地理信息系統(tǒng)在水文水資源中的應用

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  章啟兵，王式成   （安徽省水利科學研究院，安徽 蚌埠　233001）     摘  要：本文首先介紹了地理信息系統(tǒng)的基本概念及原理，然后分析了水文水資源對地理信息系統(tǒng)的要求，最后分析了地理信息系統(tǒng)在防汛減災、水資源管理及水土保持系統(tǒng)中的應用。 關鍵詞：地理信息系統(tǒng)；防汛減災；水資源管理；水土保持   1  地理信息系統(tǒng)簡介 地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種兼容存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的計算機系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數據的通用技術。它在最近30多年里取得了驚人的發(fā)展，現已廣泛應用于資源調查、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、公共設施管理、交通管理等領域，成為一個跨學科、多方向的研究領域。 GIS是一種特殊的信息系統(tǒng)，與其它一般的信息系統(tǒng)相比，GIS具有空間特性。GIS在分析和處理問題中都使用空間數據和屬性數據，并通過數據庫管理系統(tǒng)將兩者聯系在一起共同管理、分析和應用，從而提供了一種基于地理對象的新思維方法。而管理信息系統(tǒng)（MIS）只有屬性數據，即使存在圖形，也是以圖像的形式存放，不能進行有關空間數據的操作，如空間查詢、檢索、網絡拓撲分析。GIS強調空間分析，通過空間分析模型來分析空間數據，GIS的成功應用依賴于空間分析模型的研究和設計。 一個完整的GIS系統(tǒng)應包括計算機系統(tǒng)（軟件和硬件）、地理數據庫系統(tǒng)、應用人員與組織結構三部分。而從軟件的數據來看，GIS是由數據輸入系統(tǒng)、數據存儲和檢索系統(tǒng)、數據處理和分析系統(tǒng)、數據輸出系統(tǒng)四個子系統(tǒng)組成。數據輸入系統(tǒng)負責采集、預處理和數據轉換。數據存儲和檢索系統(tǒng)負責組織和管理空間數據和屬性數據，以便數據查詢和編輯。數據處理和分析系統(tǒng)負責對系統(tǒng)中的數據進行各種分析計算，如數據的集成分析、參數估計、空間拓撲、網絡分析。輸出系統(tǒng)負責以表格、圖形或地形的形式輸出，輸出方式有屏幕輸出和硬拷貝輸出兩種（打印和繪圖）。 2  水文水資源對地理信息系統(tǒng)的要求 地理信息是水文水資源的重要基礎信息之一，85%以上的水文信息都跟地理信息相關。傳統(tǒng)的對地理信息的手工處理方式已經被科學技術的進步所淘汰，水文水資源需要運用先進的信息管理手段來提高工作效率，推進信息化建設進程。地理信息系統(tǒng)（GIS）技術為水文水資源信息管理的標準化、網絡化、空間化提供了有效的工具。 水文部十五規(guī)劃中明確指出：“建設水文信息系統(tǒng)時，要以地理信息系統(tǒng)(GIS)為框架。” 水文部領導也同時指出：“創(chuàng)新是科技發(fā)展的動力，對于水文系統(tǒng)的科技人員，當務之急不但要迅速掌握GIS 這種新技術，還要不斷追蹤GIS 的新發(fā)展，高質量地為水文各項業(yè)務服務。”由于國家政策上的引導，加上國內水文用戶的技術儲備和技術需求都達到了一定的層次，同時又借助世界上最先進和成熟的GIS 技術，所以GIS 技術在國內水文行業(yè)的應用雖然起步較晚，但是發(fā)展勢頭迅猛，應用水平甚至超過了某些傳統(tǒng)領域。由于水文水資源行業(yè)的特點，要求在開展信息化工作、建設信息化系統(tǒng)時，要著重考慮以下幾個方面： （1）系統(tǒng)要具有良好的可擴展性 由于經費、現階段的應用需求，以及當前信息技術的發(fā)展等各種條件的制約，使得任何一個水文水資源信息系統(tǒng)在設計和規(guī)劃之初，都無法做到“一步到位”。