GIS在城市排水防澇中的應用趨勢

薛祥光　蔣世峰　李萌　蔣亮虹

【摘 要】GIS技術以及物聯網、云計算、大數據等新興技術的發展為城市排水防澇系統的信息化建設與科學規劃提供了重要契機。本文首先通過分析城市排水防澇中存在的問題，引出GIS在城市防澇中的應用現狀。其次，從智慧城市發展的角度，著重分析了GIS在城市排水防澇規劃與管理中的信息全面感知、信息深入分析以及輔助決策等方面的應用趨勢。最后總結了利用GIS技術全面提升城市排水防澇規劃設計與管理的新思路。

【關鍵詞】GIS；排水防澇規劃；輔助決策；智慧城市

【Abstract】The development of GIS technology and the new emerging technologies such as Internet of Things， cloud computing， big data provides an important opportunity for scientific planning of urban drainage waterlogging system. In this paper， problems of urban drainage waterlogging were analyzed and the application status of GIS in urban waterlogging was introduced at first. And then， from the perspective of the smart city development， the application trends of GIS at aspects of information perception， information analysis and decision support urban waterlogging was emphatically analyzed. Finally， put forward new ideas of GIS applications in urban drainage waterlogging planning and management.

【Key words】GIS； Drainage waterlogging planning； Decision support； Smart city

我國現有的排水防澇工程大多設計簡單，且多局限于管線規劃設計，缺乏雨、污水治理和水資源利用的內容[1]。此外，手工管理仍是我國對排水設施管理的主要方式之一[2]。近年來，由于城市熱島效應不斷加強，導致暴雨頻發，城市內澇不斷發生，城市防澇問題日益凸顯[3]。在此背景下，開展城市排水防澇規劃設計研究、提升城市排水設施管理水平的意義十分重大。GIS技術以及物聯網、云計算、大數據等新興技術的發展為城市排水防澇系統的信息化建設與科學規劃提供了重要契機。在國家智慧城市建設的號召下，各級地方政府正逐步完善城市排水管網的信息化建設，不少城市已建立起地方性排水管線地理信息系統[4-5]。目前，GIS技術被廣泛應用于城市排水防澇規劃中，但這些應用大多停留在信息普查、數據庫建立、基礎數據的管理、數據編輯與處理、管線制圖以及管線信息的可視化等基本功能的應用階段[6-7]，GIS的空間分析與空間表達功能并未得到較好發揮，而運用GIS技術進行智能專家系統和空間決策支持系統的方案設計的案例則屈指可數[8]。為了使城市管理者及時了解城市排水防澇工程的運行狀況，并能根據數字化信息對城市排水防澇能力進行評估與管理，從而為城市的防澇提供決策依據。本文從提高城市排水防澇規劃管理的智慧化程度出發，探討新興技術浪潮下的GIS在城市排水防澇工程的全面感知、海量數據的深入分析以及排水防澇規劃的輔助決策等方面的應用趨勢。

1 防澇工程的全面感知

排水管網數據是城市排水防澇工程監控管理、城市排水防澇系統綜合分析與運行調控的基礎[9]，能為城市排水防澇調度決策提供可靠、穩定、先進的外部感知和反饋信息。隨著智慧城市建設的推進，城市防澇信息化系統不能僅局限于對排水管線數據的信息化，還需要實現數據的實時獲取、動態更新與高效管理。此外，城市排水防澇規劃應綜合考慮水災害防治、水資源利用、水環境治理和水生態保護等重要內容，需對空間、地面、地下進行全面監測，充分整合資源、環境、人口、經濟等多方數據。因此，實現對城市防澇工程進行全面感知是下一步工作的重點。

目前，國內外主流的排水防澇信息化系統功能僅局限于數據普查、設施查詢、空間分析等靜態的地理信息服務，現勢性較弱，還不能實現地理信息數據的實時獲取和動態展示[2，6，10]。近年來，新興的物聯網技術開始被應用于地下管線監測中。利用物聯網技術把各類監測終端與總部控制系統聯系起來，借助各類監測終端的部署，實時獲得排水管線的運行狀態，包括水位、流速、沼氣濃度、堵塞情況等管網健康信息，作為進一步數據分析和決策支持的依據。因此，物聯網與GIS的結合是一個重要趨勢，物聯網技術可以實現多源數據的實時獲取，為GIS提供強大的實時動態基礎數據支撐，GIS技術則可以實現管線數據及其他各類數據的集中管理和可視化表達，兩者優勢互補，借助數據融合技術，實現地理信息和智能感知信息的有機結合，從而實現對城市空間信息的動態化和圖形化表達。

2 海量信息的深入分析

以物聯網為代表的數據獲取技術的快速發展，使得對城市防澇工程的全面感知成為現實，但同時也帶來新的問題，面對海量數據，如何實現對空間實體非人工干預的、智能化、主動實時或準實時的信息分析與知識挖掘，如何最大限度地利用多種資料、改善信息提取的現勢性和可靠性、提高多源數據使用率，成為進一步需要解決的問題。

國內外對城市防澇信息的分析主要集中于兩點：一是，利用GIS的數據統計功能，主要是利用常規的數學方法對排水設施數量和監控信息進行統計，生成普查報告，對排水管網設施現狀做出總體性能評估；二是，借助GIS的空間分析功能，主要是對空間數據的拓撲和空間狀況的運算、屬性數據運算以及空間數據與屬性數據的聯合運算實現了各種空間功能。國內外大部分城市建立的管網信息管理系統就融合了網絡分析、鄰近度分析等基本的空間分析功能[2]。目前，GIS空間分析與專業模型的集成應用也已取得部分進展，國內有學者利用水文模型結合GIS技術實現對城市暴雨管網溢流量的分析[11]，同時通過對管網數據的空間或屬性信息采取集中處理，建立了城市徑流與排水系統的拓撲關系，構建了排水片區的單元結構網絡[12]。GIS空間分析功能基本能滿足專業管網管理部門的要求，特別是網絡分析功能（如最優路徑、事故決策、網絡特殊中斷處理等），能為城市排水管網的規劃設計、管理調控提供強有力的支持。

