GIS在饮水安全管理与规划中的应用与展望.pdf

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1、地 理 空 间 信 息GEOSPATIAL INFORMATION2013 年 6 月第 11 卷第 3 期Jun.,2013Vol.11,No.3doi:10.11709/j.issn.1672-4623.2013.03.收稿日期：2012-09-03。项目来源：国家自然科学基金资助项目(40771146)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070475001)；省部共建河南大学科研项目(SBGJ090605)；广西空间信息与测绘重点实验室(桂林理工大学)研究基金资助项目。GIS 在饮水安全管理与规划中的应用与展望侯景伟1，孔云峰2，刘洁心3（1.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川

2、 750021；2.河南大学 环境与规划学院，河南 开封 475004；3.镇平县水利局，河南 镇平 474250）摘 要：GIS 已在水质监测与评价、用水量预测、饮水安全系统开发、水源保护和规划等方面得到不同程度的应用，为解决饮水安全问题作出了一定的贡献。运用人工智能、3S 等新技术、新方法，实现饮水安全的多维模拟、应急管理、饮水工程规划，是实现饮水安全与 GIS 有机结合的主要途径。关键词：地理信息系统；饮水安全；管理；规划；应用；展望中图分类号：P208 文献标志码：B 文章编号：1672-4623（2013）03-0040-03015解决饮水安全问题，涉及到饮水安全现状分析、用水量预测

3、、饮用水水源保护和规划、饮水工程规划等多个环节。而这些环节在不同的区域具有明显的空间差异，用 GIS 技术解决饮水安全问题成为社会发展的必然趋势。在国内外，GIS 已经广泛应用于饮水安全的调查、分析、管理、规划和决策中，为实现饮水安全的可视化和智能化带来了生机。1 GIS 在饮水安全中的应用现状目前，利用 GIS 研究饮水安全问题，主要集中于水质监测与评价、用水量预测、饮水安全系统开发、水源保护和规划等方面。GIS 在水质监测与评价中，可以处理大量的水质监测数据，并以分层形式存储，从不同侧面、不同层次展现水质监测结果，从宏观的角度对各地区的水质进行评价，分析饮用水中超标污染物的空间分布规律，揭

4、示污染物与某些疾病的关系，为制定地方病防治策略提供了基础资料，为饮水安全管理和规划提供数据支撑1-4。GIS 为具有空间差异的饮水量预测与分析带来极大的方便。根据研究区的实际情况，获得相关数据，建立最高日用水量预测模型，并把相关地理数据和属性数据输入 GIS 软件，制作最高日用水量预测分布图和缺水分布图。图 1 是以河南省镇平县 409 个行政村为研究对象，利用上述模型在 Arc/Info9.2 平台上预测的镇平县各行政村 10 a 的最高日缺水程度分布情况。图中深红色的 23 个行政村为缺水最严重的村，是饮水安全和工程规划优先要解决的村。根据最高日缺水量，可以合理确定工程设计规模和数量，确立

5、饮水安全资金重点流向和饮水工程规划重点区域，从而为饮水工程规划提供了较为准确的空间决策支持5。图 1 镇平县各村最高日缺水程度分布图与饮水安全相关的 GIS 软件得到了开发和应用 6-8。通过建立饮水安全地理信息系统，实现数据录入、图层管理、漫游显示和专题图制作等基本功能，以及数据管理、统计报表、评价分析和水质预测等应用功能；实现图文双向查询、空间分析、水质评价与模拟，饮用水源保护在线信息发布、查询、统计和饮用水源污染分析等功能，达到饮用水源在线检测与信息共享的目的。GIS 在水源保护和规划中得到了广泛的应用9-13。利用 GIS 技术可以分析水源利用类型及其分布规律、水质分布规律及其原因，评

6、估水源保护区现状，预测水源保护区的生态安全等。利用 GIS 可以对无饮水设施区、引泉区、集中式供水区和分散式供水区等进行乡镇界不缺水村缺水较少村缺水中等村缺水较严重村缺水严重村41第 11 卷第 3 期科学合理的规划，并能绘制水源分布和规划图；可以在备选水源类型中优选最佳水源类型，在备选水源地中优选最佳水源地及最佳水源路线等。尽管 GIS 在饮水安全中被广泛应用，但目前还存在一些问题：饮水安全数据获得的精度和手段有待进一步提高；基于 GIS 的应用分析算法、模型、软件工具的发展还比较薄弱，信息分析的自动化、业务化水平有待进一步提高；根据研究目的和对象的不同，时空尺度的合理选择比较困难；GIS

7、技术优势特别是在数据分析和辅助决策方面的功能尚未充分发挥。2 GIS 在饮水安全应用中的展望GIS 在饮水安全中的应用日益广泛和深入，再加上新技术、新方法的出现和发展，必将促进饮水安全工程规划的科学化、规范化、自动化和可视化。1）实现饮水安全多维 GIS 技术是饮水安全研究的新焦点。饮水安全多维 GIS 的建立是一个复杂的过程，必须根据水资源学原理，选择合适的模拟方法，建立多维空间数据模型，实现对多维空间现象的有效、完整描述。利用饮水安全三维 GIS 可视化技术，可以实现在三维虚拟世界中对具有空间特征的饮水安全信息进行操作和分析，主要包括：饮水安全三维空间数据库和属性数据库的访问和关联，图示查

