GIS技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展
摘要：介紹了GIS技術(shù)的組成、 發(fā)展 及產(chǎn)業(yè)化，論述了GIS 應(yīng)用 于供水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，以及深度開(kāi)發(fā)專業(yè)性GIS及提高其應(yīng)用水平的途徑。
關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng) 圖形數(shù)據(jù)管理 供水系統(tǒng) gis
1 GIS技術(shù)發(fā)展概況
在新興的信息產(chǎn)業(yè)中，GIS(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))作為集 計(jì)算 機(jī) 科學(xué) 、地 理學(xué) 、測(cè)繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)和管理科學(xué)及相關(guān)學(xué)科等為一 體的新興邊緣學(xué)科，近30年來(lái)迅速興起。GIS將計(jì)算機(jī)技術(shù)和空間地理分布數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過(guò)系統(tǒng)建立、空間操作與模型 分析 ，為地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程設(shè)計(jì)、乃至 企業(yè) 管理等方面的規(guī)劃、管理和決策提供有用的信息。 目前 GIS在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛，不但成功地應(yīng)用于測(cè)繪、制圖、資源和環(huán)境等領(lǐng)域，而且已成為城市規(guī)劃、公共設(shè)施管理、工程建設(shè)等的重要工具，此外GIS還進(jìn)入了軍事戰(zhàn)略分析與決策、商務(wù)策劃、文教衛(wèi)生乃至人們?nèi)粘；顒?dòng)的各種領(lǐng)域中。據(jù)估計(jì)，人類活動(dòng)80%的信息量與地理信息系統(tǒng)密切相關(guān)，因此GIS開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的前途和容量是不可限量的。目前GIS被認(rèn)為是21世紀(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)，是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。“九五”期間國(guó)家 科技 部已將GIS列為“重中之重”的項(xiàng)目，并重點(diǎn)支持發(fā)展我國(guó)的GIS產(chǎn)業(yè)。
自20世紀(jì)60年代加拿大Tomlison博士提出地理信息系統(tǒng)的概念以后，在60年代中期加拿大首次建立了CGIS。于70年代開(kāi)始，美國(guó)推出了兩個(gè)著名的GIS：即美國(guó)環(huán)境系統(tǒng) 研究 所(ESRI) 開(kāi)發(fā)的ARC/INFO和美國(guó)商業(yè)部人口普查局開(kāi)發(fā)的TIGER系統(tǒng)。這兩個(gè)GIS系統(tǒng)提出的關(guān)于地理 信息的組織方式，對(duì)GIS發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的 影響 。經(jīng)過(guò)30多年、幾個(gè)階段的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、空間數(shù)據(jù)的處理與分析及GIS通用軟件等都已發(fā)展成為較成熟的 理論 體系。特別是80年代以來(lái)，GIS軟件的商品化已在全世界全面展開(kāi)，先后出現(xiàn)了聞名于世的ARC /INFO、SYSTEM—9、INTERGRAPH、GENAMAP等大型GIS軟件及SPAM、ILWIS、MAPINFO、ATLA S 等中小型軟件。這些軟件都已在土地評(píng)價(jià)、土壤侵蝕控制、水資源調(diào)查與管理、 社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 規(guī) 劃、災(zāi)害評(píng)估以及野生動(dòng)植物保護(hù)等方面得到廣泛應(yīng)用。
我國(guó)的GIS發(fā)展較歐美先進(jìn)國(guó)家起步約晚15年左右，但發(fā)展速度并不很慢。1994年9月，我國(guó)國(guó)家測(cè)繪總局與美國(guó)ARC/INFO總部簽定了合作的ARC CHINA計(jì)劃。1997年國(guó)家環(huán)保局用世界 銀行技援項(xiàng)目“ 中國(guó) 省級(jí)環(huán)境信息系統(tǒng)建設(shè)”，在我國(guó)27個(gè)省建立了省級(jí)環(huán)境信息中心。僅以GIS在城市方面的應(yīng)用就有城市自來(lái)水、城市煤氣、城市規(guī)劃、城市地下管線、城市環(huán)境、城市道路、城市土地等不勝枚舉，至于其他各方面的應(yīng)用諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、水土流失、礦產(chǎn)資源、投資評(píng)價(jià)等更是屢見(jiàn)不鮮。所有這些都標(biāo)志著GIS在我國(guó)的成長(zhǎng)與發(fā)展。
目前，新一代的GIS軟件技術(shù)——即ComGIS(Components GIS,組件式GIS)和WebGIS(Word Wid e Web GIS,萬(wàn)維網(wǎng)GIS)已迅速興起。ComGIS將GIS的各大功能模塊劃分為幾個(gè)控件，根據(jù)用戶需要，將實(shí)現(xiàn)各種功能的控件集成，即構(gòu)成了GIS應(yīng)用系統(tǒng)。ComGIS與傳統(tǒng)的GIS相比，其優(yōu)勢(shì)在于它不依賴于某一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，便能嵌入到通用的開(kāi)發(fā)環(huán)境(如：Visual Basic、De lphi等)中實(shí)現(xiàn)GIS功能;或?qū)⑵渌浖δ?包括由高級(jí)語(yǔ)言如C++、FORTRAN開(kāi)發(fā) 的其他專 業(yè)性模型)引入到GIS中，使軟件的可配置性、可擴(kuò)展性和開(kāi)發(fā)性更強(qiáng)，更易于GIS的推廣應(yīng)用。而WebGIS是Internet技術(shù)與GIS相結(jié)合的產(chǎn)物，是利用WWW技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)GIS的改造和發(fā)展 ，目前尚處于試驗(yàn)研究階段，其最終目標(biāo)是通過(guò)WWW使得GIS成為大眾使用的技術(shù)和工具，即在WWW任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的Internet用戶都可以瀏覽檢索Web GIS上的各種空間信息，進(jìn)行各種空間分析與預(yù)測(cè)、空間推理和決策等，從而使GIS進(jìn)入千家萬(wàn)戶。因此，ComGIS和WebGIS 被視為當(dāng)今GIS技術(shù)的重要發(fā)展方向。
