地理信息系统在水利中的应用
2013-07-09 来源:测绘论坛
一、GIS在防洪减灾方面的应用
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，各流域或省、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：
（1）空间数据管理，包括查询、检索、更新和维护；
（2）利用空间分析能力为防汛指挥决策提供辅助支持；
（3）为各类应用模型提供数据；
（4）优化模型参数；
（5）预报预测；
（6）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是主角，它发挥的主要作用是：
（1）基础背景数据（包括地理、社会、经济）的管理；
（2）空间和属性数据查询、检索、统计和显示的基础；
（3）洪水演进的基础平台；
（4）灾情数据的提取和分析；
（5）灾情的可视化表达；
（6）辅助决策的工具（行蓄洪区应用、抢险救灾物资储运、避险、迁安等）。
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
采用GIS技术，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：
（1）多源、多尺度数据的管理；
（2）空间数据的叠加与综合处理；
（3）图形处理的特殊功能。
4.城市防洪
GIS在城市防洪中发挥的作用更多更大，目前比较突出的有以下几个方面：
（1）城市积水、退水的预报预测；
（2）现有排水设施（排水管网、泵站等）信息的管理；
（3）排水设施的规划与设计；
（4）城市绿地（透水面积）的面积与位置的规划；
（5）暴雨时空特征分析（4DGIS）；
（6）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；
（7）暴雨分布及积水街道分布的可视化显示；
（8）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将越来越大。
二、GIS在水资源管理方面的应用
上海、广东、山西等省、直辖市已建设了一批以GIS技术为支撑的水资源信息管理系统，有的已在此基础上向水资源管理决策支持系统迈开了新的步伐，形式上大多是空间决策支持系统（SDSS）。
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加载；
（2）信息的空间与属性双向查询；
（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。
三、GIS在水环境和水土保持方面的应用
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。这些以GIS技术为支撑的信息管理系统和SDSS的功能主要有以下几个方面：
（1）数据管理，包括自然、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，等等。
（2）水质参数的双向查询，即点出站点位置查询该站的基本信息、水质参数、水质等级、超标物名称、以月或年为单位的水质等级过程线；也可由水质等级或某物质超标来查（显示）测站位置，或河段。
（3）统计某流域或区域各等级水质的测站占的比例或各等级水质的河段长，等等。
（4）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。
（5）各类可视化表达。
（6）水质水量模拟与预测。
（7）污染排放管理与控制。
（8）取水口位置优化。
（9）突发污染事件的处理方案及优化。
（10）改善水质现状的对策及优化。
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。GIS与空间决策支持的各类模型有三种结合方式：
（1）以GIS为平台建模；
（2）松散结合，从GIS提取数据，又回到GIS上显示结果；
（3）用GIS软件本身的建模功能建立一些数值分析模型，实现有限的决策支持功能。
GIS在水土保持中的的应用是比较全面的，是全过程的应用。从土壤侵蚀发生与否的判断、侵蚀强度划分、侵蚀量的计算、流域泥沙输移、水保措施的效益评价，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，这是一个比较鲜明的特点。
四、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中利用GIS功能最多的有以下几个方面：
（1）三维可视化显示及贯穿飞行模拟；
（2）位置或路线的优化；
（3）空间信息的叠加与分析；
（4）影响区（范围）的确定；
（5）开挖量及剖面分析；
（6）淹没分析；
（7）交互式的工程布置方案修改。
五、GIS技术在水利行业应用的发展趋势
在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“无处不在”，而且迅速地占领管理和决策层面。它的发展趋势有以下四个。
1.网络GIS（WebGIS）
WebGIS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.组件式GIS（ComGIS）
GIS软件的技术体系经历了GIS模块、集成式GIS和模块式GIS这三个阶段后，已发展到了组建式GIS阶段，即基于组件平台，以一组具有某种标准通信接口实现交互，甚至是跨计算机交互。ComGIS使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，更便于二次开发，特别有利于应用系统集成和拓展。
3.三维GIS和四维GIS
三维尤其是实时的三维GIS系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。在调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞洪区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、地面与地下结合的地质构造描述、水流流动的三维表现、厂房或结构内部的描述、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等等方面使用得特别多或者是特别有前景，而且它也是虚拟或仿真的基础。目前三维功能较强的GIS软件也趋于采用组件架构。
水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题。因此，加上时间维的4DGIS应用需求也很广。
4.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。
在水利行业可模拟的例子也不少，例如工程结构、河流地貌过程、三角洲演化过程、天气过程、湖泊与沼泽演化过程、调水工程、水资源调控、河道整治、大型水利工程的环境评价、水质污染过程、区域可持续发展、生态系统的恶化与恢复、洪涝灾害的发生与救灾、防洪规划、河口与港口整治、垮坝溃堤、土壤侵蚀、水土保持效果、荒漠化过程、大型水利水电工程规划以及替代传统的水工模拟，等等。
要在水利行业更好地应用和发展GIS技术，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，并且与遥感、全球定位系统、网络计算机等高新技术以及水利行业本身的技术紧密地结合在一起。
