水资源综合评价中的信息管理系统
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发布时间：2022-04-22 04:02
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时间：2023-06-29 23:40
尹红美
（河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，新乡，453002）
摘要 目前，GIS技术在我国水资源评价、规划和管理中的应用处于起步阶段，其应用的深度和广度还有待进一步拓展。GIS因其技术上的特点，在区域水资源评价、规划和管理的各个环节中，分别有着各自的工作方法和特点。例如，在数据的收集阶段，由于GIS支持遥感、站点、社会调研等调查手段，还可以利用所提供的技术能力，完成数据格式的相互转换，从而使各种水资源及其开发利用的原始数据得以完善使用。因此，GIS技术应用的重点在于拓展数据调查的广度和深度，为开展水资源评价、规划和管理等工作提供条件和强大的技术支撑。
关键词 GIS信息 管理 水资源
1 GIS的概念及特点
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS），产生于20世纪60年代，最初的定义是“用来存储、提取、分析地理信息的软件系统”。在几十年的发展中，地理信息系统的能力不断提高，应用不断扩大，定义也随之不断拓展。1996年美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）的Michael G在“地理信息系统与环境模拟”会议上给出的GIS定义为：“在世纪化地理信息这个大题目下的广泛的行为活动。”地理信息系统（GIS）是综合处理和分析空间数据的技术，它的发展为科研和管理决策人员提供了有关区域综合、方案优选和战略决策等方面可靠的地理和空间信息。主要内容的特点是：
1.1 空间模型
它可以将现实世界抽象为相互联结不同特征的层面（layer）组合，进行空间的查询和分析。
1.2 地理参考系
空间数据包括绝对位置信息（经纬度坐标）以及相对位置信息（统计调查值等），GIS的地理坐标系可有效帮助用户在地球表面任意空间定位。
1.3 矢量和栅格数据结构
GIS数据包括矢量和栅格两种基本模式。矢量数据以点、线、面方式储存管理，是表现离散空间、特征的最佳方式；栅格数据是通过一系列网格单元表达连续地理特征。
2 GIS的应用前景
近年来随着GIS技术从外围到内核上的进展，使得GIS的能力不断增强，应用范围也不断扩大。GIS自身同时具备了解决水资源问题的能力，在水资源领域的应用条件逐渐成熟起来，其技术上的拓展使区域水资源评价、规划和管理中的应用成为可能，具体表现在以下三个方面：
2.1 计算机技术和互联网的飞速发展
GIS受益于计算机硬件近年来令人惊叹的长足进步，大量数据的高速处理能力使GIS的实际应用范围急剧扩大，并且硬件的性能提高和GIS软件价格的下降为GIS的推广、普及提供了基础。另外，网络系统是GIS软件采用分布式结构的基础，高性能数据处理机服务器和人机交互与客户机配合使用（client/sever），有效地处理了效率和成本之间的矛盾。GIS同时跟进采用了这些技术。
2.2 大规模数字化地理信息的出版
随着GIS的普及，对数字化信息的需求越来越迫切。一个明显的趋势是大型的数字化地理信息产品不断推向市场，另外开始把数据库和常用必需的GIS功能整合成产品，客户可以直接使用，发布的信息种类也由初期的基本地形图扩大到专业数据上。1998年ESRI发行的“First Dtreet—With Tiger 94 files”。
