地理信息系统在水文水资源中的应用

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  章启兵，王式成   （安徽省水利科学研究院，安徽 蚌埠　233001）     摘  要：本文首先介绍了地理信息系统的基本概念及原理，然后分析了水文水资源对地理信息系统的要求，最后分析了地理信息系统在防汛减灾、水资源管理及水土保持系统中的应用。 关键词：地理信息系统；防汛减灾；水资源管理；水土保持   1  地理信息系统简介 地理信息系统（GIS）是一种兼容存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。它在最近30多年里取得了惊人的发展，现已广泛应用于资源调查、区域发展规划、公共设施管理、交通管理等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。 GIS是一种特殊的信息系统，与其它一般的信息系统相比，GIS具有空间特性。GIS在分析和处理问题中都使用空间数据和属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了一种基于地理对象的新思维方法。而管理信息系统（MIS）只有属性数据，即使存在图形，也是以图像的形式存放，不能进行有关空间数据的操作，如空间查询、检索、网络拓扑分析。GIS强调空间分析，通过空间分析模型来分析空间数据，GIS的成功应用依赖于空间分析模型的研究和设计。 一个完整的GIS系统应包括计算机系统（软件和硬件）、地理数据库系统、应用人员与组织结构三部分。而从软件的数据来看，GIS是由数据输入系统、数据存储和检索系统、数据处理和分析系统、数据输出系统四个子系统组成。数据输入系统负责采集、预处理和数据转换。数据存储和检索系统负责组织和管理空间数据和属性数据，以便数据查询和编辑。数据处理和分析系统负责对系统中的数据进行各种分析计算，如数据的集成分析、参数估计、空间拓扑、网络分析。输出系统负责以表格、图形或地形的形式输出，输出方式有屏幕输出和硬拷贝输出两种（打印和绘图）。 2  水文水资源对地理信息系统的要求 地理信息是水文水资源的重要基础信息之一，85%以上的水文信息都跟地理信息相关。传统的对地理信息的手工处理方式已经被科学技术的进步所淘汰，水文水资源需要运用先进的信息管理手段来提高工作效率，推进信息化建设进程。地理信息系统（GIS）技术为水文水资源信息管理的标准化、网络化、空间化提供了有效的工具。 水文部十五规划中明确指出：“建设水文信息系统时，要以地理信息系统(GIS)为框架。” 水文部领导也同时指出：“创新是科技发展的动力，对于水文系统的科技人员，当务之急不但要迅速掌握GIS 这种新技术，还要不断追踪GIS 的新发展，高质量地为水文各项业务服务。”由于国家政策上的引导，加上国内水文用户的技术储备和技术需求都达到了一定的层次，同时又借助世界上最先进和成熟的GIS 技术，所以GIS 技术在国内水文行业的应用虽然起步较晚，但是发展势头迅猛，应用水平甚至超过了某些传统领域。由于水文水资源行业的特点，要求在开展信息化工作、建设信息化系统时，要着重考虑以下几个方面： （1）系统要具有良好的可扩展性 由于经费、现阶段的应用需求，以及当前信息技术的发展等各种条件的制约，使得任何一个水文水资源信息系统在设计和规划之初，都无法做到“一步到位”。因此，要从宏观、长远、发展的角度来统筹规划。系统建设初期，应以实现常用的迫切的基本功能为主，以后再逐步进行功能扩展，逐渐将系统建成功能完善的决策支持系统，为领导决策服务。因此，要求基于GIS的系统建设要具有良好的可扩展性，由初级搭建到构架完善，可以无缝扩展，系统数据和程序能够平滑移植。 （2）系统要以数学模型和决策分析为支撑 对于水文工作者来说，应用GIS 仅进行简单的浏览、查询和空间数据显示是没有太大意义的，这种电子地图式的应用仅仅实现了纸介质地图向计算机的转移，满足了用户的一些初级、表面的要求。而水文行业更迫切需要的是深层次的，带有辅助决策支持的系统。这就要求GIS 平台具有强大的空间分析功能，以便对各种水文数据进行深层次的研究与分析，使系统起到辅助决策的作用，为有关部门和领导提供科学的计算结果和决策依据。 （3）系统要求界面友好、工具丰富 图文并茂的界面是GIS 系统的特点，在系统拥有强大功能的同时，也要求使用简单，易于操作。