GIS在地下水監(jiān)測、管理中的應(yīng)用

張曉環(huán)

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

GIS在地下水監(jiān)測、管理中的應(yīng)用

張曉環(huán)

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

GIS當(dāng)前處入快速發(fā)展時期，隨著軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等的換代更新，將更好地應(yīng)用于各行各業(yè)。針對地下水監(jiān)測、管理工作過程中，所涉及的信息很大一部分都與空間相關(guān)，綜合闡述GIS在地下水監(jiān)測、管理中的應(yīng)用。

地下水;GIS管理

地下水監(jiān)測是系統(tǒng)獲得第一手水文地質(zhì)信息的有效手段，在地下水管理中具有不可替代的作用［1］。而不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自不同的觀測系統(tǒng)、監(jiān)測手法，具有來源復(fù)雜、格式多樣、尺度不同等特點，因此，采用先進的技術(shù)平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理存儲、管理、更新與有效的分析是解決以上問題的關(guān)鍵。

GIS技術(shù)在國外發(fā)展于本世紀(jì)60年代，我國則始于80年代，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已步入快速發(fā)展階段。它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對地理數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)處理、管理的對象是多種地理空間實體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題［2］。

1 GIS在地下水監(jiān)測上的應(yīng)用

對地下水的有多方面的監(jiān)測，張周平等人應(yīng)用GIS實現(xiàn)了對地面沉降與地下水位的監(jiān)測，以SuperMap作為開發(fā)平臺，采用ORACLE公司的ORACLE數(shù)據(jù)庫與 SuperMap SDB數(shù)據(jù)引擎，在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)地面沉降與地下水位動態(tài)監(jiān)測的科學(xué)化和自動化管理［3］;ESRI建立了地下水地理信息系統(tǒng)，管理有害物質(zhì)對加州地下水的污染;王旭東等人運用ArcGIS、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和水質(zhì)評價模型建立天津市地下水環(huán)境質(zhì)量評價系統(tǒng)，實時動態(tài)對地下水質(zhì)污染狀況進行監(jiān)測并預(yù)測發(fā)展趨勢，做得控制污染源［4］。戴長雷等人，選擇應(yīng)用軟件開發(fā)工具 Visual Basic 6.0、數(shù)據(jù)庫設(shè)計工具Microsoft SQL Sever 2000、組件式 GIS應(yīng)用開發(fā)工具 MapObjects設(shè)計了基于GIS的地下水監(jiān)測管理信息系統(tǒng)(GMSMIS)，能夠以信息共享模式提供地下水監(jiān)測信息的統(tǒng)計、分析、查詢等信息服務(wù)，運用圖表、文字、圖形等方法使監(jiān)測信息更直觀化、形象化，進而進一步規(guī)范地下水資源優(yōu)化調(diào)度和日常管理，為評價、管理和決策提供信息基礎(chǔ)平臺［5］。

2 GIS在地下水管理上的應(yīng)用

EL.Kai等人將GIS作為模型外殼，建立二維數(shù)值模擬模型，用于數(shù)據(jù)管理和模型的前后處理;Maidment應(yīng)用GIS做了比利時Voer流域的降水和徑流相關(guān)情況的空間分析，為該流域的地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)度與管理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)［6］;K.E.Kenneth在 GIS環(huán)境下，建立了地下水勘探開發(fā)、模擬、評價與管理系統(tǒng)［7］;武強等研究開發(fā)了以 Mapinfo為平臺的塔里木盆地地下水資源管理系統(tǒng)［8］;戴長雷等人開發(fā)了基于地下水信息管理系統(tǒng)分析［9］;楊旭等人采用組建式GIS技術(shù)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、集成方式等方面完成了地下水動態(tài)管理系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了地下水動態(tài)管理［10］。陳佩佩等人基于GIS技術(shù)開發(fā)的徐州市地下水資源信息系統(tǒng)，為地下水資源管理決策者提供了方便快捷的現(xiàn)代化管理工具［11］;丁尚起等人采用 GIS，.NET和3D技術(shù)建立了塘沽地下水資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了地下水相關(guān)資料的管理、查詢、分析以及輔助決策和三維展示功能［12］。

