GIS技术在水利工程中的应用展望

2018-03-24赵彤彬

水利规划与设计 2018年2期

王蕾，杨洋，赵彤彬

（1.西安迪飞科技有限责任公司，陕西西安 710018；2.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710100；3.陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安 710018）

1 GIS技术概述

20世纪60年代，世界上第一个GIS（加拿大地理信息系统CGIS）诞生，其核心是用计算机来处理和分析具有空间属性地理信息。GIS技术能够有效地管理地理信息资源，是其能够有效利用的核心技术。20世纪以来，计算机和网络技术日的新月异极大地推进了GIS在我国的发展进程，由于应用后能够明显地提高工作效率和经济效益，因此，GIS技术已成为资源与环境各领域应用中不可或缺的前沿技术。

近20年，我国经济水平持续增长，人民生活质量稳步提高，同时，水资源需求与水资源利用率相对不足的矛盾逐渐加剧，这促使水利工作者不断探索如何利用现代信息技术手段缓解这一矛盾。为有效地利用水资源，在当前条件下最大限度地发挥水利工程的调节作用，减少建设、管理人员的投入量，GIS技术作为信息化的体现之一，在水利工程各环节中的应用范围不断扩大，应用层次也逐渐深入。通过近年来的发展，GIS的应用形式已从最初单纯的可视化应用过渡为集合分析、模拟、预测等多位一体的复杂应用，功能也提升为对多时期的地理信息变化进行动态监测和分析比较，将数据收集、空间分析和决策过程统一打包的应用。实践表明，通过使用GIS系统，有利于设计人员对工程进行总体规划，方便施工人员对实施过程进度和质量把控，有效提高管理人员的工作效率，从而提升水利行业整体信息化水平。

2 GIS技术在水利工程中的应用

水利工程为消除水害和开发利用水资源而修建，重要性不言而喻，而其本身具有一定的地理空间属性，对工程的地理环境依赖较高。GIS的发展恰好为水利工程的空间属性提供了可行的表现途径和有效的模拟、分析方法。运用GIS技术，矢量化地理信息数据，搭建水利工程地理信息平台，能够直观地展示工程环境，结合水利资料，实现环境分析模拟，有利于管理人员决策［1］。

目前，GIS在水利工程方面的应用主要表现在以下几方面：

（1）水利工程规划

GIS技术广泛应用于水库选址、复杂工程布局、工程测量［2］、库容量计算、开挖土石方量计算、工程建设监测［3］、工程变形监测等方面，促使水利工程规划、管理科学发展。

（2）水资源管理

运用GIS技术能够确定水资源分区，建立科学有效的管理模式，分析水资源量，直观地展示水资源分布和数量的动态变化，有助于实现水资源的合理利用。

（3）防洪减灾

GIS应用主要表现在防汛决策支持系统［4］和洪灾损失评估，它以GIS为基础，实现了决策方案、防汛信息、损害范围的直观化和形象化表达，为全国防汛决策提供有力的技术支撑。

（4）水土保持

利用GIS技术能够进行水土流失预测和动态监测［4］，查询、统计、分析土地分区和土地利用情况，有利于重点区域水土流失综合治理措施的制定，提升治理效果。

（5）水质监测

建立GIS水质监测应用平台，能够掌握水质的实时动态变化，及时辨析污染源头，有利于地表水、地下水储量分析，模拟水量调度，提高水资源利用水平。

（6）水文预报

通过GIS技术，整合水文基础数据，实现基础背景数据管理，对空间和属性数据的查询，统计数据以及显示检索，为水文预报提供基础数据支撑［5］。

3 GIS技术应用展望

随着计算机技术的发展，GIS技术在水利工程应用的内容已从结合地理要素的水利信息查询展示发展到利用GIS空间运算完成水利信息的分析、计算、模拟与统计。近年来，结合遥感、GPS等前沿技术，构建3D、4D地理信息系统平台，实现多维度水工建筑仿真应用已成为水利信息化应用新趋势（如三维可视化洪水淹没分析与灾情评估系统、4D水利施工管理系统等［6］）。水利要素具有的空间地理属性促进了GIS在水利应用中的高速发展，纵观发展历史，水利GIS应用的发展趋势主要表现为应用内容的发散性扩展及应用技术的融合性集成。

3.1 应用内容扩展

利用GIS技术，实现工程环境分析模拟的形象化，并且在一定程度上提高了获取信息的时效性和准确性，有利于管理和决策。因此，今后GIS技术将逐渐覆盖水利行业的各个方面，促使水利信息化进一步发展。

（1）洪水模拟

利用洪水历史资料，结合GIS平台，建立合理的流域模型，通过可视化模拟，分析流域洪水成因、洪水特性及其规律；通过地理信息要素分类，分析各主要河道的自然条件；运用GIS技术，进行上下游洪水演进模拟分析，促使建立一定洪水标准下合理的蓄、滞、泄关系及管理措施等。

（2）供水预案

建立供水、需水、蓄水地理信息管理平台，通过电子地图可视化展示水源地分布，有助于研究可能的供水方案与主要工程措施及用水管理与供水水质保证措施。

（3）水质分析

实现水质采集自动化，分析地质、水质信息的地理属性，应用GIS技术研究土壤侵蚀分区；分析各类可能污染源；利用历史资料，模拟预测不同规划水平年的污染负荷量和水质变化，以此为基础研究保护水资源应采取的措施。

（4）工程测量

应用无人机搭载遥感、GPS设备，采集、处理工程测量数据，利用GIS技术实现测量数据可视化，减少外勘人力成本，提高工程测量的精度与效率，便于数据成果的合理应用。

3.2 应用技术深入

（1）GIS技术发掘

随着GIS技术的发展，多种空间数据结构（如“真三维”、“时空四维”）［7］应运而生，面向对象的数据模型和实用的界面语言正处于高速发展阶段，数据自动输入技术不断完善，各行各业GIS应用模型开发力度不断加大，GIS的网络共享能力（web-GIS）不断增强。在这样的大环境中，水利与GIS的结合必将更加深入，具体表现为水利数据信息的表达将趋于多维度、丰富性、立体性、共享性，水利应用模型将趋于结构化、可扩展性，形成整个水利行业的GIS综合管理平台，逐渐打开GIS综合系统与水利专业系统共存共荣的局面。

（2）相关技术集成

鉴于水利空间数据的时间性和复杂性，单一的GIS技术很难满足水利要素的处理要求。因此，在水利工程的应用中，“3S”技术（全球定位系统GPS、遥感RS、地理信息系统GIS）、无人机技术的集成已成为必然的发展趋势。GPS为GIS的快速定位和更新提供手段，遥感技术的多谱段、多时相、多传感器和多分辨率的特点，为GIS不断注入“燃料”，反过来又可利用GIS支持从遥感影像数据中自动提取语义和非语义信息，而无人机则可作为遥感设备提供载体［7］。利用无人机航拍，GPS和RS赋予了GIS实时、动态属性。3S技术整体结合所构成的水利地理信息系统是高度自动化、实时化的GIS系统。这种系统不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能，而且能够分析和运用数据，为水利各学科应用提供科学的决策咨询。

多媒体地理信息系统（MGIS）将文字、图形（图像）、声音、色彩、动画等技术融为一体，为GIS应用开拓了新的领域和广阔的前景［8］。它能够以最直观的方式表达和感知空间地理信息，以形象化的、可触摸（触屏）的甚至声控对话的人机界面操纵空间地理信息处理的技术。应用MGIS的水利地理信息系统将对结构、功能及应用模式的设计产生极大的影响，使得各类信息的表现形式更丰富，更灵活，更友好。