GIS技術(shù)在城市防汛排澇管理中的應(yīng)用研究

王 寧

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱150081）

地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，是城市建設(shè)與發(fā)展的“血脈”之一。建設(shè)空間更加可視化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化的城市排水綜合信息平臺(tái)，可以達(dá)到對(duì)城市排水情況的有效監(jiān)測(cè)與控制，通過供給大量系統(tǒng)且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，來幫助相關(guān)部門形成更科學(xué)的決策改善城市水環(huán)境狀況。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）的概念

地理信息系統(tǒng)技術(shù)主要是收集三維立體信息，具有技術(shù)儲(chǔ)存、分析與可視化信息功能的信息管理系統(tǒng)[1]。GIS大多用于處理區(qū)域范圍內(nèi)的各種現(xiàn)象，并且對(duì)設(shè)施規(guī)劃和管理等關(guān)鍵決策問題進(jìn)行解決。在信息科技的推陳出新下，更多可視化、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以不斷發(fā)展，與此同時(shí)，地理信息系統(tǒng)技術(shù)也得到發(fā)展。例如ComGIS就在原有基礎(chǔ)上融入了不同的語言，更加有效的結(jié)合了開發(fā)語言資源。作為一門以計(jì)算機(jī)為輔助工具的學(xué)科，它也運(yùn)用了大量信息化技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其主要的作用為分析與管理三維空間位置，并提供相關(guān)的定位信息[2]。GIS中的“地理”不代表實(shí)際的地理位置，是代表空間地理坐標(biāo)參考系統(tǒng)中的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等。

2 GIS技術(shù)的運(yùn)用

2.1 GIS技術(shù)在城市防洪排澇中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)的功能主要在于實(shí)現(xiàn)對(duì)檢查井、污水處理廠等地區(qū)的空間分析、可視化空間瀏覽，可以給城市排水管理部門帶來更加科學(xué)精準(zhǔn)的排水系統(tǒng)信息支持，來促進(jìn)相關(guān)部門做出更加科學(xué)的防洪排澇的工作決策。當(dāng)城市的汛期或強(qiáng)降雨即將到來時(shí)，相關(guān)部門可以通過地理信息系統(tǒng)來實(shí)時(shí)分析當(dāng)下的氣象條件，從而計(jì)算得出更加精準(zhǔn)的區(qū)域降雨參數(shù)，從而借以判斷城市與城市周邊的防洪抗洪需要。與此同時(shí)，在分析GIS的空間拓?fù)浜螅梢詫?duì)城市各個(gè)區(qū)域的滲水量、蓄水量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來建設(shè)區(qū)域模型。同時(shí)配合評(píng)價(jià)城區(qū)周年河流及當(dāng)?shù)厮畮?kù)的蓄水能力，綜合起來判斷城市內(nèi)澇發(fā)生的可能性[3]。其中在計(jì)算暴雨面雨量的方式有多種，例如泰森多邊形法等。在這些方法中，比較新穎的一種算法是借助地理信息系統(tǒng)來計(jì)算面雨量參數(shù)，這種方式具有其特有的優(yōu)勢(shì)條件。在對(duì)比中央氣象臺(tái)數(shù)據(jù)與長(zhǎng)江流域面雨量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，如果一個(gè)城市的監(jiān)控站越密集分布，參考的數(shù)據(jù)越多，最后基于這些數(shù)據(jù)得來的面雨量將具有越高的精確度，這也正好可以發(fā)揮地理信息系統(tǒng)在系統(tǒng)整合方面具有的優(yōu)勢(shì)。借助GIS來建設(shè)面雨量模擬預(yù)報(bào)模型，可以更有效率更加精確地處理與分析相應(yīng)的雨水空間分布信息，從而更加科學(xué)地分析與預(yù)測(cè)暴雨致洪或者導(dǎo)致城市內(nèi)澇的可能性，并有利于最大化降低因?yàn)楹闈硨?duì)城市造成的損害，進(jìn)一步提高城市相關(guān)部門防洪抗?jié)车乃脚c能力，見表1。