就是一个完整的覆盖了全美国的GIS数据库。在万维网上也已经有大量的免费数据提供使用。这些数据有的是样品，有的是各类公司和组织的服务。例如美国联邦*紧急灾害处理中心FEMA的河流数据库在万维网上免费提供各地区水灾风险的水文信息供民众参考。中国测绘局与ESRI合作发行的“中国数字地图”是中国*出版的第一个全国1∶100万的数字地图，包括了道路、河流、居民、行政边界等基本要素，是中国出版大型GIS数据库的开端。
2.3 地理学的发展
地理学是GIS的科学基础，为信息科学提供了空间定位检索分析的规律和技术，也提供了整合地理信息特征的空间数据和属性数据的构架和依据。地理学的迅速发展极快地改变着GIS的面貌。在GIS成功地描述大量的地理现象后，已经开始进一步用于模拟地理的变化过程。例如图论网络功能在GIS的成功实现，为模拟水文、交通、管网等地理过程创造了条件；又如Arc/Infor Grid对扩散现象的描述，为模拟运动过程提供了条件。三维模型表达的实现，也同时增强了真实地理现象的能力。Arc/INGO Tin和ArcView 3D Analyst的广泛应用是很好的实例。ArcView和Map Object和GPS的结合也提供了条件。
3 GIS在水资源综合评价中信息管理系统的功能
3.1 直观、理性的可视化功能
常用的CAD软件如AUTOCAD等，往往图形能力强而相对属性数据的管理能力弱，所以一般只能作绘图使用。而地理信息系统由于其对空间数据和属性数据的综合分析能力，弥补了其他工具纯图形、纯数字的缺陷，而使空间数据的图形表现和属性数据的空间分析有了很大程度的提高，因而可以提供一个直观、理性的可视化工具。可视化可促进建立概念及提高对事物的观察力。
3.2 大量空间数据的储存和管理功能
与人们早期对数据的掌握不同，今天是数据爆炸的时代。正如Naibitt所说：“我们第一次拥有如此众多的数据，这些数据不仅仅是自新的，而且是再生的。问题的关键不在于他们是否够用，而在于我们将会被他们所淹没”。这些空间的、非空间的数据，静态的、动态的表示在GIS中可以实现。以数据库管理系统为支持之一的GIS，开发了对大型数据库储存、管理的能力，并提供了对数据快速查询的功能。ARC/INFOR开发的SDE（Special Database Engine），作为一个高性能的空间数据库管理系统，提供了用户对超大型地理数据库的访问能力。通过SDE对以百万个数据查询的响应时间小于0.03s，从1500万个点中选择8000个点中的响应时间小于0.04s。使用者可以获得快速和适时的结果。在管理容量越来越复杂的情况下，建立超大型的数据库是必要的。必须有一个综合统一的系统来管理数据，数据的已知性和完整性才能得到保证。GIS为大量的区域水环境的空间数据提供了储存和管理的能力。
在水资源综合评价管理系统中，可以完成各种地图信息的输入编辑，建立地图数据文件，主要有矢量和栅格两种数据类型。在系统的支持下，还可以对与水资源相关的所有图形按图幅范围、图幅表示内容、图幅比例尺以文件方式逐级管理。
GIS支持多种形式的空间数据方式，并可通过数据的转换使之为区域水资源管理服务。传统的现场测量数据一般是将地图数据输入数据库，而随着GIS和相关的CPS的发展，使GPS获得的数据可以直接提供给GIS使用，遥感的结果经过人工解译或计算机解译也可直接纳入GIS的数据库中。GIS对空间数据多种表现形式的支持使空间信息可以直接为区域水资源管理服务，并使水资源管理工作得到全面、多层次地体现。
3.3 提供良好的数据维护和更新功能
GIS提供了图幅变形矫正、接边、核对等空间数据维护技术，空间数据的增加、删除和更改在数据库中可以很快得到实现。另外，通过网络分布式管理，可以使更新的数据迅速地体现在相应的模块并传递给相应的应用客户。GIS这种良好、快速的数据维护和更新能力，从长远来看，提高了水资源管理的时间效益。
3.4 基于空间的数据分析功能
