GIS在城市排水防澇中的應(yīng)用趨勢

薛祥光　蔣世峰　李萌　蔣亮虹

【摘 要】GIS技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展為城市排水防澇系統(tǒng)的信息化建設(shè)與科學(xué)規(guī)劃提供了重要契機(jī)。本文首先通過分析城市排水防澇中存在的問題，引出GIS在城市防澇中的應(yīng)用現(xiàn)狀。其次，從智慧城市發(fā)展的角度，著重分析了GIS在城市排水防澇規(guī)劃與管理中的信息全面感知、信息深入分析以及輔助決策等方面的應(yīng)用趨勢。最后總結(jié)了利用GIS技術(shù)全面提升城市排水防澇規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理的新思路。

【關(guān)鍵詞】GIS；排水防澇規(guī)劃；輔助決策；智慧城市

【Abstract】The development of GIS technology and the new emerging technologies such as Internet of Things， cloud computing， big data provides an important opportunity for scientific planning of urban drainage waterlogging system. In this paper， problems of urban drainage waterlogging were analyzed and the application status of GIS in urban waterlogging was introduced at first. And then， from the perspective of the smart city development， the application trends of GIS at aspects of information perception， information analysis and decision support urban waterlogging was emphatically analyzed. Finally， put forward new ideas of GIS applications in urban drainage waterlogging planning and management.

【Key words】GIS； Drainage waterlogging planning； Decision support； Smart city

我國現(xiàn)有的排水防澇工程大多設(shè)計(jì)簡單，且多局限于管線規(guī)劃設(shè)計(jì)，缺乏雨、污水治理和水資源利用的內(nèi)容[1]。此外，手工管理仍是我國對排水設(shè)施管理的主要方式之一[2]。近年來，由于城市熱島效應(yīng)不斷加強(qiáng)，導(dǎo)致暴雨頻發(fā)，城市內(nèi)澇不斷發(fā)生，城市防澇問題日益凸顯[3]。在此背景下，開展城市排水防澇規(guī)劃設(shè)計(jì)研究、提升城市排水設(shè)施管理水平的意義十分重大。GIS技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的發(fā)展為城市排水防澇系統(tǒng)的信息化建設(shè)與科學(xué)規(guī)劃提供了重要契機(jī)。在國家智慧城市建設(shè)的號召下，各級地方政府正逐步完善城市排水管網(wǎng)的信息化建設(shè)，不少城市已建立起地方性排水管線地理信息系統(tǒng)[4-5]。目前，GIS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市排水防澇規(guī)劃中，但這些應(yīng)用大多停留在信息普查、數(shù)據(jù)庫建立、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理、數(shù)據(jù)編輯與處理、管線制圖以及管線信息的可視化等基本功能的應(yīng)用階段[6-7]，GIS的空間分析與空間表達(dá)功能并未得到較好發(fā)揮，而運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行智能專家系統(tǒng)和空間決策支持系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)的案例則屈指可數(shù)[8]。為了使城市管理者及時(shí)了解城市排水防澇工程的運(yùn)行狀況，并能根據(jù)數(shù)字化信息對城市排水防澇能力進(jìn)行評估與管理，從而為城市的防澇提供決策依據(jù)。本文從提高城市排水防澇規(guī)劃管理的智慧化程度出發(fā)，探討新興技術(shù)浪潮下的GIS在城市排水防澇工程的全面感知、海量數(shù)據(jù)的深入分析以及排水防澇規(guī)劃的輔助決策等方面的應(yīng)用趨勢。

1 防澇工程的全面感知

排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)是城市排水防澇工程監(jiān)控管理、城市排水防澇系統(tǒng)綜合分析與運(yùn)行調(diào)控的基礎(chǔ)[9]，能為城市排水防澇調(diào)度決策提供可靠、穩(wěn)定、先進(jìn)的外部感知和反饋信息。隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，城市防澇信息化系統(tǒng)不能僅局限于對排水管線數(shù)據(jù)的信息化，還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、動(dòng)態(tài)更新與高效管理。此外，城市排水防澇規(guī)劃應(yīng)綜合考慮水災(zāi)害防治、水資源利用、水環(huán)境治理和水生態(tài)保護(hù)等重要內(nèi)容，需對空間、地面、地下進(jìn)行全面監(jiān)測，充分整合資源、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)等多方數(shù)據(jù)。因此，實(shí)現(xiàn)對城市防澇工程進(jìn)行全面感知是下一步工作的重點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外主流的排水防澇信息化系統(tǒng)功能僅局限于數(shù)據(jù)普查、設(shè)施查詢、空間分析等靜態(tài)的地理信息服務(wù)，現(xiàn)勢性較弱，還不能實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和動(dòng)態(tài)展示[2，6，10]。近年來，新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始被應(yīng)用于地下管線監(jiān)測中。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把各類監(jiān)測終端與總部控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，借助各類監(jiān)測終端的部署，實(shí)時(shí)獲得排水管線的運(yùn)行狀態(tài)，包括水位、流速、沼氣濃度、堵塞情況等管網(wǎng)健康信息，作為進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析和決策支持的依據(jù)。因此，物聯(lián)網(wǎng)與GIS的結(jié)合是一個(gè)重要趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，為GIS提供強(qiáng)大的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，GIS技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)及其他各類數(shù)據(jù)的集中管理和可視化表達(dá)，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，借助數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地理信息和智能感知信息的有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對城市空間信息的動(dòng)態(tài)化和圖形化表達(dá)。