2.2 GIS技術(shù)在城市污水處理中的應(yīng)用

建設(shè)帶有自動(dòng)化、可視化、信息化與智能化的城市污水處理在線監(jiān)測(cè)與水質(zhì)化驗(yàn)分析管理系統(tǒng)，通過對(duì)城市的水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)地分析與處理，來進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力與水平，相比于傳統(tǒng)管理方式，該管理系統(tǒng)可以更加高效、精確地查詢、分析與處理相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而幫助相關(guān)人員作出更加科學(xué)的污水處理決策，使處理企業(yè)更加科學(xué)高效地運(yùn)營(yíng)，也對(duì)城市的生態(tài)環(huán)境的保障予以助力。設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并維護(hù)接口數(shù)據(jù)，以獲取和監(jiān)控水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存檔和統(tǒng)計(jì)信息，并優(yōu)化了原有的水質(zhì)化驗(yàn)分析傳統(tǒng)管理模式。如果在線監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)跟化驗(yàn)室得出的數(shù)據(jù)之間存在沖突，在對(duì)比兩組數(shù)據(jù)后，可以判斷出現(xiàn)問題的檢查設(shè)備，也能夠完成對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與預(yù)警，從而給企業(yè)處理污水技術(shù)的決策帶來所需的數(shù)據(jù)信息。城市污水在線監(jiān)測(cè)與水質(zhì)化驗(yàn)分析管理系統(tǒng)可以幫助城市對(duì)污水的處理過程實(shí)現(xiàn)智能化、信息化，通過污水處理之后的水的質(zhì)量可以得到相應(yīng)的保障，并根據(jù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)予以排放，有利于治理水環(huán)境方案的制定。

3 GIS技術(shù)在防洪排污中的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 ArcGIS技術(shù)

ArcGIS是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究開發(fā)的一款地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，也是當(dāng)下世界上通常應(yīng)用的軟件，其技術(shù)功能見表1。ArcGIS平臺(tái)由兩部分組成，即基本框架與數(shù)據(jù)服務(wù)，包含有移動(dòng)地理信息系統(tǒng)、桌面軟件等。具體的結(jié)構(gòu)可以參考圖1[5]。

表1 GIS的技術(shù)功能[4]

圖1 ArcGIS平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖

桌面是專業(yè)人員的主要工作平臺(tái)。技術(shù)人員利用桌面來完成對(duì)模型、數(shù)據(jù)等項(xiàng)目的創(chuàng)建。桌面可以完成所有基本的任務(wù)，是所有系列整合的應(yīng)用程序的總稱。

3.2 模型建立

3.2.1 技術(shù)路線

前期準(zhǔn)備，在項(xiàng)目進(jìn)行前，先要整體了解下相關(guān)的水文信息特點(diǎn)，從而為后期建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)與分析處理數(shù)據(jù)打下基礎(chǔ)。在展開需求分析時(shí)，需要對(duì)水文監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的必要性進(jìn)行判斷，再通過新技術(shù)來完成實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示水文信息。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，需要對(duì)總體架構(gòu)與可應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行一一確定。

分布完成數(shù)據(jù)的異步更新與實(shí)時(shí)顯示，通過數(shù)據(jù)庫(kù)的儲(chǔ)存提取水文數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能組合，并在地圖上實(shí)時(shí)展示檢測(cè)到的水文信息與狀況。圖2為對(duì)實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線的介紹。

圖2 研究技術(shù)路線圖

3.2.2 建模數(shù)據(jù)

剛建立用戶數(shù)據(jù)視圖建模時(shí)，就需要先確定建模的主要目的，針對(duì)排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型的特點(diǎn)，利用查詢與瀏覽相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)的功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的科學(xué)分析時(shí)建模的高級(jí)應(yīng)用。層次是指根據(jù)空間數(shù)據(jù)的主題內(nèi)容、幾何表達(dá)式和拓?fù)涮卣鞯牟町悓?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，并將現(xiàn)實(shí)世界概念化由多個(gè)主題組成的層次模型。在具體的應(yīng)用分析中，再根據(jù)需要選擇其中的若干個(gè)圖層進(jìn)行聯(lián)合分析?；诘乩頂?shù)據(jù)的復(fù)雜性和功能實(shí)現(xiàn)的多樣性，為了使數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)清晰，便于設(shè)計(jì)、開發(fā)和維護(hù)管理，將輸入系統(tǒng)的某市排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為三層[6]。圖3為排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分層的示意圖。

