GIS技術在城市防汛排澇管理中的應用研究

王 寧

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱150081）

地下管線是城市基礎設施建設的關鍵構成部分，是城市建設與發展的“血脈”之一。建設空間更加可視化、網絡化與信息化的城市排水綜合信息平臺，可以達到對城市排水情況的有效監測與控制，通過供給大量系統且準確的數據，來幫助相關部門形成更科學的決策改善城市水環境狀況。

1 地理信息系統（GIS）的概念

地理信息系統技術主要是收集三維立體信息，具有技術儲存、分析與可視化信息功能的信息管理系統[1]。GIS大多用于處理區域范圍內的各種現象，并且對設施規劃和管理等關鍵決策問題進行解決。在信息科技的推陳出新下，更多可視化、互聯網技術得以不斷發展，與此同時，地理信息系統技術也得到發展。例如ComGIS就在原有基礎上融入了不同的語言，更加有效的結合了開發語言資源。作為一門以計算機為輔助工具的學科，它也運用了大量信息化技術以及網絡技術，其主要的作用為分析與管理三維空間位置，并提供相關的定位信息[2]。GIS中的“地理”不代表實際的地理位置，是代表空間地理坐標參考系統中的空間坐標數據、屬性數據等。

2 GIS技術的運用

2.1 GIS技術在城市防洪排澇中的應用

地理信息系統的功能主要在于實現對檢查井、污水處理廠等地區的空間分析、可視化空間瀏覽，可以給城市排水管理部門帶來更加科學精準的排水系統信息支持，來促進相關部門做出更加科學的防洪排澇的工作決策。當城市的汛期或強降雨即將到來時，相關部門可以通過地理信息系統來實時分析當下的氣象條件，從而計算得出更加精準的區域降雨參數，從而借以判斷城市與城市周邊的防洪抗洪需要。與此同時，在分析GIS的空間拓撲后，可以對城市各個區域的滲水量、蓄水量等統計數據來建設區域模型。同時配合評價城區周年河流及當地水庫的蓄水能力，綜合起來判斷城市內澇發生的可能性[3]。其中在計算暴雨面雨量的方式有多種，例如泰森多邊形法等。在這些方法中，比較新穎的一種算法是借助地理信息系統來計算面雨量參數，這種方式具有其特有的優勢條件。在對比中央氣象臺數據與長江流域面雨量的統計數據可知，如果一個城市的監控站越密集分布，參考的數據越多，最后基于這些數據得來的面雨量將具有越高的精確度，這也正好可以發揮地理信息系統在系統整合方面具有的優勢。借助GIS來建設面雨量模擬預報模型，可以更有效率更加精確地處理與分析相應的雨水空間分布信息，從而更加科學地分析與預測暴雨致洪或者導致城市內澇的可能性，并有利于最大化降低因為洪澇對城市造成的損害，進一步提高城市相關部門防洪抗澇的水平與能力，見表1。

2.2 GIS技術在城市污水處理中的應用

建設帶有自動化、可視化、信息化與智能化的城市污水處理在線監測與水質化驗分析管理系統，通過對城市的水質指標相關參數進行科學地分析與處理，來進一步優化系統處理數據的能力與水平，相比于傳統管理方式，該管理系統可以更加高效、精確地查詢、分析與處理相應的檢測數據，從而幫助相關人員作出更加科學的污水處理決策，使處理企業更加科學高效地運營，也對城市的生態環境的保障予以助力。設計系統實現并維護接口數據，以獲取和監控水質自動監測系統的質量指標數據，為數據提供數據存檔和統計信息，并優化了原有的水質化驗分析傳統管理模式。如果在線監測得到的數據跟化驗室得出的數據之間存在沖突，在對比兩組數據后，可以判斷出現問題的檢查設備，也能夠完成對水質監測數據的檢驗與預警，從而給企業處理污水技術的決策帶來所需的數據信息。城市污水在線監測與水質化驗分析管理系統可以幫助城市對污水的處理過程實現智能化、信息化，通過污水處理之后的水的質量可以得到相應的保障，并根據國家的標準予以排放，有利于治理水環境方案的制定。

3 GIS技術在防洪排污中的關鍵技術分析

3.1 ArcGIS技術

ArcGIS是美國環境系統研究開發的一款地理信息系統平臺，也是當下世界上通常應用的軟件，其技術功能見表1。ArcGIS平臺由兩部分組成，即基本框架與數據服務，包含有移動地理信息系統、桌面軟件等。具體的結構可以參考圖1[5]。

表1 GIS的技術功能[4]

圖1 ArcGIS平臺體系結構圖

桌面是專業人員的主要工作平臺。技術人員利用桌面來完成對模型、數據等項目的創建。桌面可以完成所有基本的任務，是所有系列整合的應用程序的總稱。

3.2 模型建立

3.2.1 技術路線

前期準備，在項目進行前，先要整體了解下相關的水文信息特點，從而為后期建設數據庫與分析處理數據打下基礎。在展開需求分析時，需要對水文監測管理系統的必要性進行判斷，再通過新技術來完成實時監控與顯示水文信息。設計系統的過程中，需要對總體架構與可應用的技術進行一一確定。

分布完成數據的異步更新與實時顯示，通過數據庫的儲存提取水文數據來設計相應的功能組合，并在地圖上實時展示檢測到的水文信息與狀況。圖2為對實現水文監測系統技術路線的介紹。