因此，要從宏觀、長遠、發(fā)展的角度來統(tǒng)籌規(guī)劃。系統(tǒng)建設初期，應以實現常用的迫切的基本功能為主，以后再逐步進行功能擴展，逐漸將系統(tǒng)建成功能完善的決策支持系統(tǒng)，為領導決策服務。因此，要求基于GIS的系統(tǒng)建設要具有良好的可擴展性，由初級搭建到構架完善，可以無縫擴展，系統(tǒng)數據和程序能夠平滑移植。 （2）系統(tǒng)要以數學模型和決策分析為支撐 對于水文工作者來說，應用GIS 僅進行簡單的瀏覽、查詢和空間數據顯示是沒有太大意義的，這種電子地圖式的應用僅僅實現了紙介質地圖向計算機的轉移，滿足了用戶的一些初級、表面的要求。而水文行業(yè)更迫切需要的是深層次的，帶有輔助決策支持的系統(tǒng)。這就要求GIS 平臺具有強大的空間分析功能，以便對各種水文數據進行深層次的研究與分析，使系統(tǒng)起到輔助決策的作用，為有關部門和領導提供科學的計算結果和決策依據。 （3）系統(tǒng)要求界面友好、工具豐富 圖文并茂的界面是GIS 系統(tǒng)的特點，在系統(tǒng)擁有強大功能的同時，也要求使用簡單，易于操作。系統(tǒng)要提供豐富的數據編輯工具和專業(yè)的制圖功能。 （4）系統(tǒng)要應用最先進技術，并具有良好的開放性 水文信息化系統(tǒng)建設過程中要涉及到計算機技術、數據庫技術、通信技術、GIS 技術、遙感技術（RS）、GPS 技術以及網絡技術等，從長遠、整體、可持續(xù)發(fā)展的角度看，系統(tǒng)的技術先進性與開放性問題十分重要。因此要求GIS 平臺一定要遵循國際通用標準，結合最先進的IT 技術，既保證系統(tǒng)的先進性、可發(fā)展性，又保證系統(tǒng)的資源共享和開放。 （5）系統(tǒng)要能夠管理海量數據 由于行業(yè)的特殊性，水文信息系統(tǒng)綜合數據庫是由水文數據庫、實時水雨情庫、工程信息庫、社會經濟信息庫、基礎地形圖庫、動態(tài)影像庫、歷史數據庫、方法庫、超文本庫等多個數據庫組成。龐大的數據量要求GIS 具有海量數據管理功能，同時還要求具有高效、安全、分布式管理等功能特點，確保系統(tǒng)基礎的穩(wěn)定性。 （6）系統(tǒng)要支持綜合信息的網絡發(fā)布 在網絡技術和環(huán)境日趨成熟和完善的時代，水文部門要借助網絡技術，充分利用網絡資源，實現資源共享，這就要求GIS 系統(tǒng)支持B/S模式，支持Internet/Intranet 技術，能夠結合最先進的網絡技術，提供綜合信息的網絡化服務。 （7）系統(tǒng)要應用成熟的技術 為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)要應用具有成熟技術的GIS 平臺。這樣既保證系統(tǒng)能夠長期、穩(wěn)定、安全地運行，而且成熟軟件的國內外用戶眾多，可借鑒的成功經驗多，選用成熟軟件也為系統(tǒng)的資料收集、技術交流、成果應用等方面提供了數據基礎和應用基礎。 3  地理信息系統(tǒng)在水文水資源中的應用 水文建設是關系著國計民生的重要工作，隨著GIS 技術的不斷發(fā)展，GIS 在水文行業(yè)的應用也越來越深入、越來越廣泛。目前，GIS 在我國水文行業(yè)的應用已經頗具規(guī)模，在水資源管理、防汛抗旱、水土保持監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測評估、水文地質、農田灌溉、等應用領域中得到了廣泛的應用并產生很大影響。  3.1  地理信息系統(tǒng)在防汛減災中的應用 我國是自然災害頻發(fā)的國家，隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，災害造成的損失也越來越嚴重，僅洪澇災害在最近幾年造成的損失就高達每年平均2000 億元左右。國家和各級政府對防洪減災十分重視，各生產和科研部門也投入了大量人力和物力研究防洪減災的工程和非工程措施。