GIS在水利現(xiàn)代化中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢

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摘 要：本文介紹了地理信息系統(tǒng)（GIS）在現(xiàn)代水利也就是水利信息化中起到的至關(guān)重要的作用，尤其是在防洪減災(zāi)，水資源管理，水土保持和水利水電工程建設(shè)和管理等方面。其中重點(diǎn)闡述了利用GIS的空間數(shù)據(jù)管理能力，空間數(shù)據(jù)處理能力和空間分析能力為各類應(yīng)用模型提供數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型數(shù)參數(shù)，使其防汛信息以及決策方案可視化表示，在現(xiàn)代水利防洪減災(zāi)方面提供決策支持系統(tǒng)；同時(shí)利用GIS的歷史數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載功能，信息的空間與屬性雙向查詢功能，空間數(shù)據(jù)的疊加與綜合處理在現(xiàn)代水利水資源管理和水土保持方面提供的空間決策支持系統(tǒng)（SDSS）。最后分析和展望里地理信息系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)代水利應(yīng)用中的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng) 水利現(xiàn)代化 信息管理和決策支持系統(tǒng)


一、前言

水利行業(yè)是關(guān)系到我國國計(jì)民生的重要基礎(chǔ)行業(yè)，我國政府對其的發(fā)展極其重視。為了實(shí)現(xiàn)水利信息化，在水利行業(yè)中推廣GIS技術(shù)。地理信息系統(tǒng)（GIS）通常泛指用于獲取、儲(chǔ)存、查詢、綜合、處理、分析、顯示和應(yīng)用地理空間數(shù)據(jù)及其與之相關(guān)信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它把空間的邏輯思維延伸到了形象思維。在水利信息化系統(tǒng)建設(shè)中，地理信息系統(tǒng)（GIS）是系統(tǒng)構(gòu)建的框架，是輔助決策的工具，是成果展示的平臺(tái)。國內(nèi)水利行業(yè)應(yīng)用GIS技術(shù)始于90年代初期，大致經(jīng)歷了認(rèn)識(shí)了解、初步應(yīng)用和結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行深入研究三個(gè)階段。最早接觸GIS技術(shù)的主要是一些科研院所和高等院校，當(dāng)時(shí)的應(yīng)用只注重?cái)?shù)據(jù)的可視化，主要發(fā)揮它的查詢、檢索和空間顯示功能，即只發(fā)揮了GIS的最低層次的功能。近年來，隨著GIS在水利領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用層次也逐漸深入，一些部門將它作為分析、決策、模擬甚至預(yù)測的工具，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益也比較明顯地顯示了出來。水利部提出了“以信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化”并在2001年，水利部專門召開了“GIS技術(shù)在水利中的應(yīng)用”研討會(huì)，在會(huì)的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和各級(jí)專家對在水利中推廣應(yīng)用GIS技術(shù)提出了許多有建設(shè)性的意見和觀點(diǎn)，這必將推動(dòng)GIS在水利行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)入更高更深的層次。

二、GIS技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用

我國是一個(gè)水資源相對緊缺的國家，洪澇災(zāi)害、干旱缺水和水污染等問題十分突出，即水資源短缺與洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生并存，洪澇災(zāi)害與干旱災(zāi)害并存。資源性缺水與水質(zhì)性缺水并存。這一系列的現(xiàn)象嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。

任何一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展都必須依附于生產(chǎn)的需要。GIS技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用也主要圍繞著上述主要問題。

1．GIS在防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用

我國幅員遼闊，自然地理地貌條件十分復(fù)雜，洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，使國家和個(gè)人都蒙受了很大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國的防洪工作將逐步從“以洪水為敵”的控制洪水向體現(xiàn)水資源特性的洪水管理轉(zhuǎn)變，全面建成覆蓋全國的水利信息網(wǎng)絡(luò)，其中防洪減災(zāi)屬于重點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)。

目前GIS技術(shù)在防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用主要有以下四種類型。

（1）防汛決策支持系統(tǒng)或信息管理系統(tǒng)的平臺(tái)

在國家防汛指揮系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架下，目前流域或省、自治區(qū)、直轄市的防汛決策支持系統(tǒng)或防汛信息管理系統(tǒng)都以GIS為平臺(tái)。GIS在這些系統(tǒng)中的作用主要有以下幾個(gè)方面：