系统要提供丰富的数据编辑工具和专业的制图功能。 （4）系统要应用最先进技术，并具有良好的开放性 水文信息化系统建设过程中要涉及到计算机技术、数据库技术、通信技术、GIS 技术、遥感技术（RS）、GPS 技术以及网络技术等，从长远、整体、可持续发展的角度看，系统的技术先进性与开放性问题十分重要。因此要求GIS 平台一定要遵循国际通用标准，结合最先进的IT 技术，既保证系统的先进性、可发展性，又保证系统的资源共享和开放。 （5）系统要能够管理海量数据 由于行业的特殊性，水文信息系统综合数据库是由水文数据库、实时水雨情库、工程信息库、社会经济信息库、基础地形图库、动态影像库、历史数据库、方法库、超文本库等多个数据库组成。庞大的数据量要求GIS 具有海量数据管理功能，同时还要求具有高效、安全、分布式管理等功能特点，确保系统基础的稳定性。 （6）系统要支持综合信息的网络发布 在网络技术和环境日趋成熟和完善的时代，水文部门要借助网络技术，充分利用网络资源，实现资源共享，这就要求GIS 系统支持B/S模式，支持Internet/Intranet 技术，能够结合最先进的网络技术，提供综合信息的网络化服务。 （7）系统要应用成熟的技术 为了确保系统的稳定性，系统要应用具有成熟技术的GIS 平台。这样既保证系统能够长期、稳定、安全地运行，而且成熟软件的国内外用户众多，可借鉴的成功经验多，选用成熟软件也为系统的资料收集、技术交流、成果应用等方面提供了数据基础和应用基础。 3  地理信息系统在水文水资源中的应用 水文建设是关系着国计民生的重要工作，随着GIS 技术的不断发展，GIS 在水文行业的应用也越来越深入、越来越广泛。目前，GIS 在我国水文行业的应用已经颇具规模，在水资源管理、防汛抗旱、水土保持监测、水环境监测评估、水文地质、农田灌溉、等应用领域中得到了广泛的应用并产生很大影响。  3.1  地理信息系统在防汛减灾中的应用 我国是自然灾害频发的国家，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，灾害造成的损失也越来越严重，仅洪涝灾害在最近几年造成的损失就高达每年平均2000 亿元左右。国家和各级政府对防洪减灾十分重视，各生产和科研部门也投入了大量人力和物力研究防洪减灾的工程和非工程措施。在非工程措施中，不少流域先后都建设了防洪决策支持系统，在GIS技术和先进的通讯手段的支持下，进行洪水预报、调度、灾害损失评估、减灾措施和水利工程效益分析等，并向灾民避险迁安、抢险和救灾物资输送最佳路线等更进一步的应用发展。当前，全国已经建立了很多基于地理信息系统的防汛减灾系统，比如防洪规划信息管理系统、长江防洪智能应急响应系统、黑龙江省防汛指挥系统、广东省三防信息查询系统、湖南省防汛会商系统、松辽委洪水风险评估等等。 将地理信息系统与实时水雨情信息数据库有机联接，即实现实时水情在电子地图上即时报警。主要包括河道水位、水库水位、单站雨量、遥测站运行故障等的报警。如：某水库水位超过汛限水位，电子地图上对应的水库即变颜色，并弹出报警显示窗口；水位超过设计防洪水位时，水库变为另一颜色及弹出相关窗口；水位低于死水位时，水库变为另一颜色及弹出相关窗口。当然报警方式还可以按需求设置，如：手机短信报警等。 地理信息系统与图像处理、航空摄影及遥感等技术结合，可对洪灾损失及灾后重建计划进行评估。也可利用地理信息系统结合水文和水力学模型用于洪水淹没范围预测。如地理信息系统空间分析扩展模块可用于分析和存储流域地貌特征，提取有关参数，作为地表径流模型的输入文件。将地表径流模拟计算成果与河道断面信息结合，输入水力学模型中，即可预测给定位置的水深。将计算出的水面高程数据输入到地理信息系统中，并覆盖在地形表面，从而确定出洪水可能的淹没范围。再将此淹没范围图与有关基础设施、土地利用、人口密度等其它专题图综合进行分析，可以预测洪水的影响，便于采取应急措施。 3.2  地理信息系统在水资源管理中的应用 水资源是国家发展中的三大战略资源之一，水资源可持续利用已成为我国经济社会发展的战略问题。因此，由水利部规划计划司、水资源司负责组织、由水利部水利水电规划设计总院承担技术负责的全国水资源综合规划编制工作在在全国范围内组织展开。 水文部门在地表水资源的空间分布和调配中采用GIS 技术，此外，还应用GIS 研究地下水资源。