GIS技術(shù)在水利信息化管理中的應(yīng)用

胡波 梁云昊

長(zhǎng)江信達(dá)軟件技術(shù)（武漢）有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430000

引言

隨著信息化進(jìn)程的加快，水利工程也受到了一定的影響，水利的信息化管理受到了廣泛關(guān)注。GIS技術(shù)通過整合歸類子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，然后在不同的數(shù)據(jù)源層中儲(chǔ)存信息資源，最后統(tǒng)一管理這些信息數(shù)據(jù)，這樣的操作過程不僅保證每個(gè)數(shù)據(jù)源層的完整性，又保證了整個(gè)數(shù)據(jù)源層中信息的利用率。由此可見，GIS技術(shù)在水利信息化管理中的普及與運(yùn)用所發(fā)揮出的重要作用。

1 水利信息化管理

1.1 水利信息化簡(jiǎn)介

雖然我國國土面積大，但人口眾多，水資源分配仍存在不足，因此，水利工程的建設(shè)必不可少。水利工程中的信息化管理主要從3個(gè)方面體現(xiàn)：第一，信息技術(shù)不僅使水利信息管理規(guī)范，而且還可以實(shí)現(xiàn)水利信息和其他行業(yè)的信息的結(jié)合，使其他信息資源服務(wù)于水利工程，進(jìn)而促進(jìn)全社會(huì)的發(fā)展。第二，建立了規(guī)范化的信息管理體系，可以使信息的處理與應(yīng)用更便捷，有利于提高信息的安全性和資源的利用率。第三，在水利工程中利用了很多的先進(jìn)技術(shù)，比如利用遙感技術(shù)，可以使監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，使信息的傳輸和水資源的調(diào)度都可以在線上進(jìn)行，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力；利用虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)可視化的技術(shù)，對(duì)洪水的形勢(shì)、水利工程進(jìn)度以及水資源跨區(qū)調(diào)度等方面進(jìn)行模擬，使人們更清晰的把握實(shí)際情況，并做出相應(yīng)決策。

1.2 水利信息化管理的特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)用信息化是水利信息化管理的目標(biāo)，這要求水利信息化管理實(shí)現(xiàn)工程管理和資源管理的共同推進(jìn)。即要求把對(duì)水資源的節(jié)約和保護(hù)放在首要位置，下一步才能對(duì)水資源進(jìn)行開發(fā)和利用。實(shí)際上滿足上述要求有一定的難度，需要考慮涉及方方面面的信息，根據(jù)不同方面的不同信息特點(diǎn)進(jìn)行處理。一個(gè)水利信息化管理系統(tǒng)往往具備以下4種特點(diǎn)[1]：①水利工程中有各種各樣的監(jiān)控設(shè)備，這些監(jiān)控設(shè)備的操作方式有很大不同。②水利工程中的信息管理項(xiàng)目量大，信息的來源種類多。③受到經(jīng)濟(jì)因素、自然因素和人口因素等方面的影響，水利工程建設(shè)的規(guī)模很大，在出現(xiàn)水質(zhì)受到污染、防洪抗災(zāi)等突發(fā)事件時(shí)，必須要根據(jù)周圍的情況和相關(guān)信息進(jìn)行綜合處理。④為了設(shè)計(jì)出水資源利用的最佳方案，要利用好虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)可視化的技術(shù)進(jìn)行模擬水資源調(diào)度。在優(yōu)化水利信息管理系統(tǒng)上，GIS技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)相比更勝一籌。

2 信息化管理中的GIS技術(shù)

2.1 GIS技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介

實(shí)際上，地理信息系統(tǒng)就是一個(gè)空間信息系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)收集、保存、處理、分析地球表面涉及空間和地理分布的信息數(shù)據(jù)。GIS系統(tǒng)中的信息數(shù)據(jù)一般都帶有空間屬性，按照需求和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，該系統(tǒng)建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的標(biāo)識(shí)，進(jìn)而形成了一個(gè)完整全面的信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。GIS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息處理的方法，不僅有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信息分類，而且有利于在各種類型的信息數(shù)據(jù)之間形成關(guān)聯(lián)。現(xiàn)今，幾乎所有的空間信息數(shù)據(jù)的分析處理都使用GIS技術(shù)，它逐漸成為信息化中一個(gè)必不可少的技術(shù)手段。利用GIS技術(shù)建立起信息處理的平臺(tái)，可以整合分析各種類型的信息數(shù)據(jù)，并用圖形來進(jìn)行操作與描述，對(duì)于整個(gè)空間的綜合信息分析有很大幫助。

