GIS在水利现代化中的应用和发展趋势
一、前言
水利行业是关系到我国国计民生的重要基础行业，我国政府对其的发展极其重视。为了实现水利信息化，在水利行业中推广GIS技术。地理信息系统（GIS）通常泛指用于获取、储存、查询、综合、处理、分析、显示和应用地理空间数据及其与之相关信息的计算机系统。它把空间的逻辑思维延伸到了形象思维。在水利信息化系统建设中，地理信息系统（GIS）是系统构建的框架，是辅助决策的工具，是成果展示的平台。国内水利行业应用GIS技术始于90年代初期，大致经历了认识了解、初步应用和结合GIS技术进行深入研究三个阶段。最早接触GIS技术的主要是一些科研院所和高等院校，当时的应用只注重数据的可视化，主要发挥它的查询、检索和空间显示功能，即只发挥了GIS的最低层次的功能。近年来，随着GIS在水利领域的应用范围不断扩大，应用层次也逐渐深入，一些部门将它作为分析、决策、模拟甚至预测的工具，其社会经济效益也比较明显地显示了出来。水利部提出了“以信息化带动水利现代化”并在2001年，水利部专门召开了“GIS技术在水利中的应用”研讨会，在会的各级领导和各级专家对在水利中推广应用GIS技术提出了许多有建设性的意见和观点，这必将推动GIS在水利行业的应用和发展进入更高更深的层次。
二、GIS技术在水利行业的应用
我国是一个水资源相对紧缺的国家，洪涝灾害、干旱缺水和水污染等问题十分突出，即水资源短缺与洪涝灾害频繁发生并存，洪涝灾害与干旱灾害并存。资源性缺水与水质性缺水并存。这一系列的现象严重制约了国民经济和社会发展。
任何一项先进技术的应用和发展都必须依附于生产的需要。GIS技术在水利行业的应用也主要围绕着上述主要问题。
1．GIS在防洪减灾方面的应用
我国幅员辽阔，自然地理地貌条件十分复杂，洪涝灾害发生频繁，使国家和个人都蒙受了很大的经济损失。随着社会经济和科学技术的飞速发展，我国的防洪工作将逐步从“以洪水为敌”的控制洪水向体现水资源特性的洪水管理转变，全面建成覆盖全国的水利信息网络，其中防洪减灾属于重点应用系统。
目前GIS技术在防洪减灾方面的应用主要有以下四种类型。
（1）防汛决策支持系统或信息管理系统的平台
在国家防汛指挥系统总体设计框架下，目前流域或省、自治区、直辖市的防汛决策支持系统或防汛信息管理系统都以GIS为平台。GIS在这些系统中的作用主要有以下几个方面：
空间数据处理、查询、检索、更新和维护；
利用空间分析能力和可视化模拟显示为防汛指挥决策提供辅助支持；
为各类应用模型提供实时数据；
优化模型参数；
预报预测和防汛信息及决策方案的可视化表达。
（2）灾情评估
在灾情评估中，GIS作为基础平台，它充分利用了自己的查询和分析功能以及可视化模拟的能力，发挥了很多别的系统不具备的作用：
基础背景数据（包括地理、社会、经济）的管理；
空间和属性数据查询、检索、统计和显示的基础；
灾情数据的提取和分析；
灾情的模拟和可视化表达；
对决策起辅助作用的工具。
目前洪涝灾害的监测评估业务运行系统已在水利部遥感技术应用中心投入运行。
（3）洪涝灾害风险分析与区划
洪涝灾害风险分析是分析不同强度的洪水发生概率及其可能造成的损失。它包括洪水的危险性分析，承灾体的易损性和损失评估。采用GIS技术，可以将上述三方面所涉及到的诸多自然，地理和社会因子附上相应的权重进行空间叠加，是进行洪涝灾害风险分析与区划的有效手段。GIS发挥的作用有：
多源、多尺度和海量数据的管理；
空间数据的叠加与综合处理；
图形处理的特殊功能。
（4）城市防洪
由于城市社会经济地位和社会影响的特殊性，防洪工作尤其重要。同时由于许多城市都是依水而建和城市不透水面积大，产流量大等特点，防洪工作的难度比农村地区大，所以GIS在城市防洪中发挥的作用除了一般防洪减灾决策支持系统外，还利用其的时空特征分析和高分辨率数据的处理功能在城市防洪减灾中发挥了更多更大的作用，目前比较突出的有以下几个方面：
城市积水、退水的预报预测；
现有排水设施（排水管网、泵站等）信息的管理；
排水设施的规划,设计和施工管理；
暴雨时空特征分析（4DGIS）；
以街道为统计单元和以街区为空间单元的社会经济数据空间展布；
暴雨分布及积水街道分布的可视化显示；
