浅析GIS在供水工程中的应用.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 浅析GIS在供水工程中的应用【摘要】：随着技术的进步及国家水资源的日益紧缺，供水企业实现供水管网信息的科学管理也越来越紧迫。利用GIS对供水管网进行管理是最好的选择，供水管网地理信息系统的建立，将为管好水资源、用好水资源起着极其重要的作用。在计算机软硬件和网络的支持下，GIS软件能够获取、存储、检索、分析和显示空间数据信及其相关的属性数据，为企业提供快速高效的决策支持。本文主要结合GIS的发展情况介绍该技术在供水工程工程中的应用。【关键字】：水资源 科学管理 GIS软件 供水工程【正文】：随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，供水企业实现供水管网信息的科学管理变得越来越紧迫，利用GIS对供水管网进行管理是最好的选择，它可以实现在空间框架下图形、图像数据与属性数据的动态连接，提供可视化查询和空间分析的功能。此外，在计算机软硬件和网络的支持下，能够获取、存储、检索、分析和显示空间数据信及其相关的属性数据，为企业提供快速高效的决策支持。用户可方便地查询图形以及对图形进行放大、缩小、漫游、图幅动态生成等操作，充分发挥GIS应用系统信息丰富、可视化功能强等作用，及时为指导企业生产、管理提供参考，为企业提供快速高效的决策支持。1. 概述1.1 GIS简介 地理信息系统(简称GIS），是集地理学、地图学、计算机科学、遥感学等多种学科，涉及空间数据采集、处理和分析的多种学科与技术共同发展的结果，这些技术与学科有机地融合在一起，以地理空间数据库为基础，与不同数据源的空间与非空间数据相结合，通过操作和模型分析，提供对规划、管理和决策服务的计算机技术系统。GIS可实现在空间框架下图形、图像数据与属性数据的动态连接，提供可视化查询和空间分析的功能。在计算机软硬件和网络的支持下，能够获取、存储、检索、分析和显示空间数据信及其相关的属性数据，为企业提供快速高效的决策支持。用户可方便地查询图形以及对图形进行放大、缩小、漫游、图幅动态生成等操作，充分发挥GIS应用系统的信息丰富、可视化功能强等作用，及时为指导企业生产、管理提供参考，提高工作效率。 地理信息系统具有以下几个方面的特点: (1) 强大的图形处理功能 从图形学的角度，GIS实质上是一种便于计算机处理和网络传输的数字化地图或图纸，可以方便地对空间数据进行输入、编辑、显示、查询、空间分析和输出打印，也可以利用三维动态仿真技术，对各种要素实现仿真模拟，构造一个符合实际的模拟空间，展现各种地物之间复杂的时空关系。 (2)空间数据和属性数据的完美结合数据是GIS系统的基础，GIS系统不但包括各种地理要素的空间分布数据，也包括这些要素的属性数据也就是特性数据，空间数据描述了空间物体的位置、形态，甚至需要描述物体的空间拓扑关系。而且空间数据和属性数据之间是一种密切的对应关系，空间信息和属性信息形成一个有机的整体。通过检索空间数据可查询相应属性信息，通过检索属性数据也可以查询相应的空间信息，避免了图形与相应的图表数据完全分离的现象，给生产资源的全面管理带来了极大的方便。(3)独特的空间分析功能空间分析是GIS最主要的特色,GIS系统可以利用其空间数据库和属性数据库，结合高效的算法进行空间分析。如对距离某一事故地点一定范围内各种空间要素的搜索，并对相关的信息进行统计分析，为事故处理提供所需要的信息。供水管网某处爆管后可以迅速提供其影响范围，并提供应急预案。这种空间分析的功能是其他信息管理系统无法实现的。空间分析功能能够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，帮助人们了解空间实体的空间分布特征和空间关系。1.2 GIS系统组成及功能GIS系统是一个综合的信息和决策系统，一般由下列五个部分构成:1.空间数据库和属性数据库及其管理系统，是构成GIS的核心，主要完成空间数据和属性数据的存储与管理.空间数据是地理实体的几何数据，而属性数据是非几何的定性数据和定量数据。GIS系统实现了空间数据与属性数据的结合，进行统一管理，将一个地理实体的空间数据和属性数据关联起来。2.图形显示和图像处理系统，位于核心层的外围，即将空间数据库和属性数据库中的元素，以矢量电子地图的形式显示，并可实现地图的分层显示、地图的无极放大、缩小、漫游以及生成和输出各种图象等功能。3.