水利
电子沙盘的制作|建设与管理|防洪抗灾｜河道治理｜农田水利设计|优势特点|成功案例
兴利除害是建设水利工程的初衷，但是水利工程一般都非常宏伟、建设时间长，工程所属的流域范围通常也很大，有的甚至跨越数个省份。因此，无论是工程建设初期的勘察、施工还是工程竣工后的维修和监管，在时间和空间跨度上都会面临诸多难题。而LiDAR具有能够快速获取三维地面信息且不需要大量地面控制点、不受天气影响等优点，在水利工作中势必会发挥越来越重要的。
电子沙盘(electronicsandtable)是相对于传统的实物沙盘(materialsandtable)模型而言的，也称为数字沙盘(digitalsandtable)或虚拟沙盘(virtualsandtable)，又称三维GIS。电子沙盘是集地理信息系统、计算机、虚拟现实、可视化技术和多媒体技术于一体的高新技术产品，为使用者提供一个实时、可交互操作的虚拟现实环境。它不仅可以察看真实的地形地貌，并且具有易于加工处理、在一定的分辨率范围内可以任意缩放等诸多优点。电子沙盘不仅能够使公众对工程进行更全面和更直观地了解，还可以为决策者提供依据和参考。
电子沙盘是基于影像数据、数字高程模型以及其他矢量数据设计的，而这正是LiDAR的长处，因为LiDAR不仅能够获得高精度的数码影像，而且能够快速获取高精度的DEM。电子沙盘的制作原理是，首先对DEM、遥感影像等进行处理并对地物模型进行制作和叠加，然后在GIS平台基础上进行二次开发，实现相关分析功能。
电子沙盘在水利中的应用前景十分广阔，我国已建成了7大流域的电子沙盘。根据LiDAR获得的高精度DEM和DOM，可以在ARCGIS软件中制作了江河的电子沙盘，如图4-1所示。电子沙盘不仅可以通过漫游浏览流域的水系和河道信息，还可以获得等高线、河道剖面图和坡度坡向等信息，并可直接进行量测，融合矢量数据和专题数据后还可以提供进一步的查询功能。
图 河流电子沙盘
LiDAR在工程建设和建成后的管理中都能发挥较好的作用，主要包括：
1）工程勘测
水利工程很多都建在较为偏僻的地方，地形非常复杂，交通和通讯条件有时也不理想，给测量工作带来很大困难。这时，勘测人员可以通过LiDAR获得的分辨率优于0.2米的正射影像图清晰地判读测区的地物属性，将DEM和激光点云生成的等高线套合来进行分析计算，可以确定大坝的位置及建设高度，并能模拟库区淹没范围。
2 )建设环境评估
LiDAR获得的高分辨率正射影像，结合点云可以进一步进行水体、植被和地形的提取分析，可用于工程的建设环境评估。
3)工程建设三维可视化管理
大型水电站的建设周期很长、技术复杂，设计方案的专业性也较强，因此整个项目的设计、施工、监理、管理等各个环节和部门的有效的协调、配合非常重要。开发一个基于电子沙盘的三维大型水电站管理系统可以实现项目设计的可视化和施工进度的直观化，为项目的管理提供一个有效的支撑平台，以提高工程设计、施工和管理的效率。系统能够实现水电站基础空间数据和设计数据的管理、水电站设施的三维仿真、工程建设进度的三维模拟、工程测量以及库区淹没分析和库容计算等。系统为大型水利设施开工、建设、管理和决策提供强有力的技术支持，决策者可以更为直观、宏观地了解整个大坝的规划建设情况。
4)建成后的信息化管理
工程建成后，融合了地理信息数据和水利专题数据的电子沙盘可以实现对工程的信息化管理。水利工程的选址对水流、地形地势等都需认真考虑，可以根据某河道的点云提取了DEM，如图所示，根据高精度的DEM辅以等高线和剖面分析等手段，可以进行工程的优化选址。
图 LiDAR用于工程的优化选址
对江河流域的险情评估需要建立在真实准确的基础数据上， LiDAR数据可以协助我们分析植被的覆盖生长情况；堤坝和山体的坡度；堤坝险情分析评估；分水线和流向分析等；从点云可以分析出准确植被高、植被冠和植被范围等信息，为江河流域的生态环境评估提供准确的数据基础。堤坝和山体的坡度统计分析可以有利于对险情做出评估。数字高程模型与江河流域的水情、雨情和所在地区的人文和经济信息相结合还可用于预测全国和局部流域的洪水发展趋势、洪水淹没范围、淹没损失。这些预测可以帮助我们在物资贮备人员配置和救灾措施等方面预先做好准备以缩短救援时间减少灾害损失。