高分辨率、多层次、多源和更新频繁的数据的存储、维护和管理。
由于城市防汛信息管理及决策支持系统的复杂性，不少方面还在继续深入，可以肯定的是GIS技术在这进程中能发挥的作用。
2．GIS在水资源管理方面的应用
我国水资源短缺，而且分布极不均匀。同时由于社会经济飞速发展的过程中对环境保护不力，因此在资源性缺水的同时又加上水质性缺水，水资源严重短缺又存在有水资源浪费。面对如此严峻的形势，水资源的管理工作已经被赋上了维系社会经济可持续发展的历史性重任。由此也决定了必须用现代化的手段，实现以信息化为基础的技术来对水资源进行监控管理，才能解决好资源水利中的诸多复杂问题，这也为GIS提供了大显身手的机会。
水资源信息的面非常广，如上图所示,有水文气象，地理，地质，水质，水利工程，水处理工程,各行各业与生活需水量等等.所以这些数据既有历史的，又有实时或现状的，从性质上决定了其多源，多时相，多种类和动态这几个基本特征。水资源信息管理系统发挥了从时间，空间上了解水资源的现状与变化，通过模拟可视化直观地表示水资源状况，有助于让研究人员和决策人员了解水资源的变化规律，通过信息处理和分析，提供管理的基础信息与手段，完善水资源信息的管理与更新，实现数据共享。
在水资源信息管理系统中GIS发挥的作用大致有以下几个方面：
（1）历史数据管理和实时数据的动态采集和加载；
（2）信息的空间与属性双向查询和分析；
（3）时空统计；
（4）以多种方式直观地可视化表达各类信息的空间分布及模拟动态变化过程；
（5）区域水资源的空间分析；
（6）区域水资源管理模式区划，如地下水禁采与限采区划、水环境区划等。
3．GIS在水环境和水土保持方面的应用
由于社会经济高速发展中过多的人类活动影响，我国水系的污染已经十分严重了，土壤侵蚀面积达国土面积的20%以上，而土壤侵蚀本身也是造成水系污染的主要因素之一。为了近一步了解和监测水环境和水土保持的情况，水利部门已有包括170多个主要测站的全国水环境信息管理系统，有如广东那样的省级系统，有如三峡库区那样的区域性系统，也有如九州江那样的江河级系统。水环境信息管理系统是空间决策支持系统的基础或者是组成部分，而GIS是其基础，同时也是提取数据和显示数据的平台。
这些以GIS技术为支撑的信息管理系统和空间决策支持系统的功能主要有以下几个方面：
（1）自然、地理、社会经济等基础背景数据，水利工程与设施，监测站点，水质与水量的历史与实时数据，水环境评价等级，水质标准及法规和条例，决策项目和边界条件数据，水污染预测数据的采集和管理。
（2）建立数据空间数据和属性特征的拓扑关系，用来进行数据的双向查询。
（3）通过对区域或上下游水质的空间分析，找出某水质参数严重超标的污染源。
（4）各类数据的可视化表达和可视化共享。
（5）水质水量模拟与预测。
（6）污染排放管理与控制。
（7）取水口位置最优化选择和各类突发事件的处理方案及优化。
在水土保持方面，GIS也发挥着十分重要的作用。在水土保持中的GIS的应用是一种全过程的应用。从土壤侵蚀发生与否的判断开始、一直到土壤侵蚀过程的模拟与预测，GIS始终在技术上起着支撑作用。所以与其他领域比较，水土保持中一些应用模型大多采用与GIS紧密结合的方式，也就是直接用GIS为建模平台和决策依据，这是一个比较鲜明的特点,而且用途将越来越大。
4．GIS在水利水电工程建设和管理方面的应用
水利水电工程建设与管理是水利水电工程的重中之重,它的选址,规划,设计和施工管理都必须严格慎重,考虑到各个方面的因素,例如移民安置地环境容量调查,调水工程选线及环境影响评估,防洪规划,大型水利水电工程物科储运管理和蓄滞洪区规划和建设等。此时GIS在空间分析和模拟方面的强大优势就显现出来了。
水利水电工程建设与管理中利用GIS功能最多的有以下几个方面：
（1）通过进行三维可视化显示及贯穿飞行模拟,实现位置或路线的优化；
（2）空间信息的处理,叠加与分析,得出可作为决策辅导的信息；
（3）通过防真模拟淹没分析,得到各种分析数据；
（4）利用GIS平台实现交互式的工程布置方案修改。
三、GIS技术在水利行业应用的发展趋势