3 GIS在地下水監(jiān)測、管理應(yīng)用原理

GIS是一個技術(shù)手段并非追求目標(biāo)，以通過GIS實現(xiàn)對地下水的監(jiān)測、管理。GIS是一門學(xué)科也是一門技術(shù)，同時還是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。GIS在地下水監(jiān)測、管理上的應(yīng)用主要是利用GIS的關(guān)鍵技術(shù)(GIS軟件平臺、二次開發(fā)平臺)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)或GIS相關(guān)理論、理念等，設(shè)計、定制與開發(fā)一個管理系統(tǒng)，對地下水進行監(jiān)測與管理。

3.1 獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)

利用GIS對地下水領(lǐng)域的監(jiān)測與管理需要獲取地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。首先確定監(jiān)測區(qū)與監(jiān)測內(nèi)容，布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)點，提取監(jiān)測信息，有動態(tài)監(jiān)測信息與非動態(tài)監(jiān)測信息，形成監(jiān)測點的空間數(shù)據(jù)，帶有明確坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值、唯一標(biāo)識碼，并錄入到監(jiān)測點所對應(yīng)的點要素的屬性表中以便進行空間分析與處理。

3.2 數(shù)據(jù)庫的建立

將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)對其進行錄入，可采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對其進行存儲管理。監(jiān)測數(shù)據(jù)是大量與空間地理位置相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，并非單純的屬性數(shù)據(jù)，因此，目前較多系統(tǒng)二次開發(fā)采用ORACLE進行管理，并基于ArcGIS的空間數(shù)據(jù)庫引擎(ArcSDE)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管理。是否需要采取海量數(shù)據(jù)庫引擎需根據(jù)數(shù)據(jù)量及分布情況再另行考慮(特定監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測網(wǎng)點數(shù)量、內(nèi)容);并對不同用戶對數(shù)據(jù)庫訪問設(shè)置不同權(quán)限，以保證數(shù)據(jù)的安全性與一致性。

3.3 監(jiān)測、管理系統(tǒng)的研發(fā)、定制

開發(fā)語言可選擇VB，也可選用VC或其他的語言，并基于ArcEngine進行二次研發(fā)，遵循B/S+，C/S體系結(jié)構(gòu)，可采用ArcIMS技術(shù)，實現(xiàn)分布式管理，并實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入、輸出、查詢、修改、分析、統(tǒng)計、可視化等，以便對地下水進行監(jiān)測、管理。各個功能如下:

3.3.1 輸入

監(jiān)測管理系統(tǒng)形成的第一步，輸入過程包括監(jiān)測點空間數(shù)據(jù)的數(shù)字化:將獲取的硬拷貝數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學(xué)法則，進行數(shù)字化，特定的投影、特定的坐標(biāo)系，錄入與空間數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，單井基本信息、抽水試驗資料、參數(shù)數(shù)據(jù)、歷史和實時、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等;系統(tǒng)建立完成后，可實時將動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，以期進一步分析、管理與應(yīng)用。

3.3.2 查詢

通過友好的查詢界面實現(xiàn)對單個機井的基本情況(水位、水量、水質(zhì)、結(jié)構(gòu)與地層、文檔等)進行查詢?yōu)g覽的功能，空間幾何實體與屬性數(shù)據(jù)的鏈接，可按照屬性與空間位置對一項或多項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢并高亮顯示，也可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程憑權(quán)限對數(shù)據(jù)進行查詢。

3.3.3 修改更新

不同的用戶有不同的權(quán)限，具有修改權(quán)限的用戶根據(jù)采集資料對數(shù)據(jù)庫進行更新。更新內(nèi)容包括新增加的監(jiān)測數(shù)據(jù)，修改變動的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.3.4 分析

