水利信息化技術應用現狀及前景展望

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摘　要：在當前信息技術發(fā)展水平的基礎上，論文重點介紹了地理信息系統(tǒng)、數據庫、網絡、遙感、虛擬現實、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等信息技術在水利領域的應用情況，分析了信息技術在水利信息化應用進程中存在的問題和發(fā)展前景。

關鍵詞：信息技術；水利信息化；現狀；發(fā)展前景 Application Situation and Outlook for Water ResourcesInformatization Technology Abstract:The paper makes an introduction on current information technologies,with an emphasis on applicationsof GIS,database,network,remote sensing,virtual reality and satellite positioning system in the?eld of water resources.The paper also gives an analysis about existing problems as well as development prospect of information technologiesapplication in water resources informatization process. Key words:information technology;water resources informatization;situation;development prospect   前言 水是社會生存和發(fā)展的基礎，是社會必不可少的重要資源，能為人類創(chuàng)造優(yōu)美的生存環(huán)境，水環(huán)境是各類水生物賴以生存的場所，同時水在特定條件下又可能轉化為災害，成為社會發(fā)展的約束，甚至會嚴重威脅人類的生存。因此，社會的發(fā)展史就是依賴和利用水資源并與水災害不斷斗爭的歷史，也是長期以來從事江河治理和水利建設取得輝煌成就的歷史。到了21世紀，社會發(fā)展進入了信息化時代，處于信息化技術飛速發(fā)展的時期，人們工作生活無時無刻不處在信息化的氛圍中，離開信息化的環(huán)境是難以想象的。同時，我國是世界上人均水資源量較少、洪水災害發(fā)生較為頻繁的國家之一，隨著現代社會和經濟的發(fā)展，我國面臨水旱災害、水環(huán)境惡化、水資源短缺、生態(tài)環(huán)境退化、水管理相對落后的形勢日益嚴峻，迫切需要科學的治水思路、方法和技術，現代高新技術的飛速發(fā)展和新理論、新方法的不斷涌現為提高治水技術和科學管理水平提供了條件。因此，信息現代化，行業(yè)數字化，水利信息化，是水利事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。信息技術日新月異，以超出常人想象的速度飛速發(fā)展，為水利工作提供了強大的技術支持。從廣義的信息技術來說，主要包括：地理信息系統(tǒng)（GIS）、數據庫（DB）、遙感（RS）、虛擬現實（VR）、網絡（Web）等軟件技術；筆記本電腦、臺式機、服務器、圖形工作站等硬件技術；光纜、交換機、GPS等通訊技術；傳感器信息采集技術；水情預測預報技術；水情模擬分析等仿真計算技術等。通常我們提到的信息技術應用主要指的是軟件技術的應用，包括GIS、DB、RS、VR、Web等，或是軟硬件結合的信息技術。水利信息化技術應用主要包括：辦公自動化、防汛抗旱指揮、水情測報、水務管理、水資源管理、決策支持、防汛會商、信息服務等應用系統(tǒng)建設，實現信息技術為水利建設和管理服務。下面重點介紹較為廣泛應用的信息技術在水利行業(yè)中的應用情況[1]。 1　水利信息化技術應用現狀 1.1　地理信息系統(tǒng)技術應用 地理信息系統(tǒng)（GIS）功能十分強大，應用十分廣泛，遍及各行各業(yè)。在水利行業(yè)GIS技術得到廣泛應用已經有10多年了，并且逐步發(fā)揮了巨大的作用，其主要體現在地理位置確定、地理信息展示、行業(yè)信息展示、信息統(tǒng)計分析及功能集成等方面。 主要應用介紹如下：（1）基礎地理信息管理。