圖3 排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分層示意圖

3.2.3 建模過程及模型因子

空間數(shù)據(jù)模型大體可以分為兩類，即矢量數(shù)據(jù)模型與柵格數(shù)據(jù)模型。

（1）矢量數(shù)據(jù)模型

主辦方剛剛經(jīng)歷了一次換帥。在集團(tuán)任職26年，并且連續(xù)15年組織巴塞爾展會(huì)的董事總經(jīng)理Sylvie Ritter離職。

矢量數(shù)據(jù)模型對(duì)從對(duì)象模型里提取的地理空間對(duì)象較為適用。對(duì)實(shí)體坐標(biāo)和相關(guān)的關(guān)系進(jìn)行記錄，能夠更好地標(biāo)識(shí)地理實(shí)體。將坐標(biāo)空間設(shè)定為連續(xù)，同時(shí)允許任意位置、面積與長(zhǎng)度。具體精準(zhǔn)度定義參考圖4。

圖4 矢量數(shù)據(jù)模型（資料來源于：《地理信息系統(tǒng)原理與實(shí)踐》（第二版））

矢量數(shù)據(jù)模型具有明顯的位置性和隱式屬性。它的位置信息直接存儲(chǔ)在坐標(biāo)中，有助于計(jì)算長(zhǎng)度、面積、形狀和圖形編輯。它效率高、精度高，但在疊加運(yùn)算中難以實(shí)現(xiàn)。

（2）柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型適用于野外模型中空間對(duì)象的抽象表示。網(wǎng)格可以用數(shù)字矩陣表示，空間坐標(biāo)隱含在矩陣的行和列中。在柵格數(shù)據(jù)模型中，點(diǎn)實(shí)體是一個(gè)柵格單元或?qū)ο?，線實(shí)體由一系列相連的像素組成，曲面實(shí)體由一系列相鄰的像素組成。像素大小相同。柵格數(shù)據(jù)表示點(diǎn)、線和曲面如圖5所示。

圖5 柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型可以覆蓋不同類型的空間數(shù)據(jù)，但會(huì)改變比例，變換、投影變換等操作不方便。

3.3 ArcGIS平臺(tái)的搭建

以某市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，我們可以直觀地看到其功能，將六個(gè)圖層的數(shù)據(jù)添加到ArcGIS中，某市排水管網(wǎng)地圖顯示如圖6所示。

圖6 某市地下管線分布圖

圖6 中顯示的六個(gè)圖層，分別是雨水管點(diǎn)數(shù)據(jù)、污水管點(diǎn)數(shù)據(jù)、合水管點(diǎn)數(shù)據(jù)、雨水管線數(shù)據(jù)、污水管線數(shù)據(jù)、合水管線數(shù)據(jù)，六個(gè)圖層在右側(cè)顯示。ArcCatalog：瀏覽數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)定義及編輯、元數(shù)據(jù)設(shè)置和查看。圖7為對(duì)數(shù)據(jù)的管理。

圖7 ArcCatalog對(duì)數(shù)據(jù)的管理

Arctoolboxs工具箱，利用工具箱中的工具我們可以對(duì)圖層進(jìn)行合并、緩沖區(qū)分析等功能。如圖8所示。

圖8 Arctoolboxs

4 GIS技術(shù)在防洪排污中實(shí)現(xiàn)的功能及難點(diǎn)

4.1 實(shí)現(xiàn)功能

4.1.1 在線監(jiān)測(cè)

從信息采集發(fā)布、洪水預(yù)報(bào)、災(zāi)情分析到水情調(diào)度、搶險(xiǎn)調(diào)度、命令發(fā)布等方面的自動(dòng)化，為各級(jí)防汛指揮調(diào)度提供快速、可靠、科學(xué)的決策依據(jù)，與水情、工情信息結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的水情信息、工情信息查詢與展示，提供更加生動(dòng)、形象、直觀的決策參考。

