GIS技術在供水系統中的應用與發展
摘要：介紹了GIS技術的組成、 發展 及產業化，論述了GIS 應用 于供水系統規劃設計、運行管理的現狀和發展前景，以及深度開發專業性GIS及提高其應用水平的途徑。
關鍵詞：地理信息系統 圖形數據管理 供水系統 gis
1 GIS技術發展概況
在新興的信息產業中，GIS(Geographic Information System,地理信息系統)作為集 計算 機 科學 、地 理學 、測繪遙感學、環境科學、城市科學、空間科學和管理科學及相關學科等為一 體的新興邊緣學科，近30年來迅速興起。GIS將計算機技術和空間地理分布數據相結合，通過系統建立、空間操作與模型 分析 ，為地球科學、環境科學和工程設計、乃至 企業 管理等方面的規劃、管理和決策提供有用的信息。 目前 GIS在國內外應用領域已相當廣泛，不但成功地應用于測繪、制圖、資源和環境等領域，而且已成為城市規劃、公共設施管理、工程建設等的重要工具，此外GIS還進入了軍事戰略分析與決策、商務策劃、文教衛生乃至人們日常活動的各種領域中。據估計，人類活動80%的信息量與地理信息系統密切相關，因此GIS開發和應用的前途和容量是不可限量的。目前GIS被認為是21世紀支柱性產業，是信息產業的重要組成部分。“九五”期間國家 科技 部已將GIS列為“重中之重”的項目，并重點支持發展我國的GIS產業。
自20世紀60年代加拿大Tomlison博士提出地理信息系統的概念以后，在60年代中期加拿大首次建立了CGIS。于70年代開始，美國推出了兩個著名的GIS：即美國環境系統 研究 所(ESRI) 開發的ARC/INFO和美國商業部人口普查局開發的TIGER系統。這兩個GIS系統提出的關于地理 信息的組織方式，對GIS發展產生了深遠的 影響 。經過30多年、幾個階段的發展，數據庫的結構設計、空間數據的處理與分析及GIS通用軟件等都已發展成為較成熟的 理論 體系。特別是80年代以來，GIS軟件的商品化已在全世界全面展開，先后出現了聞名于世的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價、土壤侵蝕控制、水資源調查與管理、 社會 經濟 規 劃、災害評估以及野生動植物保護等方面得到廣泛應用。
我國的GIS發展較歐美先進國家起步約晚15年左右，但發展速度并不很慢。1994年9月，我國國家測繪總局與美國ARC/INFO總部簽定了合作的ARC CHINA計劃。1997年國家環保局用世界 銀行技援項目“ 中國 省級環境信息系統建設”，在我國27個省建立了省級環境信息中心。僅以GIS在城市方面的應用就有城市自來水、城市煤氣、城市規劃、城市地下管線、城市環境、城市道路、城市土地等不勝枚舉，至于其他各方面的應用諸如環境監測、水土流失、礦產資源、投資評價等更是屢見不鮮。所有這些都標志著GIS在我國的成長與發展。
目前，新一代的GIS軟件技術——即ComGIS(Components GIS,組件式GIS)和WebGIS(Word Wid e Web GIS,萬維網GIS)已迅速興起。ComGIS將GIS的各大功能模塊劃分為幾個控件，根據用戶需要，將實現各種功能的控件集成，即構成了GIS應用系統。ComGIS與傳統的GIS相比，其優勢在于它不依賴于某一種開發語言，便能嵌入到通用的開發環境(如：Visual Basic、De lphi等)中實現GIS功能;或將其他軟件功能(包括由高級語言如C++、FORTRAN開發 的其他專 業性模型)引入到GIS中，使軟件的可配置性、可擴展性和開發性更強，更易于GIS的推廣應用。而WebGIS是Internet技術與GIS相結合的產物，是利用WWW技術對傳統GIS的改造和發展 ，目前尚處于試驗研究階段，其最終目標是通過WWW使得GIS成為大眾使用的技術和工具，即在WWW任意一個節點上的Internet用戶都可以瀏覽檢索Web GIS上的各種空間信息，進行各種空間分析與預測、空間推理和決策等，從而使GIS進入千家萬戶。因此，ComGIS和WebGIS 被視為當今GIS技術的重要發展方向。
2 GIS在供水系統中的應用與發展
目前，GIS在國內供水系統中的應用集中在輸配水管網的日常管理中，如上海、深圳、唐山 等城市。天津大學環境工程系也曾根據供水企業的要求，先后以北京大學的Citystar和中國 地質大學(武漢)的MAPGIS為軟件開發平臺，建立了城市供水管網管理系統，實現了供水管網 圖形數據和屬性數據的計算機錄入、修改;對管線及各種設施進行屬性查詢、空間定位以及定性、定量的統計、分析;對各類圖形(包括管線的橫斷面圖和縱斷面圖)及統計分析報表顯示和輸出;除此之外，還為爆管、漏水事故的搶修、維修提供關閘方案及相關信息，從而基本實現了供水管網的信息化管理。通過GIS的集成，使管網圖形庫、屬性數據庫及外部數據庫融為一體，不僅圖文并茂、準確高效，而且易于動態更新，從而大大提高了管網管理工作的效率和質量。
