地理信息系統(tǒng)在水利中的應(yīng)用

1、地理信息系統(tǒng)在水利中的應(yīng)用李紀人摘 要 GIS具有數(shù)據(jù)存儲、查詢、統(tǒng)計、圖形顯示、分析、模擬、決策和預(yù)測等功能，在水利中得到越來越廣泛的應(yīng)用，可謂水利現(xiàn)代化的“火車頭”。關(guān)鍵詞 GIS 水利 應(yīng)用地理信息系統(tǒng)GIS通常泛指用于獲取、儲存、查詢、綜合、處理、分析、顯示和應(yīng)用地理空間數(shù)據(jù)及其與之相關(guān)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。水利部提出了“以信息化帶動水利現(xiàn)代化”。它在水利行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，GIS在水利信息化也就是水利現(xiàn)代化中起著并將繼續(xù)起到至關(guān)重要的作用。一、GIS在防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用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

2、設(shè)計框架下，各流域或省、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：（1）空間數(shù)據(jù)管理，包括查詢、檢索、更新和維護；（2）利用空間分析能力為防汛指揮決策提供輔助支持；（3）為各類應(yīng)用模型提供數(shù)據(jù)；（4）優(yōu)化模型參數(shù)；（5）預(yù)報預(yù)測；（6）防汛信息及決策方案的可視化表達。2.災(zāi)情評估在災(zāi)情評估中，GIS是主角，它發(fā)揮的主要作用是：（1）基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)（包括地理、社會、經(jīng)濟）的管理；（2）空間和屬性數(shù)據(jù)查詢、檢索、統(tǒng)計和顯示的基礎(chǔ)；（3）洪水演進的基礎(chǔ)平臺；（4）災(zāi)情數(shù)據(jù)的提取和分析；（5）災(zāi)情的可視化表達；（6）輔助決策的工具（行

3、蓄洪區(qū)應(yīng)用、搶險救災(zāi)物資儲運、避險、遷安等）。目前洪澇災(zāi)害的監(jiān)測評估業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)已在水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心投入運行。3.洪澇災(zāi)害風(fēng)險分析與區(qū)劃采用GIS技術(shù)，是進行洪澇災(zāi)害風(fēng)險分析與區(qū)劃的有效手段。GIS發(fā)揮的作用有：（1）多源、多尺度數(shù)據(jù)的管理；（2）空間數(shù)據(jù)的疊加與綜合處理；（3）圖形處理的特殊功能。4.城市防洪GIS在城市防洪中發(fā)揮的作用更多更大，目前比較突出的有以下幾個方面：（1）城市積水、退水的預(yù)報預(yù)測；（2）現(xiàn)有排水設(shè)施（排水管網(wǎng)、泵站等）信息的管理；（3）排水設(shè)施的規(guī)劃與設(shè)計；（4）城市綠地（透水面積）的面積與位置的規(guī)劃；（5）暴雨時空特征分析（4DGIS）；（6）以街道為統(tǒng)計單

4、元和以街區(qū)為空間單元的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間展布；（7）暴雨分布及積水街道分布的可視化顯示；（8）高分辨率、多層次、多源和更新頻繁的數(shù)據(jù)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(fù)雜性，不少方面還在繼續(xù)深入，可以肯定的是GIS技術(shù)在這進程中能發(fā)揮的作用將越來越大。二、GIS在水資源管理方面的應(yīng)用上海、廣東、山西等省、直轄市已建設(shè)了一批以GIS技術(shù)為支撐的水資源信息管理系統(tǒng)，有的已在此基礎(chǔ)上向水資源管理決策支持系統(tǒng)邁開了新的步伐，形式上大多是空間決策支持系統(tǒng)（SDSS）。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(shù)據(jù)管理和實時數(shù)據(jù)的動態(tài)加載；（2）信息的空間與屬

5、性雙向查詢；（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。三、GIS在水環(huán)境和水土保持方面的應(yīng)用水利部門已有包括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)。這些以GIS技術(shù)為支撐的信息管理系統(tǒng)和SDSS的功能主要有以下幾個方面：（1）數(shù)據(jù)管理，包括自然、地理、社會經(jīng)濟等基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)，水利工程與設(shè)施，監(jiān)測站點，水質(zhì)與水量的歷史與實時數(shù)據(jù)，水環(huán)境評價等級，水質(zhì)標準及法規(guī)和條例，決策項目

