GIS在水利現代化中的應用和發(fā)展趨勢

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摘 要：本文介紹了地理信息系統(tǒng)（GIS）在現代水利也就是水利信息化中起到的至關重要的作用，尤其是在防洪減災，水資源管理，水土保持和水利水電工程建設和管理等方面。其中重點闡述了利用GIS的空間數據管理能力，空間數據處理能力和空間分析能力為各類應用模型提供數據，優(yōu)化模型數參數，使其防汛信息以及決策方案可視化表示，在現代水利防洪減災方面提供決策支持系統(tǒng)；同時利用GIS的歷史數據管理和實時數據的動態(tài)加載功能，信息的空間與屬性雙向查詢功能，空間數據的疊加與綜合處理在現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)技術現代水利應用中的發(fā)展趨勢。

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


一、前言

水利行業(yè)是關系到我國國計民生的重要基礎行業(yè)，我國政府對其的發(fā)展極其重視。為了實現水利信息化，在水利行業(yè)中推廣GIS技術。地理信息系統(tǒng)（GIS）通常泛指用于獲取、儲存、查詢、綜合、處理、分析、顯示和應用地理空間數據及其與之相關信息的計算機系統(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)建設中，地理信息系統(tǒng)（GIS）是系統(tǒng)構建的框架，是輔助決策的工具，是成果展示的平臺。國內水利行業(yè)應用GIS技術始于90年代初期，大致經歷了認識了解、初步應用和結合GIS技術進行深入研究三個階段。最早接觸GIS技術的主要是一些科研院所和高等院校，當時的應用只注重數據的可視化，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在水利領域的應用范圍不斷擴大，應用層次也逐漸深入，一些部門將它作為分析、決策、模擬甚至預測的工具，其社會經濟效益也比較明顯地顯示了出來。水利部提出了“以信息化帶動水利現代化”并在2001年，水利部專門召開了“GIS技術在水利中的應用”研討會，在會的各級領導和各級專家對在水利中推廣應用GIS技術提出了許多有建設性的意見和觀點，這必將推動GIS在水利行業(yè)的應用和發(fā)展進入更高更深的層次。

二、GIS技術在水利行業(yè)的應用

我國是一個水資源相對緊缺的國家，洪澇災害、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害頻繁發(fā)生并存，洪澇災害與干旱災害并存。資源性缺水與水質性缺水并存。這一系列的現象嚴重制約了國民經濟和社會發(fā)展。

任何一項先進技術的應用和發(fā)展都必須依附于生產的需要。GIS技術在水利行業(yè)的應用也主要圍繞著上述主要問題。

1．GIS在防洪減災方面的應用

我國幅員遼闊，自然地理地貌條件十分復雜，洪澇災害發(fā)生頻繁，使國家和個人都蒙受了很大的經濟損失。隨著社會經濟和科學技術的飛速發(fā)展，我國的防洪工作將逐步從“以洪水為敵”的控制洪水向體現水資源特性的洪水管理轉變，全面建成覆蓋全國的水利信息網絡，其中防洪減災屬于重點應用系統(tǒng)。

目前GIS技術在防洪減災方面的應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

在國家防汛指揮系統(tǒng)總體設計框架下，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。GIS在這些系統(tǒng)中的作用主要有以下幾個方面：