在非工程措施中，不少流域先后都建設了防洪決策支持系統(tǒng)，在GIS技術和先進的通訊手段的支持下，進行洪水預報、調度、災害損失評估、減災措施和水利工程效益分析等，并向災民避險遷安、搶險和救災物資輸送最佳路線等更進一步的應用發(fā)展。當前，全國已經建立了很多基于地理信息系統(tǒng)的防汛減災系統(tǒng)，比如防洪規(guī)劃信息管理系統(tǒng)、長江防洪智能應急響應系統(tǒng)、黑龍江省防汛指揮系統(tǒng)、廣東省三防信息查詢系統(tǒng)、湖南省防汛會商系統(tǒng)、松遼委洪水風險評估等等。 將地理信息系統(tǒng)與實時水雨情信息數據庫有機聯接，即實現實時水情在電子地圖上即時報警。主要包括河道水位、水庫水位、單站雨量、遙測站運行故障等的報警。如：某水庫水位超過汛限水位，電子地圖上對應的水庫即變顏色，并彈出報警顯示窗口；水位超過設計防洪水位時，水庫變?yōu)榱硪活伾皬棾鱿嚓P窗口；水位低于死水位時，水庫變?yōu)榱硪活伾皬棾鱿嚓P窗口。當然報警方式還可以按需求設置，如：手機短信報警等。 地理信息系統(tǒng)與圖像處理、航空攝影及遙感等技術結合，可對洪災損失及災后重建計劃進行評估。也可利用地理信息系統(tǒng)結合水文和水力學模型用于洪水淹沒范圍預測。如地理信息系統(tǒng)空間分析擴展模塊可用于分析和存儲流域地貌特征，提取有關參數，作為地表徑流模型的輸入文件。將地表徑流模擬計算成果與河道斷面信息結合，輸入水力學模型中，即可預測給定位置的水深。將計算出的水面高程數據輸入到地理信息系統(tǒng)中，并覆蓋在地形表面，從而確定出洪水可能的淹沒范圍。再將此淹沒范圍圖與有關基礎設施、土地利用、人口密度等其它專題圖綜合進行分析，可以預測洪水的影響，便于采取應急措施。 3.2  地理信息系統(tǒng)在水資源管理中的應用 水資源是國家發(fā)展中的三大戰(zhàn)略資源之一，水資源可持續(xù)利用已成為我國經濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題。因此，由水利部規(guī)劃計劃司、水資源司負責組織、由水利部水利水電規(guī)劃設計總院承擔技術負責的全國水資源綜合規(guī)劃編制工作在在全國范圍內組織展開。 水文部門在地表水資源的空間分布和調配中采用GIS 技術，此外，還應用GIS 研究地下水資源。這些系統(tǒng)在地下水的埋深、蘊藏量、地表水補給等大量信息的基礎上，為何處、何時在多大量級上開采地下水進行科學的分析，對保護地下水資源、合理開發(fā)地下水資源具有重大的決策支持作用。當前，全國已經建立了很多基于地理信息系統(tǒng)的水資源管理系統(tǒng)，比如全國水資源綜合規(guī)劃項目、上海市水資源普查管理GIS 系統(tǒng)、遼寧省太子河流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)、黃河下游水資源管理空間決策支持系統(tǒng)等等。 基于地理信息系統(tǒng)的水資源管理信息系統(tǒng)的建設內容包括地理信息空間數據庫、遙感信息庫、屬性數據庫的建設以及與各類數據形式管理相應的計算機應用軟件的開發(fā)。 （1） 基礎電子地圖的建設：基礎電子地圖數據均采用國家現有的1：25 萬系統(tǒng)數據。主要內容包括行政區(qū)邊界、城市、居民點、河流、湖泊、水庫、公路、鐵路等信息。 （2） 專業(yè)電子地圖的建設：專業(yè)電子地圖數據是在基礎電子地圖的基礎上，結合水資源信息描述的需要，將專業(yè)地理數據數字化，與基礎電子地圖相匹配并進行疊加。主要內容包括各類水利工程的分布、各級流域分區(qū)（水資源分區(qū)）的邊界、水文站、雨量站、蒸發(fā)站、水質監(jiān)測站、排污口、水體功能區(qū)等信息。 （3） 遙感信息庫的建設：遙感信息庫是利用遙感遙測得到的數據進行解譯等加工處理，形成能與基礎地理數據相匹配的數據。 （4） 屬性數據庫的建設：水資源綜合信息屬性數據庫是本系統(tǒng)的基礎數據庫，是查詢的對象。