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GIS技术及其在水文水资源的应用发展摘要本文综述了GIS(地理信息系统)在水文水资源领域的应用现状与最新研究进展文章首先对GIS技术进行了简要论述,然后介绍了GIS在水文水资源领域的应用现状,最后结合目前GIS领域的热点问题,对GIS的发展前景进行了展望,并提出了今后地理信息系统在水文学和水资源管理领域应用发展的建议,为GIS技术在我国水资源领域的应用发展提供借鉴关键词地理信息系统;水文学;水资源管理
1.GIS简介上世纪60年代,加拿大地理信息系统(CGIS)的建立,标志着地理信息系统作为一门科学而诞生地理信息系统(GIS)是这样一种空间信息系统,即在计算机软硬件系统支持下,具有对地球表面(包括大气层)空间中和地理分布有关的数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述等功能(汤国安等2010)o近年来GIS在计算机科学、数学、测绘科学、地理学等诸多学科快速发展的拉动下得到迅猛发展它以地理空间数据库为基础,采用空间模型分析方法,实时提供相关信息,用于综合研究、资源开发、区域发展规划、环境保护、灾害防治、环境评价和决策管理等方面(王小兵2005)o随着计算机技术的飞速发展,GIS在水文学及水资源管理领域的发展非常迅速,美国测绘研究会(ACSM)及美国摄影测量与遥感学会(ASPRS)在1986年年会上的GIS专题交流中,已有一些GIS在水文学及水资源管理应用中的研究成果问世自20世纪90年代以来,GIS应用一直是水资源学科中的一个热点课题1993年,在美国阿拉巴马州莫比尔市举行的“地理信息系统和水资源专题讨论会”就GIS在地下水模型、水质、水资源管理和环境评价等方面的应用进行了讨论国际水文科学协会(IAHS)1993年在维也纳召开了“地理信息系统在水文学与水资源管理中的应用”专题会议,1995年在美国科罗拉多大学召开水资源系统模拟与管理专题学术会议,1996年又在维也纳召开了GIS在水文学及水资源中的应用专题国际会议可见,GIS技术在水资源领域的应用约有20年的历史,下面就GIS在水资源领域中的应用现状进行论述(徐中华等2005)o
2.GIS在水文水资源应用现状地理信息系统作为一种应用技术是以处理空间数据为基础的,而地理信息的特点决定了GIS技术在水资源领域可以得到广泛应用的前景自20世纪80年代至今,GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出、DEM或DTM模型的使用、GIS结合环境评价模型的扩展分析、GIS与决策支持系统(DSS)的集成,逐步发展到网络GIS(李清元2000),得到越来越广泛的应用
2.1GIS技术在地下水中的应用20世纪90年代以来,GIS技术在地下水领域中得到了广泛应用,使该领域发生了深刻的变化以GIS为核心的管理决策信息支持系统MDSS开始中现,管理决策信息支持系统利用数库、模型库、方法库及很好的人机会话的图形部件,帮助决策者进行半结构化或非结构化决策于海英和曹剑峰1997管理决策信息支持系统有2种类型
①专用MDSS这是为某一专门目的开发的、目前比较流行的实用地理信息系统,该系统通常具有属性库和图形图像库如美国马里兰州蒙哥马利县的非点源污染模拟地理信息系统NPGIS,用于支持无控制非点源污染空间分布区域的检测和管理,采用模拟模型与GIS结合的方式来评估非点源氮、磷、锌、铅、生物耗氧量和沉淀物质的分布
②通用综合性MDSS该系统由属性数据库、数学模型库、图形图像库等组成,功能强大,可以辅助解决综合性的复杂问题荷兰地学应用研究所TNO以GIS为核心,构建综合性区域水文地质信息系统REGIS,基本思路是以GIS为载体,连接其他数据库系统,把某一区域内的各种地质、水文地质数据和背景资料输入GIS的数据库,构成一个区域水文地质信息系统,然后开发该系统与水文、地下水模拟系统的接口,方便地调用参数,及时地模拟水质、水量变化状态宫辉力和吕卫1996o GIS在地下水模型中的应用多集中在单层或多层区域地下水水流模型方面,可定量地模拟地下水补给量、流量和地下水位,在国外有一些应用,如Roaia和Mcgrath修改了一个地下水模型,使它能够直接读写GIS所用的文件Roaia等用有限元方法结合GIS分析一个地区水流和污染迁移问题在国内,中国矿业大学应用GIS建立的煤矿突水预测系统也得到了应用GIS也可应用在地下水污染方面,法国对奥尔良北部博斯平原的含水层采用GIS技术进行了地下水污染方面的研究,合理地解决了如下问题
①确定污染源密度最大的区域和经过一时段后其空间的变化状况;
②含水层抵御污染的“自然防御能力”和最易受损的部位;
③控制地下水污染的各种因素及其相互作用;
④确定污染源、含水层易损性与地下水水质的相互关系;
⑤了解在各种易污染地区不同污染物对地下水水质的影响及其缓冲机制的有效性宫辉力和吕卫1999o在约旦DhuleiLHalabat和Samra地区,过度使用化肥致使地下水某些成分严重超标为研究地下水中盐分的来源,William Bajjali博士建立了数据库,收集所有可供利用的化学和同位素资料,利用ArcView空间分析功能研究地下水污染和水质特征,调查盐分增加的原因Bajjali2005Lee等在Mok-hyun流域建立了基于GIS的水质管理系统WQMS,利用水污染模型计算污染排放、预测水质Lee etal.