GIS技術基本功能是反映地理坐標，并通過地理坐標確定有關信息的坐標和相對位置。從信息管理方面水利行業(yè)與其他許多領域一樣，首先要求得到基礎地理信息，如：地形、地貌、河流、水系、行政區(qū)、交通等信息。（2）水利專題信息展示。在基礎GIS平臺上6水利信息化2010,(2)展示水利專題信息，主要包括：水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)、水閘、測站等水利工程信息，和雨情、水情、災情等水情信息及水利管理信息。將這些信息在GIS平臺中分類、分圖層、分區(qū)域展示。（3）統(tǒng)計分析功能運用。GIS技術的分析功能十分強大，在水利工作中發(fā)揮了重要作用，如降雨分布信息、水資源量統(tǒng)計、洪水淹沒面積計算、受災面積和人口財產統(tǒng)計等。這些分析結果為水情預報、防汛會商決策、水量調度等提供了較為可靠詳實的數據支持，初步實現了在水利及防汛工作中對雨情、水情、災情的粗略估算向定量分析轉變。（4）系統(tǒng)集成功能。GIS作為地理信息管理基礎平臺，系統(tǒng)集成功能是其重要的基本功能之一。常用的GIS集成主要有相關功能模塊和相關專業(yè)模型的集成。集成功能模塊包括：信息服務、數據庫、圖形庫、防汛會商、防汛值班及部分辦公自動化等功能模塊；集成專業(yè)模型包括：氣象預報、水文預報、水動力學計算、水庫調度等模型。（5）空間三維GIS技術應用。GIS技術的發(fā)展和應用歷經了從二維平面GIS平臺到三維空間立體GIS平臺的過程，隨著三維空間GIS技術的日益成熟，三維空間GIS技術的應用更加廣泛。三維GIS技術的主要特點是在GIS平臺中展現空間立體環(huán)境，并在三維環(huán)境中展示與管理相關信息。地理信息系統(tǒng)雖然功能強大，應用廣泛，但是地理信息系統(tǒng)技術還處在迅速發(fā)展階段，在應用過程中存在信息不夠詳細、圖標不夠完善、分析功能有限等問題，而且國外GIS產品價格較高，國內GIS產品功能不夠全面，因此地理信息系統(tǒng)技術在水利信息化建設的實際應用中還有一定的局限性，有待不斷發(fā)展和完善。 1.2　數據庫技術 應用數據庫（DB）技術是信息技術發(fā)展和應用的核心內容之一，是水利信息化建設的基礎，幾乎所有的水利信息系統(tǒng)建設都離不開數據庫技術的應用。數據庫技術的應用主要包括數據存貯和管理。目前，已經完成了國家級水情數據庫建設，實現了對國家重點關心的降雨信息、水情監(jiān)測信息和歷史水情信息進行查詢與管理，流域和省級水情數據庫建設正在緊鑼密鼓的進行中，部分有條件的省市已率先完成了水情數據庫建設，制定了國家防汛工情數據庫建設規(guī)范，正在進行工情數據的入庫工作；部分省市正在根據國家規(guī)范開展工情數據庫建設工作；部分地區(qū)根據需要建立了洪災災情信息管理數據庫，以及根據防汛指揮系統(tǒng)和防汛決策支持系統(tǒng)建設需要建立了系統(tǒng)專用數據庫。數據庫技術的運用和推廣，進一步推動了防洪減災信息管理的規(guī)范化，使信息存儲、更新和查詢更加方便，并且為數據挖掘奠定了基礎。數據庫技術在水利信息化建設與管理中應用較為成熟，為水利信息的數據管理提供了強大的支持，但是隨著水利信息化建設中數據量的膨脹式增加，國產數據庫產品對海量數據的管理還存在一定的不足。 1.3　網絡技術 應用信息化水平的主要標志之一是網絡技術的運用水平，水利信息化建設亦是如此，網絡技術為氣象、水情、工情、旱情、水質、生態(tài)、災情等信息，以及水利管理信息的傳輸、共享、分析、管理和發(fā)布提供了強力的技術支撐。計算機網絡技術作為基礎設施已經成為我國水利工作中信息采集、傳輸、處理和共享的重要手段。根據網絡應用范圍的需要建設有局域網和廣域網；根據網絡通訊安全保障的需求分為公共網絡和水利專網；根據信息傳輸是否有線分為有線網和無線網。國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程關于計算機網絡建設的主要任務是依托公網資源和已建的防汛通信專網，組建國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程計算機網絡。主要包括：一期工程骨干網，建設中央網絡中心與7個流域機構、31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產建設兵團防汛抗旱部門之間的互聯網絡；一期工程流域省區(qū)網（可研報告中的地區(qū)網）：建設流域和?