空間數(shù)據(jù)處理、查詢、檢索、更新和維護(hù)；

利用空間分析能力和可視化模擬顯示為防汛指揮決策提供輔助支持；

為各類應(yīng)用模型提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

優(yōu)化模型參數(shù)；

預(yù)報(bào)預(yù)測和防汛信息及決策方案的可視化表達(dá)。

（2）災(zāi)情評(píng)估

在災(zāi)情評(píng)估中，GIS作為基礎(chǔ)平臺(tái)，它充分利用了自己的查詢和分析功能以及可視化模擬的能力，發(fā)揮了很多別的系統(tǒng)不具備的作用：

基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)（包括地理、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)）的管理；

空間和屬性數(shù)據(jù)查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)和顯示的基礎(chǔ)；

災(zāi)情數(shù)據(jù)的提取和分析；

災(zāi)情的模擬和可視化表達(dá)；

對決策起輔助作用的工具。

目前洪澇災(zāi)害的監(jiān)測評(píng)估業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)已在水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心投入運(yùn)行。

（3）洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃

洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析是分析不同強(qiáng)度的洪水發(fā)生概率及其可能造成的損失。它包括洪水的危險(xiǎn)性分析，承災(zāi)體的易損性和損失評(píng)估。采用GIS技術(shù)，可以將上述三方面所涉及到的諸多自然，地理和社會(huì)因子附上相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行空間疊加，是進(jìn)行洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃的有效手段。GIS發(fā)揮的作用有：

多源、多尺度和海量數(shù)據(jù)的管理；

空間數(shù)據(jù)的疊加與綜合處理；

圖形處理的特殊功能。

（4）城市防洪

由于城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位和社會(huì)影響的特殊性，防洪工作尤其重要。同時(shí)由于許多城市都是依水而建和城市不透水面積大，產(chǎn)流量大等特點(diǎn)，防洪工作的難度比農(nóng)村地區(qū)大，所以GIS在城市防洪中發(fā)揮的作用除了一般防洪減災(zāi)決策支持系統(tǒng)外，還利用其的時(shí)空特征分析和高分辨率數(shù)據(jù)的處理功能在城市防洪減災(zāi)中發(fā)揮了更多更大的作用，目前比較突出的有以下幾個(gè)方面：

城市積水、退水的預(yù)報(bào)預(yù)測；

現(xiàn)有排水設(shè)施（排水管網(wǎng)、泵站等）信息的管理；

排水設(shè)施的規(guī)劃,設(shè)計(jì)和施工管理；

暴雨時(shí)空特征分析（4DGIS）；

以街道為統(tǒng)計(jì)單元和以街區(qū)為空間單元的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)空間展布；

暴雨分布及積水街道分布的可視化顯示；

高分辨率、多層次、多源和更新頻繁的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、維護(hù)和管理。

由于城市防汛信息管理及決策支持系統(tǒng)的復(fù)雜性，不少方面還在繼續(xù)深入，可以肯定的是GIS技術(shù)在這進(jìn)程中能發(fā)揮的作用。

2．GIS在水資源管理方面的應(yīng)用

我國水資源短缺，而且分布極不均勻。同時(shí)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的過程中對環(huán)境保護(hù)不力，因此在資源性缺水的同時(shí)又加上水質(zhì)性缺水，水資源嚴(yán)重短缺又存在有水資源浪費(fèi)。面對如此嚴(yán)峻的形勢，水資源的管理工作已經(jīng)被賦上了維系社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的歷史性重任。由此也決定了必須用現(xiàn)代化的手段，實(shí)現(xiàn)以信息化為基礎(chǔ)的技術(shù)來對水資源進(jìn)行監(jiān)控管理，才能解決好資源水利中的諸多復(fù)雜問題，這也為GIS提供了大顯身手的機(jī)會(huì)。例如在歐盟-遼寧水資源項(xiàng)目中,基于GIS的水資源管理系統(tǒng)的流程如右圖1：

水資源信息的面非常廣，如上圖所示,有水文氣象，地理，地質(zhì)，水質(zhì)，水利工程，水處理工程,各行各業(yè)與生活需水量等等.所以這些數(shù)據(jù)既有歷史的，又有實(shí)時(shí)或現(xiàn)狀的，從性質(zhì)上決定了其多源，多時(shí)相，多種類和動(dòng)態(tài)這幾個(gè)基本特征。水資源信息管理系統(tǒng)發(fā)揮了從時(shí)間，空間上了解水資源的現(xiàn)狀與變化，通過模擬可視化直觀地表示水資源狀況，有助于讓研究人員和決策人員了解水資源的變化規(guī)律，通過信息處理和分析，提供管理的基礎(chǔ)信息與手段，完善水資源信息的管理與更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。



