“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系構(gòu)建：加速邁向智慧水利新時(shí)代

在科技浪潮的洶涌推動下，一場關(guān)乎水利行業(yè)深刻變革的大幕正徐徐拉開。“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系構(gòu)建，正以前所未有的速度加速推進(jìn)。這一充滿科技感的技術(shù)體系，作為數(shù)字孿生水利的重要組成部分，正引領(lǐng)著水利行業(yè)邁向智能監(jiān)測感知的新高度，推動著對水利對象全要素、治理管理全過程的智能監(jiān)測感知能力持續(xù)躍升。

多元設(shè)備協(xié)同，構(gòu)建全方位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

“水利一號”及組網(wǎng)的多顆遙感衛(wèi)星宛如太空中的“偵察兵”，憑借其廣闊的視野和全天候的監(jiān)測能力，時(shí)刻監(jiān)視著汛旱凌情的變化。它們不受時(shí)間和空間的限制，能夠快速獲取大面積的水利信息，為防汛抗旱工作提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。無人機(jī)和無人船則組成了“水陸空戰(zhàn)隊(duì)”，在空中、水面和水下全方位守護(hù)著河湖的健康生命。無人機(jī)可以靈活地穿梭于復(fù)雜地形之上，對河湖的水質(zhì)、水位、岸線等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；無人船則能夠在水中自如航行，采集水樣、檢測水質(zhì)參數(shù)，為河湖生態(tài)保護(hù)提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。而巡檢機(jī)器狗的“上崗”，更是為水庫、大壩的安全運(yùn)行提供了可靠支撐。它能夠輕松穿越復(fù)雜地形，對大壩的各個(gè)部位進(jìn)行細(xì)致巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

在今年“七下八上”防汛關(guān)鍵期，“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系發(fā)揮了巨大作用。水利部信息中心主任付靜在相關(guān)新聞通氣會上介紹，通過該體系建成了覆蓋72類2600萬水利對象數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)底板，生成了10米格網(wǎng)精度的全國數(shù)字流域水系。這使得多維度掌握河道、水庫、蓄滯洪區(qū)等流域下墊面、淹沒面積、工程險(xiǎn)情等動態(tài)變化數(shù)據(jù)成為可能，為水旱災(zāi)害防御決策提供了“天空地水工”一體化數(shù)據(jù)支撐。

遙感衛(wèi)星與測雨雷達(dá)：筑牢水旱災(zāi)害防御屏障

目前，我國已基本形成了涵蓋31顆遙感衛(wèi)星、100余部測雨雷達(dá)、4800余架無人機(jī)、13.3萬處地面水文報(bào)汛站、30多萬處工程安全監(jiān)測點(diǎn)的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系。這一體系的建立，標(biāo)志著我國正在告別以往以固定站點(diǎn)和斷面為主的監(jiān)測模式，逐步邁向“天空地水工”監(jiān)測感知一體化的“立體時(shí)代”。

以2025年黃河調(diào)水調(diào)沙水庫調(diào)度為例，這一復(fù)雜調(diào)度的安全高效落地，背后離不開“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系的硬核支撐。黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所副所長張防修介紹，通過RTK（實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分技術(shù)）、無人機(jī)等設(shè)備，結(jié)合衛(wèi)星遙感影像等手段，獲取了調(diào)水調(diào)沙期間下游水位表現(xiàn)、河勢變化等海量一手?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過原型黃河、模型黃河、數(shù)字孿生黃河“三條黃河”聯(lián)動，能夠精準(zhǔn)預(yù)測工程可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情及河勢演變趨勢。數(shù)字孿生水利為河流、水庫等打造了精準(zhǔn)的“數(shù)字分身”，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化映射、智慧化模擬、前瞻性預(yù)演。而這一切的實(shí)現(xiàn)，都離不開對物理系統(tǒng)全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。單一監(jiān)測感知手段已難以滿足需求，迫切需要“全要素、高精度、高頻率、連續(xù)性”的監(jiān)測體系作為支撐。

