GIS在城市排水防涝中的应用趋势

薛祥光　蒋世峰　李萌　蒋亮虹

【摘 要】GIS技术以及物联网、云计算、大数据等新兴技术的发展为城市排水防涝系统的信息化建设与科学规划提供了重要契机。本文首先通过分析城市排水防涝中存在的问题，引出GIS在城市防涝中的应用现状。其次，从智慧城市发展的角度，着重分析了GIS在城市排水防涝规划与管理中的信息全面感知、信息深入分析以及辅助决策等方面的应用趋势。最后总结了利用GIS技术全面提升城市排水防涝规划设计与管理的新思路。

【关键词】GIS；排水防涝规划；辅助决策；智慧城市

【Abstract】The development of GIS technology and the new emerging technologies such as Internet of Things， cloud computing， big data provides an important opportunity for scientific planning of urban drainage waterlogging system. In this paper， problems of urban drainage waterlogging were analyzed and the application status of GIS in urban waterlogging was introduced at first. And then， from the perspective of the smart city development， the application trends of GIS at aspects of information perception， information analysis and decision support urban waterlogging was emphatically analyzed. Finally， put forward new ideas of GIS applications in urban drainage waterlogging planning and management.

【Key words】GIS； Drainage waterlogging planning； Decision support； Smart city

我国现有的排水防涝工程大多设计简单，且多局限于管线规划设计，缺乏雨、污水治理和水资源利用的内容[1]。此外，手工管理仍是我国对排水设施管理的主要方式之一[2]。近年来，由于城市热岛效应不断加强，导致暴雨频发，城市内涝不断发生，城市防涝问题日益凸显[3]。在此背景下，开展城市排水防涝规划设计研究、提升城市排水设施管理水平的意义十分重大。GIS技术以及物联网、云计算、大数据等新兴技术的发展为城市排水防涝系统的信息化建设与科学规划提供了重要契机。在国家智慧城市建设的号召下，各级地方政府正逐步完善城市排水管网的信息化建设，不少城市已建立起地方性排水管线地理信息系统[4-5]。目前，GIS技术被广泛应用于城市排水防涝规划中，但这些应用大多停留在信息普查、数据库建立、基础数据的管理、数据编辑与处理、管线制图以及管线信息的可视化等基本功能的应用阶段[6-7]，GIS的空间分析与空间表达功能并未得到较好发挥，而运用GIS技术进行智能专家系统和空间决策支持系统的方案设计的案例则屈指可数[8]。为了使城市管理者及时了解城市排水防涝工程的运行状况，并能根据数字化信息对城市排水防涝能力进行评估与管理，从而为城市的防涝提供决策依据。本文从提高城市排水防涝规划管理的智慧化程度出发，探讨新兴技术浪潮下的GIS在城市排水防涝工程的全面感知、海量数据的深入分析以及排水防涝规划的辅助决策等方面的应用趋势。

1 防涝工程的全面感知

排水管网数据是城市排水防涝工程监控管理、城市排水防涝系统综合分析与运行调控的基础[9]，能为城市排水防涝调度决策提供可靠、稳定、先进的外部感知和反馈信息。随着智慧城市建设的推进，城市防涝信息化系统不能仅局限于对排水管线数据的信息化，还需要实现数据的实时获取、动态更新与高效管理。此外，城市排水防涝规划应综合考虑水灾害防治、水资源利用、水环境治理和水生态保护等重要内容，需对空间、地面、地下进行全面监测，充分整合资源、环境、人口、经济等多方数据。因此，实现对城市防涝工程进行全面感知是下一步工作的重点。

目前，国内外主流的排水防涝信息化系统功能仅局限于数据普查、设施查询、空间分析等静态的地理信息服务，现势性较弱，还不能实现地理信息数据的实时获取和动态展示[2，6，10]。近年来，新兴的物联网技术开始被应用于地下管线监测中。利用物联网技术把各类监测终端与总部控制系统联系起来，借助各类监测终端的部署，实时获得排水管线的运行状态，包括水位、流速、沼气浓度、堵塞情况等管网健康信息，作为进一步数据分析和决策支持的依据。因此，物联网与GIS的结合是一个重要趋势，物联网技术可以实现多源数据的实时获取，为GIS提供强大的实时动态基础数据支撑，GIS技术则可以实现管线数据及其他各类数据的集中管理和可视化表达，两者优势互补，借助数据融合技术，实现地理信息和智能感知信息的有机结合，从而实现对城市空间信息的动态化和图形化表达。

