GIS技术在供水系统中的应用与发展

田一梅¹， 赵新华¹， 黎 荣²
（1.天津大学环境工程系，天津300072 ；2.天津市市政工程设计研究院，天津300051）

　　摘 要：介绍了GIS技术的组成、发展及产业化，论述了GIS应用于供水系统规划设计、运行管理的现状和发展前景，以及深度开发专业性GIS及提高其应用水平的途径。
　　关键词： 地理信息系统； 图形数据管理； 供水系统
　　中图分类号：TU991
　　文献标识码：B
　　文章编号： 1000-4602(2000)09-0021-03

　　1 GIS技术发展概况

　　在新兴的信息产业中，GIS(Geographic Information System,地理信息系统)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一 体的新兴边缘学科，近30年来迅速兴起。GIS将计算机技术和空间地理分布数据相结合，通过系统建立、空间操作与模型分析，为地球科学、环境科学和工程设计、乃至企业管理等方面的规划、管理和决策提供有用的信息。目前GIS在国内外应用领域已相当广泛，不但成功地应用于测绘、制图、资源和环境等领域，而且已成为城市规划、公共设施管理、工程建设等的重要工具，此外GIS还进入了军事战略分析与决策、商务策划、文教卫生乃至人们日常活动的各种领域中。据估计，人类活动80%的信息量与地理信息系统密切相关，因此GIS开发和应用的前途和容量是不可限量的。目前GIS被认为是21世纪支柱性产业，是信息产业的重要组成部分。“九五”期间国家科技部已将GIS列为“重中之重”的项目，并重点支持发展我国的GIS产业。
　　自20世纪60年代加拿大Tomlison博士提出地理信息系统的概念以后，在60年代中期加拿大首次建立了CGIS。于70年代开始，美国推出了两个著名的GIS：即美国环境系统研究所(ESRI) 开发的ARC/INFO和美国商业部人口普查局开发的TIGER系统。这两个GIS系统提出的关于地理 信息的组织方式，对GIS发展产生了深远的影响。经过30多年、几个阶段的发展，数据库的结构设计、空间数据的处理与分析及GIS通用软件等都已发展成为较成熟的理论体系。特别是80年代以来，GIS软件的商品化已在全世界全面展开，先后出现了闻名于世的ARC /INFO、SYSTEM—9、INTERGRAPH、GENAMAP等大型GIS软件及SPAM、ILWIS、MAPINFO、ATLA S 等中小型软件。这些软件都已在土地评价、土壤侵蚀控制、水资源调查与管理、社会经济规 划、灾害评估以及野生动植物保护等方面得到广泛应用。
　　我国的GIS发展较欧美先进国家起步约晚15年左右，但发展速度并不很慢。1994年9月，我国国家测绘总局与美国ARC/INFO总部签定了合作的ARC CHINA计划。1997年国家环保局用世界 银行技援项目“中国省级环境信息系统建设”，在我国27个省建立了省级环境信息中心。仅以GIS在城市方面的应用就有城市自来水、城市煤气、城市规划、城市地下管线、城市环境、城市道路、城市土地等不胜枚举，至于其他各方面的应用诸如环境监测、水土流失、矿产资源、投资评价等更是屡见不鲜。所有这些都标志着GIS在我国的成长与发展。
　　目前，新一代的GIS软件技术——即ComGIS(Components GIS,组件式GIS)和WebGIS(Word Wid e Web GIS,万维网GIS)已迅速兴起。ComGIS将GIS的各大功能模块划分为几个控件，根据用户需要，将实现各种功能的控件集成，即构成了GIS应用系统。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(如：Visual Basic、De lphi等)中实现GIS功能；或将其他软件功能(包括由高级语言如C++、FORTRAN开发 的其他专 业性模型)引入到GIS中，使软件的可配置性、可扩展性和开发性更强，更易于GIS的推广应用。而WebGIS是Internet技术与GIS相结合的产物，是利用WWW技术对传统GIS的改造和发展 ，目前尚处于试验研究阶段，其最终目标是通过WWW使得GIS成为大众使用的技术和工具，即在WWW任意一个节点上的Internet用户都可以浏览检索Web GIS上的各种空间信息，进行各种空间分析与预测、空间推理和决策等，从而使GIS进入千家万户。因此，ComGIS和WebGIS 被视为当今GIS技术的重要发展方向。

　　2 GIS在供水系统中的应用与发展

　　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GI S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。
　　设计优化的最终目的是运行优化。一个大型、复杂的管网做到安全可靠、经济合理的运行并非易事。从长远目标来看，根据可靠、准确的管网运行资料，建立管网数学模型，并据此对 管网运行工况进行动态模拟，是实现管网优化运行的必经之路。而在管网建模过程中，GIS以其独特的优势，将作为对管网运行实施信息模拟不可替代的工具。在GIS的支持下，管网的结构参数和状态参数融为一体，可以利用GIS数字高程模型，模拟管网水压分布状态， 并以二维或三维图形直观显示；也可以在多水源管网中寻求管网内供水分界线的变化规律，以合理设置供水分界地带的测压点，并确定各测压点之间的相关关系，为优化调度提供决 策依据。
　　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^［1、2］，并将日益发挥更大的功效。
　　GIS在供水系统中进一步开发应用的前景十分广阔。而跟踪GIS技术的发展，选择一个成熟、 优秀的GIS平台，对于许多用户来说则是至关重要的。目前，虽然国际上已推出了许多优秀的GIS工具软件，但使用国内自行开发的GIS工具软件具有明显的优势，不仅有较高的性能价格比，有汉字功能，而且便于系统的维护和升级。近年来国产GIS软件中，比较著名的有北京大学的Citystar和中国地质大学(武汉)的MAPGIS，前者在实现3S技术(GIS、RS、GPS)一 体化方面较为出色；后者在图形处理、空间分析及用户界面等方面更胜一筹，二者已被许多用户选为基础平台进行二次开发，并在用户使用与开发者研制的过程中日趋完善。

　　3 结束语

　　GIS作为世界性的高科技领域学科和技术体系已渗透到各行各业，而随之建立的各专业性的GIS软件所要解决的问题是专业性不够强，尤其是高层次的应用模型很少，而这在很大程上决定了GIS实用性的优劣与成败。当然GIS在各专业的综合、深化应用，首先要取决于地 理信息建模系统(Geographic Information Modelling System)的完善和支持，但同时更需 要专业人员的积极参与，尤其是在新一代组件式GIS的开发研制中，这样才能不断拓宽GIS在 本专业的应用范围，提高应用水平，使其由一个偏重于信息采集、管理、统计分析与处理的技术系统，逐渐发展成为功能强大的决策支持系统或专家系统，在未来的信息时代发挥更大的作用。

　　参考文献：
　　［1］ 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).
　　［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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收稿日期：2000-03-01