圖1 流域水資源管理系統(tǒng)流程圖

在水資源信息管理系統(tǒng)中GIS發(fā)揮的作用大致有以下幾個(gè)方面：

（1）歷史數(shù)據(jù)管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集和加載；

（2）信息的空間與屬性雙向查詢和分析；

（3）時(shí)空統(tǒng)計(jì)；

（4）以多種方式直觀地可視化表達(dá)各類信息的空間分布及模擬動(dòng)態(tài)變化過程；

（5）區(qū)域水資源的空間分析；

（6）區(qū)域水資源管理模式區(qū)劃，如地下水禁采與限采區(qū)劃、水環(huán)境區(qū)劃等。

3．GIS在水環(huán)境和水土保持方面的應(yīng)用

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中過多的人類活動(dòng)影響，我國水系的污染已經(jīng)十分嚴(yán)重了，土壤侵蝕面積達(dá)國土面積的20%以上，而土壤侵蝕本身也是造成水系污染的主要因素之一。為了近一步了解和監(jiān)測水環(huán)境和水土保持的情況，水利部門已有包括170多個(gè)主要測站的全國水環(huán)境信息管理系統(tǒng)，有如廣東那樣的省級(jí)系統(tǒng)，有如三峽庫區(qū)那樣的區(qū)域性系統(tǒng)，也有如九州江那樣的江河級(jí)系統(tǒng)。水環(huán)境信息管理系統(tǒng)是空間決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)或者是組成部分，而GIS是其基礎(chǔ)，同時(shí)也是提取數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的平臺(tái)。這些以GIS技術(shù)為支撐的信息管理系統(tǒng)和空間決策支持系統(tǒng)的功能主要有以下幾個(gè)方面：

（1）自然、地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)，水利工程與設(shè)施，監(jiān)測站點(diǎn)，水質(zhì)與水量的歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，水環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)和條例，決策項(xiàng)目和邊界條件數(shù)據(jù)，水污染預(yù)測數(shù)據(jù)的采集和管理。

（2）建立數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)和屬性特征的拓?fù)潢P(guān)系，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向查詢。

（3）通過對區(qū)域或上下游水質(zhì)的空間分析，找出某水質(zhì)參數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)的污染源。

（4）各類數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)和可視化共享。

（5）水質(zhì)水量模擬與預(yù)測。

（6）污染排放管理與控制。

（7）取水口位置最優(yōu)化選擇和各類突發(fā)事件的處理方案及優(yōu)化。

在水土保持方面，GIS也發(fā)揮著十分重要的作用。在水土保持中的GIS的應(yīng)用是一種全過程的應(yīng)用。從土壤侵蝕發(fā)生與否的判斷開始、一直到土壤侵蝕過程的模擬與預(yù)測，GIS始終在技術(shù)上起著支撐作用。所以與其他領(lǐng)域比較，水土保持中一些應(yīng)用模型大多采用與GIS緊密結(jié)合的方式，也就是直接用GIS為建模平臺(tái)和決策依據(jù)，這是一個(gè)比較鮮明的特點(diǎn),而且用途將越來越大。

4．GIS在水利水電工程建設(shè)和管理方面的應(yīng)用

水利水電工程建設(shè)與管理是水利水電工程的重中之重,它的選址,規(guī)劃,設(shè)計(jì)和施工管理都必須嚴(yán)格慎重,考慮到各個(gè)方面的因素,例如移民安置地環(huán)境容量調(diào)查,調(diào)水工程選線及環(huán)境影響評(píng)估,防洪規(guī)劃,大型水利水電工程物科儲(chǔ)運(yùn)管理和蓄滯洪區(qū)規(guī)劃和建設(shè)等。此時(shí)GIS在空間分析和模擬方面的強(qiáng)大優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。

水利水電工程建設(shè)與管理中利用GIS功能最多的有以下幾個(gè)方面：

（1）通過進(jìn)行三維可視化顯示及貫穿飛行模擬,實(shí)現(xiàn)位置或路線的優(yōu)化；

（2）空間信息的處理,疊加與分析,得出可作為決策輔導(dǎo)的信息；

（3）通過防真模擬淹沒分析,得到各種分析數(shù)據(jù)；

（4）利用GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交互式的工程布置方案修改。

三、GIS技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢

GIS是一門與和計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng),元數(shù)據(jù)庫的建設(shè),數(shù)據(jù)挖掘,遙感技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理,數(shù)字?jǐn)z影與自動(dòng)化成象等技術(shù)有著緊密相關(guān)的學(xué)科,而上面的那些技術(shù)又是在不斷發(fā)展的,每項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都給GIS帶來了深刻的變化.所以GIS在水利行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展,不僅僅取決于GIS技術(shù)的發(fā)展,更取決于水利行業(yè)數(shù)字化的進(jìn)程.在水利部以信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化的戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，GIS在水利行業(yè)的應(yīng)用將會(huì)越來越廣，用途也將會(huì)越來越大.而且會(huì)迅速成為管理和決策主要支撐技術(shù)。它的發(fā)展趨勢有以下四個(gè)。