空間數據處理、查詢、檢索、更新和維護；

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；

為各類應用模型提供實時數據；

優(yōu)化模型參數；

預報預測和防汛信息及決策方案的可視化表達。

（2）災情評估

在災情評估中，GIS作為基礎平臺，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：

基礎背景數據（包括地理、社會、經濟）的管理；

空間和屬性數據查詢、檢索、統(tǒng)計和顯示的基礎；

災情數據的提取和分析；

災情的模擬和可視化表達；

對決策起輔助作用的工具。

目前洪澇災害的監(jiān)測評估業(yè)務運行系統(tǒng)已在水利部遙感技術應用中心投入運行。

（3）洪澇災害風險分析與區(qū)劃

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

多源、多尺度和海量數據的管理；

空間數據的疊加與綜合處理；

圖形處理的特殊功能。

（4）城市防洪

由于城市社會經濟地位和社會影響的特殊性，防洪工作尤其重要。同時由于許多城市都是依水而建和城市不透水面積大，產流量大等特點，防洪工作的難度比農村地區(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決策支持系統(tǒng)外，還利用其的時空特征分析和高分辨率數據的處理功能在城市防洪減災中發(fā)揮了更多更大的作用，目前比較突出的有以下幾個方面：

城市積水、退水的預報預測；

現有排水設施（排水管網、泵站等）信息的管理；

排水設施的規(guī)劃,設計和施工管理；

暴雨時空特征分析（4DGIS）；

以街道為統(tǒng)計單元和以街區(qū)為空間單元的社會經濟數據空間展布；

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據的存儲、維護和管理。

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

2．GIS在水資源管理方面的應用

我國水資源短缺，而且分布極不均勻。同時由于社會經濟飛速發(fā)展的過程中對環(huán)境保護不力，因此在資源性缺水的同時又加上水質性缺水，水資源嚴重短缺又存在有水資源浪費。面對如此嚴峻的形勢，水資源的管理工作已經被賦上了維系社會經濟可持續(xù)發(fā)展的歷史性重任。由此也決定了必須用現代化的手段，實現以信息化為基礎的技術來對水資源進行監(jiān)控管理，才能解決好資源水利中的諸多復雜問題，這也為GIS提供了大顯身手的機會。例如在歐盟-遼寧水資源項目中,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，水質，水利工程，水處理工程,各行各業(yè)與生活需水量等等.所以這些數據既有歷史的，又有實時或現狀的，從性質上決定了其多源，多時相，多種類和動態(tài)這幾個基本特征。水資源信息管理系統(tǒng)發(fā)揮了從時間，空間上了解水資源的現狀與變化，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，提供管理的基礎信息與手段，完善水資源信息的管理與更新，實現數據共享。



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方面：

（1）歷史數據管理和實時數據的動態(tài)采集和加載；

（2）信息的空間與屬性雙向查詢和分析；

（3）時空統(tǒng)計；

（4）以多種方式直觀地可視化表達各類信息的空間分布及模擬動態(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用

由于社會經濟高速發(fā)展中過多的人類活動影響，我國水系的污染已經十分嚴重了，土壤侵蝕面積達國土面積的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)的基礎或者是組成部分，而GIS是其基礎，同時也是提取數據和顯示數據的平臺。這些以GIS技術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方面：

（1）自然、地理、社會經濟等基礎背景數據，水利工程與設施，監(jiān)測站點，水質與水量的歷史與實時數據，水環(huán)境評價等級，水質標準及法規(guī)和條例，決策項目和邊界條件數據，水污染預測數據的采集和管理。

（2）建立數據空間數據和屬性特征的拓撲關系，用來進行數據的雙向查詢。

（3）通過對區(qū)域或上下游水質的空間分析，找出某水質參數嚴重超標的污染源。

（4）各類數據的可視化表達和可視化共享。

（5）水質水量模擬與預測。

（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的應用是一種全過程的應用。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測，GIS始終在技術上起著支撐作用。所以與其他領域比較，水土保持中一些應用模型大多采用與GIS緊密結合的方式，也就是直接用GIS為建模平臺和決策依據，這是一個比較鮮明的特點,而且用途將越來越大。

4．GIS在水利水電工程建設和管理方面的應用

水利水電工程建設與管理是水利水電工程的重中之重,它的選址,規(guī)劃,設計和施工管理都必須嚴格慎重,考慮到各個方面的因素,例如移民安置地環(huán)境容量調查,調水工程選線及環(huán)境影響評估,防洪規(guī)劃,大型水利水電工程物科儲運管理和蓄滯洪區(qū)規(guī)劃和建設等。此時GIS在空間分析和模擬方面的強大優(yōu)勢就顯現出來了。