水利部黨組高度重視數(shù)字孿生水利建設(shè)，要求加快推進(jìn)“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系夯基提能。2024年7月，水利部發(fā)布《數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測感知夯基提能行動方案(2024—2026年)》，從頂層謀劃構(gòu)建支撐水利多業(yè)務(wù)的一體化監(jiān)測感知網(wǎng)，為數(shù)字孿生水利的高保真建設(shè)運(yùn)行提供重要算據(jù)保障。付靜詳細(xì)介紹了該體系的構(gòu)成：“天”依托遙感、衛(wèi)星等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺度全局監(jiān)測感知；“空”借助無人機(jī)、高塔搭載測雨雷達(dá)等設(shè)備，完成中小尺度高精度動態(tài)監(jiān)測感知；“地”通過地面監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，聚焦關(guān)鍵區(qū)域點(diǎn)位要素的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測感知；“水”專門針對河湖庫水體、水中、水下水利要素的監(jiān)測感知；“工”則聚焦水利工程內(nèi)外部要素的監(jiān)測感知。”天基、空基、地基、水基、工基五位一體的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從水利行業(yè)全局出發(fā)，全面覆蓋水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配等水利“2 + N”業(yè)務(wù)監(jiān)測需求。

在全球氣候變化的背景下，極端天氣事件多發(fā)頻發(fā)重發(fā)。在防汛戰(zhàn)場上，及時(shí)暢通、直達(dá)一線的監(jiān)測感知數(shù)據(jù)，可為人員撤離、水庫調(diào)度、蓄滯洪區(qū)啟用以及防御預(yù)案生成等決策指揮提供堅(jiān)實(shí)支撐，最大程度減少自然災(zāi)害帶來的損失。例如，5月22日凌晨，湖南省桃源縣牛車河鎮(zhèn)遭遇極端強(qiáng)降雨突襲，在全鎮(zhèn)一度斷網(wǎng)斷電的關(guān)鍵時(shí)刻，得益于龍鳳山站點(diǎn)新增的北斗衛(wèi)星信道支持，數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸，助力預(yù)警鏈條不間斷。7月3日晚到4日凌晨，四川省綿陽市北川羌族自治縣夜雨滂沱，水利測雨雷達(dá)實(shí)時(shí)傳輸“云中雨”信息，有效研判山洪泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提前轉(zhuǎn)移1155戶2636人。7月23日至7月30日，海河流域遭遇入汛以來最強(qiáng)降雨過程。水利部海河水利委員會水文局充分運(yùn)用雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)“三道防線”，加強(qiáng)對云中雨、落地雨、河中水的立體化監(jiān)測，提前20小時(shí)科學(xué)預(yù)判新蓋房樞紐洪峰流量和出現(xiàn)時(shí)間，為兩次避免東淀蓄滯洪區(qū)啟用提供了科學(xué)支撐。從蒼穹之上到洪浪之下，“天空地水工”各環(huán)節(jié)在協(xié)同中互補(bǔ)融合、在聯(lián)動中相互校驗(yàn)，以“超前感知”的敏銳，為水旱災(zāi)害防御筑起一道更加牢固的安全屏障。

數(shù)字孿生平臺與智能模型：賦能水資源高效調(diào)配

今年春天，西遼河干流水頭一路奔涌，抵達(dá)內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市教來河口，與下游河道水體“握手相遇”，宣告斷流27年的西遼河干流首次實(shí)現(xiàn)全線過流。在這場河流復(fù)蘇的春日“會戰(zhàn)”中，“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。水利部松遼水利委員會總規(guī)劃師林嵐介紹，數(shù)字孿生西遼河平臺實(shí)時(shí)匯集1.7萬余處降水、地表、地下、取用水等監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再通過二維水動力模型推演河道過流能力、線路、水量，以求得調(diào)水的最優(yōu)解。這一體系對西遼河流域開展全方位、多層次、動態(tài)化監(jiān)測，努力讓每一方水都補(bǔ)到“刀刃上”。