地理数据的空间查询、统计和分析系统，根据空间地理信息查询空间地理实体，或根据空间地理实体及其属性查询空间位置信息。统计、分析数据空间的位置关系；空间分析与空间查询统计结合在一起，确定地理实体的网络关系与拓扑关系(1) 基于空间图形数据的分析，也就是根据地理实体的空间位置信息进行统计分析。(2) 根据实体的属性数据进行空间分析，如进行最短路径、测量距离等的分析计算。(3) 根据地理空间数据和属性数据联合进行综合分析。4.地图数字化系统，实现所有图形的数字化功能，包括GIS空间数据的获取与输入。5.决策支持系统，根据空间查询和空间分析的结果提供决策支持。2.GIS的研究内容目前，从技术上看，地理信息系统的研究内容主要有以下几点：(1)数据的获取数据的获取包括数据的采集与输入，即将系统外部的原始数据传输到系统内部，并将它们从外部格式转换为系统能够识别和处理的内部格式存储于系统的地理数据库中。GIS所需的原始数据分为空间数据和属性数据两类。空间数据是指图形实体数据常采用的输入方法有键盘输入、利用数字化仪和扫描仪进行数字化和扫描化等。属性数据是指空间实体的特征数据，一般采用键盘输入。现在人们正试图着将遥感(RS)、全球定位技术(GPS)和地理信息系统相结合，这就为GIS的数据获取提供了更先进更丰富的手段，遥感数据和图像现已成为了GIS重要的数据来源，而GPS可同时测定空间实体的三维坐标，并可在不同作业和处理方法的支持下达到各种要求的精度，这将推动GIS数据获取技术的发展。 (2)数据的存储与管理GIS的数据分为栅格数据和矢量数据两大类。数据的存储，即是把这些数据以某种形式记录在计算机的内部或外部存储器上，目的是使计算机能够灵活、高效、快速地访问并处理这些数据，关键就在于如何建立纪录的逻辑顺序以确定存储的地址。一般而言，GIS系统都采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分为若干层，整张地图正是所有层的叠加结果。这样用户操作时就只涉及到一些特定的层，而不是整幅地图，因而系统能对用户的要求做出迅速反应。GIS的数据管理包括图形库管理和属性库管理。根据图形数据的几何特点，可将其分为点数据、线数据、面数据和混合性数据4种类型，混合性数据是由点状、线状与面状物体组成的更为复杂的地理构件或地理单元。地图数据的一个重要特点是它含有拓扑关系，即网结构元素中结点、弧段和面元之间的邻接、关联与包含关系等，这是地理实体之间的重要空间关系，它从质的方面或从总体方面反映了地理实体之间的结构关系。 (3)数据的处理与分析数据处理包括两方面工作：一是对输入的数据进行质量检查与纠正，包括图形数据和属性数据的编辑、图形数据和属性数据之间对应关系的校验、空间数据的误差校正等；二是对输入的图形数据进行整饰处理，使其满足地理信息系统的各种应用要求，如对矢量数据的压缩与光滑处理、拓扑关系的建立、矢量栅量数据的相互转化、地图裁减及拼接等。空间分析是指根据确定的应用分析模型，通过对空间图形数据的拓扑运算及空间、非空间属性数据的联合运算等各种操作运算来分析一定区域的各种现象，以获得更有效的数据或某一特定问题的解决方案。 (4)数据的显示与输出即将用户所需的经GIS处理分析过的图形，数据报表、文字报告、数学数据以用户能够识别的形式灵活地显示出来。可以采用的输出设备有计算机显示器、打印机、绘图仪、照排机等。在输出之前一般还应进行数据校正，误差调整，平版排版及不同系统之间的数据转换等操作。 3. GIS的在供水系统中的应用 目前，GIS 在国内供水系统中的应用集中在输配水管网的日常管理中，如上海、深圳、唐山等城市。天津大学环境工程系也曾根据供水企业的要求，先后以北京大学的Citystar和中国地质大学(武汉) 的MAPGIS为软件开发平台，建立了城市供水管网管理系统，实现了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图) 及统计分析报表显示和输出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了供水管网的信息化管理。通过GIS的集成，使管网图形库、属性数据库及外部数据库融为一体，不仅图文并茂、准确高效，而且易于动态更新，从而大大提高了管网管理工作的效率和质量。当然,GIS应用于供水系统所产生的的功效还远不止于此。就GIS本身而言，对空间数据的管理只是最基本的功能，而更深刻的内涵在于GIS的空间分析、模型分析所产生的信息，能够对自然过程或决策方案进行模拟和趋势预测，以便从中选择最优方案，避免管理和决策的失误。