GIS在城市排水中的應(yīng)用

□文/陳迪嘉 王 歡 王 磊

GIS在城市排水中的應(yīng)用

□文/陳迪嘉 王 歡 王 磊

綜述GIS在水資源科研和管理領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展，指出GIS技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是從實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)信息、建立數(shù)據(jù)庫(kù)、查詢檢索、統(tǒng)計(jì)分析和自動(dòng)繪圖等基本功能轉(zhuǎn)向建立多功能、多目標(biāo)、多層次的專業(yè)化評(píng)價(jià)分析模型、智能化的專家系統(tǒng)和空間決策支持系統(tǒng)，為GIS技術(shù)在我國(guó)城市排水領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展提供借鑒。

城市排水；GIS；地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GIS（Geographic Information System 或 Geo－Information system），有時(shí)又稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”或“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”，是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS是測(cè)繪學(xué)、地理學(xué)、遙感與衛(wèi)星定位技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等學(xué)科和技術(shù)集成的基礎(chǔ)平臺(tái)，是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物[1]。它以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用空間模型分析方法，實(shí)時(shí)提供相關(guān)信息，用于綜合研究、資源開發(fā)、區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害防治、環(huán)境評(píng)價(jià)和決策管理等方面[2]。

就現(xiàn)狀而言，手工管理是我國(guó)對(duì)排水設(shè)施管理主要方式，紙媒作為管理依據(jù)的文字檔案及圖形檔案存儲(chǔ)的主要形式，使用損耗大，不易收集和保存。正因如此，查詢工作極為不便，而且也不易進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，影響決策的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、地理信息技術(shù)為主的各類新興技術(shù)為城市排水管網(wǎng)信息管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化、綜合化提供了契機(jī)。排水地理信息系統(tǒng)是針對(duì)城市排水管理的綜合信息系統(tǒng)，是對(duì)城市排水進(jìn)行科學(xué)管理的重要手段。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可對(duì)城市建設(shè)、發(fā)展、規(guī)劃及決策起到一定作用，以實(shí)現(xiàn)排水管理定量化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化。它將計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫(kù)融合為一體，來(lái)儲(chǔ)存和處理空間信息，與此同時(shí)，還能夠?qū)⒌乩砦恢煤拖嚓P(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，根據(jù)工作需求將準(zhǔn)確真實(shí)的信息圖文并茂地輸出給使用者。既滿足市政運(yùn)管部門對(duì)排水系統(tǒng)的運(yùn)行管理、設(shè)計(jì)和信息查詢的需要，還可利用其空間分析和可視化表達(dá)的功能輔助進(jìn)行各種決策分析。

1 GIS技術(shù)在城市排水領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

GIS作為一種應(yīng)用技術(shù)是以處理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，而地理信息的特點(diǎn)決定了GIS技術(shù)在城市排水領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用的前景。自20世紀(jì)80年代至今，GIS技術(shù)的應(yīng)用也從數(shù)據(jù)管理、多源數(shù)據(jù)集數(shù)字化輸入和繪圖輸出、DEM或DTM模型的使用、GIS結(jié)合環(huán)境評(píng)價(jià)模型的擴(kuò)展分析、GIS與決策支持系統(tǒng)(DSS)的集成，逐步發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)GIS[3]，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1.1 城市排水管網(wǎng)及污水廠GIS管理與設(shè)計(jì)

城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)四維系統(tǒng)，管網(wǎng)大多埋于地下，這個(gè)特點(diǎn)造就其復(fù)雜性，而隱藏性、埋設(shè)位置的集中性也決定了排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的重要性，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)必須完整、準(zhǔn)確，具有現(xiàn)實(shí)性，這要求排水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)可維護(hù)的系統(tǒng)。由于GIS具有圖文并茂、動(dòng)態(tài)更新特點(diǎn)，可滿足專業(yè)管網(wǎng)管理部門對(duì)管網(wǎng)空間信息和屬性信息的要求，能進(jìn)行空間定位、屬性查詢和空間分析，能建立四維矢量拓?fù)潢P(guān)系，特別是網(wǎng)絡(luò)分析功能，為城市給排水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理調(diào)控提供了強(qiáng)有力的支持，網(wǎng)絡(luò)分析包括最優(yōu)路徑、事故決策、網(wǎng)絡(luò)特殊中斷處理等。利用GIS技術(shù)和排水系統(tǒng)模型程序包在設(shè)施管理一自動(dòng)成圖技術(shù)的聯(lián)合使用下可以更好地進(jìn)行排水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化分析。而建立城市雨水以及各工業(yè)及生活小區(qū)污水排放的污染源空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)將水質(zhì)模型與各種規(guī)劃模型擴(kuò)展到GIS分析模塊后，可建立實(shí)用的決策支持系統(tǒng)，用來(lái)優(yōu)化選擇城市或區(qū)域污水廠的數(shù)量及其位置分布[4]。