2 海量信息的深入分析

以物聯(lián)網(wǎng)為代表的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的快速發(fā)展，使得對城市防澇工程的全面感知成為現(xiàn)實(shí)，但同時(shí)也帶來新的問題，面對海量數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)對空間實(shí)體非人工干預(yù)的、智能化、主動(dòng)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的信息分析與知識挖掘，如何最大限度地利用多種資料、改善信息提取的現(xiàn)勢性和可靠性、提高多源數(shù)據(jù)使用率，成為進(jìn)一步需要解決的問題。

國內(nèi)外對城市防澇信息的分析主要集中于兩點(diǎn)：一是，利用GIS的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，主要是利用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對排水設(shè)施數(shù)量和監(jiān)控信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成普查報(bào)告，對排水管網(wǎng)設(shè)施現(xiàn)狀做出總體性能評估；二是，借助GIS的空間分析功能，主要是對空間數(shù)據(jù)的拓?fù)浜涂臻g狀況的運(yùn)算、屬性數(shù)據(jù)運(yùn)算以及空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)合運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了各種空間功能。國內(nèi)外大部分城市建立的管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)就融合了網(wǎng)絡(luò)分析、鄰近度分析等基本的空間分析功能[2]。目前，GIS空間分析與專業(yè)模型的集成應(yīng)用也已取得部分進(jìn)展，國內(nèi)有學(xué)者利用水文模型結(jié)合GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對城市暴雨管網(wǎng)溢流量的分析[11]，同時(shí)通過對管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間或?qū)傩孕畔⒉扇〖刑幚恚⒘顺鞘袕搅髋c排水系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)建了排水片區(qū)的單元結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[12]。GIS空間分析功能基本能滿足專業(yè)管網(wǎng)管理部門的要求，特別是網(wǎng)絡(luò)分析功能（如最優(yōu)路徑、事故決策、網(wǎng)絡(luò)特殊中斷處理等），能為城市排水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理調(diào)控提供強(qiáng)有力的支持。

由于城市排澇設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)涉及資源、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)、氣象等多個(gè)地理變量，因此排水防澇數(shù)據(jù)需要包含排水防澇地理數(shù)據(jù)、智能感知數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間媒體數(shù)據(jù)等多類型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量十分龐大。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與GIS空間分析操作已難以滿足實(shí)際需求。大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等已在智慧城市建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的新興技術(shù)需要更多的應(yīng)用到排水防澇領(lǐng)域。此外，需要針對城市排水工作的實(shí)際情況，搭建一系列分析模型，例如，可以利用城市排水防澇綜合數(shù)學(xué)模型對現(xiàn)狀管網(wǎng)能力、薄弱管線、可能積水點(diǎn)等進(jìn)行分析，利用預(yù)報(bào)的降雨數(shù)據(jù)，對可能出現(xiàn)的積水位置進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)出現(xiàn)險(xiǎn)情的等級、危險(xiǎn)程度，為城市排水管網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)和防澇工作提供幫助。

3 城市防澇規(guī)劃的輔助決策

科學(xué)的輔助決策支持是應(yīng)對后期的突發(fā)事件、應(yīng)急疏散、規(guī)劃設(shè)計(jì)的有力支撐。如何通過GIS為政府部門、排水管道的用戶提供管理上的決策依據(jù)，才是GIS應(yīng)用的核心。當(dāng)前城市防澇GIS系統(tǒng)大多以數(shù)據(jù)庫為核心[2]，側(cè)重于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集與管理，無法滿足用戶對城市防澇應(yīng)急與規(guī)劃的輔助決策能力日益增長的需求。利用GIS技術(shù)集成、GIS空間分析與應(yīng)用模型集成，建立綜合預(yù)警與輔助決策系統(tǒng)是今后城市排水防澇規(guī)劃的努力方向。