水利水電工程建設與管理中利用GIS功能最多的有以下幾個方面：

（1）通過進行三維可視化顯示及貫穿飛行模擬,實現位置或路線的優(yōu)化；

（2）空間信息的處理,疊加與分析,得出可作為決策輔導的信息；

（3）通過防真模擬淹沒分析,得到各種分析數據；

（4）利用GIS平臺實現交互式的工程布置方案修改。

三、GIS技術在水利行業(yè)應用的發(fā)展趨勢

GIS是一門與和計算機硬件和操作系統(tǒng),元數據庫的建設,數據挖掘,遙感技術,網絡技術和數據庫管理,數字攝影與自動化成象等技術有著緊密相關的學科,而上面的那些技術又是在不斷發(fā)展的,每項技術的發(fā)展都給GIS帶來了深刻的變化.所以GIS在水利行業(yè)的應用和發(fā)展,不僅僅取決于GIS技術的發(fā)展,更取決于水利行業(yè)數字化的進程.在水利部以信息化帶動水利現代化的戰(zhàn)略方針指導下，GIS在水利行業(yè)的應用將會越來越廣，用途也將會越來越大.而且會迅速成為管理和決策主要支撐技術。它的發(fā)展趨勢有以下四個。

1．網絡GIS（WebGIS）

網絡是實現資源共享和遠程遙控的基礎技術,WebGIS是Internet技術應用于GIS開發(fā)的產物。GIS通過WWW功能得以擴展，真正成為一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS進入千家萬戶。它可用于除了一般數據外的特殊數據類型，尤其是矢量數據的處理，以網絡瀏覽器為應用工作平臺，在客戶端可以實現對矢量數據的操作，可以在多個客戶端實現原來在本機上才能實現的功能，并可通過網絡遠程調用和發(fā)布各類數據、圖形、圖像。

2．"3S"技術集成

“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，而是將其通過數據接口嚴格地、緊密地、系統(tǒng)地集合起來，使其成為一個更具有應用價值的大系統(tǒng),在這個大系統(tǒng)中GPS主要被用于實時、快速地提供目標的空間位置；RS用于實時或準實時提供目標及其環(huán)境的語義或語義信息，發(fā)現地球表面的各種變化；GIS則對多源時空數據進行綜合處理、集成管理、動態(tài)存取，形成新的集成系統(tǒng)的基礎平臺。所以"3S"集成技術在水利行業(yè)中有著廣闊的應用前景。

3．VR-GIS技術

VR-GIS技術是虛擬現實技術與GIS技術的結合，包括與WebGIS和ComGIS結合的技術，專門用于研究地學或以地球系統(tǒng)為對象的虛擬現實技術，目前只能達到仿真的水平，可以做到：

（1）對現時的地理區(qū)域的非常真實的表達；

（2）可在所在地理范圍內外自由移動；

（3）在三維數據庫中有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成功應用于專門領域的關鍵，在于支持建立該領域特有的空間分析模型。GIS應當支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗的環(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研究的熱點問題之一。基于RS和GIS的分布式流域水文模型成為當前研究的前沿，“3S”技術支持下的分布式或半分布式水文預報模型在中小流域尺度進行了試驗性的應用研究，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)更好地應用和發(fā)展GIS技術。就必須在進一步加強標準化、規(guī)范化的基礎上，大力開展基礎數據庫的建設，尤其是富有水利行業(yè)特色的數據庫，如蓄滯洪區(qū)空間展布式社會經濟數據庫、雨情和水情數據庫、水旱災情數據庫，等等。此外還要加快提高GIS的應用水平，充分發(fā)揮GIS現有的和潛在的功能，并且進一步提高象計算機,網絡通訊等與GIS緊密相關的技術的水平。使它們和GIS技術同步,協調的結合和發(fā)展,為水利信息化和現代化作出它應有的貢獻。