1.2 管網(wǎng)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)分析

城市排水管網(wǎng)的功能會(huì)因各種類型故障而破壞，如何快速、準(zhǔn)確地找出事故點(diǎn)的位置，及時(shí)調(diào)度閥門，使維修時(shí)間最短、造成的影響最小、關(guān)閉的閥門最少，即閥門的應(yīng)急預(yù)警問(wèn)題，成為保證排水管網(wǎng)可靠性的關(guān)鍵所在[5]。傳統(tǒng)的處理方案是由工程技術(shù)人員在圖紙上來(lái)描述，但是因?yàn)楣こ虉D紙量非常大，常常難以及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地提供管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，不僅浪費(fèi)了大量的人力物力，而且還可能造成決策上的失誤。應(yīng)用GIS排水管網(wǎng)應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，如果管網(wǎng)中某處發(fā)生滲漏，首先用戶以電話通知排水處有關(guān)部門，系統(tǒng)操作人員根據(jù)用戶反映的街區(qū)名稱，在管網(wǎng)地圖和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相關(guān)圖檔，確定管道的管段編號(hào)、管徑、管材、埋設(shè)日期和準(zhǔn)確地理位置，然后運(yùn)行閥門調(diào)度程序，可得出閥門優(yōu)化調(diào)度的方案，將這些資料打印出來(lái)交給施工人員，以便迅速準(zhǔn)確地準(zhǔn)備材料，進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)搶修。

1.3 水質(zhì)污染狀況和趨勢(shì)分析

在區(qū)域水體質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)工作中，根據(jù)水體上監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)區(qū)域的水體污染指標(biāo)進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià)，以反映出區(qū)域中受污染的程度、空間分布情況以及排放到該水體工業(yè)污染源的比例，為決策人員及時(shí)提供信息。通過(guò)疊加分析可以提取行政區(qū)域內(nèi)水體分布圖、水體污染程度圖；通過(guò)緩沖區(qū)分析，可對(duì)圖上要素做出包含或臨近分析，如顯示水體污染源影響范圍；通過(guò)路徑分析，可以得到廢水排放去向；通過(guò)對(duì)出水口路徑分析，算出出水口的排污量，再利用DTM分析，可以生成河道水污染平面圖。美國(guó)的弗吉尼亞州開發(fā)了一個(gè)以GIS為基礎(chǔ)的在線水體污染分布系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以應(yīng)付水污染事故對(duì)取水口的影響，管理部門可以快速地確定污染源及其排放地點(diǎn)，確定影響范圍以及選擇減緩措施，盡量減少對(duì)下游取水口的影響。R.J.Lee等[6]通過(guò)檢測(cè)污水所排放水體中微生物的特性，應(yīng)用GIS分析功能可以分析污水處理效果，相應(yīng)改變污水處理方式，以減少出水對(duì)附近水體中微生物的影響。另外對(duì)水體的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行月、季或年度比較，以圖表展示歷史變化趨勢(shì)，可得到各區(qū)域的污染發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2 GIS技術(shù)在城市排水管理應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 Web GIS的后續(xù)研究