2 海量信息的深入分析

以物联网为代表的数据获取技术的快速发展，使得对城市防涝工程的全面感知成为现实，但同时也带来新的问题，面对海量数据，如何实现对空间实体非人工干预的、智能化、主动实时或准实时的信息分析与知识挖掘，如何最大限度地利用多种资料、改善信息提取的现势性和可靠性、提高多源数据使用率，成为进一步需要解决的问题。

国内外对城市防涝信息的分析主要集中于两点：一是，利用GIS的数据统计功能，主要是利用常规的数学方法对排水设施数量和监控信息进行统计，生成普查报告，对排水管网设施现状做出总体性能评估；二是，借助GIS的空间分析功能，主要是对空间数据的拓扑和空间状况的运算、属性数据运算以及空间数据与属性数据的联合运算实现了各种空间功能。国内外大部分城市建立的管网信息管理系统就融合了网络分析、邻近度分析等基本的空间分析功能[2]。目前，GIS空间分析与专业模型的集成应用也已取得部分进展，国内有学者利用水文模型结合GIS技术实现对城市暴雨管网溢流量的分析[11]，同时通过对管网数据的空间或属性信息采取集中处理，建立了城市径流与排水系统的拓扑关系，构建了排水片区的单元结构网络[12]。GIS空间分析功能基本能满足专业管网管理部门的要求，特别是网络分析功能（如最优路径、事故决策、网络特殊中断处理等），能为城市排水管网的规划设计、管理调控提供强有力的支持。

由于城市排涝设施规划设计涉及资源、环境、人口、经济、气象等多个地理变量，因此排水防涝数据需要包含排水防涝地理数据、智能感知数据、业务数据、空间媒体数据等多类型数据。数据量十分庞大。传统的数据统计与GIS空间分析操作已难以满足实际需求。大数据、云计算等已在智慧城市建设领域发挥重要作用的新兴技术需要更多的应用到排水防涝领域。此外，需要针对城市排水工作的实际情况，搭建一系列分析模型，例如，可以利用城市排水防涝综合数学模型对现状管网能力、薄弱管线、可能积水点等进行分析，利用预报的降雨数据，对可能出现的积水位置进行预判，根据出现险情的等级、危险程度，为城市排水管网的合理设计和防涝工作提供帮助。

3 城市防涝规划的辅助决策

科学的辅助决策支持是应对后期的突发事件、应急疏散、规划设计的有力支撑。如何通过GIS为政府部门、排水管道的用户提供管理上的决策依据，才是GIS应用的核心。当前城市防涝GIS系统大多以数据库为核心[2]，侧重于基础数据的采集与管理，无法满足用户对城市防涝应急与规划的辅助决策能力日益增长的需求。利用GIS技术集成、GIS空间分析与应用模型集成，建立综合预警与辅助决策系统是今后城市排水防涝规划的努力方向。

由于目前绝大部分的决策支持系统（DSS）存在技术难题不能形成可与决策者互动的可视化平台，导致绝大多数的GIS软件缺乏对复杂空间问题的决策支持，还处在仅限于对图形的分析处理阶段。空间决策支持系统（SDSS），通过在DSS嵌入具有强大空间数据分析处理能力的GIS分析模板，能够有效地帮助决策者解决复杂空间的难题。此外，国内外一些学者正研究从数据搜集、更新、分析、发布过程全部基于网络的一体化计算机智能管理决策系统[13]。未来的GIS将在城市防涝规划的辅助决策中进一步发挥其作用：

1）通过GIS技术与物联网集成，能够快速获取排水管线的承压力、水流速、流量等信息。利用GIS对整个地下管线系统（泥沙、垃圾）进行堵塞分析、爆管分析，实现实时洪水预警和应急响应的目标。

2）借助GIS空间数据建模工具，充分考虑气候条件、地形条件、城市化、城市排水工程设计、管网维护和应急管理影响，以城市防涝数据库为基础，整合国土、气象等相关部门数据，建立相关专业模型，如城市内涝模型、水质模型以及各种规划模型。这些众多的应用模型可以为城市排水防涝提供直接有用的信息，使GIS升华为一个强有力的决策支持系统。

