□殷同生（信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

淺析GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用

□殷同生（信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

地理信息系統(tǒng)在管理水文空間數(shù)據(jù)及其研究上具有重大的意義，不僅可以作為水文水資源領(lǐng)域中重要的應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)在該領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)上擁有強(qiáng)大的技術(shù)支撐。文章首先簡(jiǎn)要說(shuō)明了GIS具有的功能與特點(diǎn)，其次詳細(xì)介紹了GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，包括水資源管理、防洪減災(zāi)和GIS與水文專業(yè)模型的融合等6個(gè)不同方面。同時(shí)依據(jù)目前GIS技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢(shì)及其對(duì)水資源領(lǐng)域研究的巨大貢獻(xiàn)，對(duì)GIS在水文水資源中的未來(lái)應(yīng)用趨勢(shì)做出了相關(guān)分析。

GIS；水文水資源；應(yīng)用

0 引言

由于水文水資源研究領(lǐng)域和內(nèi)容的不斷拓展與深入，將目前快速發(fā)展的GIS(GeographicInformationSystem)技術(shù)用于水資源領(lǐng)域研究，具有重大意義。GIS技術(shù)的應(yīng)用，在水文水資源領(lǐng)域的相關(guān)研究與開(kāi)發(fā)方面做出了重大的貢獻(xiàn)[1]。GIS所具有的功能主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面[2]：一是信息處理能力，即采集、提取和分析具有典型空間特征與動(dòng)態(tài)性特征數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行管理與輸出；二是分析與預(yù)測(cè)能力，通過(guò)地理科學(xué)的融入，地學(xué)模型對(duì)區(qū)域空間分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)更顯優(yōu)勢(shì)；三是決策參考依據(jù)，參與數(shù)據(jù)編輯與管理的技術(shù)多元化，其應(yīng)用性和可靠性都將大幅提升。文章通過(guò)對(duì)GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用范圍進(jìn)行闡述，并對(duì)其應(yīng)用前景作出相關(guān)分析，以此來(lái)說(shuō)明GIS在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

隨著集成化與智能化GIS技術(shù)的發(fā)展，其在水文水資源領(lǐng)域的研究意義將更大。多功能、高精度和現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)的時(shí)態(tài)GIS技術(shù)已成為發(fā)展主流，可為水文水資源的相關(guān)研究提供量多高效的信息與資料。

1 GIS在水文水資源中的應(yīng)用概述

地理信息系統(tǒng)可以看作是一種以分析處理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)，地理信息本身所具有的特點(diǎn)可以決定GIS技術(shù)在研究水資源領(lǐng)域時(shí)普遍應(yīng)用的前景。從20世紀(jì)80年代至今，GIS技術(shù)從數(shù)據(jù)管理、多源數(shù)據(jù)集數(shù)字化輸入和繪圖輸出、DEM或DTM模型的使用、GIS結(jié)合環(huán)境評(píng)價(jià)模型的擴(kuò)展分析以及GIS與決策支持系統(tǒng)(DSS)[3]的集成，逐步發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)GIS[4]，得到更廣泛的應(yīng)用。以下將對(duì)GIS技術(shù)在水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃應(yīng)用、水資源管理、防洪減災(zāi)、空間決策支持系統(tǒng)[5]、水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS與水文專業(yè)模型的融合[6]等方面的應(yīng)用做出簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1.1 水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃應(yīng)用

大量空間信息在水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃應(yīng)用中體現(xiàn)，例如水文站控制斷面位置、實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)和地形地貌等多種屬性數(shù)據(jù)，GIS技術(shù)可以對(duì)以上擁有時(shí)維性特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、管理、分析、模擬和顯示等操作。水資源計(jì)算和評(píng)價(jià)模型可以利用GIS技術(shù)來(lái)建立，依據(jù)事實(shí)情況對(duì)水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)可在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，建立不同的以各種影響因子構(gòu)成的專題圖層，并對(duì)圖層進(jìn)行疊加處理，使其對(duì)水資源進(jìn)行快速、合理的評(píng)價(jià)及規(guī)劃。