20052.2GIS在环境影响评价方面的应用Hellweger等利用GIS评价、管理和预测玻利维亚有关地区采矿活动对环境的影响,在Arc View环境中开发了3个环境模型,用于评价采矿活动对地表水、地下水和周围空气质量的影响中国环境科学院的郑丙辉等应用GIS定量分析昆明市松华坝水库的流域面源污染,北京大学梁军等应用3s技术建立了滇池流域水体环境动态监测监控系统李本纲和淘
419982.3GIS对水文数据信息的管理与分析由于水文数据的时空分布复杂,涉及地形、地貌、地质构造、水文地质条件、河流水系、水文气象、十壤、植被和水利工程等诸多因子,反映这些因子及各因子间相互关系等的数据量十分庞大,而且有些因子随时间变化很快,其获取、存储、查询、处理费时、费力,地理信息系统为解决上述问题提供了有利的技术手段目前,GIS对水文数据管理包括时空数据的综合、矢量与标量数据的综合、遥感数据处理及作为水文模拟基础的GIS数据管理等魏文秋和于建营1997o同时,利用GIS提供的基本空间分析功能迭置分析、缓冲区分析等对空间信息进行各种复杂的空间运算,可实现多元地理信息的叠加分析,以及图形与属性的双向查询,从而了解空间实体的空间分布特征和空间关系此外,应用表格的统计分析和空间数据的叠加运算,还可对数据进行条件量化分析和定量分析随着GIS的交互式图形(像)处理和自动制图工具的较好运用,增强了数据管理与分析的可视性,将数据管理水平提高到一个新高度(王疆霞等2003)o随着Internet/Intranet的迅速发展,利用Internet技术在Web上发布水文数据信息供用户浏览、使用,也是GIS发展和水文数据管理进步的一种新趋势
3.GIS领域的热点问题近年来,在GIS领域的研究热点问题主要有网格GIS、多维GIS、移动GIS和嵌入式GIS
3.1网格地理信息系统对网格计算的研究始于上世纪90年代,它能够将广域网上的所有数据和计算资源与其他一些设备进行互联组成一个可以实现资源大范围共享的高性能计算网建立在网格计算以及互联网技术基础上的Grid-GIS可以对空间信息资源进行汇集和共享,并进行一体化的组织和处理,能够形成对用户透明的虚拟空间信息资源的超级处理环境,是一种具有按需服务能力的空间信息基础设施网格环境下的GIS相对于传统GIS优势明显(孟令奎等2010孙庆辉等2004)
①空间数据资源的海量特性和动态性;
②空间数据的多元性与标准性的统一;
③空间数据分布性与共享性的统一;
④系统的异够性与统一性;
⑤高度的开放性(孙庆辉等2004刘建英等2006)o
3.2多维地理信息系统3DGIS是建立在2DGIS基础之上,将高度信息与2DGIS中的同等对待,不仅可以表示三维地物,而且能够进行三维空间分析,具有更接近现实世界视觉效果的地理信息系统三维可视化分析则是3DGIS与2DGIS最显著的区别,其表现形式有
①三维景观方式,可以从不同角度、方位和距离观看三维模型表面;
②掀盖层三维景观方式,在三维景观方式基础上,可以先掀开上覆层看到下伏的界面;
③透视三维景观方式,可以透视地看到人们所感兴趣的界面;
④切面方式,能够切开三维模型,从水平、垂直切面上观看三维体的内部详细结构(孙杭和孙芳2009)o3DGIS关键技术有三维GIS数据获取、三维GIS数据管理、完整三维空间数据模型与数据结构、三维GIS数据可视化与分析、三维GIS空间建模等(刘明皓等2010)o近年来针对3DGIS展开的研究主要有三维GIS数据获取和三维GIS空间建模2个方面(朱世才等2006王彦兵等2007)o在地质、矿山、地下水、大气、环境等方面,人们不仅需要研究客观世界的二维分布,更需要研究其三维空间分布甚至与时间有关的时空特征和规律,因此,对于真三维和四维GIS的需求更加迫切,而真四维是在真三维的基础上增加时间维时态GIS,Temporal GIS简言之就是在传统的GIS发展基础上,增加时间以及时间管理机制从而能够跟踪和分析随时间变化的空间、非空间信息的地理信息系统,也被称作4DGIS,时空分析功能是其核心功能理论上GIS中的时间可以分为处理时间和有效时间2类,处理时间是指在GIS中信息处理发生的时间又称系统时间;有效时间又称实际时间是指实际应用中实际发生的时间,TGIS操作对象主要是时空信息,其特点是在系统中增加对时间维的分析表达能力,能够进行对历史和趋势的分析,那么一个完整的TGIS应具备的功能有:
①存储、编辑和管理多时态数据;
②时空信息的查询和检索;
③时空信息分析;
④时空数据库的管理以及时空信息的显示和输出目前关于TGIS的研究主要集中于时空数据的组织(吴正升2010)、时空数据库的实际与实现(王春波2008)、时空数据模型(解福奇等2009刘睿和周晓光2005)等发展多维GIS技术是水资源领域应用的方向之一
3.3移动GIS移动GIS的研究开始于上世纪90年代初期,将Internet上的海量信息与GIS强大的数据分析和处理功能有机结合提供基于位置的服务(LBS),即用户能够获得基于位置信息的信息获取、信息交换、信息共享和信息发布等服务移动GIS是一个集GIS、GPS和移动通信(GSM、GPRS、CDM)于一体的系统,相对于传统的GIS具有以下特点
①无线通信能够与移动GIS各种移动终端进行交互,可以随时随地进行移动;
②能够及时响应用户提出的请求,使用环境的变化,实时处理信息;
③对位置信息依赖性较强;
④移动终端具有多样性(康铭东等2008许颖等2008)
3.4嵌入式地理信息系统Embedded GIS是在嵌入式计算机系统上构建的、集成了地理信息功能的一种高度浓缩、高度精简的GIS软件系统Embedded GIS一般由硬件系统、地理信息软件以及操作系统构成“可裁剪性”则是Embedded GIS最大的特点,即可以通过对数据类别、数据格式以及功能进行裁剪,从而既可以节省系统容量又能够提高系统运行速度因此,节省存储量则是Embedded GIS设计与开发的必须遵循的基本原则一个完整的Embedded GIS应该具备3方面基本功能
①对地图进行显示、缩放、漫游等基本的地图操作功能;
②根据需求进行图层的打开、关闭、隐藏等操作;
③结合具体应用的查询、检索、分析以及导航等功能(李斌兵2009张正栋等2005)o
4.GIS在水文水资源方面的发展趋势GIS从诞生之日起经过近50年的发展,在理论、技术、应用、市场化等方面均取得了较大进展,但也存在着一些有待深入研究的问题
①基础理论,GIS从本质上来说是测绘科学、地理学、数学、计算机科学等多学科交叉集成的产物,如何充分利用多学科发展的最新成果来促进GIS的发展以及在理论方面仍需加以突破;
②发展“3S”集成技术GPS(全球定位系统)、RS(遥感)、GIS(地理信息系统)(简称“3S”)产生的时间不一,理论基础和技术特点也不尽相同,但它们的学科性质是相通的,即共同研究、表达和分析地球科学信息,在逐步发展过程中构成了相辅相成的关系,三者的结合覆盖了信息采集、处理和分析的全过程,使GPS、RS、GIS构成的卫星对地观测系统成为地球系统科学研究的重要手段实现“3S”-体化,将使GIS具有获取准确,快速定位信息的能力,实现数据库的快速更新并在分析决策模型支持下,快速完成多维、多元复合分析“3S”技术最终将形成新型的地面三维信息的实时或准时获取与处理系统,这对于水文学研究和水资源管理领域的发展具有深远的意义
③空间分析与信息处理,空间分析与信息处理是GIS的核心功能,为了满足空间信息在快速实时化获取处理的要求,海量化数据获取、管理、共享以及空间分析智能化方面需要进一步研究;
④地理信息产业化,地理信息产业近年来已经成为信息产业的一部分,在市场规模化、市场标准化以及产业人员整体素质方面需要加以规范和提高;
⑤GIS应用,解决实际问题则是GIS研究开发的终极目的,尽管GIS在交通、农业、地质等多领域得到成功地应用,但从应用深度与广度来说并不是十分理想随着GIS在理论、行业应用以及产业化方面的深入研究,必将促进GIS发展进入一个更高的阶段王小兵和孙久运2012o