由于目前絕大部分的決策支持系統(tǒng)（DSS）存在技術(shù)難題不能形成可與決策者互動(dòng)的可視化平臺，導(dǎo)致絕大多數(shù)的GIS軟件缺乏對復(fù)雜空間問題的決策支持，還處在僅限于對圖形的分析處理階段。空間決策支持系統(tǒng)（SDSS），通過在DSS嵌入具有強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)分析處理能力的GIS分析模板，能夠有效地幫助決策者解決復(fù)雜空間的難題。此外，國內(nèi)外一些學(xué)者正研究從數(shù)據(jù)搜集、更新、分析、發(fā)布過程全部基于網(wǎng)絡(luò)的一體化計(jì)算機(jī)智能管理決策系統(tǒng)[13]。未來的GIS將在城市防澇規(guī)劃的輔助決策中進(jìn)一步發(fā)揮其作用：

1）通過GIS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)集成，能夠快速獲取排水管線的承壓力、水流速、流量等信息。利用GIS對整個(gè)地下管線系統(tǒng)（泥沙、垃圾）進(jìn)行堵塞分析、爆管分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)洪水預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)的目標(biāo)。

2）借助GIS空間數(shù)據(jù)建模工具，充分考慮氣候條件、地形條件、城市化、城市排水工程設(shè)計(jì)、管網(wǎng)維護(hù)和應(yīng)急管理影響，以城市防澇數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，整合國土、氣象等相關(guān)部門數(shù)據(jù)，建立相關(guān)專業(yè)模型，如城市內(nèi)澇模型、水質(zhì)模型以及各種規(guī)劃模型。這些眾多的應(yīng)用模型可以為城市排水防澇提供直接有用的信息，使GIS升華為一個(gè)強(qiáng)有力的決策支持系統(tǒng)。

3）GIS空間分析與專業(yè)分析模型的集成，通過將各類專業(yè)模型擴(kuò)展到GIS分析模塊，可建立實(shí)用的決策支持系統(tǒng)，用來優(yōu)化城市排澇設(shè)施的的數(shù)量及其位置分布的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

4）虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)在決策支持系統(tǒng)中的使用，可以為用戶提供直觀便捷的管理與決策。更好地進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化分析與應(yīng)急方案制定。此外，還可以對不同的調(diào)度方案進(jìn)行情景模擬，選出較優(yōu)方案，供決策者進(jìn)行決策，按照調(diào)度方案進(jìn)行高效率的人員、物資、設(shè)備等調(diào)度，科學(xué)處置城市防澇突發(fā)事件與洪澇災(zāi)害。

4 結(jié)論

通過上面的分析，可以看出GIS在城市排水防澇規(guī)劃與管理中作用重大。當(dāng)前GIS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市防澇信息化建設(shè)中。在智慧城市建設(shè)的帶動(dòng)下，隨著新興技術(shù)的涌現(xiàn)，GIS技術(shù)將不斷推進(jìn)城市防澇規(guī)劃與管理的智能化，最終走向智慧化。未來GIS在城市防澇中的應(yīng)用趨勢可以初步概括為以全面的信息感知與獲取為基礎(chǔ)，生成多類型的分析模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智慧化的決策支持。

4.1 更全面的信息感知

通過GIS與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成獲取城市空間到地面、地下的排水防澇相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上，借助數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)與智能感知數(shù)據(jù)等不同傳感器類型數(shù)據(jù)的融合，形成天地一體化的監(jiān)測體系，最終實(shí)進(jìn)行對城市防澇工程的全面感知。

4.2 更深入的數(shù)據(jù)分析

以獲取到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助GIS平臺集成大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，研究海量信息的語義集成、數(shù)據(jù)融合、智能化數(shù)據(jù)分析與挖掘手段，將成為實(shí)現(xiàn)對城市排水關(guān)系時(shí)空數(shù)據(jù)與復(fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)的高效集成與快速分析重要手段。

4.3 更智能的輔助決策支持

在多類型分析模型的基礎(chǔ)上，建立綜合預(yù)警與輔助決策系統(tǒng)；引入虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)，對不同方案進(jìn)行情景模擬以實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化。GIS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)集成、GIS空間數(shù)據(jù)建模、GIS空間分析與專業(yè)分析模型的集成、虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化技術(shù)將成為強(qiáng)化城市防澇信息系統(tǒng)輔助決策支持能力應(yīng)用趨勢。

最后，面對當(dāng)前城市排水防澇的問題，城市管理者應(yīng)從城市規(guī)劃、水資源利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的綜合角度思考城市排水防澇規(guī)劃與管理問題。GIS與計(jì)算機(jī)相關(guān)領(lǐng)域工作者應(yīng)積極拓展GIS相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與研究方法，為城市管理的科學(xué)決策提供理論和技術(shù)支撐。

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[責(zé)任編輯：王楠]