基于Intemet網(wǎng)絡(luò)的空間數(shù)據(jù)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)字地球的必然趨勢(shì)和最終選擇。WebGIS是Intemet技術(shù)應(yīng)用于GIS的產(chǎn)物。隨著Interact的迅速發(fā)展，Web成為高效的全球信息發(fā)布技術(shù)，GIS與Web的結(jié)合使得空間信息的發(fā)布與共享更加簡(jiǎn)單，從WWW的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，Interact用戶只需利用瀏覽器，就可以瀏覽WebGIS站點(diǎn)中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖以及進(jìn)行各種空間檢索和空間分析。GIS將通過(guò)Interact成為公眾服務(wù)的手段和社會(huì)最基本的信息服務(wù)之一，WebGIS也將成為今后GIS發(fā)展的主要趨勢(shì)。基于WebGIS技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)上發(fā)布子系統(tǒng)還值得深入研究。

2.2 GIS數(shù)值模擬

目前應(yīng)用的GIS軟件大多數(shù)以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心。而今后應(yīng)特別加強(qiáng)對(duì)應(yīng)用模型、模型管理技術(shù)及應(yīng)用模型與GIS之間集成技術(shù)的研究，形成以模型庫(kù)為中心的GIS。這些眾多的應(yīng)用模型(包括預(yù)測(cè)模型和決策模型)可以為改造世界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)，促進(jìn)資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)系統(tǒng)和自然物質(zhì)系統(tǒng)的協(xié)同演進(jìn)和可持續(xù)發(fā)展。這既是研究和應(yīng)用GIS的出發(fā)點(diǎn)，也是研究和應(yīng)用GIS的最終歸宿，尤其是基于GIS、RS的分布式模型研究。與GIS相比，RS所具備的宏觀性、綜合性、動(dòng)態(tài)性和多源性等特性，使能夠被應(yīng)用于資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)側(cè)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[7]。如何將現(xiàn)有的各類計(jì)算方法和軟件逐步過(guò)渡到以柵格為計(jì)算空間單元的分布式模型上來(lái)，充分利用RS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息和GIS空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)值模型與GIS、RS的集成。

2.3 發(fā)展多維GIS技術(shù)

在城市給排水系統(tǒng)的應(yīng)用上，已在原有的 2D-GIS軟件的基礎(chǔ)上又開發(fā)了滿足實(shí)際需要的3D-GIS產(chǎn)品[8]。隨著3D-GIS的發(fā)展，還將會(huì)出現(xiàn)4D-GIS，即在三維的基礎(chǔ)上加上時(shí)間序列。為充分滿足需要，這種時(shí)間數(shù)據(jù)獲取能力應(yīng)該與3D模型相結(jié)合，問(wèn)題的徹底解決則需要在3D-GIS技術(shù)成熟之后，再發(fā)展成為四維GIS。隨著計(jì)算機(jī)與空間技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，GIS將由各自獨(dú)立的系統(tǒng)走向兼容與集成，從二維走向三維和四維，從單機(jī)走向網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的GIS技術(shù)發(fā)展將使其在給水排水中應(yīng)用更加廣泛。主要有以下幾個(gè)方面。

1）將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制理論和專家系統(tǒng)與GIS集成，建立專家地理信息系統(tǒng)。這對(duì)于降低一些系統(tǒng)額外開支具有重要作用，同時(shí)也將極大提高系統(tǒng)性能。

2）將GIS擴(kuò)展至多維分析，可能對(duì)于某些特定應(yīng)用有幫助，但需要更復(fù)雜的計(jì)算和更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。3）3S（RS、GIS、GPS）的集成將進(jìn)一步完善并建成具有公共參照系的共享地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）隨著多媒體技術(shù)本身的發(fā)展，多媒體功能將在GIS系統(tǒng)中體現(xiàn)。

5）隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和信息高速公路的建成，基于分布式計(jì)算環(huán)境的GIS將應(yīng)運(yùn)而生。

總之隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的完善，GIS在城市排水中的應(yīng)用將廣泛地集成GIS技術(shù)、多媒體技術(shù)、CAD技術(shù)與人工智能（AI）技術(shù)。

[1]區(qū)永和，陳愛(ài)光，王恒純.水文地質(zhì)學(xué)概論[M].北京：地質(zhì)出版社，1988.

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□王 歡、王 磊/天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司。

TU992.4

C

1008-3197（2013）06-62-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.06.025

2013-10-31

陳迪嘉/男，1978年出生，工程師，天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司，從事污水處理技術(shù)管理工作。