1 GIS技術(shù)發(fā)展概況
在新興的信息產(chǎn)業(yè)中，GIS(Geographic Information System,地理信息系統)作為集計算機科學(xué)、地理學(xué)、測繪遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)和管理科學(xué)及相關(guān)學(xué)科等為一 體的新興邊緣學(xué)科，近30年來(lái)迅速興起。GIS將計算機技術(shù)和空間地理分布數據相結合，通過(guò)系統建立、空間操作與模型分析，為地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程設計、乃至企業(yè)管理等方面的規劃、管理和決策提供有用的信息。目前GIS在國內外應用領(lǐng)域已相當廣泛，不但成功地應用于測繪、制圖、資源和環(huán)境等領(lǐng)域，而且已成為城市規劃、公共設施管理、工程建設等的重要工具，此外GIS還進(jìn)入了軍事戰略分析與決策、商務(wù)策劃、文教衛生乃至人們日?；顒?dòng)的各種領(lǐng)域中。據估計，人類(lèi)活動(dòng)80%的信息量與地理信息系統密切相關(guān)，因此GIS開(kāi)發(fā)和應用的前途和容量是不可限量的。目前GIS被認為是21世紀支柱性產(chǎn)業(yè)，是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。“九五”期間國家科技部已將GIS列為“重中之重”的項目，并重點(diǎn)支持發(fā)展我國的GIS產(chǎn)業(yè)。
自20世紀60年代加拿大Tomlison博士提出地理信息系統的概念以后，在60年代中期加拿大首次建立了CGIS。于70年代開(kāi)始，美國推出了兩個(gè)著(zhù)名的GIS：即美國環(huán)境系統研究所(ESRI) 開(kāi)發(fā)的ARC/INFO和美國商業(yè)部人口普查局開(kāi)發(fā)的TIGER系統。這兩個(gè)GIS系統提出的關(guān)于地理 信息的組織方式，對GIS發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。經(jīng)過(guò)30多年、幾個(gè)階段的發(fā)展，數據庫的結構設計、空間數據的處理與分析及GIS通用軟件等都已發(fā)展成為較成熟的理論體系。特別是80年代以來(lái)，GIS軟件的商品化已在全世界全面展開(kāi)，先后出現了聞名于世的ARC /INFO、SYSTEM—9、INTERGRAPH、GENAMAP等大型GIS軟件及SPAM、ILWIS、MAPINFO、ATLA S 等中小型軟件。這些軟件都已在土地評價(jià)、土壤侵蝕控制、水資源調查與管理、社會(huì )經(jīng)濟規 劃、災害評估以及野生動(dòng)植物保護等方面得到廣泛應用。
我國的GIS發(fā)展較歐美先進(jìn)國家起步約晚15年左右，但發(fā)展速度并不很慢。1994年9月，我國國家測繪總局與美國ARC/INFO總部簽定了合作的ARC CHINA計劃。1997年國家環(huán)保局用世界 銀行技援項目“中國省級環(huán)境信息系統建設”，在我國27個(gè)省建立了省級環(huán)境信息中心。僅以GIS在城市方面的應用就有城市自來(lái)水、城市煤氣、城市規劃、城市地下管線(xiàn)、城市環(huán)境、城市道路、城市土地等不勝枚舉，至于其他各方面的應用諸如環(huán)境監測、水土流失、礦產(chǎn)資源、投資評價(jià)等更是屢見(jiàn)不鮮。所有這些都標志著(zhù)GIS在我國的成長(cháng)與發(fā)展。
目前，新一代的GIS軟件技術(shù)——即ComGIS(Components GIS,組件式GIS)和WebGIS(Word Wid e Web GIS,萬(wàn)維網(wǎng)GIS)已迅速興起。ComGIS將GIS的各大功能模塊劃分為幾個(gè)控件，根據用戶(hù)需要，將實(shí)現各種功能的控件集成，即構成了GIS應用系統。ComGIS與傳統的GIS相比，其優(yōu)勢在于它不依賴(lài)于某一種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，便能嵌入到通用的開(kāi)發(fā)環(huán)境(如：Visual Basic、De lphi等)中實(shí)現GIS功能；或將其他軟件功能(包括由高級語(yǔ)言如C++、FORTRAN開(kāi)發(fā) 的其他專(zhuān) 業(yè)性模型)引入到GIS中，使軟件的可配置性、可擴展性和開(kāi)發(fā)性更強，更易于GIS的推廣應用。