通過地下水參數(shù)等以及一定的地下水分析模型對地下水水量、水質(zhì)分析評價。系統(tǒng)分析模型的建立是實現(xiàn)分析效果好壞的關(guān)鍵。

3.3.5 統(tǒng)計

將水質(zhì)數(shù)據(jù)中的各水質(zhì)評價指標(biāo)按時序以二維或三維的柱狀或曲線圖表達(dá);可定制專業(yè)報表:水質(zhì)報表、水位報表、土質(zhì)實驗成果報表;制作鉆孔資料柱狀圖，按指定數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制鉆孔結(jié)構(gòu)剖面圖，并提供打印輸出功能;水質(zhì)檢驗，對數(shù)據(jù)庫中水質(zhì)數(shù)據(jù)按不同孔號進行水質(zhì)檢驗，并列出檢驗結(jié)果。

3.3.6 可視化

可視化即將分析結(jié)果以形象直觀為特性輸出分析、查詢結(jié)果?？梢暬ǘS、三維。二維就是制作專題地圖，統(tǒng)計報表也可與專題地圖結(jié)合;三維即在數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)中載入高程數(shù)據(jù)，可生成DEM，即進行線性拉伸，實現(xiàn)地形的三維可視化，將分析結(jié)果更形象、更直觀的展現(xiàn)在用戶面前，供用戶進行決策參考。

3.4 系統(tǒng)的維護

一個系統(tǒng)要長期有效運行，對其進行維護是不可缺少的工作。主要包括數(shù)據(jù)庫的維護、分析模塊的優(yōu)化、系統(tǒng)整體優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文首先從GIS在國內(nèi)、外監(jiān)測、管理上的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上以ESRI公司產(chǎn)品系列為例提出了GIS在監(jiān)測、管理中的一般原理。

基于GIS技術(shù)對地下水進行監(jiān)測、管理，效率的高低受較多因素影響:采集的技術(shù)手段，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的采集頻率;計算機軟硬件的技術(shù);更大一部分依賴于分析模型的設(shè)計與優(yōu)化。技術(shù)人員需有地下水方面的相關(guān)知識，同時用戶溝通，做好需求分析，這也是監(jiān)測管理的重點。

當(dāng)然，對于應(yīng)用平臺、開發(fā)平臺與數(shù)據(jù)庫管理平臺可根據(jù)不同的需求、不同的目標(biāo)、不同的性價比來選取以獲取較高的經(jīng)濟效益、社會效益。

［1］［以］Bachmat Y著.水利部水文司譯.地下水觀測計劃的管理〔M〕.瑞士日內(nèi)瓦:世界氣象組織秘書處.1992.

［2］湯國安，等.地理信息系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社.2000:2.

［3］張周平.西安市地面沉降與地下水位動態(tài)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn):proceedings of the現(xiàn)代工程測量技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研討交流會論文集［C］.2005.

［4］王旭東，等.基于 ArcGIS的天津市地下水環(huán)境質(zhì)量評價系統(tǒng)［J］.南水北調(diào)與水利科技.2003，1(6):13 ～16.

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［9］戴長雷，遲高林.基于gis的地下水信息管理系統(tǒng)分析［J］.世界地質(zhì).2004(02).

［10］楊旭，黃許閭.基于組件式gis的地下水動態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)［J］.地理與地理信息科學(xué).2004，(01).

［11］陳佩佩，等.GIS支持下巖溶地下水資源信息系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.中國巖溶.2000，19(1):28～34.

［12］丁尚起.濱海新區(qū)塘沽地下水資源管理系統(tǒng)［J］.山西建筑.2010，36(26).

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1004－1184(2012)03－0079－02

2012－02－03

張曉環(huán)(1982－)，女，廣西柳州人，在讀碩士研究生，主攻方向:數(shù)字高程模型。