1.2 水資源管理

水文包括降水、流量和水位等基本信息，此外還包括汛、旱情信息、水質(zhì)信息，同時(shí)結(jié)合了多種不同類型的信息，如地形地貌、水文地質(zhì)條件、氣象、河流水系、土壤植被、水利工程等。GIS擁有對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行不同復(fù)雜處理、多元信息疊加和空間屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合的功能，可以為相應(yīng)部門提供決策基礎(chǔ)。其數(shù)據(jù)管理和分析的可視性，通過(guò)交互式圖形處理與自動(dòng)制圖工具的運(yùn)用而不斷增強(qiáng)，并使水文信息的管理與應(yīng)用效率得到了提升。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化水文信息管理必然是未來(lái)水資源管理發(fā)展的趨勢(shì)。

1.3 防洪減災(zāi)

當(dāng)前，GIS技術(shù)在防洪減災(zāi)中主要包括管理平臺(tái)、災(zāi)情評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃和城市防洪4個(gè)方面的應(yīng)用?；诜篮樾畔⒐芾硐到y(tǒng)的決策支持平臺(tái)能夠更好地將時(shí)間數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，同時(shí)采用GIS具有的空間分析能力對(duì)防洪決策進(jìn)行信息輔助[7]，從而使結(jié)果預(yù)測(cè)與表達(dá)準(zhǔn)確；災(zāi)情評(píng)估方面，主要發(fā)揮GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力，多層次整合和管理空間數(shù)據(jù)與各種屬性數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)洪水災(zāi)害的演變進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從而為災(zāi)情數(shù)據(jù)的提取、評(píng)估提供有利的技術(shù)支持；在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的分析與區(qū)劃環(huán)節(jié)，需要模擬計(jì)算不同洪水發(fā)生概率與強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，此過(guò)程需要利用GIS技術(shù)對(duì)給予相應(yīng)權(quán)重的自然、社會(huì)等各種因素進(jìn)行空間疊加分析，隨之進(jìn)行災(zāi)害分析與區(qū)劃；城市防洪越來(lái)越受到學(xué)者們的關(guān)注，馬鎮(zhèn)等使用GIS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)研發(fā)了哈爾濱市的城市防洪體系[8]，該體系在防洪警報(bào)、防洪預(yù)案與洪澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)上作用明顯，在城市防洪搶險(xiǎn)與管理決策中做出巨大貢獻(xiàn)。

1.4 空間決策支持系統(tǒng)

空間決策支持系統(tǒng)(SDSS)是一種基于常規(guī)決策支持系統(tǒng)與GIS技術(shù)的新型信息系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)使用大量數(shù)據(jù)及模型，使該系統(tǒng)盡最大可能縮小理論與實(shí)踐之間的差別，同時(shí)運(yùn)用GIS對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)空間分析，服務(wù)于水文水資源規(guī)劃、評(píng)價(jià)和工程實(shí)施。

1.5 水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)

GIS在水文水資源領(lǐng)域中應(yīng)用的核心是空間數(shù)據(jù)庫(kù)，其具有存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)種類多樣等特點(diǎn)。在應(yīng)用中要建立如雨情、水情數(shù)據(jù)庫(kù)等具有水文特色的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與其他數(shù)據(jù)相結(jié)合，如基本的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等。只有連接服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)報(bào)汛數(shù)據(jù)庫(kù)才能保障數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)查詢的功能，創(chuàng)建并存儲(chǔ)洪水預(yù)警預(yù)報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新與插值處理后獲得最新的災(zāi)情信息。

1.6 GIS與水文專業(yè)模型的融合

GIS技術(shù)可以和評(píng)價(jià)或者預(yù)測(cè)模型有效結(jié)合，是由于其在數(shù)據(jù)輸入輸出與處理方面均能很好地應(yīng)用，顯示了GIS技術(shù)同模型的集成。對(duì)單個(gè)指標(biāo)的空間分析與多個(gè)圖層的加權(quán)疊加分析都能通過(guò)GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是它不能進(jìn)行地下水的轉(zhuǎn)化過(guò)程與運(yùn)移規(guī)律的模擬，因此將GIS技術(shù)同水文專業(yè)模型進(jìn)行結(jié)合，是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)與研究重點(diǎn)。

以GIS與分布式水文模型結(jié)合為例：GIS在模型中所起的作用有以下4個(gè)方面：（1）空間數(shù)據(jù)管理。模型中的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)可以通過(guò)GIS來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)具有對(duì)GIS管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索、更新和維護(hù)等操作功能；（2）提取水文特征。如可以通過(guò)GIS軟件對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度坡向計(jì)算、流域劃分和河網(wǎng)提取等操作；（3）模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。在制備流域土壤類型圖、植被分布圖與地下水埋深圖等符合水文模型要求的空間數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用GIS中的空間分析與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化功能；（4）可視化與再分析：通過(guò)ArcGIS的二次開(kāi)發(fā)，將水文模型和ArcGIS集成，使水文模型界面化，實(shí)現(xiàn)可視化并進(jìn)一步分析。