而WebGIS是Internet技術(shù)與GIS相結合的產(chǎn)物，是利用WWW技術(shù)對傳統GIS的改造和發(fā)展 ，目前尚處于試驗研究階段，其最終目標是通過(guò)WWW使得GIS成為大眾使用的技術(shù)和工具，即在WWW任意一個(gè)節點(diǎn)上的Internet用戶(hù)都可以瀏覽檢索Web GIS上的各種空間信息，進(jìn)行各種空間分析與預測、空間推理和決策等，從而使GIS進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。因此，ComGIS和WebGIS 被視為當今GIS技術(shù)的重要發(fā)展方向。
2 GIS在供水系統中的應用與發(fā)展
目前，GIS在國內供水系統中的應用集中在輸配水管網(wǎng)的日常管理中，如上海、深圳、唐山 等城市。天津大學(xué)環(huán)境工程系也曾根據供水企業(yè)的要求，先后以北京大學(xué)的Citystar和中國 地質(zhì)大學(xué)(武漢)的MAPGIS為軟件開(kāi)發(fā)平臺，建立了城市供水管網(wǎng)管理系統，實(shí)現了供水管網(wǎng) 圖形數據和屬性數據的計算機錄入、修改；對管線(xiàn)及各種設施進(jìn)行屬性查詢(xún)、空間定位以及定性、定量的統計、分析；對各類(lèi)圖形(包括管線(xiàn)的橫斷面圖和縱斷面圖)及統計分析報表顯示和輸出；除此之外，還為爆管、漏水事故的搶修、維修提供關(guān)閘方案及相關(guān)信息，從而基本實(shí)現了供水管網(wǎng)的信息化管理。通過(guò)GIS的集成，使管網(wǎng)圖形庫、屬性數據庫及外部數據庫融為一體，不僅圖文并茂、準確高效，而且易于動(dòng)態(tài)更新，從而大大提高了管網(wǎng)管理工作的效率和質(zhì)量。
當然，GIS應用于供水系統所產(chǎn)生的功效還遠不止于此。就GIS本身而言，對空間數據的管理只是最基本的功能，而更深刻的內涵在于GIS的空間分析、模型分析所產(chǎn)生的信息，能夠對 自然過(guò)程或決策方案進(jìn)行模擬和趨勢預測，以便從中選擇最優(yōu)方案，避免管理和決策的失誤。
因此，GIS在供水系統中的應用，就不能僅僅作為一個(gè)圖形庫和數據庫只是停留在管網(wǎng)日 常管理的水平上，還應該利用GIS分析、模擬與預測的強大功能，與專(zhuān)業(yè)理論、方法相結合，進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)，為管網(wǎng)規劃設計、建設施工、各種運行狀態(tài)下的優(yōu)化調度以及事故搶修等提供決策支持。
目前我國大、中城市管網(wǎng)更新改造的任務(wù)逐年加大，迫切需求實(shí)用的管網(wǎng)水力分析及擴建改造優(yōu)化設計的軟件系統。然而，盡管近年來(lái)有關(guān)管網(wǎng)優(yōu)化設計理論和方法的研究日趨成熟 ，但其應用并不廣泛，究其原因就在于優(yōu)化模型的建立及其解法與編程，對于部分設計人員來(lái)講難度較大，尤其是擴建、改造方面的優(yōu)化，不僅涉及的問(wèn)題比較復雜，而且往往需要龐大的數據量。而解決這一難題的有效辦法就是將管網(wǎng)計算理論、系統優(yōu)化理論與GIS相結合 ，憑藉GIS強大的空間數據管理功能，利用GIS上的實(shí)際管網(wǎng)圖構造出管網(wǎng)計算圖形，并從GI S的屬性數據庫中提取有關(guān)數據，通過(guò)編制計算程序，進(jìn)行管網(wǎng)水力工況分析。在此基礎上再將GIS的網(wǎng)絡(luò )分析與優(yōu)化模型的建立及求解融合在一起，建立一個(gè)管網(wǎng)擴建、改造優(yōu)化的 輔助設計系統。這樣不僅將優(yōu)化設計的思想、方法滲透到管網(wǎng)建設中，有利于城市供水管網(wǎng) 的合理布局與科學(xué)調整，為日后管網(wǎng)的優(yōu)化調度奠定良好的基礎；而且通過(guò)GIS將管網(wǎng)大量 的基礎數據、水力分析計算、優(yōu)化設計計算以及設計方案輸出等集成為易于操作的專(zhuān)業(yè)軟件 ，為設計人員的實(shí)際應用提供了極大方便。
