GIS技术在水资源领域的应用
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作者: 赵德远
摘要：综述地理信息系统（GIS）技术在水资源领域的应用现状，以及未来发展趋势。
关键词：GIS；地理信息系统；水资源
中图分类号:TV698 文献标识码:A
1 前言
地理信息系统（GIS）技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，在资源与环境应用领域中，它发挥着技术先导的作用。地理信息系统（GIS）是以地理空间数据库为基础，有计算机硬件、软件组成的高新技术系统，它具有采集、处理、分析、建模和显示空间数据的功能，是测绘学、地理学、卫星定位技术、现代通讯技术、专家系统技术等学科和技术继承的基础平台，是多种学科交叉的产物。随着计算机技术的发展，GIS技术在水文资源管理和水质水量配置等方面的发展非常迅速，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的研究成果问世。国际水文科学协会（IAHS）1993年也在维也纳召开了"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年在美国克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。近几年， GIS技术在水资源流域的应用已经开始逐渐成熟。
2 GIS技术在水资源流域的应用现状
2.1 GIS技术在流域面雨量智能计算中的应用
面雨量是防汛部门在洪水与水库调度中一个非常重要的参数，准确的流域面雨量预报，可为流域的防汛抗洪、水库调度、城市供水及水资源的管理等提供可靠的气象决策依据，最大限度地减少暴雨、洪涝等自然灾害带来的损失，同时也有助于提高防汛抗洪等方面的决策服务水平。
面雨量的计算方法很多，主要有逐步订正格点法、三角形法、等雨量线法、算术平均法、泰森多边形法等，通过长江流域面雨量及中央气象台的对比试验表明，总的说来，流域内站网密度越大，面雨量的精度越高，气象测站降水资料计算的面雨量可近似代替水文测站资料计算的面雨量。在流域面积小、地形起伏不大、气象测站分布均匀、雨量资料齐全的情况下，在实际工作中利用算术平均法计算面雨量简单易行。格点法能较好地反映降水的连续性。等雨量线法精度高，但较多地依赖于分析技能，而且操作比较复杂，不便于日常业务使用。随着GIS和遥感技术的不断进步，大连理工大学针对传统方法计算流域面雨量在水文预报中的存在问题，提出了结合模糊优选神经网络与地理信息系统的流域面雨量智能预报模型与方法，并在位于黑龙江省五常市东南50公里龙凤山水库地区进行了验证，分析结果得出：GIS方法合格率相对较高。预测结果等级在优的比例GIS方法较泰森多边形方法稍高；预测结果为良以上的比例两种方法基本相同。这说明基于GIS的流域面雨量计算方法是可行的。
用地理信息系统软件处理分析降雨量这类空间分布数据既快又好。这种方法不受数据多少的限制，考虑了区域内及其周围所有数据对最终成果的贡献，对区域边界的分析质量提高明显。尤其是计算速度比人工快得多，并且不受人为主观因素的影响，具有很高的实用价值。
2.2 GIS技术在地下水资源勘查中的应用
地下水问题具有明显的时空维，地下水模拟比较强调地下水在介质中的运动情况。GIS应用于地下水模拟，可用来获取、操作、显示与这些模型有关的空间数据和所得的成果，使模型进一步细化，从而深入认识地下水在含水层中的赋存、运动情况，为合理开采、保护地下水服务。自20世纪70年代，美国田纳西流域管理局利用GIS技术处理和分析各种流域数据，为流域管理和规划提供决策服务，GIS开始应用于水文学及水资源管理。
在国内，地理信息系统技术应用于地下水资源勘查正逐渐深入。北京理正软件公司开发的《理正水资源管理信息系统》，可以进行水资源状况查询、地质、水文地质资料及图件查询以及空间数据库查询。
3 GIS技术在水资源应用中的发展趋势
3.1 GIS的应用将是数值模拟技术发展的重要手段
GIS经过近30a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。目前应用的GIS软件大多数以数据库为核心。而今后应特别加强对与应用模型、模型管理技术及应用模型与GIS之间集成技术的研究，形成以模型库为中心的GIS。这些众多的应用模型(包括预测模型和决策模型)可以为改造世界提供直接有用的信息，使GIS升华为一个强有力的决策支持系统，促进资源、环境、经济和社会的协调发展，实现人类社会系统和自然物质系统的协同演进和可持续发展。这既是研究和应用GIS的出发点，也是研究和应用GIS的最终归宿，尤其是基于GIS、RS的分布式模型研究。GIS、RS栅格数据与地下水数值模型离散网格相似，而GIS和RS的栅格信息更为丰富，尤其是RS信息具有实时特征，在研究土壤类型、植被生长(需水预测)、包气带水分(土壤湿度)等方面有很多优势。
3.2 发展多维GIS技术是水资源领域应用的方向
多年来，水资源学家一直采用二维地图产品表示三维地物。但在很多领域，人们需要分析具有三维坐标的空间关系，为确定和评价地下水资源、矿产品资源、石油资源和污染状况提供重要的信息。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，现在绝大多数的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所面临的几何建模问题。大多数GIS在几何建模(数据结构模型)建立方面还存在着严重的不足，再加上地学领域的三维地质实体多为不规则体，而不规则体又是所有三维地理实体中最难描述的，因此，建立怎样的几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，又较好地解决了局部的精确描述问题。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，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。GIS技术在水资源流域的应用将会越来越成熟。
4 结语
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
[1]党安荣，贾海峰等.ArcGIS 8 Desktop地理信息系统应用指南.北京：清华大学出版社，2003.
[2]吴信才.地理信息系统原理与方法.北京：电子工业出版社，2002.3～12.
[3]李庆国.水文水资源系统计算智能评价与预测方法研究.
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