关键字：“4S”集成技术 大坝安全 应用
我国已建堤坝约8.3万多座，坝高15m以上的约1.86万座；堤防长度逾25万km，其中,大江大河上的重要堤防6.57万km.然而，由于工作和运行条件极其复杂且随着时间的推移，堤坝的病害和老化日趋严重.据不完全统计[1,2]，在3100座大中型水库大坝中，病险大坝有1248座；8万多座小型水库中，病险坝约占36%，堤防的安全状况也相当严峻。这就要求对流域中的坝群进行更加有效的测控和管理。
地理信息系统(GIS)技术、遥感(RS)技术、全球定位(GPS)技术和专家系统(ES)技术是数字流域中的重要技术。这些技术的不断发展成熟，可为大坝安全测控和管理提供全新的技术手段。
1 “4S”技术在大坝安全中的应用概况
1.1 GPS技术
近10年来,GPS技术在测绘领域得到了迅速的发展。随着GPS技术的日趋完善，精度的不断提高，已逐渐开始应用于水工建筑物的表面变形观测。
GPS技术与常规测量技术相比，具有全天候和实时高效的优点，其表面定位精度可到厘米级甚至毫米级，高程可达四等水准.测点速度一般只十几分钟或几分钟。由于其点位间不存在误差积累，测量点不像传统控制测量那样有等级之分。采用GPS技术无需过渡点,不用造标,点位间不需要通视。
目前GPS技术已经成功地应用于隔河岩的大坝安全监测中。隔河岩的GPS系统主要由5个坝顶测点和左右岸两个基准点组成，1998年3月正式投入试运行。其中7台GPS接收机365天24小时连续观测,通过1年的运行，其1小时及6小时基线测值与平均值之差变幅见表1[3]。从表1的数据可以看出GPS系统有足够的监测精度。
经过1998年8月的洪水考验，证明隔河岩的GPS监测系统安全可靠，抗干扰能力强，监测精度高，具有“全天候、实时、自动化监测”等优点。
1.2 RS技术
RS技术具有影像数据更新快、地理信息丰富、覆盖区域广、图像数字化程度高及多时项性，能方便、快捷地生成三维地形等优点。
大量的工程实践表明，应用RS技术，可以快速、准确地监测和管理大量的基本数据，如流域三维地形，土壤侵蚀,人文信息，坝区真实地貌、基岩、覆盖层及不良地质现象等。
1.3 GIS技术
GIS的空间分析和显示功能，可有效地用于流域坝群的安全管理。目前GIS在水利水电工程中已经获得了较为普遍的应用，如在大坝安全管理，水文水资源，流域土壤侵蚀和水土保持，水库、湖泊、河口水下地形测量[4]，以及在边坡稳定性分析等许多方面得到应用[5]。
1.4 ES技术
由于大坝的工作条件十分复杂，对其安全分析和评价已从单因素发展到多因素，从单项分析发展到多项综合分析和综合安全评价。因此，采用专家系统应用专家的经验进行综合分析就显示出其独特的功能。
笔者将专家系统应用于大坝安全评价，编制了大坝安全综合评价专家系统软件，并已经成功应用于多座大坝安全工程中[6,7]。
2 “4S”集成技术在大坝安全中的应用框架
“4S”集成是指以RS和GPS作为快速获取和更新流域坝群、坝区基础数据的主要技术手段,以GIS作为存贮、管理和分析流域坝区空间信息和数据的基础平台，以ES为大坝安全的功能核心，按一定集成方式构成的技术体系.其框架如图1所示。
RS系统作为一种高性能的信息采集手段，从全流域出发来捕获和分析与大坝安全相关的流域信息。通过分析遥感图片，得到流域三维地形的DEM、土壤侵蚀、人文信息、坝区地质地貌等流域基础数据。所获信息在地理信息系统中进行存储和分析，结果供大坝安全综合评价专家系统使用。
GPS作为一种新型的定位信息采集技术和手段，可应用其静态和快速定位方法直接获取大坝位移，提供给GIS,ES系统进行大坝安全评价使用。同时获得各类大地模型信息、基础地形信息和周期性数据信息，从而解决遥感信息的定位问题，实现遥感信息直接进入GIS数据库，使GPS也成为流域大坝安全的一种信息源和信息更新手段。
通过GIS所具有的多目标数据库、分析软件和应用模型,可实现信息查询与检索、空间数据的统计与分析，从而对流域坝群进行宏观分析和管理。如流域坝群分布情况，病坝、险坝分布情况，大坝安全相关的水库坝区信息的管理等，并与数据管理系统交换数据。结合3D-GIS，Web-GIS和虚拟现实技术，充分利用GIS的可视化功能，还可方便地对流域地质地貌、坝群等进行直观的展示。
ES是本应用框架的核心。ES系统把大坝安全监测领域内专家的经验性知识，经知识工程师的整编归纳和编译，利用RS，GPS，GIS获得的流域、大坝的数字化信息，对大坝安全状况做出综合分析、评价和辅助决策。同时为RS提供图像智能识别，为GIS提供智能推理支持，最终确保大坝安全,改善流域大坝运行管理水平。
3 结论
“4S”技术及其集成技术作为数字流域中的重要技术，在大坝安全监控领域有广阔的应用前景。本文提出“4S”集成应用框架在宏观上可用于对整个流域坝群的监测和管理，微观上可用于每一座大坝的安全监控。