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）與所轄的125個水情分中心、4個工情分中心、28個旱情試驗站（分中心）、4個重點工程管理局之間的互聯網絡；一期工程城域網（可研報告中的園區(qū)網）：建設同城異地辦公的同級水文、防汛抗旱部門及網絡中心之間的互聯網絡；一期工程部門網：建設31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）水情、工情中心及4個重點工程局的局域網；建設中央、7個流域機構、31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）和新疆生產建設兵團網絡中心；建設一期工程網絡管理、服務及安全系統(tǒng)[2]。網絡技術除了以通訊傳輸技術為主的計算機網絡硬件技術以外，網絡編程技術也是網絡技術應用的重要內容之一，通常談到的網絡化技術是指網絡化軟件的開發(fā)和應用，即是指具有網絡發(fā)布功能的Web技術而不是廣義的IT技術。Web技術的應用起步于2000年前后，此后國家各級各部門編制的網絡化軟件系統(tǒng)主要采用Web技術。例如各級防汛指揮、水情測報、決策支持、信息服務、會商管理、辦公自動化等系統(tǒng)中網絡化軟件系統(tǒng)部分都是基于Web技術的。計算機網絡技術的發(fā)展為水利信息共享和交換提供了條件，作用重大、效果顯著，但是由于信息量逐步增加，網絡容量有限，信息傳輸和交換速度往往難以滿足實際應用的需求；再者，互連網穩(wěn)定性不足，系統(tǒng)較為脆弱，可靠性不夠強，如某一環(huán)節(jié)出現故障就會影響整個網絡系統(tǒng)的正常運行。因此網絡技術應用還應該全面考慮出現網絡故障后的應急解決方案。 1.4　遙感技術 應用隨著遙感技術（RS）的發(fā)展，影像識別精度的提高、數據處理能力的增強、影像獲取成本的降低，遙感技術在水利信息化建設中的作用日趨重要。遙感影像的來源渠道較多，有美國、日本、法國、印度等國外的遙感影像產品，也有我國自己的遙感影像產品或者航片，遙感技術的應用主要是通過接收或購置遙感影像數據，確定洪、旱災害的位置、識別洪水淹沒情況和受災情況、分析旱災影響范圍和受災面積、評估可能受到的災情影響，以及根據遙感影像分析河流水質變化和水土保持狀況，為防汛指揮、救災活動、環(huán)境保護、生態(tài)建設提供信息支持。近年來，由于7大流域和部分省市已經建成一定精度的三維空間地理信息系統(tǒng)基礎平臺，將遙感影像成果與三維平臺相結合，不僅直觀展示水利信息，還可以進一步分析可能的發(fā)展趨勢，為水利建設與管理提供高水平的信息支持。 1.5　虛擬現實技術 應用虛擬現實技術（VR）是利用計算機技術生成逼真的三維虛擬環(huán)境。虛擬現實技術最重要的特點就是“逼真感”與“交互性”。虛擬現實技術可以創(chuàng)造形形色色的人造現實環(huán)境，其形象逼真，令人有身臨其境的感覺，并且與虛擬的環(huán)境可進行交互作用[1]。 現在虛擬現實技術在水利信息化建設中的應用日漸廣泛。（1）構建防洪工程的三維虛擬模型，如大壩、堤防、水閘等三維虛擬模型，實現了防洪工程三維空間示景；（2）洪水流動和淹沒的三維動態(tài)模擬，實現了三維空間場景中的洪水演進動畫過程，三維場景中洪水淹沒情況的虛擬展示；（3）防洪工程規(guī)劃中樞紐布置三維虛擬模型，包括大壩、泄洪洞、發(fā)電廠、變電站等，為工程規(guī)劃提供直觀三維視覺效果場景；（4）云層和降雨效果渲染三維虛擬模型，模擬云層流動、降雨過程等動態(tài)效果；等等。由于虛擬建模過程工作量較大，占用計算機空間較大，三維虛擬模型與地理信息系統(tǒng)和網絡的耦合運用還不夠完善，有關應用還處在局部范圍，現階段沒有大規(guī)模推廣應用。 1.6　衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術 應用衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）應用是隨著GIS、Web和RS等信息技術的應用而發(fā)展起來的。防洪決策、搶險救災，都需要了解險情、災情發(fā)生的準確位置，雖然擁有了地理信息系統(tǒng)平臺和衛(wèi)星遙感影像，但是災情的位置仍然難以確定，“5.12”抗震救災行動中就出現過類似的窘境，因此利用GPS技術將災情發(fā)生的位置和GIS平臺及RS影像有效連接起來，實現災區(qū)和災情的準確定位意義重大。