除了護(hù)航母親河復(fù)蘇，“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系還為國家水網(wǎng)調(diào)度提供有力的數(shù)據(jù)保障。浙東水網(wǎng)密布著7000余條河流、8類2000余座控制性工程。在這樣復(fù)雜的平原河網(wǎng)地區(qū)，實(shí)現(xiàn)水資源多目標(biāo)精細(xì)化調(diào)度并非易事。浙江省錢塘江流域中心浙東引水部主任嚴(yán)雷介紹，通過新建和接入各類監(jiān)測設(shè)施1747處，包括450處水位監(jiān)測點(diǎn)、76處流量監(jiān)測點(diǎn)、97處工程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、561處取用水戶監(jiān)測等，浙東引水工程初步構(gòu)建起具有區(qū)域特色的水網(wǎng)“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系。這一體系為14個(gè)浙東引水特色水網(wǎng)專業(yè)模型和3個(gè)智能識別模型提供精準(zhǔn)算據(jù)支撐，如同為工程裝上“智慧大腦”，實(shí)現(xiàn)水資源統(tǒng)籌利用、高效配置與安全可控。

在水資源管理領(lǐng)域，智慧化監(jiān)測技術(shù)正持續(xù)延伸應(yīng)用觸角。重力衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用于地下水儲量變化反演，能夠準(zhǔn)確掌握地下水的動態(tài)變化情況；在線監(jiān)測計(jì)量體系為用水計(jì)量裝上“精準(zhǔn)標(biāo)尺”，確保用水計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性；量子點(diǎn)光譜設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)污染問題。全維度感知，讓水資源管理如臂使指，為提升水資源節(jié)約集約利用水平筑牢基礎(chǔ)。

熱成像與智能監(jiān)測技術(shù)：守護(hù)河湖健康生命

長江湖北黃岡段，矗立江邊的通信鐵塔架設(shè)熱成像設(shè)備，成為守護(hù)河湖的“千里眼”。它能夠穿透濃霧和夜色，實(shí)時(shí)監(jiān)控著往來船只，精準(zhǔn)打擊非法采砂等破壞行為。湖北省黃岡市水利和湖泊局副局長徐正勇介紹，當(dāng)船只一段時(shí)間內(nèi)速度接近于一定低值，且船只持續(xù)存在熱點(diǎn)時(shí)，智慧水域管理平臺會自動判斷為違法采砂嫌疑并預(yù)警。同時(shí)還會對采砂船進(jìn)行抓拍、實(shí)時(shí)彈窗預(yù)警和報(bào)警錄像，為后續(xù)的違法取證工作提供依據(jù)。依托熱成像等先進(jìn)技術(shù)，黃岡智慧水域管理平臺目前已成功制止近百起非法采砂行為，并對多起案件完成取證與立案。

如今，高分辨率衛(wèi)星遙感、北斗衛(wèi)星、無人機(jī)、激光雷達(dá)、視頻智能識別等監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，為河湖水域岸線空間管控和河湖庫“清四亂”（清理亂占、亂采、亂堆、亂建）規(guī)范化常態(tài)化開展提供了強(qiáng)大的助力。在甘肅，技術(shù)人員借助高分辨率衛(wèi)星影像和多時(shí)相影像分析技術(shù)，捕捉到位于武山縣某河道管理范圍內(nèi)砂場違規(guī)采建的完整過程，并通過算法生成帶有坐標(biāo)定位、面積測算的可視化證據(jù)鏈。在浙江省紹興市越城區(qū)，14架無人機(jī)搭載AI（人工智能）識別模型，編織起嚴(yán)密的智能巡查網(wǎng)絡(luò)，覆蓋越城區(qū)90%以上的水域，每月減少基層河長人工巡河2286人次。近日，水利部部署實(shí)施河湖庫一體化監(jiān)測感知體系建設(shè)三年行動，明確提出應(yīng)用衛(wèi)星遙感、視頻監(jiān)控、無人機(jī)、北斗等技術(shù)，強(qiáng)化河湖庫水域岸線空間管控。一張貫通監(jiān)測、研判、預(yù)警、處置全鏈條的監(jiān)測感知網(wǎng)，正在加速布局。