⑥迄今开发的大部分系统的可视化功能还存在着画面单调、运行速度慢等缺点,因此,开发界面友好的系统,特别是图形、图像界面的开发应用以及计算机图形、图像模拟技术的研究是当前一个值得重视的课题
⑦目前,一些GIS软件包中均提供了网络分析功能,但它们只适用于街道网络的交通线路安排和资源分配等由于水流与交通车流的特征不同,需要对.目前GIS网络分析模型中所采用的算法作进一步改进,才能适用于水资源领域
⑧将GIS、人工智能AI、专家系统ES、模拟等技术有机地综合,无疑将在未来的水文学和水资源管理领域得到最广泛的应用
4.1空间决策支持系统SDSS是GIS技术应用的重要分支GIS经过30年的发展,已经从实现存储信息、建立数据库、查询检索、统计分析和自动绘图等基本功能转向建立多功能、多目标、多层次的专业化评价分析模型、智能化的专家系统和空间决策支持系统作为建立在信息技术基础之上的多学科集成的基础平台和综合环境,GIS已经成为协调不同领域信息和不同信息源的理想工具空间决策支持系统SDSS是近年来在常规决策支持系统和GIS相结合的基础上发展起来的一种新型的信息系统目前大多数GIS的定义和功能局限在空间数据获取、存储、更新、运算、显示及制图制表等方面,缺乏解决具有复杂对象的空间问题能力,如缺乏区域规划、生产力布局等问题决策的有效支持能力,难于满足需要
4.2GIS的应用将是数值模拟技术发展的重要手段空间信息的综合分析是在对专业领域的具体对象与作用过程进行大量研究的基础上试图描述客观事物规律,GIS就是通过对系统中所包含的大量空间数据进行分析、综合来解决实际问题的在这样的工作中,模型的确立不仅是建立一个应用系统的主要内容,而且也是决定GIS解决应用系统所面临的问题和最终取得实际效益的关键黄文斌等2001o
4.3发展多维GIS技术是水资源领域应用的方向三维GIS是近几年来最热门的研究项目之一目前只有少量的GIS软件可以进行真三维的分析,如IVM系统、SGM系统和GRASS等,但它们在几何建模和分析功能上存在不足另外,现在绝大多数GIS软件都无法处理诸如地下水文、矿山等真三维现象,其中最主要的原因在于3D-GIS所面临的儿何建模问题因此,建立怎样的儿何模型来描述不规则的三维地质实体,是3D-GIS理论本身及其在地学应用研究中亟待解决的问题解决问题的办法是设计一种混合几何模型,在综合考虑各种数据结构的优缺点的基础上,对不同类型的地质体应使用不同的数据结构,甚至在同一实体内部的不同部位上,也应使用不同的几何模型,既考虑了数据量大的问题,乂较好地解决了局部的精确描述问题王磊和孙运生1998o鉴于水文变化过程具有明显的时空动态特征,所以需要开发能实现三维和四维空间分析和显示的软件用于水文模拟和水资源管理随着3D-GIS的发展,还将会出现4D-GIS,即在三维的基础上加上时间序列大部分水文地质特征和条件的变化是缓慢的,但并不都如此,如水灾、地震、暴风雨以及滑坡等都会使局部水文地质条件发生快速而巨大的变化为充分满足需要,这种时间数据获取能力应该与3D模型相结合,问题的彻底解决则需要在3D-GIS技术成熟之后,再发展成为四维GIS随着计算机与空间技术的进步与发展,GIS将由各自独立的系统走向兼容与集成,从二维走向三维和四维,从单机走向网络
5.结语在当今的信息时代,GIS在水资源科研和管理中的应用确实是一件非常诱人的工作可是建立一种综合性资源信息系统是一件非常困难的事情但GIS的应用促进了水资源科研和管理领域的发展;反过来,水资源领域对GIS的需求又促进了GIS的发展,同时人们也应认识到,水资源科学、地理信息系统是不断发展的概念,随着技术的进步和社会需求的变化,其含义也会发生相应的变化随着“数字地球”、“数字中国”和资源与环境可持续发展战略的提出,GIS技术与水资源领域紧密结合的应用前景将非常远大参考文献
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