淺談GIS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用展望論文

　　摘要：近年來， GIS （地理信息系統(tǒng)） 技術(shù)在水利工程應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。文章通過分析目前GIS技術(shù)在水利規(guī)劃、水資源管理等水利工程行業(yè)的具體應(yīng)用形式， 結(jié)合地理信息學(xué)科的發(fā)展方向， 展望GIS在水利工程中的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：GIS； 水利工程；

　　1 GIS技術(shù)概述

　　20世紀(jì)60年代， 世界上第一個(gè)GIS （加拿大地理信息系統(tǒng)CGIS） 誕生， 其核心是用計(jì)算機(jī)來處理和分析具有空間屬性地理信息。GIS技術(shù)能夠有效地管理地理信息資源， 是其能夠有效利用的核心技術(shù)。20世紀(jì)以來， 計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日的新月異極大地推進(jìn)了GIS在我國的發(fā)展進(jìn)程， 由于應(yīng)用后能夠明顯地提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益， 因此， GIS技術(shù)已成為資源與環(huán)境各領(lǐng)域應(yīng)用中不可或缺的前沿技術(shù)。

　　近20年， 我國經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)增長(zhǎng)， 人民生活質(zhì)量穩(wěn)步提高， 同時(shí)， 水資源需求與水資源利用率相對(duì)不足的矛盾逐漸加劇， 這促使水利工作者不斷探索如何利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段緩解這一矛盾。為有效地利用水資源， 在當(dāng)前條件下最大限度地發(fā)揮水利工程的調(diào)節(jié)作用， 減少建設(shè)、管理人員的投入量， GIS技術(shù)作為信息化的體現(xiàn)之一， 在水利工程各環(huán)節(jié)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大， 應(yīng)用層次也逐漸深入。通過近年來的發(fā)展， GIS的應(yīng)用形式已從最初單純的可視化應(yīng)用過渡為集合分析、模擬、預(yù)測(cè)等多位一體的復(fù)雜應(yīng)用， 功能也提升為對(duì)多時(shí)期的地理信息變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析比較， 將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程統(tǒng)一打包的應(yīng)用。實(shí)踐表明， 通過使用GIS系統(tǒng)， 有利于設(shè)計(jì)人員對(duì)工程進(jìn)行總體規(guī)劃， 方便施工人員對(duì)實(shí)施過程進(jìn)度和質(zhì)量把控， 有效提高管理人員的工作效率， 從而提升水利行業(yè)整體信息化水平。

　　2 GIS技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

　　水利工程為消除水害和開發(fā)利用水資源而修建， 重要性不言而喻， 而其本身具有一定的地理空間屬性， 對(duì)工程的地理環(huán)境依賴較高。GIS的發(fā)展恰好為水利工程的空間屬性提供了可行的表現(xiàn)途徑和有效的模擬、分析方法。運(yùn)用GIS技術(shù)， 矢量化地理信息數(shù)據(jù)， 搭建水利工程地理信息平臺(tái)， 能夠直觀地展示工程環(huán)境， 結(jié)合水利資料， 實(shí)現(xiàn)環(huán)境分析模擬， 有利于管理人員決策[1]。

　　目前， GIS在水利工程方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面：

　　（1） 水利工程規(guī)劃

　　GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于水庫選址、復(fù)雜工程布局、工程測(cè)量[2]、庫容量計(jì)算、開挖土石方量計(jì)算、工程建設(shè)監(jiān)測(cè)[3]、工程變形監(jiān)測(cè)等方面， 促使水利工程規(guī)劃、管理科學(xué)發(fā)展。

　�。�2） 水資源管理

　　運(yùn)用GIS技術(shù)能夠確定水資源分區(qū)， 建立科學(xué)有效的管理模式， 分析水資源量， 直觀地展示水資源分布和數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化， 有助于實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。

　�。�3） 防洪減災(zāi)