GIS是一门与和计算机硬件和操作系统,元数据库的建设,数据挖掘,遥感技术,网络技术和数据库管理,数字摄影与自动化成象等技术有着紧密相关的学科,而上面的那些技术又是在不断发展的,每项技术的发展都给GIS带来了深刻的变化.所以GIS在水利行业的应用和发展,不仅仅取决于GIS技术的发展,更取决于水利行业数字化的进程.在水利部以信息化带动水利现代化的战略方针指导下，GIS在水利行业的应用将会越来越广，用途也将会越来越大.而且会迅速成为管理和决策主要支撑技术。它的发展趋势有以下四个。
1．网络GIS（WebGIS）
网络是实现资源共享和远程遥控的基础技术,WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物。GIS通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。从WWW的任意一个节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使GIS进入千家万户。它可用于除了一般数据外的特殊数据类型，尤其是矢量数据的处理，以网络浏览器为应用工作平台，在客户端可以实现对矢量数据的操作，可以在多个客户端实现原来在本机上才能实现的功能，并可通过网络远程调用和发布各类数据、图形、图像。
2．"3S"技术集成
“3S”不是全球卫星定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感系统(RS)的简单组合，而是将其通过数据接口严格地、紧密地、系统地集合起来，使其成为一个更具有应用价值的大系统,在这个大系统中GPS主要被用于实时、快速地提供目标的空间位置；RS用于实时或准实时提供目标及其环境的语义或语义信息，发现地球表面的各种变化；GIS则对多源时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，形成新的集成系统的基础平台。所以"3S"集成技术在水利行业中有着广阔的应用前景。
3．VR-GIS技术
VR-GIS技术是虚拟现实技术与GIS技术的结合，包括与WebGIS和ComGIS结合的技术，专门用于研究地学或以地球系统为对象的虚拟现实技术，目前只能达到仿真的水平，可以做到：
（1）对现时的地理区域的非常真实的表达；
（2）可在所在地理范围内外自由移动；
（3）在三维数据库中有GIS的各种功能；
（4）以可视化功能作为用户接口的自然的整体部分。
4．地理信息建模系统(GIMS)
GIS成功应用于专门领域的关键，在于支持建立该领域特有的空间分析模型。GIS应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，这种GIS系统又称为地理信息建模系统(GIMS)。GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。基于RS和GIS的分布式流域水文模型成为当前研究的前沿，“3S”技术支持下的分布式或半分布式水文预报模型在中小流域尺度进行了试验性的应用研究，取得了一些成果。
要发展好我国的水利事业,就必须要在水利行业更好地应用和发展GIS技术。就必须在进一步加强标准化、规范化的基础上，大力开展基础数据库的建设，尤其是富有水利行业特色的数据库，如蓄滞洪区空间展布式社会经济数据库、雨情和水情数据库、水旱灾情数据库，等等。此外还要加快提高GIS的应用水平，充分发挥GIS现有的和潜在的功能，并且进一步提高象计算机,网络通讯等与GIS紧密相关的技术的水平。使它们和GIS技术同步,协调的结合和发展,为水利信息化和现代化作出它应有的贡献。
参考文献
[1] 刘勇，井文涌．地理信息系统技术及其在环境科学中的应用．环境科学．1997.3:62．
[2] 李德仁，关泽群．空间信息系统的集成与实现．武汉测绘大学出版社．2000,3(1):224．
[3] 彭盛．GIS技术在水资源和水环境领域中的应用．水科学进展．2001,12(2):264-269．
[4] 张建云．建设水资源实时监控管理系统—水利现代化的技术方向．中国水利．2000,8．
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