機(jī)器狗與機(jī)器人上崗：護(hù)航工程安全運(yùn)行

在廣西大藤峽水利樞紐4公里長的大壩廊道里，一只銀白色的機(jī)器狗化身水庫“巡檢員”，靈巧地騰挪四只仿生關(guān)節(jié)足，對監(jiān)測設(shè)施和滲漏、排水等情況開展細(xì)致巡檢。廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司樞紐中心工程師陳虹余介紹，這只機(jī)器狗深度融合人工智能技術(shù)，集成多種功能傳感器，可在無人值守的情況下實(shí)時(shí)監(jiān)測廊道結(jié)構(gòu)安全，精準(zhǔn)排查裂縫、滲漏、積水等異常情況。通過在“大腦”里植入水庫大壩的數(shù)字孿生體，加上持續(xù)學(xué)習(xí)的AI算法，機(jī)器狗的主動識別準(zhǔn)確率已超過99.5%。

在大藤峽水利樞紐，“天空地水工”這個(gè)“大家族”里的各個(gè)成員正各司其職，全方位守護(hù)水庫和大壩安全。4000多個(gè)安全監(jiān)測點(diǎn)在施工期間同步布設(shè)，涵蓋監(jiān)測變形、滲流等20多種類型的傳感器；磁吸爬壁式智能無損檢測機(jī)器人與全域爬壁巡檢機(jī)器人，廣泛應(yīng)用于壩頂門機(jī)等焊接質(zhì)量檢測以及主壩壩體、引水隧洞混凝土襯砌質(zhì)量檢測；背包式激光掃描測量系統(tǒng)結(jié)合即時(shí)定位和地圖創(chuàng)建技術(shù)，能快速同步獲取360度高清全景圖和測繪級三維點(diǎn)云。

對于水利工程而言，滲流滲壓、位移形變、應(yīng)力應(yīng)變等工情險(xiǎn)情要素的實(shí)時(shí)精細(xì)監(jiān)測感知，是安全運(yùn)行的重要前提。目前，全國已累計(jì)完善425座大中型和5.1萬余座小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)；在黃河古賢等12個(gè)水利樞紐工程開展智能大壩建設(shè)試點(diǎn)；堤防智能巡檢、智能石頭等新技術(shù)得到成功應(yīng)用。

“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系還廣泛應(yīng)用于農(nóng)村水利水電等領(lǐng)域。山東位山灌區(qū)建成集衛(wèi)星遙感、2000余處監(jiān)測站點(diǎn)、1100余處高清視頻監(jiān)控等于一體的“天空地水工”感知體系。系統(tǒng)結(jié)合灌區(qū)20多年灌溉試驗(yàn)積累的長序列觀測數(shù)據(jù)，能夠分析預(yù)測灌域內(nèi)主要作物需水量、土壤水分、最優(yōu)灌溉日期、灌溉量及作物產(chǎn)量。

全方位、全覆蓋、全要素的“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，將守護(hù)江河湖庫的感知經(jīng)緯逐步加密，為水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配等水利業(yè)務(wù)注入強(qiáng)勁的科技動能。今年6月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)江河保護(hù)治理的意見》，指出要構(gòu)建雨情水情監(jiān)測預(yù)報(bào)體系，強(qiáng)化監(jiān)測設(shè)施和信息資源共建共享，加強(qiáng)河湖水資源動態(tài)監(jiān)測分析。水利部將繼續(xù)完善“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系，不斷夯實(shí)監(jiān)測感知技術(shù)、環(huán)境、制度、標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)保障，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的數(shù)字孿生水利體系，為水利治理管理提供前瞻性、科學(xué)性、精準(zhǔn)性、安全性支撐，引領(lǐng)水利行業(yè)邁向更加智慧、高效的新時(shí)代。