GIS技術在水利工程中的應用展望

王 蕾，楊 洋，趙彤彬

（1.西安迪飛科技有限責任公司，陜西 西安 710018；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100；3.陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018）

1 GIS技術概述

20世紀60年代，世界上第一個GIS（加拿大地理信息系統(tǒng)CGIS）誕生，其核心是用計算機來處理和分析具有空間屬性地理信息。GIS技術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。20世紀以來，計算機和網(wǎng)絡技術日的新月異極大地推進了GIS在我國的發(fā)展進程，由于應用后能夠明顯地提高工作效率和經(jīng)濟效益，因此，GIS技術已成為資源與環(huán)境各領域應用中不可或缺的前沿技術。

近20年，我國經(jīng)濟水平持續(xù)增長，人民生活質量穩(wěn)步提高，同時，水資源需求與水資源利用率相對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)代信息技術手段緩解這一矛盾。為有效地利用水資源，在當前條件下最大限度地發(fā)揮水利工程的調節(jié)作用，減少建設、管理人員的投入量，GIS技術作為信息化的體現(xiàn)之一，在水利工程各環(huán)節(jié)中的應用范圍不斷擴大，應用層次也逐漸深入。通過近年來的發(fā)展，GIS的應用形式已從最初單純的可視化應用過渡為集合分析、模擬、預測等多位一體的復雜應用，功能也提升為對多時期的地理信息變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程統(tǒng)一打包的應用。實踐表明，通過使用GIS系統(tǒng)，有利于設計人員對工程進行總體規(guī)劃，方便施工人員對實施過程進度和質量把控，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技術在水利工程中的應用

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。運用GIS技術，矢量化地理信息數(shù)據(jù)，搭建水利工程地理信息平臺，能夠直觀地展示工程環(huán)境，結合水利資料，實現(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用主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）水利工程規(guī)劃

GIS技術廣泛應用于水庫選址、復雜工程布局、工程測量［2］、庫容量計算、開挖土石方量計算、工程建設監(jiān)測［3］、工程變形監(jiān)測等方面，促使水利工程規(guī)劃、管理科學發(fā)展。

（2）水資源管理

運用GIS技術能夠確定水資源分區(qū)，建立科學有效的管理模式，分析水資源量，直觀地展示水資源分布和數(shù)量的動態(tài)變化，有助于實現(xiàn)水資源的合理利用。

（3）防洪減災

GIS應用主要表現(xiàn)在防汛決策支持系統(tǒng)［4］和洪災損失評估，它以GIS為基礎，實現(xiàn)了決策方案、防汛信息、損害范圍的直觀化和形象化表達，為全國防汛決策提供有力的技術支撐。

（4）水土保持

利用GIS技術能夠進行水土流失預測和動態(tài)監(jiān)測［4］，查詢、統(tǒng)計、分析土地分區(qū)和土地利用情況，有利于重點區(qū)域水土流失綜合治理措施的制定，提升治理效果。

（5）水質監(jiān)測

建立GIS水質監(jiān)測應用平臺，能夠掌握水質的實時動態(tài)變化，及時辨析污染源頭，有利于地表水、地下水儲量分析，模擬水量調度，提高水資源利用水平。

（6）水文預報

通過GIS技術，整合水文基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基礎背景數(shù)據(jù)管理，對空間和屬性數(shù)據(jù)的查詢，統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及顯示檢索，為水文預報提供基礎數(shù)據(jù)支撐［5］。

3 GIS技術應用展望

隨著計算機技術的發(fā)展，GIS技術在水利工程應用的內(nèi)容已從結合地理要素的水利信息查詢展示發(fā)展到利用GIS空間運算完成水利信息的分析、計算、模擬與統(tǒng)計。近年來，結合遙感、GPS等前沿技術，構建3D、4D地理信息系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)多維度水工建筑仿真應用已成為水利信息化應用新趨勢（如三維可視化洪水淹沒分析與災情評估系統(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了GIS在水利應用中的高速發(fā)展，縱觀發(fā)展歷史，水利GIS應用的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為應用內(nèi)容的發(fā)散性擴展及應用技術的融合性集成。

3.1 應用內(nèi)容擴展

利用GIS技術，實現(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效性和準確性，有利于管理和決策。因此，今后GIS技術將逐漸覆蓋水利行業(yè)的各個方面，促使水利信息化進一步發(fā)展。

（1）洪水模擬

利用洪水歷史資料，結合GIS平臺，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；運用GIS技術，進行上下游洪水演進模擬分析，促使建立一定洪水標準下合理的蓄、滯、泄關系及管理措施等。