　　GIS應(yīng)用主要表現(xiàn)在防汛決策支持系統(tǒng)[4]和洪災(zāi)損失評(píng)估， 它以GIS為基礎(chǔ)， 實(shí)現(xiàn)了決策方案、防汛信息、損害范圍的直觀化和形象化表達(dá)， 為全國防汛決策提供有力的技術(shù)支撐。

　�。�4） 水土保持

　　利用GIS技術(shù)能夠進(jìn)行水土流失預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]， 查詢、統(tǒng)計(jì)、分析土地分區(qū)和土地利用情況， 有利于重點(diǎn)區(qū)域水土流失綜合治理措施的制定， 提升治理效果。

　　（5） 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

　　建立GIS水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)， 能夠掌握水質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化， 及時(shí)辨析污染源頭， 有利于地表水、地下水儲(chǔ)量分析， 模擬水量調(diào)度， 提高水資源利用水平。

　�。�6） 水文預(yù)報(bào)

　　通過GIS技術(shù)， 整合水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)管理， 對(duì)空間和屬性數(shù)據(jù)的查詢， 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及顯示檢索， 為水文預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐[5]。

　　3 GIS技術(shù)應(yīng)用展望

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， GIS技術(shù)在水利工程應(yīng)用的內(nèi)容已從結(jié)合地理要素的水利信息查詢展示發(fā)展到利用GIS空間運(yùn)算完成水利信息的分析、計(jì)算、模擬與統(tǒng)計(jì)。近年來， 結(jié)合遙感、GPS等前沿技術(shù)， 構(gòu)建3D、4D地理信息系統(tǒng)平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)多維度水工建筑仿真應(yīng)用已成為水利信息化應(yīng)用新趨勢(shì) （如三維可視化洪水淹沒分析與災(zāi)情評(píng)估系統(tǒng)、4D水利施工管理系統(tǒng)等[6]） 。水利要素具有的空間地理屬性促進(jìn)了GIS在水利應(yīng)用中的高速發(fā)展， 縱觀發(fā)展歷史， 水利GIS應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為應(yīng)用內(nèi)容的發(fā)散性擴(kuò)展及應(yīng)用技術(shù)的融合性集成。

　　3。1 應(yīng)用內(nèi)容擴(kuò)展

　　利用GIS技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)工程環(huán)境分析模擬的形象化， 并且在一定程度上提高了獲取信息的時(shí)效性和準(zhǔn)確性， 有利于管理和決策。因此， 今后GIS技術(shù)將逐漸覆蓋水利行業(yè)的各個(gè)方面， 促使水利信息化進(jìn)一步發(fā)展。

　�。�1） 洪水模擬

　　利用洪水歷史資料， 結(jié)合GIS平臺(tái)， 建立合理的流域模型， 通過可視化模擬， 分析流域洪水成因、洪水特性及其規(guī)律；通過地理信息要素分類， 分析各主要河道的自然條件；運(yùn)用GIS技術(shù)， 進(jìn)行上下游洪水演進(jìn)模擬分析， 促使建立一定洪水標(biāo)準(zhǔn)下合理的蓄、滯、泄關(guān)系及管理措施等。

　�。�2） 供水預(yù)案

　　建立供水、需水、蓄水地理信息管理平臺(tái)， 通過電子地圖可視化展示水源地分布， 有助于研究可能的供水方案與主要工程措施及用水管理與供水水質(zhì)保證措施。

　�。�3） 水質(zhì)分析

　　實(shí)現(xiàn)水質(zhì)采集自動(dòng)化， 分析地質(zhì)、水質(zhì)信息的地理屬性， 應(yīng)用GIS技術(shù)研究土壤侵蝕分區(qū)；分析各類可能污染源；利用歷史資料， 模擬預(yù)測(cè)不同規(guī)劃水平年的污染負(fù)荷量和水質(zhì)變化， 以此為基礎(chǔ)研究保護(hù)水資源應(yīng)采取的措施。

　�。�4） 工程測(cè)量

　　應(yīng)用無人機(jī)搭載遙感、GPS設(shè)備， 采集、處理工程測(cè)量數(shù)據(jù)， 利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可視化， 減少外勘人力成本， 提高工程測(cè)量的精度與效率， 便于數(shù)據(jù)成果的合理應(yīng)用。

