GIS技術在水利信息化管理中的應用

胡波 梁云昊

長江信達軟件技術（武漢）有限責任公司 湖北 武漢 430000

引言

隨著信息化進程的加快，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注。GIS技術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數(shù)據(jù)源層的完整性，又保證了整個數(shù)據(jù)源層中信息的利用率。由此可見，GIS技術在水利信息化管理中的普及與運用所發(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，水利工程的建設必不可少。水利工程中的信息化管理主要從3個方面體現(xiàn)：第一，信息技術不僅使水利信息管理規(guī)范，而且還可以實現(xiàn)水利信息和其他行業(yè)的信息的結合，使其他信息資源服務于水利工程，進而促進全社會的發(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技術，比如利用遙感技術，可以使監(jiān)測設備實現(xiàn)自動采集，使信息的傳輸和水資源的調度都可以在線上進行，節(jié)省了大量的人力、物力、財力；利用虛擬現(xiàn)實和計算機可視化的技術，對洪水的形勢、水利工程進度以及水資源跨區(qū)調度等方面進行模擬，使人們更清晰的把握實際情況，并做出相應決策。

1.2 水利信息化管理的特點

實現(xiàn)用信息化是水利信息化管理的目標，這要求水利信息化管理實現(xiàn)工程管理和資源管理的共同推進。即要求把對水資源的節(jié)約和保護放在首要位置，下一步才能對水資源進行開發(fā)和利用。實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進行處理。一個水利信息化管理系統(tǒng)往往具備以下4種特點[1]：①水利工程中有各種各樣的監(jiān)控設備，這些監(jiān)控設備的操作方式有很大不同。②水利工程中的信息管理項目量大，信息的來源種類多。③受到經濟因素、自然因素和人口因素等方面的影響，水利工程建設的規(guī)模很大，在出現(xiàn)水質受到污染、防洪抗災等突發(fā)事件時，必須要根據(jù)周圍的情況和相關信息進行綜合處理。④為了設計出水資源利用的最佳方案，要利用好虛擬現(xiàn)實和計算機可視化的技術進行模擬水資源調度。在優(yōu)化水利信息管理系統(tǒng)上，GIS技術與傳統(tǒng)的技術相比更勝一籌。

2 信息化管理中的GIS技術

2.1 GIS技術應用簡介

實際上，地理信息系統(tǒng)就是一個空間信息系統(tǒng)，它負責收集、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)結構的不同進行各種數(shù)據(jù)的儲存，該系統(tǒng)建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構相關的標識，進而形成了一個完整全面的信息數(shù)據(jù)結構。GIS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息處理的方法，不僅有利于實現(xiàn)對多種信息分類，而且有利于在各種類型的信息數(shù)據(jù)之間形成關聯(lián)?，F(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，它逐漸成為信息化中一個必不可少的技術手段。利用GIS技術建立起信息處理的平臺，可以整合分析各種類型的信息數(shù)據(jù)，并用圖形來進行操作與描述，對于整個空間的綜合信息分析有很大幫助。

2.2 GIS技術在水利信息化管理中的優(yōu)勢

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，才能實現(xiàn)水資源調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分布于專屬于他的子系統(tǒng)中，這樣勢必會導致信息不流通的現(xiàn)象。如果要進行綜合監(jiān)控和水資源的調度等決策時，就會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技術會發(fā)揮巨大的優(yōu)勢，它可以對子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行整合分析，把不同的信息數(shù)據(jù)放入相應的數(shù)據(jù)源層，從而進行統(tǒng)一管理；為了實現(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，主要通過空間相關性來整合分析數(shù)據(jù)，進而得到符合標準的結果。使用GIS技術搭建水利信息化管理平臺的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在[2]：①將不同種類的數(shù)據(jù)信息進行整合，利用空間的相關性進行信息查詢、分析和處理。②綜合平臺中的各種信息數(shù)據(jù)可以分門別類，具有獨立性的特點。③可以對水利工程的人文地理等信息與其他信息結合。④通過整合分析多源數(shù)據(jù)庫中的信息，得出符合標準的結果。⑤在進行數(shù)據(jù)查詢、分析處理時，可以使數(shù)據(jù)轉換為圖形，更直觀的傳達信息。⑥利用好空間分析功能，幫助做好水利工程建設中的決策。我國水利部明確規(guī)定，水利信息化系統(tǒng)要以GIS為技術平臺，同時強調了GIS技術在水利信息化管理中的地位。

3 GIS技術在水利信息化管理中的應用

3.1 建立信息平臺，對系統(tǒng)、數(shù)據(jù)等進行共享

在水利工程中信息化管理的內容多、工作量大，比如水情監(jiān)測站的管理、工程安全問題、設備操作和維修養(yǎng)護、水庫河道閘門開關和水資源優(yōu)化調度等內容。因此，水利信息管理中會有很多的數(shù)據(jù)源和子系統(tǒng)，就需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準的格式，使多源數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)能夠結合交融。在水利信息管理中使用GIS技術，將不同數(shù)據(jù)格式中不同種類的數(shù)據(jù)源建造一個通用的標準，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，促進信息數(shù)據(jù)資源之間的互通交流。