2.2 GIS技術(shù)在水利信息化管理中的優(yōu)勢(shì)

由于水利信息化管理具備空間屬性，水利工程中的信息數(shù)據(jù)通常都在沿岸附近，只有做好了多源信息的綜合處理，才能實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)度和水利決策的最優(yōu)化。信息查詢一般是以子系統(tǒng)為查詢單位，而不同種類的信息會(huì)分布于專屬于他的子系統(tǒng)中，這樣勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致信息不流通的現(xiàn)象。如果要進(jìn)行綜合監(jiān)控和水資源的調(diào)度等決策時(shí)，就會(huì)由于信息之間流通性差，無法綜合性的分析處理這些信息。由此可見，在水利工程中利用好GIS技術(shù)會(huì)發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)，它可以對(duì)子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，把不同的信息數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)源層，從而進(jìn)行統(tǒng)一管理；為了實(shí)現(xiàn)信息化的管理，多數(shù)據(jù)源層可以避免單數(shù)據(jù)源層信息不流通的缺點(diǎn)，主要通過空間相關(guān)性來整合分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。使用GIS技術(shù)搭建水利信息化管理平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在[2]：①將不同種類的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，利用空間的相關(guān)性進(jìn)行信息查詢、分析和處理。②綜合平臺(tái)中的各種信息數(shù)據(jù)可以分門別類，具有獨(dú)立性的特點(diǎn)。③可以對(duì)水利工程的人文地理等信息與其他信息結(jié)合。④通過整合分析多源數(shù)據(jù)庫中的信息，得出符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。⑤在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、分析處理時(shí)，可以使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，更直觀的傳達(dá)信息。⑥利用好空間分析功能，幫助做好水利工程建設(shè)中的決策。我國水利部明確規(guī)定，水利信息化系統(tǒng)要以GIS為技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了GIS技術(shù)在水利信息化管理中的地位。

3 GIS技術(shù)在水利信息化管理中的應(yīng)用

3.1 建立信息平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)等進(jìn)行共享

在水利工程中信息化管理的內(nèi)容多、工作量大，比如水情監(jiān)測(cè)站的管理、工程安全問題、設(shè)備操作和維修養(yǎng)護(hù)、水庫河道閘門開關(guān)和水資源優(yōu)化調(diào)度等內(nèi)容。因此，水利信息管理中會(huì)有很多的數(shù)據(jù)源和子系統(tǒng)，就需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的格式，使多源數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)能夠結(jié)合交融。在水利信息管理中使用GIS技術(shù)，將不同數(shù)據(jù)格式中不同種類的數(shù)據(jù)源建造一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，再利用GIS數(shù)據(jù)格式本身特有的多樣性，將不同的數(shù)據(jù)源分析，再將這些數(shù)據(jù)源放入GIS圖層中，促進(jìn)信息數(shù)據(jù)資源之間的互通交流。

3.2 應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行安全監(jiān)控

水利工程一般都跨流域，這也導(dǎo)致工程管理難度大，如果管理僅僅依靠施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員，會(huì)很難實(shí)現(xiàn)水利資源的優(yōu)化。利用GIS技術(shù)進(jìn)行管理，通過設(shè)計(jì)流域內(nèi)的地圖，幫助監(jiān)管人員實(shí)現(xiàn)線上安全監(jiān)控，進(jìn)而處理施工過程中出現(xiàn)的問題。傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)只能生硬的展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并不可以使數(shù)據(jù)形象化、生動(dòng)化，監(jiān)管人員難以理解和處理問題，容易影響水利工程建設(shè)的進(jìn)度。

3.3 應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)水資源調(diào)度進(jìn)行模擬和監(jiān)控

由于水利工程跨流域?qū)嵤┑奶攸c(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致水利資源調(diào)度過多依賴相關(guān)的空間信息。為了實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化調(diào)度，利用好GIS技術(shù)相當(dāng)重要。GIS技術(shù)可以有效處理相關(guān)的空間信息，利用遙感技術(shù)估算地下水和地表水的深度，預(yù)測(cè)降雨量的分布，設(shè)計(jì)出可行的水資源調(diào)度方案，再用可視化技術(shù)對(duì)這個(gè)調(diào)度過程展示，并反復(fù)模擬檢驗(yàn)調(diào)度方案的可行性，確保能夠做出最好的水資源調(diào)度決策。在實(shí)施調(diào)水工程之前，使用GIS地圖了解相關(guān)流域的工程情況，監(jiān)管人員一旦發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，及時(shí)標(biāo)注在地圖上。GIS地圖還可以展示水資源的分布情況，針對(duì)不同地區(qū)對(duì)水源的需求量，模擬演練多種調(diào)水模型，最后選擇最優(yōu)的方案。在調(diào)水工程進(jìn)行時(shí)，GIS地圖上會(huì)顯示閘門運(yùn)行的實(shí)際情況和水流量，管理人員就可以控制輸水進(jìn)度和了解輸水情況，輸水計(jì)劃也可結(jié)合具體實(shí)際得到調(diào)整。在調(diào)水工程結(jié)束后，涉及調(diào)水的數(shù)據(jù)會(huì)使用GIS技術(shù)來分析，并將調(diào)水方案和出現(xiàn)的問題登記下來，為下次水資源的調(diào)度提供數(shù)據(jù)參考。

