空间信息技术在水电开发工程预可研中的决策支持 ——以黄河玛尔挡水电站为例

论文摘要

众多实践表明,空间信息技术在信息获取和空间决策分析中的强大功能,可为各类工程立项和建设提供客观、科学的决策支持。本文以“空间信息技术在水电开发工程预可研中能够做什么?”为主线,以黄河玛尔挡水电站为原型,重点探讨了遥感和GIS技术在水电开发工程预可研中应用的技术方法。论文的主要研究内容和取得的主要研究成果如下:（1）完成了多源空间数据集成,为GIS决策分析提供了数据支撑。针对GIS中存在的空间数据多源化问题,从空间数据应用角度出发,详细总结阐述了三种常用空间数据集成方法,即数据格式转换法、坐标系转换与投影变换法、几何纠正法。利用这些方法,实现了玛尔挡水电站研究区各类空间数据的集成,为GIS空间决策分析奠定了坚实的数据基础。尤其针对我国GIS应用中经常遇到的北京54和西安80坐标之间的转换问题,提出了一种基于地形图标准图框和坐标改正参数实现两种坐标系地形图相互转换的简易方法,该方法操作简单,易于实现,非常适合于非测绘人员使用。（2）进行了高精度格网DEM构建实验,并成功应用到玛尔挡水电站预可研中。基于地形数据构建高精度格网DEM,包括DEM最优生产方法选择和最佳分辨率确定两方面内容。实验分析表明:ArcGIS中Topogridtool法是目前常用遥感和GIS软件中生成格网DEM的最优方法。针对具体应用目标,可以选取地形粗糙度和剖面线长度作为不同比例尺地形数据生成格网DEM时确定最佳分辨率的定量指标。这样可以克服GIS空间分析中DEM分辨率确定的盲目性和随意性,确保基于DEM的空间分析精度。基于DEM理论提出了“土地平整法”计算水库水位～面积曲线和水位～库容曲线的思想,并通过C#语言编写了水库面积～库容曲线计算软件。通过该软件,快速得到玛尔挡水电站水库在3270m设计水位时的水库面积为23.98km2,库容为13.72亿m3。通过计算不同水位时的水库面积和库容,快速绘制了水库水位～面积关系曲线和水位～库容关系曲线,有利于进行水电站各项设计参数的比选。基于高精度DEM和高空间分辨率QuickBird影像等,构建了玛尔挡水电站库区虚拟现实地理信息系统（VR-GIS）,为各级领导和工程技术人员形象直观地把握库区概况提供了重要平台,并可辅助进行工程设计方案的调整和完善。（3）进行了水电开发的环境地质调查与评价,为玛尔挡水电站工程决策提供了客观依据。利用ETM+影像进行了地层岩性、线性构造的解译与分析,完善了区域地质资料,弥补了地面地质工作的不足,为下阶段工程地质勘探工作指明了方向。利用Quick Bird影像人工目视解译了玛尔挡水电站库区内的地质灾害,建立了地质灾害本底数据库。库区共解译出滑坡5处、崩塌5处,除靠近下坝址有一处较大规模滑坡需重点勘察研究外,其余滑坡、崩塌规模都较小,且距离坝址区较远,对工程影响不大,主要是淤积水库,不构成工程立项和建设的制约性因素。选取斜坡结构、坡度、地层岩性、断层和河流水系5个评价因子,利用层次分析和多因子分级加权,对崩塌和滑坡地质灾害的危险性进行了预测评价。评价结果表明:整个研究区地质灾害危险性处于中等水平,但坝前及近坝库区相对于库区中段和库尾段,地质灾害危险性较高,即水电站建成蓄水后诱发滑坡和崩塌的可能性较大,需要加强该段库岸稳定性研究工作,确保水库蓄水后安全运行。（4）进行了水电开发生态环境影响评价,为玛尔挡水电站工程决策提供了重要参考依据。利用Quick Bird影像人工目视解译了研究区土地利用类型,基于景观生态学的理论和方法,选取9个景观指数模拟分析了水库淹没影响。水电站建成后,形成高原峡谷型水库,水域面积增加1784.220 hm2,淹没有林地938.175 hm2、裸地405.850 hm2、草地368.828 hm2、其它林地71.22 hm2、居民地0.15 hm2,不淹没耕地和道路。水库蓄水对当地社会经济结构的影响程度低,移民搬迁任务轻,淹没损失小。水库淹没前后景观基质都是草地,但景观破碎度和景观异质性升高,景观类型在空间分布上越来越均匀。综合分析表明:水库淹没对生态环境影响较小。选用RUSLE（修正的通用土壤流失方程）模型,对研究区内水土流失进行了估算和评价。结果表明:研究区水土流失水平较低,但剧烈流失区主要分布在坝前及近坝库区,水电站建成后,水土流失产生的泥沙将直接进入水库。在进行水电站泄洪排沙等工程设计时,应充分考虑近坝库区水土流失对水库淤积的影响。水土流失预测也为水土保持规划提供了客观依据。玛尔挡水电站的应用实践表明,将遥感和GIS等空间信息技术引入到水电开发工程预可研工作中,能够快速完成许多常规手段无法完成的工作,大大节约人力、财力和物力,提高工作效率,为工程决策提供强大的技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.1.1 水电开发引发的激烈争论
