建设数字海河系统的意义及技术条件（康蛇龙）

关键字: 水资源; 数字海河系统;“3S”集成技术; 技术

中图分类号: TV211.1 文献标识码: B 文章编号: 1672- 9900( 2007) S0- 0062- 03

1 概述

中国各流域水资源贫富不均, 人口、耕地分布各异, 形成现状水资源的开发利用情况是: ①北方缺水地区水资源开发利用程度高; ②南方丰水地区水资源开发利用程度低。北方地区各流域全部超过全国平均水平, 其中海河流域实际用水量已超过年平均水资源量, 成为全国水资源短缺, 而开发利用程度又很高的地区, 其中以京、津、冀地区尤为突出。海河流域水资源问题已经成为环渤海经济可持续发展的瓶颈。

海河流域在漫长的社会历史中, 因水的问题, 多次发生沧桑巨变。历代前人在这块古老而饱经沧桑的土地上,与水旱洪涝灾害进行了不懈的斗争。建国后, 兴建了不少水利工程, 积累了许多宝贵的治水经验。今天, 人们对“水”的认识正在发生变化, 传统水利正在向现代水利、可持续发展水利转变, 这就要求我们必须树立科学发展观, 树立人水和谐的治水观念。在水利规划、水资源保护、用水调度、防汛抗旱、减灾防灾等方面建立完善的科学管理体系,而数字海河系统的建设可以为其提供先进的技术手段。

2 建设数字海河系统的意义

20 世纪末, 美国前副总统戈尔提出数字地球的概念之后, 许多国家和地区都将数字城市的研究与建设作为其抢占科技、产业和经济制高点的战略之一。目前, 我国已有近40 个城市提出了数字城市的建设规划。现在数字城市已经涵盖了涉及城市规划、管理、经济、生活、文化等多方面的内容。所谓数字地球, 就是根据地球的地理坐标, 获取、存贮和显示有关的多种多样的资源环境和社会数据, 将这些信息适当地存储、连接、提供给社会共享。严格地讲, 数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础, 以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述, 并利用它作为工具来支持和改善人类社会活动和生活质量。数字水利是数字地球在水利行业中的微观表现形式。数字水利是指综合应用计算机技术、遥感、地理信息系统、全球定位系统及仿真、多媒体和大规模存储等技术, 以通信网络为纽带, 以多比例尺空间数据基础设施为框架, 对水事活动中相关的水文、气象、环境、水情、水利工程等各种水利信息按地理坐标进行整合, 形成用多维时空描述、分析的虚拟水利。数字水利主要包括数字防汛、数字调水、数字水土保持、数字水资源、数字水文、数字水利工程等内容。实质上数字水利就是水事信息平台上的空间信息获取、更新、处理和应用系统。

数字海河系统的提出, 对海河流域管理从传统的工程水利向可持续发展的资源水利转变提供了理论指导和先进的技术支持。数字海河系统的作用十分广泛, 除了提供调查、监测和统计数据外, 还可在防灾减灾、水资源开发利用及水利工程规划、建设和管理等方面发挥重要作用。如监测和评价“引黄”和“引江”工程对海河流域生态环境的影响, 包括大型水利水电枢纽工程地质条件的调查、技术经济评价及动态监测、流域综合规划、灌区规划、水库上游水土流失调查及对水库淤积的预测、河口泥沙监测和综合治理、河道演变监测、河道水库湖泊等水体水质污染动态监测、流域治理效益调查等, 还可以在洪灾来临前作洪水预报, 对未来各种降雨情况下的水情进行模拟分析, 针对洪水预报情况制定多个调度方案, 进行后效与损失比较,为决策提供依据, 优化分洪区居民撤离、抢险救灾物资运输的路线, 对灾情的发展作出空间与时间上的预测, 为灾后重建提供决策依据等等。利用数字海河系统可以从规划、设计、施工到运行维护均可采用以计算机技术为核心的信息技术, 全面提升科学管理水平。今天, 海河流域严峻的缺水形势已经威胁着京、津、冀地区的经济发展, 如果说“南水北调”是在为京、津、冀地区经济发展“输血”,那么建设数字海河系统实现有效管理水资源, 就是在为其“造血”。