图 激光点云精确获取地物坐标和高度
激光点云可以清晰表示出建筑、树木和地表，提供了可直接从三维点云获取坐标信息，制作专题地图提供基础数据。
通过数字高程模型可以协助进行淹没分析，对指导防灾减灾提供决策的基础数字数据。
图 坡度和横断面
通过数字高程模型可以协助进行地形坡度的测量，断面测量，距离测量，对指导防灾减灾提供决策和改造的基础数字数据。
图 流域面与合水线提取
数字高程模型可以协助我们分析地形的流域面积以及汇水线，为防灾救灾提供水流的汇集路线。针对性的进行治理。
过去河堤的测绘常常采用全站仪作业的方法，但这需要地面控制点，而且效率低，更重要的是，河流的岸线一般都很长，在地形复杂地区，全站仪很难顺利作业，而LiDAR不需要大量地面控制点，能够快速获取流域三维信息，是传统方法难以企及的。LiDAR不仅能够进行沿岸堤防的检查，还可以用来进行地貌形态、轮廓形状、地势变化、地质构造和斜坡特征等剖面分析，可以对任意方向上的两点根据其所在的等高线表示的差值和平距计算坡度，能够进行表面面积和挖填方量的计算。对于规则的堤防，还可以通过建模获得较为准确的三维信息。
如图4-3所示为右江的原始LiDAR数据，图4-4为利用Terrasolid提取的大堤剖面设计参数。由于堤防的设计要考虑地形、地质和堤基等，所以LiDAR不仅能够用于堤防的设计，还能为堤防的检修和维护提供依据，因此，LiDAR在堤防的设计与维护中具有重要的应用价值。
图 右江堤坝点云数据
图 堤坝的剖面设计参数
电子沙盘可以用于农田水利设计，将右江某堤防附近农田的LiDAR数据制作成了电子沙盘，并在ARCGIS中绘制了农田水利设计示意图，如图4-5所示。LiDAR在农田水利中的具体应用如下：
（1）选择灌溉方式：灌溉方式的选择要考虑地形，而电子沙盘可以再现三维地形场景；（2）管道布置：DOM可以进行地物的识别，为农田水利中渠系管道的布置提供参考，而且DEM也会在复杂地形的管网布置中发挥独特的作用；
（3）水力计算：灌溉对水源水位及水量都有要求，确定灌溉取水方式时要满足灌溉所需要的控制高程，而电子沙盘中的断面量测、坡度和坡向分析功能可以为灌溉中水头损失的计算提供依据；
（4）土地利用结构设计：对于灌区土地利用结构设计，应根据控制范围内的地形、地貌特点，电子沙盘也能为此提供参考。
图 电子沙盘用于农田水利设计
与传统测量方法比较，机载LiDAR技术用于水利工程的突出特点和显著进步有：1. 作业环境的适应范围更广。尤其对于植被茂密以及无人区，传统立体航测由于无法布设像控往往无法进行，人工外业工测也是很难进入，但对于机载LiDAR而言，则无须此顾虑；2. 测量精度更高。尤其是对于植被覆盖较多地区，由于激光具有一定的穿透能力，能够获取到更高精度的地形表面数据，航空摄影测量作业方法需要作业人员估计树高，方可获取到地形表面数据，因此其测量误差较大，尤其是高程精度；
3. 水利行业建设更加精确，投资精细控制，有效减少森林砍伐、农田占用、房屋拆迁及洪水淹没等，最大限度避免水利矛盾。高精度DEM数据、DOM数据以及激光点云数据的支持，使得对地形地物的判读、空间信息的量测与获取更加准确和便捷，诸如房高、树高以及流域面积等信息可借助激光点云数据方便地自动提取，有利于在水利建设过程中对一些重要地物的避让，譬如公路、村庄、规划区、庙宇、榕树、矿区等，设计人员能够更加精确细致地进行控制，更加精细地控制工程投资；
4.水利建设效率更高。机载激光雷达数据处理自动化程度更高，无须进行航外业像控测量。三维场景更加逼真，可方便进行全线漫游以及多视角观察，便于整体把握项目。