2 GIS在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展
目前，GIS在國(guó)內(nèi)供水系統(tǒng)中的應(yīng)用集中在輸配水管網(wǎng)的日常管理中，如上海、深圳、唐山 等城市。天津大學(xué)環(huán)境工程系也曾根據(jù)供水企業(yè)的要求，先后以北京大學(xué)的Citystar和中國(guó) 地質(zhì)大學(xué)(武漢)的MAPGIS為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建立了城市供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng) 圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)錄入、修改;對(duì)管線及各種設(shè)施進(jìn)行屬性查詢、空間定位以及定性、定量的統(tǒng)計(jì)、分析;對(duì)各類圖形(包括管線的橫斷面圖和縱斷面圖)及統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表顯示和輸出;除此之外，還為爆管、漏水事故的搶修、維修提供關(guān)閘方案及相關(guān)信息，從而基本實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)的信息化管理。通過(guò)GIS的集成，使管網(wǎng)圖形庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)及外部數(shù)據(jù)庫(kù)融為一體，不僅圖文并茂、準(zhǔn)確高效，而且易于動(dòng)態(tài)更新，從而大大提高了管網(wǎng)管理工作的效率和質(zhì)量。
當(dāng)然，GIS應(yīng)用于供水系統(tǒng)所產(chǎn)生的功效還遠(yuǎn)不止于此。就GIS本身而言，對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理只是最基本的功能，而更深刻的內(nèi)涵在于GIS的空間分析、模型分析所產(chǎn)生的信息，能夠?qū)?自然 過(guò)程或決策方案進(jìn)行模擬和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，以便從中選擇最優(yōu)方案，避免管理和決策的失誤。
因此，GIS在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，就不能僅僅作為一個(gè)圖形庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)只是停留在管網(wǎng)日 常管理的水平上，還應(yīng)該利用GIS分析、模擬與預(yù)測(cè)的強(qiáng)大功能，與專業(yè)理論、 方法 相結(jié)合，進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，為管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、各種運(yùn)行狀態(tài)下的優(yōu)化調(diào)度以及事故搶修等提供決策支持。
目前我國(guó)大、中城市管網(wǎng)更新改造的任務(wù)逐年加大，迫切需求實(shí)用的管網(wǎng)水力分析及擴(kuò)建改造優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)。然而，盡管近年來(lái)有關(guān)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法的研究日趨成熟 ，但其應(yīng)用并不廣泛，究其原因就在于優(yōu)化模型的建立及其解法與編程，對(duì)于部分設(shè)計(jì)人員來(lái)講難度較大，尤其是擴(kuò)建、改造方面的優(yōu)化，不僅涉及的 問(wèn)題 比較復(fù)雜，而且往往需要龐大的數(shù)據(jù)量。而解決這一難題的有效辦法就是將管網(wǎng)計(jì)算理論、系統(tǒng)優(yōu)化理論與GIS相結(jié)合 ，憑藉GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理功能，利用GIS上的實(shí)際管網(wǎng)圖構(gòu)造出管網(wǎng)計(jì)算圖形，并從GI S的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中提取有關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)編制計(jì)算程序，進(jìn)行管網(wǎng)水力工況分析。在此基礎(chǔ)上再將GIS的 網(wǎng)絡(luò) 分析與優(yōu)化模型的建立及求解融合在一起，建立一個(gè)管網(wǎng)擴(kuò)建、改造優(yōu)化的 輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這樣不僅將優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想、方法滲透到管網(wǎng)建設(shè)中，有利于城市供水管網(wǎng) 的合理布局與科學(xué)調(diào)整，為日后管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度奠定良好的基礎(chǔ);而且通過(guò)GIS將管網(wǎng)大量 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水力分析計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算以及設(shè)計(jì)方案輸出等集成為易于操作的專業(yè)軟件 ，為設(shè)計(jì)人員的實(shí)際應(yīng)用提供了極大方便。