3.4 應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)控具有很大的局限性，僅僅只能監(jiān)測(cè)水質(zhì)環(huán)境，并不能對(duì)相關(guān)的地理信息也進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是涉及供水服務(wù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)水體污染的情況，周圍水域的人口、需水量的分布以及供水管的分布等信息都需要被監(jiān)測(cè)，而傳統(tǒng)監(jiān)控?zé)o法實(shí)現(xiàn)[3]。如果利用GIS技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控，就可以更好的監(jiān)測(cè)和反映實(shí)時(shí)水質(zhì)情況。當(dāng)涉及水污染的不同類型時(shí)，遙感影像會(huì)出現(xiàn)不同的反射率，此時(shí)利用空間數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)分析這些特征，可以有效地得出水污染的地點(diǎn)、范圍和類型，并將這些信息用圖形的方式直觀化地展示出來。此外，GIS技術(shù)可以整合相關(guān)流域的地質(zhì)、供水和人文信息，實(shí)現(xiàn)信息的最佳利用。

3.5 應(yīng)用GIS技術(shù)建設(shè)農(nóng)田水利工程

GIS技術(shù)通過疊加土壤的農(nóng)作物覆蓋、土壤類型和農(nóng)田所處的地形等數(shù)據(jù)信息，將這3種信息實(shí)現(xiàn)空間上的結(jié)合，有利于分析3者之間的關(guān)系，促進(jìn)農(nóng)田水利工程的建設(shè)。GIS技術(shù)將各種要素在地圖上進(jìn)行疊加，有利于分析各個(gè)因素可能對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的影響，有利于明確這些要素之間的關(guān)系。 GIS技術(shù)可以掌握土壤情況、農(nóng)作物的產(chǎn)量和農(nóng)作物的類型，分析土地情況，并按照分析所得出的結(jié)果為農(nóng)作物設(shè)計(jì)合適的排灌標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量的提升。GIS技術(shù)還可以統(tǒng)計(jì)灌溉面積、劃分灌溉區(qū)域、管理水路系統(tǒng)。此外，GIS技術(shù)還可以將流域內(nèi)水資源的信息制作成專題圖，利用該圖指導(dǎo)農(nóng)田水利工程建設(shè)，使鋪設(shè)管道和開挖渠道等工作有信息根據(jù)，進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

3.6 GIS在水環(huán)境和水土保持方面的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，人類活動(dòng)也廣泛開展，造成了國內(nèi)水系污染程度的加重。目前，我國水利部門建立了170多個(gè)水環(huán)境的信息管理系統(tǒng)，主要是為了進(jìn)行水環(huán)境的監(jiān)測(cè)[4]。水環(huán)境的信息管理系統(tǒng)實(shí)際上是空間決策支持的系統(tǒng)，而GIS技術(shù)不僅是水環(huán)境信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，還是提取、顯示水利信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一平臺(tái)。這些系統(tǒng)的核心技術(shù)都是GIS技術(shù),確保以下幾個(gè)功能的正常發(fā)揮：通過關(guān)聯(lián)空間數(shù)據(jù)和空間屬性之間的關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的共通；分析水域附近情況或者上下游的水質(zhì)，精準(zhǔn)的排查出引起水質(zhì)惡化的污染源；實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)之間的可視化表達(dá)及共享；模擬和評(píng)估水質(zhì)水量；進(jìn)行污染排放的管理和控制；選擇最合適的取水口位置；當(dāng)面臨突發(fā)事件時(shí)，選擇最合適的處理方案；采集地理、自然、人文等信息數(shù)據(jù)；進(jìn)行水利工程與設(shè)施的維修養(yǎng)護(hù)；進(jìn)行站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)工作；收集水質(zhì)和水量的相關(guān)數(shù)據(jù)；對(duì)水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)；建立統(tǒng)一的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和完善相關(guān)的法律法規(guī)；對(duì)水利工程建設(shè)的項(xiàng)目進(jìn)行決策；收集水污染的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；處理水資源污染問題。

3.7 GIS在區(qū)域防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用[5]

①防洪災(zāi)情評(píng)估；建立防洪的評(píng)估系統(tǒng)，利用GIS技術(shù)處理、查詢信息數(shù)據(jù)，通過三維可視化的模擬功能幫助防洪決策。同時(shí)對(duì)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將災(zāi)情數(shù)據(jù)反映和表達(dá)出來。②防汛決策支持；國家建立了防洪防汛的指揮系統(tǒng)，各省市也致力于建立以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的防洪信息管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。GIS技術(shù)可以對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、更改、管理、分析、再輸出，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的維修養(yǎng)護(hù)，還可以用數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)保護(hù)不同種類的應(yīng)用模型，還可以監(jiān)測(cè)評(píng)估汛情，還可以提供防洪信息，還可以為決策方案給予數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

由于GIS技術(shù)在處理、分析、展示水利信息時(shí)具有巨大優(yōu)勢(shì)，所以要想加快水利工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化，就要在水利信息化管理中應(yīng)用好GIS技術(shù)。