3）GIS空间分析与专业分析模型的集成，通过将各类专业模型扩展到GIS分析模块，可建立实用的决策支持系统，用来优化城市排涝设施的的数量及其位置分布的规划设计。

4）虚拟现实与可视化技术在决策支持系统中的使用，可以为用户提供直观便捷的管理与决策。更好地进行管网系统的优化分析与应急方案制定。此外，还可以对不同的调度方案进行情景模拟，选出较优方案，供决策者进行决策，按照调度方案进行高效率的人员、物资、设备等调度，科学处置城市防涝突发事件与洪涝灾害。

4 结论

通过上面的分析，可以看出GIS在城市排水防涝规划与管理中作用重大。当前GIS技术已广泛应用于城市防涝信息化建设中。在智慧城市建设的带动下，随着新兴技术的涌现，GIS技术将不断推进城市防涝规划与管理的智能化，最终走向智慧化。未来GIS在城市防涝中的应用趋势可以初步概括为以全面的信息感知与获取为基础，生成多类型的分析模型，进而实现智慧化的决策支持。

4.1 更全面的信息感知

通过GIS与物联网技术集成获取城市空间到地面、地下的排水防涝相关信息。在此基础上，借助数据融合技术，实现遥感数据与矢量数据、地理信息数据与智能感知数据等不同传感器类型数据的融合，形成天地一体化的监测体系，最终实进行对城市防涝工程的全面感知。

4.2 更深入的数据分析

以获取到的数据为基础，借助GIS平台集成大数据、云计算技术，研究海量信息的语义集成、数据融合、智能化数据分析与挖掘手段，将成为实现对城市排水关系时空数据与复杂的环境数据的高效集成与快速分析重要手段。

4.3 更智能的辅助决策支持

在多类型分析模型的基础上，建立综合预警与辅助决策系统；引入虚拟现实与可视化技术，对不同方案进行情景模拟以实现方案优化。GIS技术与物联网集成、GIS空间数据建模、GIS空间分析与专业分析模型的集成、虚拟现实与可视化技术将成为强化城市防涝信息系统辅助决策支持能力应用趋势。

最后，面对当前城市排水防涝的问题，城市管理者应从城市规划、水资源利用、生态环境保护的综合角度思考城市排水防涝规划与管理问题。GIS与计算机相关领域工作者应积极拓展GIS相关技术的应用领域与研究方法，为城市管理的科学决策提供理论和技术支撑。

【参考文献】

[1]康丹.城市排水防涝系统规划设计中存在问题及对策探讨[J].中国给水排水， 2014，（20）：51-53.

[2]陈迪嘉，王欢，王磊.GIS在城市排水中的应用[J].天津建设科技，2013，（06）：62-64.

[3]陆沈钧，戴晶晶，刘增贤.浅谈城市排水防涝监控调度管理系统建设——以苏州市城市中心区为例[J].中国水利，2015，（07）：58-61.

[4]王强，张晓昕，王军，等.北京市中心城防洪防涝系统规划总体情况介绍[C].城市时代，协同规划——2013中国城市规划年会，2013：9.

[5]李艳，李柱.深圳市排水防涝系统的问题与探索[J].中国农村水利水电，2014， （07）：107-109.

[6]陈小龙，赵冬泉，盛政，等.城市排水防涝设施普查信息平台介绍[J].中国给水排水，2014，（11）：156-158.

[7]赵冬泉，陈吉宁，杜鹏飞，等.GIS在城市排水管道系统规划中的应用探讨[C]. 中国地理信息系统协会第九届年会，2005：5.

[8]梁骞，俞露.GIS空间分析在城市排水防涝规划中的应用[C].城乡治理与规划改革——2014中国城市规划年会，2014：8.

[9]薛敏，李大成，沈晓铃.基于物联网技术的智慧排水系统构建[J].中国给水排水， 2012，（06）：62-64.

[10]彭欢.城市排水GIS系统研究[D].北京林业大学，2014.

[11]郭磊，李萍，李玢，等.浅析水力模型应用于城市排水和城市雨水径流科学管理[J].给水排水，2010，（06）：113-116.

[12]徐晓梅，李跃勋，何佳，等.基于GIS的昆明主城区排水系统诊断研究[J].中国给水排水，2011，（13）：33-37.

[13]Ahmed N. Monitoring of sub-surface pipe drainage at Swabi scarp[M].Labore： International waterlogging and Salinity Research Institute，2002：32.

[责任编辑：王楠]