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，各流域或省、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：
（1）空间数据管理，包括查询、检索、更新和维护；
（2）利用空间分析能力为防汛指挥决策提供辅助支持；
（3）为各类应用模型提供数据；
（4）优化模型参数；
（5）预报预测；
（6）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是主角，它发挥的主要作用是：
（1）基础背景数据（包括地理、社会、经济）的管理；
（2）空间和属性数据查询、检索、统计和显示的基础；
（3）洪水演进的基础平台；
（4）灾情数据的提取和分析；
（5）灾情的可视化表达；
（6）辅助决策的工具（行蓄洪区应用、抢险救灾物资储运、避险、迁安等）。
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
采用GIS技术，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：
（1）多源、多尺度数据的管理；
（2）空间数据的叠加与综合处理；
（3）图形处理的特殊功能。
4.城市防洪
GIS在城市防洪中发挥的作用更多更大，目前比较突出的有以下几个方面：
（1）城市积水、退水的预报预测；
（2）现有排水设施（排水管网、泵站等）信息的管理；
（3）排水设施的规划与设计；
（4）城市绿地（透水面积）的面积与位置的规划；
（5）暴雨时空特征分析（4DGIS）；
（6）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；
（7）暴雨分布及积水街道分布的可视化显示；
（8）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将越来越大。
二、GIS在水资源管理方面的应用
上海、广东、山西等省、直辖市已建设了一批以GIS技术为支撑的水资源信息管理系统，有的已在此基础上向水资源管理决策支持系统迈开了新的步伐，形式上大多是空间决策支持系统（SDSS）。
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加载；
（2）信息的空间与属性双向查询；
（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。
三、GIS在水环境和水土保持方面的应用
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。这些以GIS技术为支撑的信息管理系统和SDSS的功能主要有以下几个方面：
（1）数据管理，包括自然、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，等等。
（2）水质参数的双向查询，即点出站点位置查询该站的基本信息、水质参数、水质等级、超标物名称、以月或年为单位的水质等级过程线；也可由水质等级或某物质超标来查（显示）测站位置，或河段。
（3）统计某流域或区域各等级水质的测站占的比例或各等级水质的河段长，等等。
（4）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。
（5）各类可视化表达。
（6）水质水量模拟与预测。
（7）污染排放管理与控制。
（8）取水口位置优化。
（9）突发污染事件的处理方案及优化。
（10）改善水质现状的对策及优化。
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。GIS与空间决策支持的各类模型有三种结合方式：
（1）以GIS为平台建模；
（2）松散结合，从GIS提取数据，又回到GIS上显示结果；
（3）用GIS软件本身的建模功能建立一些数值分析模型，实现有限的决策支持功能。
GIS在水土保持中的的应用是比较全面的，是全过程的应用。从土壤侵蚀发生与否的判断、侵蚀强度划分、侵蚀量的计算、流域泥沙输移、水保措施的效益评价，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，这是一个比较鲜明的特点。
四、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中利用GIS功能最多的有以下几个方面：
（1）三维可视化显示及贯穿飞行模拟；
（2）位置或路线的优化；
（3）空间信息的叠加与分析；
（4）影响区（范围）的确定；
（5）开挖量及剖面分析；
（6）淹没分析；
（7）交互式的工程布置方案修改。
五、GIS技术在水利行业应用的发展趋势
在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“无处不在”，而且迅速地占领管理和决策层面。它的发展趋势有以下四个。
1.网络GIS（WebGIS）
WebGIS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.组件式GIS（ComGIS）
GIS软件的技术体系经历了GIS模块、集成式GIS和模块式GIS这三个阶段后，已发展到了组建式GIS阶段，即基于组件平台，以一组具有某种标准通信接口实现交互，甚至是跨计算机交互。ComGIS使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，更便于二次开发，特别有利于应用系统集成和拓展。
3.三维GIS和四维GIS
三维尤其是实时的三维GIS系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。在调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞洪区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、地面与地下结合的地质构造描述、水流流动的三维表现、厂房或结构内部的描述、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等等方面使用得特别多或者是特别有前景，而且它也是虚拟或仿真的基础。目前三维功能较强的GIS软件也趋于采用组件架构。
水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题。因此，加上时间维的4DGIS应用需求也很广。
4.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。
在水利行业可模拟的例子也不少，例如工程结构、河流地貌过程、三角洲演化过程、天气过程、湖泊与沼泽演化过程、调水工程、水资源调控、河道整治、大型水利工程的环境评价、水质污染过程、区域可持续发展、生态系统的恶化与恢复、洪涝灾害的发生与救灾、防洪规划、河口与港口整治、垮坝溃堤、土壤侵蚀、水土保持效果、荒漠化过程、大型水利水电工程规划以及替代传统的水工模拟，等等。
要在水利行业更好地应用和发展GIS技术，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，并且与遥感、全球定位系统、网络计算机等高新技术以及水利行业本身的技术紧密地结合在一起。