2 GIS在水文水資源中的應(yīng)用趨勢(shì)

GIS集成了多學(xué)科信息技術(shù)，是搭建在此基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)平臺(tái)與綜合環(huán)境，并且是對(duì)不同領(lǐng)域信息與不同信息源進(jìn)行協(xié)調(diào)的理想技術(shù)。目前，多功能、多目標(biāo)與多層次集一體的評(píng)價(jià)分析模型與空間決策支持系統(tǒng)可以通過(guò)GIS實(shí)現(xiàn)，為了跟上社會(huì)發(fā)展潮流，GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用功能需要升級(jí)轉(zhuǎn)化。

2.1 空間決策支持系統(tǒng)是GIS應(yīng)用的重要分支

空間決策支持系統(tǒng)(SDSS)是一種基于常規(guī)決策支持系統(tǒng)與GIS技術(shù)的新型信息系統(tǒng)，就近年的發(fā)展來(lái)看，其具有廣闊的發(fā)展前景。目前，GIS技術(shù)在空間數(shù)據(jù)的管理與分析上具有很好的體現(xiàn)，但是其缺少針對(duì)復(fù)雜對(duì)象空間問(wèn)題的解決能力，如：區(qū)域規(guī)劃、功能分區(qū)等問(wèn)題的決策能力，其應(yīng)用能力難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要。因此，GIS技術(shù)應(yīng)用于空間決策支持系統(tǒng)將具有遠(yuǎn)大發(fā)展前景。

2.2 GIS是數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的重要手段

目前大多數(shù)主流GIS應(yīng)用軟件都是將數(shù)據(jù)庫(kù)作為核心，而將應(yīng)用模型同模型管理技術(shù)和應(yīng)用模型同GIS技術(shù)相結(jié)合的研究將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。這些復(fù)雜的應(yīng)用模型將能夠?yàn)樯鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供直接有效的信息，可以促使GIS逐漸成為高效精確的決策支持系統(tǒng)。

2.3 多維GIS技術(shù)是在水資源領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展方向

近幾年，三維GIS在水資源研究領(lǐng)域逐漸成為熱門的研究項(xiàng)目，但是地下水文和礦山等真三維現(xiàn)象大部分的GIS軟件都無(wú)法對(duì)其進(jìn)行處理分析[9]，只有IVM系統(tǒng)和SGM系統(tǒng)等少數(shù)GIS軟件可以對(duì)真三維現(xiàn)象進(jìn)行分析，但其在幾何建模與分析功能上有著一定的不足。因此，三維GIS技術(shù)的發(fā)展具有廣闊的應(yīng)用前景[10]。

在水資源研究過(guò)程中，研究某一時(shí)刻的水文地質(zhì)條件，即將時(shí)間序列添加在三維上，將形成四維GIS，其對(duì)水災(zāi)、地震、暴雨、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害研究具有重要意義。獲取時(shí)間序列數(shù)據(jù)的能力同三維模型結(jié)合，才能更好地滿足社會(huì)需要，同時(shí)在三維GIS成熟發(fā)展的基礎(chǔ)上才能更好地發(fā)展與完善四維GIS。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，GIS技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍將更加廣泛、功能更加強(qiáng)大，而GIS技術(shù)在水資源研究與管理中應(yīng)用的意義將更大。建立一種GIS與水資源綜合性較強(qiáng)的信息系統(tǒng)是一件難度非常大的事情。但是GIS技術(shù)在水資源中的應(yīng)用很明顯對(duì)水資源研究與管理領(lǐng)域的發(fā)展具有不可或缺的促進(jìn)作用；同時(shí)，水資源領(lǐng)域的研究與管理對(duì)GIS技術(shù)方面的需求具有重大的促進(jìn)作用；隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展與社會(huì)需求的不斷變化，不斷有人認(rèn)識(shí)到，水資源科學(xué)與地理信息系統(tǒng)是一個(gè)重要的、不間斷發(fā)展的概念，它們所包含意義也將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。

（責(zé)任編輯：邢博輝）

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1673-8853（2016）09-0031-02

2016-05-12