1．網(wǎng)絡(luò)GIS（WebGIS）

網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程遙控的基礎(chǔ)技術(shù),WebGIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物。GIS通過WWW功能得以擴(kuò)展，真正成為一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點(diǎn)中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，以及進(jìn)行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS進(jìn)入千家萬戶。它可用于除了一般數(shù)據(jù)外的特殊數(shù)據(jù)類型，尤其是矢量數(shù)據(jù)的處理，以網(wǎng)絡(luò)瀏覽器為應(yīng)用工作平臺(tái)，在客戶端可以實(shí)現(xiàn)對矢量數(shù)據(jù)的操作，可以在多個(gè)客戶端實(shí)現(xiàn)原來在本機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能，并可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程調(diào)用和發(fā)布各類數(shù)據(jù)、圖形、圖像。

2．"3S"技術(shù)集成

“3S”不是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感系統(tǒng)(RS)的簡單組合，而是將其通過數(shù)據(jù)接口嚴(yán)格地、緊密地、系統(tǒng)地集合起來，使其成為一個(gè)更具有應(yīng)用價(jià)值的大系統(tǒng),在這個(gè)大系統(tǒng)中GPS主要被用于實(shí)時(shí)、快速地提供目標(biāo)的空間位置；RS用于實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)提供目標(biāo)及其環(huán)境的語義或語義信息，發(fā)現(xiàn)地球表面的各種變化；GIS則對多源時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、集成管理、動(dòng)態(tài)存取，形成新的集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。所以"3S"集成技術(shù)在水利行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

3．VR-GIS技術(shù)

VR-GIS技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與GIS技術(shù)的結(jié)合，包括與WebGIS和ComGIS結(jié)合的技術(shù)，專門用于研究地學(xué)或以地球系統(tǒng)為對象的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，目前只能達(dá)到仿真的水平，可以做到：

（1）對現(xiàn)時(shí)的地理區(qū)域的非常真實(shí)的表達(dá)；

（2）可在所在地理范圍內(nèi)外自由移動(dòng)；

（3）在三維數(shù)據(jù)庫中有GIS的各種功能；

（4）以可視化功能作為用戶接口的自然的整體部分。

4．地理信息建模系統(tǒng)(GIMS)

GIS成功應(yīng)用于專門領(lǐng)域的關(guān)鍵，在于支持建立該領(lǐng)域特有的空間分析模型。GIS應(yīng)當(dāng)支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗(yàn)的環(huán)境，支持與用戶交互式的基于GIS的分析、建模和決策，這種GIS系統(tǒng)又稱為地理信息建模系統(tǒng)(GIMS)。GIMS是目前GIS研究的熱點(diǎn)問題之一?；赗S和GIS的分布式流域水文模型成為當(dāng)前研究的前沿，“3S”技術(shù)支持下的分布式或半分布式水文預(yù)報(bào)模型在中小流域尺度進(jìn)行了試驗(yàn)性的應(yīng)用研究，取得了一些成果。

要發(fā)展好我國的水利事業(yè),就必須要在水利行業(yè)更好地應(yīng)用和發(fā)展GIS技術(shù)。就必須在進(jìn)一步加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的基礎(chǔ)上，大力開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，尤其是富有水利行業(yè)特色的數(shù)據(jù)庫，如蓄滯洪區(qū)空間展布式社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫、雨情和水情數(shù)據(jù)庫、水旱災(zāi)情數(shù)據(jù)庫，等等。此外還要加快提高GIS的應(yīng)用水平，充分發(fā)揮GIS現(xiàn)有的和潛在的功能，并且進(jìn)一步提高象計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò)通訊等與GIS緊密相關(guān)的技術(shù)的水平。使它們和GIS技術(shù)同步,協(xié)調(diào)的結(jié)合和發(fā)展,為水利信息化和現(xiàn)代化作出它應(yīng)有的貢獻(xiàn)。