當然，GIS應用于供水系統所產生的功效還遠不止于此。就GIS本身而言，對空間數據的管理只是最基本的功能，而更深刻的內涵在于GIS的空間分析、模型分析所產生的信息，能夠對 自然 過程或決策方案進行模擬和趨勢預測，以便從中選擇最優方案，避免管理和決策的失誤。
因此，GIS在供水系統中的應用，就不能僅僅作為一個圖形庫和數據庫只是停留在管網日 常管理的水平上，還應該利用GIS分析、模擬與預測的強大功能，與專業理論、 方法 相結合，進行深度開發，為管網規劃設計、建設施工、各種運行狀態下的優化調度以及事故搶修等提供決策支持。
目前我國大、中城市管網更新改造的任務逐年加大，迫切需求實用的管網水力分析及擴建改造優化設計的軟件系統。然而，盡管近年來有關管網優化設計理論和方法的研究日趨成熟 ，但其應用并不廣泛，究其原因就在于優化模型的建立及其解法與編程，對于部分設計人員來講難度較大，尤其是擴建、改造方面的優化，不僅涉及的 問題 比較復雜，而且往往需要龐大的數據量。而解決這一難題的有效辦法就是將管網計算理論、系統優化理論與GIS相結合 ，憑藉GIS強大的空間數據管理功能，利用GIS上的實際管網圖構造出管網計算圖形，并從GI S的屬性數據庫中提取有關數據，通過編制計算程序，進行管網水力工況分析。在此基礎上再將GIS的 網絡 分析與優化模型的建立及求解融合在一起，建立一個管網擴建、改造優化的 輔助設計系統。這樣不僅將優化設計的思想、方法滲透到管網建設中，有利于城市供水管網 的合理布局與科學調整，為日后管網的優化調度奠定良好的基礎;而且通過GIS將管網大量 的基礎數據、水力分析計算、優化設計計算以及設計方案輸出等集成為易于操作的專業軟件 ，為設計人員的實際應用提供了極大方便。
設計優化的最終目的是運行優化。一個大型、復雜的管網做到安全可靠、經濟合理的運行并非易事。從長遠目標來看，根據可靠、準確的管網運行資料，建立管網數學模型，并據此對 管網運行工況進行動態模擬，是實現管網優化運行的必經之路。而在管網建模過程中，GIS以其獨特的優勢，將作為對管網運行實施信息模擬不可替代的工具。在GIS的支持下，管網的結構參數和狀態參數融為一體，可以利用GIS數字高程模型，模擬管網水壓分布狀態， 并以二維或三維圖形直觀顯示;也可以在多水源管網中尋求管網內供水分界線的變化 規律 ，以合理設置供水分界地帶的測壓點，并確定各測壓點之間的相關關系，為優化調度提供決 策依據。
此外，GIS的空間分析、網絡分析還可用于管道施工、管網維修預案和管網事故搶修決策等 方面。如在管網建設施工中，利用GIS的緩沖區(Buffer)模型，對將要敷設的管道進行緩沖區分析，并將計算出的緩沖區與數字高程模型迭加，計算其工程土方量。又如在未來的管網事故緊急搶修時，可以采用GIS與GPS相結合，一方面通過GPS系統準確獲取搶修車的地面位置和路網 交通 狀況，并將數據實時傳送給GIS，計算最短行車路線;另一方面利用GIS的關閥搜索、管網狀態仿真模型，快速分析事故的影響范圍和影響程度，模擬管網動態變化，以便調度管網有關設施，確保供水服務質量。顯然與傳統的事故處理相比，上述技術方案充分 顯示出 現代 信息技術高效率的優勢。
以上列舉的各項只是GIS在輸配水系統中的部分應用，實際上GIS在供水系統中還可用于水資 源規劃與管理、地面水水質模型、地下水水質保護以及GIS結合專家系統實現供水系統區域優化等眾多領域[1、2]，并將日益發揮更大的功效。
GIS在供水系統中進一步開發應用的前景十分廣闊。而跟蹤GIS技術的發展，選擇一個成熟、 優秀的GIS平臺，對于許多用戶來說則是至關重要的。目前，雖然國際上已推出了許多優秀的GIS工具軟件，但使用國內自行開發的GIS工具軟件具有明顯的優勢，不僅有較高的性能價格比，有漢字功能，而且便于系統的維護和升級。近年來國產GIS軟件中，比較著名的有北京大學的Citystar和中國地質大學(武漢)的MAPGIS，前者在實現3S技術(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平臺進行二次開發，并在用戶使用與開發者研制的過程中日趨完善。
3 結束語
GIS作為世界性的高 科技 領域學科和技術體系已滲透到各行各業，而隨之建立的各專業性的GIS軟件所要解決的 問題 是專業性不夠強，尤其是高層次的 應用 模型很少，而這在很大程上決定了GIS實用性的優劣與成敗。當然GIS在各專業的綜合、深化應用，首先要取決于地 理信息建模系統(Geographic Information Modelling System)的完善和支持，但同時更需 要專業人員的積極參與，尤其是在新一代組件式GIS的開發研制中，這樣才能不斷拓寬GIS在 本專業的應用范圍，提高應用水平，使其由一個偏重于信息采集、管理、統計 分析 與處理的技術系統，逐漸 發展 成為功能強大的決策支持系統或專家系統，在未來的信息 時代 發揮更大的作用。
參考 文獻 ：
[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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