因此,GIS在供水系统中的应用，就不能仅仅作为一个图形库和数据库只是停留在管网日常管理的水平上，还应该利用GIS 分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持。目前我国大、中城市管网更新改造的任务逐年加大，迫切需求实用的管网水力分析及扩建改造优化设计的软件系统。然而,尽管近年来有关管网优化设计理论和方法的研究日趋成熟，但其应用并不广泛，究其原因就在于优化模型的建立及其解法与编程，对于部分设计人员来讲难度较大，尤其是扩建、改造方面的优化，不仅涉及的问题比较复杂,而且往往需要庞大的数据量。而解决这一难题的有效办法就是将管网计算理论、系统优化理论与GIS 相结合，凭藉GIS 强大的空间数据管理功能，利用GIS上的实际管网图构造出管网计算图形，并从GIS 的属性数据库中提取有关数据，通过编制计算程序，进行管网水力工况分析。在此基础上再将GIS 的网络分析与优化模型的建立及求解融合在一起，建立一个管网扩建、改造优化的辅助设计系统。这样不仅将优化设计的思想、方法渗透到管网建设中，有利于城市供水管网的合理布局与科学调整，为日后管网的优化调度奠定良好的基础；而且通过GIS 将管网大量的基础数据、水力分析计算、优化设计计算以及设计方案输出等集成为易于操作的专业软件，为设计人员的实际应用提供了极大方便。此外，GIS 的空间分析、网络分析还可用于管道施工、管网维修预案和管网事故抢修决策等方面。如在管网建设施工中，利用GIS 的缓冲区(Buffer)模型，对将要敷设的管道进行缓冲区分析，并将计算出的缓冲区与数字高程模型迭加，计算其工程土方量。又如在未来的管网事故紧急抢修时，可以采用GIS 与GPS 相结合，一方面通过GPS 系统准确获取抢修车的地面位置和路网交通状况，并将数据实时传送给GIS，计算最短行车路线；另一方面利用GIS的关阀搜索、管网状态仿真模型，快速分析事故的影响范围和影响程度，模拟管网动态变化，以便调度管网有关设施，确保供水服务质量。显然与传统的事故处理相比，上述技术方案充分显示出现代信息技术高效率的优势。以上列举的各项只是GIS 在输配水系统中的部分应用，实际上GIS 在供水系统中还可用于水资源规划与管理、地面水水质模型、地下水水质保护以及GIS 结合专家系统实现供水系统区域优化等众多领域，并将日益发挥更大的功效。4. GIS在供水工程中的发展趋势 目前，GIS技术正在向ComGIS(Components GIS，组件式GIS) 和WebGIS(World Wide Web GIS，万维网GIS)的方向发展。ComGIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间通过可视化的软件开发工具集成起来， 形成最终的GIS应用。ComGIS与传统的GIS相比，其优势在于它不依赖于某一种开发语言，便能嵌入到通用的开发环境中实现GIS功能，或将其他软件功能引入到GIS中，使软件的可配置性、可扩展性、开发性更强，更易于GIS的推广应用。可以说，WebGIS是GIS走向社会化和大众化的有效途径，也是GIS发展的必由之路。 结合国际发展的趋势，GIS在供水管理中的发展呈现出如下特点：1）建立动态的GIS系统从而实现对供水系统的实时模拟将成为GIS在供水行业中应用的新发展方向。GIS在供水企业的应用不应仅仅局限于静态数据的管理中，而应发挥其强大的分析、模拟和预测等功能，实现其对供水系统的实时模拟。众所周知，SCADA系统（监控和数据采集系统)是供水管理中的另一个重要的计算机管理系统，即把监控和数据采集系统应用于供水行业，采用计算机、通讯、控制、显示等技术，结合给水工艺、数理统计、现代控制等理论，应用各种设备对城市供水体系进行数据采集及处理，并实施监控，以达到保障供水、优化调度的智能化计算机管理应用系统。因此，建立动态的GIS系统对实现完全由计算机进行的优化调度决策的供水控制，对提高供水行业管理的整体水平有着重要意义。 2）随着网络时代的到来，作为城市公共服务事业的供水企业利用Internet在网上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析功能将成为GIS在供水管理中发展的必然趋势，因此建立一种基于WEB的GIS系统是供水行业未来的发展要求。该系统的主要优势在于它是一个跨平台系统，其对任何计算机和操作系统