設(shè)計(jì)優(yōu)化的最終目的是運(yùn)行優(yōu)化。一個(gè)大型、復(fù)雜的管網(wǎng)做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行并非易事。從長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)來(lái)看，根據(jù)可靠、準(zhǔn)確的管網(wǎng)運(yùn)行資料，建立管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此對(duì) 管網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的必經(jīng)之路。而在管網(wǎng)建模過(guò)程中，GIS以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將作為對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)施信息模擬不可替代的工具。在GIS的支持下，管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)融為一體，可以利用GIS數(shù)字高程模型，模擬管網(wǎng)水壓分布狀態(tài)， 并以二維或三維圖形直觀顯示;也可以在多水源管網(wǎng)中尋求管網(wǎng)內(nèi)供水分界線的變化 規(guī)律 ，以合理設(shè)置供水分界地帶的測(cè)壓點(diǎn)，并確定各測(cè)壓點(diǎn)之間的相關(guān)關(guān)系，為優(yōu)化調(diào)度提供決 策依據(jù)。
此外，GIS的空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析還可用于管道施工、管網(wǎng)維修預(yù)案和管網(wǎng)事故搶修決策等 方面。如在管網(wǎng)建設(shè)施工中，利用GIS的緩沖區(qū)(Buffer)模型，對(duì)將要敷設(shè)的管道進(jìn)行緩沖區(qū)分析，并將計(jì)算出的緩沖區(qū)與數(shù)字高程模型迭加，計(jì)算其工程土方量。又如在未來(lái)的管網(wǎng)事故緊急搶修時(shí)，可以采用GIS與GPS相結(jié)合，一方面通過(guò)GPS系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取搶修車的地面位置和路網(wǎng) 交通 狀況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給GIS，計(jì)算最短行車路線;另一方面利用GIS的關(guān)閥搜索、管網(wǎng)狀態(tài)仿真模型，快速分析事故的影響范圍和影響程度，模擬管網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化，以便調(diào)度管網(wǎng)有關(guān)設(shè)施，確保供水服務(wù)質(zhì)量。顯然與傳統(tǒng)的事故處理相比，上述技術(shù)方案充分 顯示出 現(xiàn)代 信息技術(shù)高效率的優(yōu)勢(shì)。
以上列舉的各項(xiàng)只是GIS在輸配水系統(tǒng)中的部分應(yīng)用，實(shí)際上GIS在供水系統(tǒng)中還可用于水資 源規(guī)劃與管理、地面水水質(zhì)模型、地下水水質(zhì)保護(hù)以及GIS結(jié)合專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)區(qū)域優(yōu)化等眾多領(lǐng)域[1、2]，并將日益發(fā)揮更大的功效。
GIS在供水系統(tǒng)中進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用的前景十分廣闊。而跟蹤GIS技術(shù)的發(fā)展，選擇一個(gè)成熟、 優(yōu)秀的GIS平臺(tái)，對(duì)于許多用戶來(lái)說(shuō)則是至關(guān)重要的。目前，雖然國(guó)際上已推出了許多優(yōu)秀的GIS工具軟件，但使用國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)的GIS工具軟件具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅有較高的性能價(jià)格比，有漢字功能，而且便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)GIS軟件中，比較著名的有北京大學(xué)的Citystar和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)的MAPGIS，前者在實(shí)現(xiàn)3S技術(shù)(GIS、RS、GPS)一 體化方面較為出色;后者在圖形處理、空間分析及用戶界面等方面更勝一籌，二者已被許多用戶選為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并在用戶使用與開(kāi)發(fā)者研制的過(guò)程中日趨完善。
3 結(jié)束語(yǔ)
GIS作為世界性的高 科技 領(lǐng)域?qū)W科和技術(shù)體系已滲透到各行各業(yè)，而隨之建立的各專業(yè)性的GIS軟件所要解決的 問(wèn)題 是專業(yè)性不夠強(qiáng)，尤其是高層次的 應(yīng)用 模型很少，而這在很大程上決定了GIS實(shí)用性的優(yōu)劣與成敗。當(dāng)然GIS在各專業(yè)的綜合、深化應(yīng)用，首先要取決于地 理信息建模系統(tǒng)(Geographic Information Modelling System)的完善和支持，但同時(shí)更需 要專業(yè)人員的積極參與，尤其是在新一代組件式GIS的開(kāi)發(fā)研制中，這樣才能不斷拓寬GIS在 本專業(yè)的應(yīng)用范圍，提高應(yīng)用水平，使其由一個(gè)偏重于信息采集、管理、統(tǒng)計(jì) 分析 與處理的技術(shù)系統(tǒng)，逐漸 發(fā)展 成為功能強(qiáng)大的決策支持系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，在未來(lái)的信息 時(shí)代 發(fā)揮更大的作用。
參考 文獻(xiàn) ：
[1] Daene C Mckinney,David R Maidment,Mustafa Tanriverdi.Expert Geogra phic Information System for Texas Water Planning[J].Journal of Water Resources Planning And Management,1993,119(2).
[2]Carol P Baker,Margaret DEin Bradley,Sofia M Kaczor Bobiak. Wellhead Protection Area Delineation:Linking Flow Model with GIS[J].Journal of Water R esources Planning And Management,1993,119(2).
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