这些系统在地下水的埋深、蕴藏量、地表水补给等大量信息的基础上，为何处、何时在多大量级上开采地下水进行科学的分析，对保护地下水资源、合理开发地下水资源具有重大的决策支持作用。当前，全国已经建立了很多基于地理信息系统的水资源管理系统，比如全国水资源综合规划项目、上海市水资源普查管理GIS 系统、辽宁省太子河流域水资源实时监控管理系统、黄河下游水资源管理空间决策支持系统等等。 基于地理信息系统的水资源管理信息系统的建设内容包括地理信息空间数据库、遥感信息库、属性数据库的建设以及与各类数据形式管理相应的计算机应用软件的开发。 （1） 基础电子地图的建设：基础电子地图数据均采用国家现有的1：25 万系统数据。主要内容包括行政区边界、城市、居民点、河流、湖泊、水库、公路、铁路等信息。 （2） 专业电子地图的建设：专业电子地图数据是在基础电子地图的基础上，结合水资源信息描述的需要，将专业地理数据数字化，与基础电子地图相匹配并进行叠加。主要内容包括各类水利工程的分布、各级流域分区（水资源分区）的边界、水文站、雨量站、蒸发站、水质监测站、排污口、水体功能区等信息。 （3） 遥感信息库的建设：遥感信息库是利用遥感遥测得到的数据进行解译等加工处理，形成能与基础地理数据相匹配的数据。 （4） 属性数据库的建设：水资源综合信息属性数据库是本系统的基础数据库，是查询的对象。数据库的内容包括社会经济状况、水资源状况、水资源利用状况、水利工程状况、水环境状况以及土地利用状况等。 （5） 基于GIS 方式的水资源管理信息系统软件系统的建设：结合水资源综合信息管理的需要，基于数据库，采用嵌入式GIS 开发技术建设基于GIS 方式的水资源管理软件系统。主要功能包括属性数据库的管理、空间数据的管理以及属性数据和空间数据相结合的信息管理等内容。 （6） 基于WebGIS 方式的水资源综合信息查询系统的建设：基于WebGIS 方式的水资源与生态环境综合信息查询系统的主要应用对象是外部用户，可以通过Internet 访问WWW 服务器进行水资源综合查询。 3.3  地理信息系统在水土保持中的应用 我国七大江河流域的水土流失和土壤侵蚀问题是关系着流域生态环境、经济发展，甚至是七大江河流域实现可持续发展的大问题。水土流失的类型复杂多样，包括水蚀、风蚀、冰川侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀等各种类型，并且有大量的滑坡、泥石流、崩岗等山地灾害。可见，流域的水土保持工作是一个长期而艰巨的任务。进入80 年代以来，日趋严重的水土流失问题引起党和国家及全社会的高度重视，先后在主要江河流域实施了多个水土流失综合治理工程，并在重点防治区建成了水土保持监测站网，同时利用遥感技术（RS）的周期性和视域广的特点、地理信息系统（GIS）强大的信息管理和分析功能以及全球卫星定位系统（GPS）的高精度定位的特点，使流域内的有关水土流失的大量信息得到统一管理，并应用GIS 技术来管理动态监测数据、进行水土流失预测、生态环境效益分析，从而提供及时可靠的决策依据。当前，全国已经建立了很多基于地理信息系统的水土保持管理系统，如长江流域水土保持动态监测系统、官厅密云水库上游水土保持监测系统、深圳市水土保持管理信息系统等等。基于地理信息系统的水土保持系统一般包括信息采集与处理子系、土壤侵蚀遥感调查子系统、数据库管理子系统、水土流失定量监测模型子系统、三维数字模型子系统和水土保持监测子系统，其体系结构如图1所示： 4  结束语 地理信息系统的应用促进了水文水资源领域的发展；反过来，水文水资源领域对地理信息系统的需求又促进了地理信息系统的发展，同时也应认识到水文水资源、地理信息系统是不断发展的概念，随着技术的进步和社会需求的变化，其含义也会发生相应的变化。随着“数字地球”、“数字中国”、“数字水利”的提出和工程水利向资源水利，传统水利向现代水利、可持续发展水利的转变，水利信息化是必由之路，因此地理信息系统技术与水文水资源紧密结合的应用前景将非常远大。 参考文献： [1]  边馥苓. 地理信息系统原理和方法〔M〕. 北京:测绘出版社,1996. [2]  李德仁. RS、GIS、GPS 的集成与应用[M] . 北京:测绘出版社,1995. [3]  李纪人. 遥感和地理信息系统在分布式流域水文模型研制中的应用[J ]. 水文,1997 (3) :8 - 12. a