据的总和。它具有数据量大、强大的信息检索和分析能力、属性数据和空间数据联合管理的特点，是全国水利普查成果“一张图”的基本要求。空间数据返切是将合并且经过归并处理完成的成果数据按照水利普查模型设定的要素类，顺序逐一去根据特定范围切割，并根据要素对象优先、关联关系其次的原则切割导出，交付各县级单位使用。由于整个兵团水利普查成果库包括176个县级（团级）数据库，并与新疆维吾尔自治区各县、市接边，不仅跨域区域广，而且涉及的地物关联关系也较为复杂。GIS的这些功能、特点则满足了国家和兵团对水利普查成果空间分析与展示的需求。
5  结束语
开展兵团第一次全国水利普查，是国务院作出的一项重大决策，也是兵团水利行业和统计部门的一项重要工作，是编制国民经济和社会发展规划以及水资源开发、管理、保护和利用的重要依据。如此重要而繁杂的成果数据，“3S”技术系统依靠数字化、信息化、作业速度快，精度高等特点和优势，可以说整个水利普查工作过程从遥感信息获取到数据入库和管理分析，每一环节都有3S技术的参与。
当然GIS在水利行业的综合、深化应用，首先要取决于地理信息建模系统的完善和支持，但同时更需要专业人员的积极参与，这样才能不断拓宽GIS在本专业的应用范围，提高应用水平，使其由一个偏重于信息采集、管理、统计分析与处理的技术系统，逐渐发展成为功能强大的决策支持系统或专家系统，在兵团未来的信息化管理中发挥更大的作用。
参考文献[1] 邬伦. 地理信息系统——原理、方法和应用[M]. 北京：科学出版社，2001.
[2] 韩杰. 土地资源调查中3S集成应用的关键技术[J]. 测绘通报，2006（5）：47-49.
[3] 国务院第一次全国水利普查领导小组办公室. 水利普查总体方案[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010.
[4] 国务院第一次全国水利普查领导小组办公室. 水利普查空间数据采集与处理[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010
作者简介：郭建华，新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院工程师