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GIS技術在供水系統中的應用與發展

放大字體  縮小字體    發布日期:2009-07-14  來源:測繪網  作者:admin  瀏覽次數:397
核心提示:    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 1GIS技術發展概

 

    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?;顒拥母鞣N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?!熬盼濉逼陂g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:
 ?。?] 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).
 ?。?]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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