圖2 研究技術路線圖

3.2.2 建模數據

剛建立用戶數據視圖建模時，就需要先確定建模的主要目的，針對排水管網系統模型的特點，利用查詢與瀏覽相應的空間數據的功能，可以實現對數據的科學分析時建模的高級應用。層次是指根據空間數據的主題內容、幾何表達式和拓撲特征的差異對數據進行分層，并將現實世界概念化由多個主題組成的層次模型。在具體的應用分析中，再根據需要選擇其中的若干個圖層進行聯合分析。基于地理數據的復雜性和功能實現的多樣性，為了使數據模型結構清晰，便于設計、開發和維護管理，將輸入系統的某市排水管網系統數據分為三層[6]。圖3為排水管網系統數據分層的示意圖。

圖3 排水管網系統數據分層示意圖

3.2.3 建模過程及模型因子

空間數據模型大體可以分為兩類，即矢量數據模型與柵格數據模型。

（1）矢量數據模型

主辦方剛剛經歷了一次換帥。在集團任職26年，并且連續15年組織巴塞爾展會的董事總經理Sylvie Ritter離職。

矢量數據模型對從對象模型里提取的地理空間對象較為適用。對實體坐標和相關的關系進行記錄，能夠更好地標識地理實體。將坐標空間設定為連續，同時允許任意位置、面積與長度。具體精準度定義參考圖4。

圖4 矢量數據模型（資料來源于：《地理信息系統原理與實踐》（第二版））

矢量數據模型具有明顯的位置性和隱式屬性。它的位置信息直接存儲在坐標中，有助于計算長度、面積、形狀和圖形編輯。它效率高、精度高，但在疊加運算中難以實現。

（2）柵格數據模型

柵格數據模型適用于野外模型中空間對象的抽象表示。網格可以用數字矩陣表示，空間坐標隱含在矩陣的行和列中。在柵格數據模型中，點實體是一個柵格單元或對象，線實體由一系列相連的像素組成，曲面實體由一系列相鄰的像素組成。像素大小相同。柵格數據表示點、線和曲面如圖5所示。

圖5 柵格數據模型

柵格數據模型可以覆蓋不同類型的空間數據，但會改變比例，變換、投影變換等操作不方便。

3.3 ArcGIS平臺的搭建

以某市排水管網數據為例，我們可以直觀地看到其功能，將六個圖層的數據添加到ArcGIS中，某市排水管網地圖顯示如圖6所示。

圖6 某市地下管線分布圖

圖6 中顯示的六個圖層，分別是雨水管點數據、污水管點數據、合水管點數據、雨水管線數據、污水管線數據、合水管線數據，六個圖層在右側顯示。ArcCatalog：瀏覽數據、管理數據、結構定義及編輯、元數據設置和查看。圖7為對數據的管理。

圖7 ArcCatalog對數據的管理

Arctoolboxs工具箱，利用工具箱中的工具我們可以對圖層進行合并、緩沖區分析等功能。如圖8所示。

圖8 Arctoolboxs

4 GIS技術在防洪排污中實現的功能及難點

4.1 實現功能

4.1.1 在線監測

從信息采集發布、洪水預報、災情分析到水情調度、搶險調度、命令發布等方面的自動化，為各級防汛指揮調度提供快速、可靠、科學的決策依據，與水情、工情信息結合，實現實時的水情信息、工情信息查詢與展示，提供更加生動、形象、直觀的決策參考。

4.1.2 決策輔助

科學的輔助決策支持能夠有效地支持后期突發事件的處理以及規劃的設計。怎樣利用地理信息系統給相關政府部門、排水管道的用戶提供輔助決策的有效數據，是應用地理信息系統的中心思想。當下城市防澇地理信息系統基本上是將數據庫作為核心，更偏向于對基礎數據的收集與控制，幾乎不能實現用戶對城市防澇應急規劃輔助決策能力不斷提高的需求。通過引用地理信息系統的技術集成、GIS空間分析和應用模型集成，可以建設綜合預警和輔助決策系統成為日后城市排水防澇規劃的發展目標。

4.1.3 數據管理

文件與關系數據庫混合管理是目前采用較多的管理模式，城市防洪、污水管理信息系統對空間數據的管理也是大多數城市防洪、污水管理信息系統采用的模式。它們之間的關系是通過目標標識碼或內部連接來實現的[7]。利用技術，系統用戶能在一個界面下處理圖形和屬性數據，即是空間數據的混合管理模式，如圖9所示。

圖9 圖形與屬性數據結合的混合管理模式示意圖

空間數據帶有海量數據特征、非結構特征與空間關系特征的特殊性與復雜性。通常商業數據庫管理系統很難迎合現實需求[8]，所以，空間數據的管理與存儲有很多不同的模式。

4.2 GIS技術應用于實際的特點與難點

網絡互聯和資源共享。該項目最終需要建設的網絡平臺是要構建專門的排水專網、排水網絡來連接城市中相關的各個單位的各個級別的節點，并在該網絡平臺建設城市排水設施運營監控中心與地理信息系統，從而迎合城市、污水處理廠等基本業務的信息化管理需要，使得各個接入單位完成業務之間的溝通與相關信息的共享。

項目完成技術難度高。因為該項目的施工過程基本都在建設與安裝地下管網中的設備，整體上施工過程的環境非常惡劣，同時使用的自控前端產品對環境條件有所要求，例如空氣的濕度等。因此如果要讓安裝完成的精密儀器測量與傳輸的信號保持穩定，就要對市場中眾多產品進行充分調研，對比各個產品之間的參數，選擇出最適合在該環境中安裝的設備，從而促進后期使用中完成穩定檢測與傳輸的目標。

5 結束語

利用GIS技術對城市防澇各類信息資源的整合共享與開發利用做出了關鍵性的探索，能夠完成對城市雨情、工情等防汛要素的集中整合與應用，從而優化城市防汛部門的防汛工作，提高城市防汛工作效率，通過對防汛信息的監測，利于幫助相關部門盡早發現汛情并及時處理。在現實防汛管理工作中，GIS技術應當得到盡早推廣與應用。