　　3。2 應(yīng)用技術(shù)深入

　　（1） GIS技術(shù)發(fā)掘

　　隨著GIS技術(shù)的發(fā)展， 多種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （如“真三維”、“時(shí)空四維”） [7]應(yīng)運(yùn)而生， 面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和實(shí)用的界面語言正處于高速發(fā)展階段， 數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入技術(shù)不斷完善， 各行各業(yè)GIS應(yīng)用模型開發(fā)力度不斷加大， GIS的網(wǎng)絡(luò)共享能力 （webGIS） 不斷增強(qiáng)。在這樣的大環(huán)境中， 水利與GIS的結(jié)合必將更加深入， 具體表現(xiàn)為水利數(shù)據(jù)信息的表達(dá)將趨于多維度、豐富性、立體性、共享性， 水利應(yīng)用模型將趨于結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)展性， 形成整個(gè)水利行業(yè)的GIS綜合管理平臺(tái)， 逐漸打開GIS綜合系統(tǒng)與水利專業(yè)系統(tǒng)共存共榮的局面。

　�。�2） 相關(guān)技術(shù)集成

　　鑒于水利空間數(shù)據(jù)的時(shí)間性和復(fù)雜性， 單一的GIS技術(shù)很難滿足水利要素的處理要求。因此， 在水利工程的應(yīng)用中， “3S”技術(shù) （全球定位系統(tǒng)GPS、遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS） 、無人機(jī)技術(shù)的集成已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段， 遙感技術(shù)的多譜段、多時(shí)相、多傳感器和多分辨率的特點(diǎn)， 為GIS不斷注入“燃料”， 反過來又可利用GIS支持從遙感影像數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取語義和非語義信息， 而無人機(jī)則可作為遙感設(shè)備提供載體[7]。利用無人機(jī)航拍， GPS和RS賦予了GIS實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)屬性。3S技術(shù)整體結(jié)合所構(gòu)成的水利地理信息系統(tǒng)是高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的GIS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能， 而且能夠分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)， 為水利各學(xué)科應(yīng)用提供科學(xué)的決策咨詢。

　　多媒體地理信息系統(tǒng) （MGIS） 將文字、圖形 （圖像） 、聲音、色彩、動(dòng)畫等技術(shù)融為一體， 為GIS應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域和廣闊的前景[8]。它能夠以最直觀的方式表達(dá)和感知空間地理信息， 以形象化的、可觸摸 （觸屏） 的甚至聲控對(duì)話的人機(jī)界面操縱空間地理信息處理的技術(shù)。應(yīng)用MGIS的水利地理信息系統(tǒng)將對(duì)結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)用模式的設(shè)計(jì)產(chǎn)生極大的影響， 使得各類信息的表現(xiàn)形式更豐富， 更靈活， 更友好。

　　4 結(jié)語

　　毋庸置疑， 水利GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)是地理空間數(shù)據(jù)和水利專題要素?cái)?shù)據(jù)， 相關(guān)專業(yè) （如測(cè)量專業(yè)） 的發(fā)展將對(duì)其產(chǎn)生明顯的限制或促進(jìn)作用。因此， GIS在水利工程中的應(yīng)用水平應(yīng)依據(jù)各專業(yè)的發(fā)展穩(wěn)步提高， 防止閉門造車， 構(gòu)建海市蜃樓。

　　復(fù)雜技術(shù)集成的GIS在水利工程上的應(yīng)用將會(huì)成為今后一段時(shí)期內(nèi)水利信息化的主要趨勢(shì)。搭建集工程規(guī)劃、建設(shè)、管理為一體的水利工程綜合地理信息平臺(tái)， 能夠?qū)崟r(shí)、有效地展示工程運(yùn)行情況， 模擬防洪工況， 提高管理決策能力， 為水利信息化事業(yè)發(fā)展添磚加瓦。

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