• 1.1.2 南水北调西线工程引发的质疑
• 1.1.3 研究的重要意义
• 1.2 空间信息技术在水电开发中的应用进展
• 1.2.1 空间信息技术发展概述
• 1.2.2 空间信息技术在水电开发工程中的应用
• 1.3 论文的支撑项目与研究工作基础
• 1.4 论文主要研究内容及研究技术路线
• 1.5 论文的主要贡献（创新点）
• 第2章 多源空间数据集成方法与实践
• 2.1 多源空间数据集成在地学空间分析中的重要性
• 2.2 空间数据多源化的产生和表现形式
• 2.3 多源空间数据集成的实现方法
• 2.3.1 数据格式转换法
• 2.3.2 坐标系转换与投影变换法
• 2.3.3 几何纠正法
• 2.4 玛尔挡水电站研究区基础地理、地质数据集成
• 2.4.1 矢量数据集成
• 2.4.2 栅格数据集成
• 2.5 玛尔挡水电站研究区遥感影像集成
• 2.5.1 遥感影像元数据信息
• 2.5.2 遥感影像预处理的总体技术框架
• 2.5.3 瓦块文件镶嵌
• 2.5.4 辐射校正
• 2.5.5 影像融合
• 2.5.6 几何精纠正与正射纠正
• 2.5.7 影像分割与镶嵌
• 第3章 高精度数字高程模型（DEM）构建与应用
• 3.1 高精度数字高程模型（DEM）构建实验
• 3.1.1 数字高程模型（DEM）概述
• 3.1.2 最优DEM 生产方法的实验
• 3.1.3 最佳DEM 分辨率的确定
• 3.2 水库面积～库容曲线计算软件研制与实例分析
• 3.2.1 “土地平整法”计算水库面积～库容曲线的基本原理
• 3.2.2 软件系统架构与设计
• 3.2.3 水库面积～库容曲线计算系统的实现
• 3.2.4 玛尔挡水电站水库面积～库容曲线计算实例分析
• 3.3 基于DEM 的库区虚拟现实地理信息系统（VR-GIS）研制
• 3.3.1 VR-GIS 的基本原理
• 3.3.2 玛尔挡水电站库区VR-GIS 研制
• 第4章 基于遥感与GIS 的环境地质调查与评价
• 4.1 环境地质调查与评价在水电开发决策中的重要意义
• 4.2 ETM+影像波段优选与RGB 彩色合成
• 4.3 地层岩性遥感解译及分析
• 4.4 线性构造遥感解译及分析
• 4.4.1 区域地质构造概况
• 4.4.2 线性构造及其遥感解译标志
• 4.4.3 线性构造遥感解译分析
• 4.5 地质灾害现状调查与评价
• 4.5.1 地质灾害现状调查的重要性
• 4.5.2 地质灾害遥感解译标志
• 4.5.3 玛尔挡水电站研究区地质灾害遥感解译与分析
• 4.6 地质灾害危险性预测评价
• 4.6.1 地质灾害危险性预测评价的重要意义
• 4.6.2 地质灾害危险性预测评价模型与方法
• 4.6.3 地质灾害危险性预测评价的实施过程
• 4.6.4 地质灾害危险性预测评价的结果分析
• 第5章 基于遥感与GIS 的水电开发生态环境影响评价
• 5.1 水电开发生态环境影响评价概述
• 5.2 水库淹没影响预测与评价
• 5.2.1 水库淹没影响概述
• 5.2.2 玛尔挡水电站研究区土地利用景观分类与制图
• 5.2.3 玛尔挡水电站研究区土地利用景观空间分异规律分析
• 5.2.4 玛尔挡水电站水库淹没对景观格局的影响
• 5.2.5 玛尔挡水电站水库淹没的生态环境效应分析
• 5.3 水土流失调查与评价
• 5.3.1 水库淤积与水土流失
• 5.3.2 水土流失测算模型的选择与影响因子确定
• 5.3.3 玛尔挡水电站研究区水土流失现状与生态效应分析
• 结论与讨论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 图版1-18
• 附录B 作者简介