4.1.2 決策輔助

科學(xué)的輔助決策支持能夠有效地支持后期突發(fā)事件的處理以及規(guī)劃的設(shè)計(jì)。怎樣利用地理信息系統(tǒng)給相關(guān)政府部門、排水管道的用戶提供輔助決策的有效數(shù)據(jù)，是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的中心思想。當(dāng)下城市防澇地理信息系統(tǒng)基本上是將數(shù)據(jù)庫(kù)作為核心，更偏向于對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集與控制，幾乎不能實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)城市防澇應(yīng)急規(guī)劃輔助決策能力不斷提高的需求。通過引用地理信息系統(tǒng)的技術(shù)集成、GIS空間分析和應(yīng)用模型集成，可以建設(shè)綜合預(yù)警和輔助決策系統(tǒng)成為日后城市排水防澇規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)。

4.1.3 數(shù)據(jù)管理

文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)混合管理是目前采用較多的管理模式，城市防洪、污水管理信息系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理也是大多數(shù)城市防洪、污水管理信息系統(tǒng)采用的模式。它們之間的關(guān)系是通過目標(biāo)標(biāo)識(shí)碼或內(nèi)部連接來實(shí)現(xiàn)的[7]。利用技術(shù)，系統(tǒng)用戶能在一個(gè)界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)，即是空間數(shù)據(jù)的混合管理模式，如圖9所示。

圖9 圖形與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合的混合管理模式示意圖

空間數(shù)據(jù)帶有海量數(shù)據(jù)特征、非結(jié)構(gòu)特征與空間關(guān)系特征的特殊性與復(fù)雜性。通常商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)很難迎合現(xiàn)實(shí)需求[8]，所以，空間數(shù)據(jù)的管理與存儲(chǔ)有很多不同的模式。

4.2 GIS技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的特點(diǎn)與難點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和資源共享。該項(xiàng)目最終需要建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是要構(gòu)建專門的排水專網(wǎng)、排水網(wǎng)絡(luò)來連接城市中相關(guān)的各個(gè)單位的各個(gè)級(jí)別的節(jié)點(diǎn)，并在該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)城市排水設(shè)施運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心與地理信息系統(tǒng)，從而迎合城市、污水處理廠等基本業(yè)務(wù)的信息化管理需要，使得各個(gè)接入單位完成業(yè)務(wù)之間的溝通與相關(guān)信息的共享。

項(xiàng)目完成技術(shù)難度高。因?yàn)樵擁?xiàng)目的施工過程基本都在建設(shè)與安裝地下管網(wǎng)中的設(shè)備，整體上施工過程的環(huán)境非常惡劣，同時(shí)使用的自控前端產(chǎn)品對(duì)環(huán)境條件有所要求，例如空氣的濕度等。因此如果要讓安裝完成的精密儀器測(cè)量與傳輸?shù)男盘?hào)保持穩(wěn)定，就要對(duì)市場(chǎng)中眾多產(chǎn)品進(jìn)行充分調(diào)研，對(duì)比各個(gè)產(chǎn)品之間的參數(shù)，選擇出最適合在該環(huán)境中安裝的設(shè)備，從而促進(jìn)后期使用中完成穩(wěn)定檢測(cè)與傳輸?shù)哪繕?biāo)。

5 結(jié)束語

利用GIS技術(shù)對(duì)城市防澇各類信息資源的整合共享與開發(fā)利用做出了關(guān)鍵性的探索，能夠完成對(duì)城市雨情、工情等防汛要素的集中整合與應(yīng)用，從而優(yōu)化城市防汛部門的防汛工作，提高城市防汛工作效率，通過對(duì)防汛信息的監(jiān)測(cè)，利于幫助相關(guān)部門盡早發(fā)現(xiàn)汛情并及時(shí)處理。在現(xiàn)實(shí)防汛管理工作中，GIS技術(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)玫奖M早推廣與應(yīng)用。