由于城市排澇設施規劃設計涉及資源、環境、人口、經濟、氣象等多個地理變量，因此排水防澇數據需要包含排水防澇地理數據、智能感知數據、業務數據、空間媒體數據等多類型數據。數據量十分龐大。傳統的數據統計與GIS空間分析操作已難以滿足實際需求。大數據、云計算等已在智慧城市建設領域發揮重要作用的新興技術需要更多的應用到排水防澇領域。此外，需要針對城市排水工作的實際情況，搭建一系列分析模型，例如，可以利用城市排水防澇綜合數學模型對現狀管網能力、薄弱管線、可能積水點等進行分析，利用預報的降雨數據，對可能出現的積水位置進行預判，根據出現險情的等級、危險程度，為城市排水管網的合理設計和防澇工作提供幫助。

3 城市防澇規劃的輔助決策

科學的輔助決策支持是應對后期的突發事件、應急疏散、規劃設計的有力支撐。如何通過GIS為政府部門、排水管道的用戶提供管理上的決策依據，才是GIS應用的核心。當前城市防澇GIS系統大多以數據庫為核心[2]，側重于基礎數據的采集與管理，無法滿足用戶對城市防澇應急與規劃的輔助決策能力日益增長的需求。利用GIS技術集成、GIS空間分析與應用模型集成，建立綜合預警與輔助決策系統是今后城市排水防澇規劃的努力方向。

由于目前絕大部分的決策支持系統（DSS）存在技術難題不能形成可與決策者互動的可視化平臺，導致絕大多數的GIS軟件缺乏對復雜空間問題的決策支持，還處在僅限于對圖形的分析處理階段?？臻g決策支持系統（SDSS），通過在DSS嵌入具有強大空間數據分析處理能力的GIS分析模板，能夠有效地幫助決策者解決復雜空間的難題。此外，國內外一些學者正研究從數據搜集、更新、分析、發布過程全部基于網絡的一體化計算機智能管理決策系統[13]。未來的GIS將在城市防澇規劃的輔助決策中進一步發揮其作用：

1）通過GIS技術與物聯網集成，能夠快速獲取排水管線的承壓力、水流速、流量等信息。利用GIS對整個地下管線系統（泥沙、垃圾）進行堵塞分析、爆管分析，實現實時洪水預警和應急響應的目標。

2）借助GIS空間數據建模工具，充分考慮氣候條件、地形條件、城市化、城市排水工程設計、管網維護和應急管理影響，以城市防澇數據庫為基礎，整合國土、氣象等相關部門數據，建立相關專業模型，如城市內澇模型、水質模型以及各種規劃模型。這些眾多的應用模型可以為城市排水防澇提供直接有用的信息，使GIS升華為一個強有力的決策支持系統。

3）GIS空間分析與專業分析模型的集成，通過將各類專業模型擴展到GIS分析模塊，可建立實用的決策支持系統，用來優化城市排澇設施的的數量及其位置分布的規劃設計。

4）虛擬現實與可視化技術在決策支持系統中的使用，可以為用戶提供直觀便捷的管理與決策。更好地進行管網系統的優化分析與應急方案制定。此外，還可以對不同的調度方案進行情景模擬，選出較優方案，供決策者進行決策，按照調度方案進行高效率的人員、物資、設備等調度，科學處置城市防澇突發事件與洪澇災害。

4 結論

通過上面的分析，可以看出GIS在城市排水防澇規劃與管理中作用重大。當前GIS技術已廣泛應用于城市防澇信息化建設中。在智慧城市建設的帶動下，隨著新興技術的涌現，GIS技術將不斷推進城市防澇規劃與管理的智能化，最終走向智慧化。未來GIS在城市防澇中的應用趨勢可以初步概括為以全面的信息感知與獲取為基礎，生成多類型的分析模型，進而實現智慧化的決策支持。

4.1 更全面的信息感知

通過GIS與物聯網技術集成獲取城市空間到地面、地下的排水防澇相關信息。在此基礎上，借助數據融合技術，實現遙感數據與矢量數據、地理信息數據與智能感知數據等不同傳感器類型數據的融合，形成天地一體化的監測體系，最終實進行對城市防澇工程的全面感知。

4.2 更深入的數據分析

以獲取到的數據為基礎，借助GIS平臺集成大數據、云計算技術，研究海量信息的語義集成、數據融合、智能化數據分析與挖掘手段，將成為實現對城市排水關系時空數據與復雜的環境數據的高效集成與快速分析重要手段。

4.3 更智能的輔助決策支持

在多類型分析模型的基礎上，建立綜合預警與輔助決策系統；引入虛擬現實與可視化技術，對不同方案進行情景模擬以實現方案優化。GIS技術與物聯網集成、GIS空間數據建模、GIS空間分析與專業分析模型的集成、虛擬現實與可視化技術將成為強化城市防澇信息系統輔助決策支持能力應用趨勢。

最后，面對當前城市排水防澇的問題，城市管理者應從城市規劃、水資源利用、生態環境保護的綜合角度思考城市排水防澇規劃與管理問題。GIS與計算機相關領域工作者應積極拓展GIS相關技術的應用領域與研究方法，為城市管理的科學決策提供理論和技術支撐。

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[責任編輯：王楠]