設計優(yōu)化的最終目的是運行優(yōu)化。一個(gè)大型、復雜的管網(wǎng)做到安全可靠、經(jīng)濟合理的運行并非易事。從長(cháng)遠目標來(lái)看，根據可靠、準確的管網(wǎng)運行資料，建立管網(wǎng)數學(xué)模型，并據此對 管網(wǎng)運行工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，是實(shí)現管網(wǎng)優(yōu)化運行的必經(jīng)之路。而在管網(wǎng)建模過(guò)程中，GIS以其獨特的優(yōu)勢，將作為對管網(wǎng)運行實(shí)施信息模擬不可替代的工具。在GIS的支持下，管網(wǎng)的結構參數和狀態(tài)參數融為一體，可以利用GIS數字高程模型，模擬管網(wǎng)水壓分布狀態(tài)， 并以二維或三維圖形直觀(guān)顯示；也可以在多水源管網(wǎng)中尋求管網(wǎng)內供水分界線(xiàn)的變化規律，以合理設置供水分界地帶的測壓點(diǎn)，并確定各測壓點(diǎn)之間的相關(guān)關(guān)系，為優(yōu)化調度提供決 策依據。
此外，GIS的空間分析、網(wǎng)絡(luò )分析還可用于管道施工、管網(wǎng)維修預案和管網(wǎng)事故搶修決策等 方面。如在管網(wǎng)建設施工中，利用GIS的緩沖區(Buffer)模型，對將要敷設的管道進(jìn)行緩沖區分析，并將計算出的緩沖區與數字高程模型迭加，計算其工程土方量。又如在未來(lái)的管網(wǎng)事故緊急搶修時(shí)，可以采用GIS與GPS相結合，一方面通過(guò)GPS系統準確獲取搶修車(chē)的地面位置和路網(wǎng)交通狀況，并將數據實(shí)時(shí)傳送給GIS，計算最短行車(chē)路線(xiàn)；另一方面利用GIS的關(guān)閥搜索、管網(wǎng)狀態(tài)仿真模型，快速分析事故的影響范圍和影響程度，模擬管網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化，以便調度管網(wǎng)有關(guān)設施，確保供水服務(wù)質(zhì)量。顯然與傳統的事故處理相比，上述技術(shù)方案充分 顯示出現代信息技術(shù)高效率的優(yōu)勢。
以上列舉的各項只是GIS在輸配水系統中的部分應用，實(shí)際上GIS在供水系統中還可用于水資 源規劃與管理、地面水水質(zhì)模型、地下水水質(zhì)保護以及GIS結合專(zhuān)家系統實(shí)現供水系統區域優(yōu)化等眾多領(lǐng)域［1、2］，并將日益發(fā)揮更大的功效。
GIS在供水系統中進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應用的前景十分廣闊。而跟蹤GIS技術(shù)的發(fā)展，選擇一個(gè)成熟、 優(yōu)秀的GIS平臺，對于許多用戶(hù)來(lái)說(shuō)則是至關(guān)重要的。目前，雖然國際上已推出了許多優(yōu)秀的GIS工具軟件，但使用國內自行開(kāi)發(fā)的GIS工具軟件具有明顯的優(yōu)勢，不僅有較高的性能價(jià)格比，有漢字功能，而且便于系統的維護和升級。近年來(lái)國產(chǎn)GIS軟件中，比較著(zhù)名的有北京大學(xué)的Citystar和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的MAPGIS，前者在實(shí)現3S技術(shù)(GIS、RS、GPS)一 體化方面較為出色；后者在圖形處理、空間分析及用戶(hù)界面等方面更勝一籌，二者已被許多用戶(hù)選為基礎平臺進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并在用戶(hù)使用與開(kāi)發(fā)者研制的過(guò)程中日趨完善。
3 結束語(yǔ)
GIS作為世界性的高科技領(lǐng)域學(xué)科和技術(shù)體系已滲透到各行各業(yè)，而隨之建立的各專(zhuān)業(yè)性的GIS軟件所要解決的問(wèn)題是專(zhuān)業(yè)性不夠強，尤其是高層次的應用模型很少，而這在很大程上決定了GIS實(shí)用性的優(yōu)劣與成敗。當然GIS在各專(zhuān)業(yè)的綜合、深化應用，首先要取決于地 理信息建模系統(Geographic Information Modelling System)的完善和支持，但同時(shí)更需 要專(zhuān)業(yè)人員的積極參與，尤其是在新一代組件式GIS的開(kāi)發(fā)研制中，這樣才能不斷拓寬GIS在 本專(zhuān)業(yè)的應用范圍，提高應用水平，使其由一個(gè)偏重于信息采集、管理、統計分析與處理的技術(shù)系統，逐漸發(fā)展成為功能強大的決策支持系統或專(zhuān)家系統，在未來(lái)的信息時(shí)代發(fā)揮更大的作用。
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