6、和邊界條件數(shù)據(jù)，水污染預(yù)測數(shù)據(jù)，等等。（2）水質(zhì)參數(shù)的雙向查詢，即點出站點位置查詢該站的基本信息、水質(zhì)參數(shù)、水質(zhì)等級、超標物名稱、以月或年為單位的水質(zhì)等級過程線；也可由水質(zhì)等級或某物質(zhì)超標來查（顯示）測站位置，或河段。（3）統(tǒng)計某流域或區(qū)域各等級水質(zhì)的測站占的比例或各等級水質(zhì)的河段長，等等。（4）區(qū)域或上下游水質(zhì)的空間分析，找出某水質(zhì)參數(shù)嚴重超標的污染源。（5）各類可視化表達。（6）水質(zhì)水量模擬與預(yù)測。（7）污染排放管理與控制。（8）取水口位置優(yōu)化。（9）突發(fā)污染事件的處理方案及優(yōu)化。（10）改善水質(zhì)現(xiàn)狀的對策及優(yōu)化。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)。

7、GIS與空間決策支持的各類模型有三種結(jié)合方式：（1）以GIS為平臺建模；（2）松散結(jié)合，從GIS提取數(shù)據(jù)，又回到GIS上顯示結(jié)果；（3）用GIS軟件本身的建模功能建立一些數(shù)值分析模型，實現(xiàn)有限的決策支持功能。GIS在水土保持中的的應(yīng)用是比較全面的，是全過程的應(yīng)用。從土壤侵蝕發(fā)生與否的判斷、侵蝕強度劃分、侵蝕量的計算、流域泥沙輸移、水保措施的效益評價，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，這是一個比較鮮明的特點。四、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

8、建設(shè)與管理中利用GIS功能最多的有以下幾個方面：（1）三維可視化顯示及貫穿飛行模擬；（2）位置或路線的優(yōu)化；（3）空間信息的疊加與分析；（4）影響區(qū)（范圍）的確定；（5）開挖量及剖面分析；（6）淹沒分析；（7）交互式的工程布置方案修改。五、GIS技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢在以信息化帶動水利現(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“無處不在”，而且迅速地占領(lǐng)管理和決策層面。它的發(fā)展趨勢有以下四個。1.網(wǎng)絡(luò)GIS（WebGIS）WebGIS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，在客戶端可以實現(xiàn)對矢量數(shù)據(jù)的操作，可以在多個客戶端實現(xiàn)原來在本機

9、上才能實現(xiàn)的功能，并可通過網(wǎng)絡(luò)遠程調(diào)用和發(fā)布各類數(shù)據(jù)、圖形、圖像。2.組件式GIS（ComGIS）GIS軟件的技術(shù)體系經(jīng)歷了GIS模塊、集成式GIS和模塊式GIS這三個階段后，已發(fā)展到了組建式GIS階段，即基于組件平臺，以一組具有某種標準通信接口實現(xiàn)交互，甚至是跨計算機交互。ComGIS使軟件的可配置性、可擴展性和開放性更強，使用更靈活，更便于二次開發(fā)，特別有利于應(yīng)用系統(tǒng)集成和拓展。3.三維GIS和四維GIS三維尤其是實時的三維GIS系統(tǒng)為各種水利信息提供了更為直觀的表現(xiàn)方式。在調(diào)水線路沿線貫穿飛行、城市及蓄滯洪區(qū)洪水演進、水利工程布置、大壩及堤防等工情信息的表達、地面與地下結(jié)合的地質(zhì)構(gòu)造描述

10、、水流流動的三維表現(xiàn)、廠房或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的描述、庫區(qū)的描述、宏觀地形地貌表現(xiàn)、通視性分析等等方面使用得特別多或者是特別有前景，而且它也是虛擬或仿真的基礎(chǔ)。目前三維功能較強的GIS軟件也趨于采用組件架構(gòu)。水利上很多問題是時間序列問題、動態(tài)監(jiān)測及過程問題。因此，加上時間維的4DGIS應(yīng)用需求也很廣。4.VR-GIS技術(shù)VR-GIS技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)，目前只能達到仿真的水平，可以做到：1 對現(xiàn)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(nèi)外自由移動；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。在水利行業(yè)可模擬的例子也不少，例如工程結(jié)構(gòu)、河流地貌過程、三角洲演化過程、天氣過程、湖泊與沼澤演化過程、調(diào)水工程、水資源調(diào)控、河道整治、大型水利工程的環(huán)境評價、水質(zhì)污染過程、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)的惡化與恢復(fù)、洪澇災(zāi)害的發(fā)生與救災(zāi)、防洪規(guī)劃、河口與港口整治、垮壩潰堤、土壤侵蝕、水土保持效果、荒漠化過程、大型水利水電工程規(guī)劃以及替代傳統(tǒng)的水工模擬，等等。要在水利行業(yè)更好地應(yīng)用和發(fā)展GIS技術(shù)，必須在進一步加強標準化、規(guī)