3 建设数字海河系统的必要性

海河流域是一个水旱灾害频发的地区, 回顾海河的历史变迁, 海河流域的经济兴衰、发展速度的快慢、人民生命财产的安危无不与水利建设的成败有着密不可分的关系。建国以来, 党和政府始终把海河水利建设摆在振兴华北经济的重要位置。国家信息产业部在“十一五”规划中明确指出, 在今后要加强信息化产业建设, 逐步缩小城乡数字鸿沟; 加强信息技术在社会领域的应用, 提高政府社会管理公共服务水平。为此, 水利部针对性地提出了在水利信息化建设进程中应重点做好9 个方面的工作: ①进行国家防汛指挥系统建设; ②完善并建成全国水利政务信息系统; ③建设国家水资源管理决策支持系统; ④基本建成国家水质监测和评价信息系统; ⑤建成全国水土保持监测与管理信息系统; ⑥基本建成全国水利工程管理系统; ⑦建成全国农村水利水电及电气化管理信息系统; ⑧建成全国水利信息公众服务系统; ⑨建成全国水利规划设计信息系统。

由于海河水资源在京、津、冀地区国民经济建设和社会发展中所处的特殊地位, 加快其信息化进程尤为迫切,因此, 进行数字海河系统建设是时代的要求。数字海河系统的建设, 既可以提高客观管理手段的现代化水平, 减少决策失误及措施滞后所引起的损失, 还可以使管理流程规范化、标准化和科学化, 从而提高工作效率和工作的透明度。在水利灾害事故( 如洪灾、旱灾、水体污染、堤岸坍塌等) 发生时, 可利用数字海河系统中的GPS 和RS 技术快速探测事故发生地, 并将有关信息迅速输入GIS, 由GIS 准确显示出灾害事故发生地及其附近的地形条件等相关信息, 还可以对灾害事故进行空间模拟分析, 进行预测预报、评估灾害损失、快速制定救灾方案及应对减灾措施等。

“数字海河系统”中的大量信息资源, 可方便地服务于水利规划, 利用数字海河系统进行信息融合、分析研究, 提高水利总体规划的质量和效率。在水利管理方面, 可以快速、动态、高精度地进行水利管理信息的查询、检索和统计, 有效地进行水利信息的空间分析, 支持水利管理工作的深化, 快速的更新水利信息, 保证水利管理工作的现势性。

在加快建设资源节约型、环境友好型、大力发展循环经济的今天, 水务工作的内容已经从传统的工程水利向可持续发展的资源水利转变, 要在水务工作中贯彻执行科学发展、以人为本、人水和谐的理念, 需要在科学规划、组织管理、科学调控、全面保护等方面做好工作, 而数字海河系统的建设则可以为上述工作的有效进行提供技术保障。

4 建设数字海河系统的技术条件

4.1 “3S”技术

建设数字海河系统, 需要多学科的支持, 涉及的技术非常广泛, 主要有3S 及集成技术、数据库技术、通信和计算机网络技术、数学模拟技术、系统集成技术等。“3S”技术就是全球卫星定位系统GPS、遥感RS 和地理信息系统GIS 的总称。“3S”集成技术是建设数字海河系统的核心技术。

GPS 是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统,可为航天、航空、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的空间定位数据。GPS 定位分为标准定位服务和精确定位服务, 其通常由空间导航卫星、地面监控站组和用户设备3部分组成。GPS 技术在水利的监测应用方面可提供精确、可靠的信息。目前GPS 技术已在控制测量、水下地形测量、堤防监测、大坝安全监测、泥石流滑坡预警监测等方面得到了广泛的应用。

RS 是遥感测量技术, 即在高空或远距离处, 利用传感器接收地面物体辐射的电磁波信息, 经加工处理成可识别的图像, 揭示被测地面物体的性质、形状和变化动态。通过数据的传输和处理, 来研究地面物体形状、大小、位置、性质及其与环境的相互关系。RS 技术在数字建设中的应用十分广泛, 可测量河道、湖泊的水位值, 确定水体面积; 可实时获取洪水情况, 输出地图、地面情况, 分析时间段内洪水淹没的范围, 反映洪水移动的方向和速度, 估算洪灾造成的损失; 可进行水环境、干旱及土壤含水量实时监测。

GIS 是地理信息系统, 主要由计算机硬件系统、软件系统、数据库和系统管理员4 部分组成。水利信息中固定实体的河道、湖泊、水库、枢纽工程、抽水泵站、开采井等信息和非固定实体的水位、降水量、蒸发量、调水量等信息, 它们的最大特点是具有空间属性, 与地理信息系统空间实体的点、线、面属性一致。水利信息在图形上表现为数据, 与地理信息系统的图形表现能力是一致的, 用地理信息系统完全能表现水利的各方面信息。地理信息系统可以根据水利信息的地理坐标进行管理、评价、分析、结果输出等处理, 提供决策支持、动态模拟、统计分析、预测预报, 是数字水利的技术基础。