3.2 應用GIS技術對虛擬場景進行安全監(jiān)控

水利工程一般都跨流域，這也導致工程管理難度大，如果管理僅僅依靠施工現(xiàn)場管理人員，會很難實現(xiàn)水利資源的優(yōu)化。利用GIS技術進行管理，通過設計流域內的地圖，幫助監(jiān)管人員實現(xiàn)線上安全監(jiān)控，進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)測數(shù)據(jù)，并不可以使數(shù)據(jù)形象化、生動化，監(jiān)管人員難以理解和處理問題，容易影響水利工程建設的進度。

3.3 應用GIS技術對水資源調度進行模擬和監(jiān)控

由于水利工程跨流域實施的特點，會導致水利資源調度過多依賴相關的空間信息。為了實現(xiàn)水資源的優(yōu)化調度，利用好GIS技術相當重要。GIS技術可以有效處理相關的空間信息，利用遙感技術估算地下水和地表水的深度，預測降雨量的分布，設計出可行的水資源調度方案，再用可視化技術對這個調度過程展示，并反復模擬檢驗調度方案的可行性，確保能夠做出最好的水資源調度決策。在實施調水工程之前，使用GIS地圖了解相關流域的工程情況，監(jiān)管人員一旦發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，及時標注在地圖上。GIS地圖還可以展示水資源的分布情況，針對不同地區(qū)對水源的需求量，模擬演練多種調水模型，最后選擇最優(yōu)的方案。在調水工程進行時，GIS地圖上會顯示閘門運行的實際情況和水流量，管理人員就可以控制輸水進度和了解輸水情況，輸水計劃也可結合具體實際得到調整。在調水工程結束后，涉及調水的數(shù)據(jù)會使用GIS技術來分析，并將調水方案和出現(xiàn)的問題登記下來，為下次水資源的調度提供數(shù)據(jù)參考。

3.4 應用GIS技術對水質進行監(jiān)控以及對數(shù)據(jù)進行分析

傳統(tǒng)的水質監(jiān)控具有很大的局限性，僅僅只能監(jiān)測水質環(huán)境，并不能對相關的地理信息也進行監(jiān)測，特別是涉及供水服務的水質監(jiān)測，當出現(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，而傳統(tǒng)監(jiān)控無法實現(xiàn)[3]。如果利用GIS技術進行水質監(jiān)控，就可以更好的監(jiān)測和反映實時水質情況。當涉及水污染的不同類型時，遙感影像會出現(xiàn)不同的反射率，此時利用空間數(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、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技術可以整合相關流域的地質、供水和人文信息，實現(xiàn)信息的最佳利用。

3.5 應用GIS技術建設農田水利工程

GIS技術通過疊加土壤的農作物覆蓋、土壤類型和農田所處的地形等數(shù)據(jù)信息，將這3種信息實現(xiàn)空間上的結合，有利于分析3者之間的關系，促進農田水利工程的建設。GIS技術將各種要素在地圖上進行疊加，有利于分析各個因素可能對農作物產生的影響，有利于明確這些要素之間的關系。 GIS技術可以掌握土壤情況、農作物的產量和農作物的類型，分析土地情況，并按照分析所得出的結果為農作物設計合適的排灌標準，以促進農作物產量的提升。GIS技術還可以統(tǒng)計灌溉面積、劃分灌溉區(qū)域、管理水路系統(tǒng)。此外，GIS技術還可以將流域內水資源的信息制作成專題圖，利用該圖指導農田水利工程建設，使鋪設管道和開挖渠道等工作有信息根據(jù)，進一步促進農業(yè)生產發(fā)展。

3.6 GIS在水環(huán)境和水土保持方面的應用

隨著經濟社會的飛速發(fā)展，人類活動也廣泛開展，造成了國內水系污染程度的加重。目前，我國水利部門建立了170多個水環(huán)境的信息管理系統(tǒng)，主要是為了進行水環(huán)境的監(jiān)測[4]。水環(huán)境的信息管理系統(tǒng)實際上是空間決策支持的系統(tǒng)，而GIS技術不僅是水環(huán)境信息管理系統(tǒng)的基礎，還是提取、顯示水利信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一平臺。這些系統(tǒng)的核心技術都是GIS技術,確保以下幾個功能的正常發(fā)揮：通過關聯(lián)空間數(shù)據(jù)和空間屬性之間的關系，來實現(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，精準的排查出引起水質惡化的污染源；實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)之間的可視化表達及共享；模擬和評估水質水量；進行污染排放的管理和控制；選擇最合適的取水口位置；當面臨突發(fā)事件時，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)；進行水利工程與設施的維修養(yǎng)護；進行站點的監(jiān)測工作；收集水質和水量的相關數(shù)據(jù)；對水環(huán)境進行評價分級；建立統(tǒng)一的水質標準和完善相關的法律法規(guī)；對水利工程建設的項目進行決策；收集水污染的預測數(shù)據(jù)；處理水資源污染問題。

3.7 GIS在區(qū)域防洪減災方面的應用[5]

①防洪災情評估；建立防洪的評估系統(tǒng)，利用GIS技術處理、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。同時對地理信息數(shù)據(jù)進行處理，將災情數(shù)據(jù)反映和表達出來。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技術為基礎的防洪信息管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。GIS技術可以對空間數(shù)據(jù)進行輸入、更改、管理、分析、再輸出，還可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的維修養(yǎng)護，還可以用數(shù)據(jù)來實時保護不同種類的應用模型，還可以監(jiān)測評估汛情，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 結束語

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