另一方面，利用GPS和通訊網絡技術結合，將險情和災情信息及時傳達或通知到相關負責人，大大提高搶險救災效率，有關應用在浙江、福建、廣東等地區(qū)十分普遍。在水利信息化建設中GPS對河流、工程等有關信息的定位與管理發(fā)揮了重要作用。由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)通訊容量有限，對于數據量較大的水情和災情信息傳輸速度較慢，普及應用受到一定限制。 2　水利信息化技術應用前景 社會在發(fā)展，科技在進步，經濟在增長，投資在加大，在水利信息化建設過程中雖存在這樣或那樣的問題和不足，但信息化建設仍然發(fā)展迅速，取得了驚人的階段性成就，而且隨著信息化建設進程和國家投資力度的不斷加大，水利信息化技術的應用前景更加美好。 2.1　社會發(fā)展對信息技術的應用提出更高要求 社會的發(fā)展是一個變加速的進程，安全保障日益得到重視，在建設和諧社會和以人為本的社會理念指導下，保護生命安全和環(huán)境安全的要求放到治水工作的首要位置。水利信息化建設對防災減災、環(huán)境保護、水資源管理、工程管理，進一步提高我國科學治水水平，建立人與水和諧的社會與環(huán)境，發(fā)揮著十分重要的作用。加快水利信息化技術的推廣與應用，推進水利信息化建設是社會發(fā)展的必然需求。 2.2　信息技術進步為水利信息化建設創(chuàng)造條件 DB、GIS、Web、RS、GPS等信息技術的飛速發(fā)展和進步，為基于信息技術發(fā)展的水利信息化建設和完善提供了技術保障。國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設是前沿信息技術在防汛抗旱領域的應用，先進成熟的信息技術成果為防汛抗旱、水資源管理、環(huán)境與生態(tài)建設等水利行業(yè)的信息監(jiān)測、傳輸、存儲、查詢、檢索、分析與展示提供了技術條件，使水利信息化推動水利現代化成為可能。 2.3　專業(yè)模型技術改進為信息技術應用提供技術支持 水利信息化建設的主要內容之一是決策支持系統(tǒng)建設，而決策支持系統(tǒng)建設的重要依據是水情、旱情、災情等信息的分析成果，這些分析成果主要來源于氣象預測預報、洪水預測預報、洪水演進分析模型系統(tǒng)、洪水調度模型系統(tǒng)、潰壩分析、旱情分析、水資源管理、水質、環(huán)境評估等專業(yè)模型系統(tǒng)。近年來，有關專業(yè)模型技術得到了逐步改進和完善并隨著計算機技術的發(fā)展為復雜的模擬分析計算提供了條件。專業(yè)模型技術的發(fā)展為決策支持系統(tǒng)建設的實用性提供了強有力的技術支撐，是水利信息化建設與發(fā)展的堅強后盾。 2.4　經濟發(fā)展為水利信息化技術應用提供了資金保障 改革開放以來，我國經濟發(fā)展迅速，國力得到了大大增強，人民生活得到了重大改善，為了人們生命安全、社會穩(wěn)定、環(huán)境保護、經濟可持續(xù)發(fā)展，各級政府有能力、有條件投入更多的資金進行水利信息化建設事業(yè)。近10多年來，國家投入防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設的資金與10年前相比增加了數10倍，而且更加重視水資源利用和生態(tài)環(huán)境等領域的信息化建設。隨著經濟的進一步發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，信息系統(tǒng)建設經費投入會持續(xù)增加，水利信息化技術應用會更加廣泛。 3　小結 本文重點介紹了GIS、DB、Web、RS、VR、GPS等信息技術在我國水利信息化建設中的應用情況及其存在不足，論述了水利信息化技術的發(fā)展條件和應用前景。此外，三維建模、多媒體、圖形處理、動畫、幻燈片制作等計算機技術在水利信息化進程中也發(fā)揮了重要作用。總之，信息技術的飛速發(fā)展與推廣應用為我國水利現代化進程注入了催化劑，提高了水利行業(yè)的技術水平，推動了水利事業(yè)的發(fā)展，縮短了我國與世界發(fā)達國家在水利信息化方面的差距，發(fā)展?jié)摿薮螅瑧们熬皬V闊。   參考文獻 [1]苑希民，萬洪濤，劉媛媛，等.全國和七大流域三維電子江河系統(tǒng)建設成果報告[R].北京：中國水利水電科學研究院，2006. 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