基于GIS的水资源综合评价信息管理系统提供了查询、叠加、分类、网络、邻近、数字高程模型等空间数据的分析功能。
3.4.1 查询和量算
GIS提供的查询和量算功能可以进行空间数据和属性数据的相互量算。通过地理信息系统查询和量算的功能，可以实现图文互查，首先，可以按属性信息的要求来查询空间信息的位置（即“文查图”）和按空间位置来查询属性信息（即“图查文”）。其次，可以实现系统中点、线、面元素的相互查询。例如，从线到点的查询可以实现对某一线性元素如河流上点元素（排污口）的信息查询（位置、特征等）。
3.4.2 叠加
叠加的基本思路是：在利用地图进行资源评价和土地利用规划过程中，人们认为地球表面的各个要素不是彼此地进行作用，而是相互影响、综合地进行作用的。因此，有必要进行综合的、多学科的评价。进行这类综合评价工作的一个简单方法是在一个透明的正面上复合（叠加）各种资源地图的透明拷贝，然后在叠加的地图上寻找各种属性恰好适宜的地点。这种方法与计算机技术结合，在网格纸上打印出需要值来制作单因素地图，叠加这些网络值，用行式打印机字符叠加的方式产生适宜的灰度来表示综合评价的值，这就是基于网格的GIS。最终信息系统中的叠加是把分散到不同层上的空间和属性信息按相同的空间位置叠加在一起，成为新的一层。叠加的过程主要是对空间信息及其相应属性信息进行集合的交、并、补的运算，也可以进一步对属性做其他运算。
3.4.3 分类
分类的目的是为了把复杂的事物进行简化，从而便于进一步地思考和分析。人类正是借助分类的方法来揭示自然界的内在规律。实质上，对空间数据的分类，就是对空间信息的分析过程。GIS对区域水环境管理提供了从单元素到多元素的分类方法，并提供了自动分类的有效功能。
3.4.4 网络分析
网络分析功能的涵义是借助线性要素的组合来描述某种资源或物质在空间上的运动，借助网络分析，通过线性阻抗等方法的计算，可以实现路径选择、负荷估算、职员分配、时间和距离的统计等。在基础设施的布点分析等方面，网络分析都有很好的应用价值。
3.5 数字高程模型
与一般的点、线、面不同，自然地形是一个连续起伏变化的表面，往往没有明确的边界。传统的地图制图，常常用等高线来表示地形、地貌。从二维的角度，等高线便于视觉观察和分析，也可做手工的量算。但把等高线作为数据存储起来，不便于计算机进行分析，而且手工方式产生等高线费时费力，为此，产生了以计算机为基础的数字高程模型（DEM）或数字地形模型（DTM）。通过对数字高程模型的点、线、面赋予特殊的属性、高程，可以使其变成三维的表面模型。数字高程模型提供了对空间属性数据的直观分析，可以用于代表分析、汇流路径分析。
水资源综合评价的目的在于了解水源的数据、质量及其时空分布、水资源开发利用现状等，以达到*人类自身活动，合理开发和高效利用水资源，防止水资源的污染和再生环境的破坏，从而保护人类生存和经济社会的稳定发展。水资源管理是一种克服人类经济社会生活的盲目性和主观随意性的科学管理与决策活动。近年来随着计算机的发展和GIS技术的进步，带来了这种科学决策和管理信息的新方法，改进了以往水资源管理的工作方法，因而基于GIS的信息管理技术是当前最先进的科学管理方法。在水资源评价、规划和管理方面，很强的图形显示功能和带有时间的三维GIS，有利于水文水资源工作者研究流域或区域的水文空间分布，并有助于了解降雨、地表水和地下水等在时间和空间上的变化情况。地理信息系统以管理大量的空间属性见长，可以作为空间属性数据的有效管理工具。应用地理信息系统，可以管理、分析、处理大容量的空间属性数据，特别是水文水资源各要素中的应用，解决了水文、气象和水文地质等分析工作中长期以来存在的数据量不足和信息量不丰富的问题。同时，当前地理信息系统的低成本趋势、具有实时预报的特点和数据的可持续利用，在水资源评价、规划和管理领域中具有广泛的应用前景。