數據庫的內容包括社會經濟狀況、水資源狀況、水資源利用狀況、水利工程狀況、水環(huán)境狀況以及土地利用狀況等。 （5） 基于GIS 方式的水資源管理信息系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的建設：結合水資源綜合信息管理的需要，基于數據庫，采用嵌入式GIS 開發(fā)技術建設基于GIS 方式的水資源管理軟件系統(tǒng)。主要功能包括屬性數據庫的管理、空間數據的管理以及屬性數據和空間數據相結合的信息管理等內容。 （6） 基于WebGIS 方式的水資源綜合信息查詢系統(tǒng)的建設：基于WebGIS 方式的水資源與生態(tài)環(huán)境綜合信息查詢系統(tǒng)的主要應用對象是外部用戶，可以通過Internet 訪問WWW 服務器進行水資源綜合查詢。 3.3  地理信息系統(tǒng)在水土保持中的應用 我國七大江河流域的水土流失和土壤侵蝕問題是關系著流域生態(tài)環(huán)境、經濟發(fā)展，甚至是七大江河流域實現可持續(xù)發(fā)展的大問題。水土流失的類型復雜多樣，包括水蝕、風蝕、冰川侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕等各種類型，并且有大量的滑坡、泥石流、崩崗等山地災害。可見，流域的水土保持工作是一個長期而艱巨的任務。進入80 年代以來，日趨嚴重的水土流失問題引起黨和國家及全社會的高度重視，先后在主要江河流域實施了多個水土流失綜合治理工程，并在重點防治區(qū)建成了水土保持監(jiān)測站網，同時利用遙感技術（RS）的周期性和視域廣的特點、地理信息系統(tǒng)（GIS）強大的信息管理和分析功能以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的高精度定位的特點，使流域內的有關水土流失的大量信息得到統(tǒng)一管理，并應用GIS 技術來管理動態(tài)監(jiān)測數據、進行水土流失預測、生態(tài)環(huán)境效益分析，從而提供及時可靠的決策依據。當前，全國已經建立了很多基于地理信息系統(tǒng)的水土保持管理系統(tǒng)，如長江流域水土保持動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、官廳密云水庫上游水土保持監(jiān)測系統(tǒng)、深圳市水土保持管理信息系統(tǒng)等等?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)的水土保持系統(tǒng)一般包括信息采集與處理子系、土壤侵蝕遙感調查子系統(tǒng)、數據庫管理子系統(tǒng)、水土流失定量監(jiān)測模型子系統(tǒng)、三維數字模型子系統(tǒng)和水土保持監(jiān)測子系統(tǒng)，其體系結構如圖1所示： 4  結束語 地理信息系統(tǒng)的應用促進了水文水資源領域的發(fā)展；反過來，水文水資源領域對地理信息系統(tǒng)的需求又促進了地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，同時也應認識到水文水資源、地理信息系統(tǒng)是不斷發(fā)展的概念，隨著技術的進步和社會需求的變化，其含義也會發(fā)生相應的變化。隨著“數字地球”、“數字中國”、“數字水利”的提出和工程水利向資源水利，傳統(tǒng)水利向現代水利、可持續(xù)發(fā)展水利的轉變，水利信息化是必由之路，因此地理信息系統(tǒng)技術與水文水資源緊密結合的應用前景將非常遠大。 參考文獻： [1]  邊馥苓. 地理信息系統(tǒng)原理和方法〔M〕. 北京:測繪出版社,1996. [2]  李德仁. RS、GIS、GPS 的集成與應用[M] . 北京:測繪出版社,1995. [3]  李紀人. 遙感和地理信息系統(tǒng)在分布式流域水文模型研制中的應用[J ]. 水文,1997 (3) :8 - 12. a