（2）供水預案

建立供水、需水、蓄水地理信息管理平臺，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保證措施。

（3）水質分析

實現(xiàn)水質采集自動化，分析地質、水質信息的地理屬性，應用GIS技術研究土壤侵蝕分區(qū)；分析各類可能污染源；利用歷史資料，模擬預測不同規(guī)劃水平年的污染負荷量和水質變化，以此為基礎研究保護水資源應采取的措施。

（4）工程測量

應用無人機搭載遙感、GPS設備，采集、處理工程測量數(shù)據(jù)，利用GIS技術實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)可視化，減少外勘人力成本，提高工程測量的精度與效率，便于數(shù)據(jù)成果的合理應用。

3.2 應用技術深入

（1）GIS技術發(fā)掘

隨著GIS技術的發(fā)展，多種空間數(shù)據(jù)結構（如“真三維”、“時空四維”）［7］應運而生，面向對象的數(shù)據(jù)模型和實用的界面語言正處于高速發(fā)展階段，數(shù)據(jù)自動輸入技術不斷完善，各行各業(yè)GIS應用模型開發(fā)力度不斷加大，GIS的網(wǎng)絡共享能力（web-GIS）不斷增強。在這樣的大環(huán)境中，水利與GIS的結合必將更加深入，具體表現(xiàn)為水利數(shù)據(jù)信息的表達將趨于多維度、豐富性、立體性、共享性，水利應用模型將趨于結構化、可擴展性，形成整個水利行業(yè)的GIS綜合管理平臺，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）相關技術集成

鑒于水利空間數(shù)據(jù)的時間性和復雜性，單一的GIS技術很難滿足水利要素的處理要求。因此，在水利工程的應用中，“3S”技術（全球定位系統(tǒng)GPS、遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS）、無人機技術的集成已成為必然的發(fā)展趨勢。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點，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)中自動提取語義和非語義信息，而無人機則可作為遙感設備提供載體［7］。利用無人機航拍，GPS和RS賦予了GIS實時、動態(tài)屬性。3S技術整體結合所構成的水利地理信息系統(tǒng)是高度自動化、實時化的GIS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能，而且能夠分析和運用數(shù)據(jù)，為水利各學科應用提供科學的決策咨詢。

多媒體地理信息系統(tǒng)（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動畫等技術融為一體，為GIS應用開拓了新的領域和廣闊的前景［8］。它能夠以最直觀的方式表達和感知空間地理信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機界面操縱空間地理信息處理的技術。應用MGIS的水利地理信息系統(tǒng)將對結構、功能及應用模式的設計產(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 結語

毋庸置疑，水利GIS應用的基礎是地理空間數(shù)據(jù)和水利專題要素數(shù)據(jù)，相關專業(yè)（如測量專業(yè)）的發(fā)展將對其產(chǎn)生明顯的限制或促進作用。因此，GIS在水利工程中的應用水平應依據(jù)各專業(yè)的發(fā)展穩(wěn)步提高，防止閉門造車，構建海市蜃樓。

復雜技術集成的GIS在水利工程上的應用將會成為今后一段時期內(nèi)水利信息化的主要趨勢。搭建集工程規(guī)劃、建設、管理為一體的水利工程綜合地理信息平臺，能夠實時、有效地展示工程運行情況，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。

［1］劉林寧.地理信息系統(tǒng)在水利工程中的應用探討［J］.農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2016，27（18）：65.

［2］鞠尊洲.3S技術在水利工程測量中的應用［J］.科技信息（學術研究），2008（14）：239-240.

［3］李蕾.淺談在水利工程建設管理中信息技術的應用［J］.建設科技，2016（17）：93.

［4］王芳，卜倩倩.探析計算機地理信息系統(tǒng)在水利中的應用［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2015（03）：154.

［5］趙曉敏，李本懷.GIS技術在水文預報中的應用—以長春新立城水庫為例［J］.水利技術監(jiān)督，2013，21（02）：64-66.

［6］劉丹，劉萍，樊耔均.GIS在水利現(xiàn)代化中的應用和發(fā)展趨勢［J］.硅谷，2012，5（24）：43+42.

［7］張會玲.GIS技術應用及未來發(fā)展趨勢［J］.信息系統(tǒng)工程，2012（04）：98-99.

［8］董鳳服，劉洋.GIS技術的發(fā)展趨勢［J］.網(wǎng)絡與信息，2007（08）：65.