把GPS、RS、GIS 有机地结合在一起就是3S 集成技术,3S 集成技术的发展目标是实现“在线的连接, 实时的处理”。在这个系统内, GIS 相当于中枢神经, RS 相当于传感器, GPS 相当于定位器, 三者的共同作用将不仅具有自动、实时采集、处理和更新数据的功能, 数字海河系统的海量信息存储在数据库中, 数据库技术为各种水利信息的存储和快速检索提供了技术手段。而且能够智能式地分析和运用数据, 为各种应用提供科学决策咨询, 并回答用户可能提出的各种复杂问题。应该说, 3S 集成技术为数字海河系统奠定了技术条件。

4.2 数字通信、模拟技术

当今, 互联网技术飞速发展, 特别是宽带网络技术、IP技术、WAP 技术及数字微波技术、卫星数据中继技术和调频副载波技术的发展使得通信和计算机网络技术已融为一体, 为数字海河系统的建立提供了通信环境。构筑统一的IP 宽带网络是大势所趋, 各种数据流、语言流、视频流均在统一的IP 宽带网络上传输。水利信息传输宽带网络共享必须依赖通信网络技术, 水利专用通信网络的设计和建设应充分考虑网络技术的最新发展趋势, 充分利用丰富的公共网络资源, 做到公共网络与水利专用网络互为联通、互为备用。随着宽带网络技术的发展, 水利信息的传输速度必将大大加快, 实施动态视频的流畅传输必将成为现实。

数学模拟技术是运用数学模型和计算机技术对自然系统进行仿真模拟的技术, 在水利领域有较早的应用历史。随着计算机主频和内存不断提高和扩大, 对天气变化、水流运动、水环境变化等都能进行各种尺度的实时模拟,为准确揭示和把握水资源运动规律提供了先进的技术手段。数学模拟技术也是数字水利的核心技术, 它以各种水利专业模型为内核, 对各种水利信息进行综合计算处理,实现水利信息可视化。

4.3 系统集成技术

3S 技术在空间信息管理方面各具特点, 数据库、通信网络、数学模拟等计算机的各种技术日趋完善, 它们均可独立完成自身具有的功能, 同时又相互关联, 在解决问题的功能方面存在优势互补的必要, 多种技术的系统集成和互操作已成为空间科学的发展方向和必然趋势。数字水利系统的集成技术在需要硬件设备集成的同时, 更需要软件组成的集成, 研发并能适时地应用各类高水平的水利专业软件组件是数字海河系统建设成功与否的关键。

5 结语

数字海河系统是一个需要由若干个子系统组成的庞大而复杂的系统工程。为确保数字海河系统建设的顺利进行, 应重点做好以下几点:

(1) 由水利主管部门牵头, 有关部门参加, 组建具有相关专业技术知识的领导管理机构, 确保数字海河建设有计划、有步骤、分阶段地有序进行。

(2) 培养人才, 建设数字海河系统需要多学科知识, 水利科学、地理科学、测绘科学、计算机科学等, 通过多种形式, 培养一批适应数字海河系统建设的综合性的高素质人才队伍。

(3) 数字海河系统建设是立体的、全面的, 不能仅仅做某一方面的工作。应以水资源为主系统, 兼顾本流域的经济、人口、社会、环境等子系统。要进行全面规划, 各个子系统的建设在确保满足自身功能需要的前提下, 要服从总体规划的安排, 满足整体系统的功能需要, 满足资源共享和系统互操作的需要。

(4) 重视已有信息资源的利用, 对原有信息进行全面的收集, 合理的归类整理和有效的利用, 避免重复建设。

建设数字海河系统是信息化的一个重要发展方向,就是把与人类生存环境和发展有关的因素数字化, 按地理空间位置集成起来。建设数字海河系统是水利现代化的主要内容之一, 数字海河系统建设应以“人水和谐”为指导思想, 为实现水资源优化配置提供先进技术手段, 为防汛抗旱提供科学依据, 进而为京、津、冀地区经济建设服务。

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〔作者简介〕康蛇龙(1965-),男(汉族),高级工程师,主要从事水利工程测量研究工作。

来源：《水科学与工程技术》2007年增刊