8、询、信息查询、图数互查、条件查询等灵活多样的查询方式，饮水实体间相互关系分析，三维网络拓扑关系分析，根据实际要求对各种饮水实体的定量分析等。在饮水安全中利用虚拟现实（VR）技术，能够充分反映三维饮水的水质、水量等形态，加强人机交互的能力，为三维饮水安全的动态显示提供新的研究思路，实现了全方位、多视角的动态观察，多种实时数据的漫游和浏览，多样化的图形显示控制方式。2）基于GIS的应急管理是饮水安全研究的新内容。饮水安全应急管理是指政府及水利等公共机构在供水事故和饮用水污染事故处置过程中，通过建立必要的应急机制，采取一系列必要措施，保障公众生命财产安全，促进社会和谐健康发展的有关活动。利用 GIS

9、技术可以及时、直观地提供重大事故隐患信息、重点污染源信息以及抢险救援信息，形成对重大饮水安全事故的可靠预防、监测监控、快速预警与快速响应的运行机制，提高饮水安全应急管理的保障能力，构筑公共安全保障体系，预防和减少事故造成的损失。饮水安全应急管理是对饮水安全事件的全过程管理，需要各种人力、物力、财力等资源保障和 3S 技术保障。根据饮水安全事件的发展阶段，饮水安全应急管理可分为应急准备、应急处置和善后处理 3 个过程，见图 2。图 2 饮水安全应急管理流程图3）在饮水工程规划中应用 GIS 技术是饮水安全研究的新挑战。饮水工程系统可分为取水工程、水处理（净水）工程和输配水工程 3 部分。应用 G

10、IS 技术将减少饮水工程规划的工作量，强化可视化和动态分析功能，增强空间区域的综合能力。例如，根据节点、管线、水泵、阀门、水池等设计管网数据库；以饮水管道的总费用函数作为目标函数，确定最优管径、最优管网和管网辐射半径；通过计算工程一次性投资和运行费用之和年最小值来确定饮水安全工程的最佳规划方案14。4）实现基于 GIS 的人工智能技术是饮水安全研究的新难点。人工智能（AI）在饮水安全中有着广阔的应用前景，为实现饮水安全的智能化和自动化提供了可能。通过 AI 可以进行空间信息智能化处理，从而发现新的知识，描述各类地理因素主要特征并预测系统将来的发展趋势。基于 GIS 和 AI 的饮水安全系统概念

11、模型如图 3 所示。用户用自然语言输入要解决的饮水问题，通过分析查询，依据提取的查询特征属性，在已优化案例库中进行检索、匹配，利用模糊综合评判，计算相似度。根据问题需要，从专家知识库中调用相关专家知识，从模型库中调用相关模型，从 GIS 中调用相关的时空数据和属性数据，进行饮水现状分析、用水量预测、水源规划和工程规划等，通过推理、解译，组合出若干优化方案，再使用综合评判的方法选出最佳的方案。?(?)?图 3 基于 GIS 和 AI 的饮水安全系统概念模型?GIS?GPS?RS?侯景伟等：GIS 在饮水安全管理与规划中的应用与展望地理空间信息42第 11 卷第 3 期5）多种技术和方法的综合应用

12、是饮水安全研究的新趋势。3S 技术可解决饮水安全的相关问题。利用 RS可获得大量的遥感影像数据源，从而发现水质、水量等的变化；利用 GPS 则提供精确的空间定位数据,从而测量水质、水量等的变化区域；利用 GIS 强大的空间分析功能实现数据的统一管理。各种理论和算法的综合应用是饮水安全研究的发展趋势。管网计算理论、系统优化理论与 GIS 相结合，可以进行管网水力工况分析和给水管网优化设计。遗传算法（GA）、模拟退火算法（SA）和 Tabu 搜索等技术不要求目标函数及约束条件可导或连续，就能产生全局最优解。最小成本规划（LCP）、综合资源规划（IRP）、综合价值规划（IVP）等优化模型结合运筹学、

13、系统论、决策论等领域的研究成果，在 GIS 技术的支持下，应用计算机程序求解，可使经验性因素大大减少，增强规划的科学性。3 结 语用 GIS 来解决饮水安全问题，具有省时、省力、成本低的优点，在可视化、规范化、智能化和科学化方面优于常规的解决方案，是社会发展的必然趋势。饮水安全的研究和发展需要全新的理论体系、关键技术和方法。特别是在饮水安全的多维可视化、应急管理、饮水工程规划的综合研究方面，有待于和GIS有机结合，做进一步研究。参考文献1 Njemanze PC.Application of Risk Analysis and Geographic Information System Tec

14、hnologies to the Prevention of Diarrhea Diseases in NigeriaJ.Am J Trop Med Hyg,1999,61(3):356-3602 Aelion C.Susceptibility of Residential Wells to VOC and Nitrate ContaminationJ.Environmental Science&Technology,2004,38(6):1 648-1 6533 Bilgehan N.Groundwater Contamination by Nitrates in the City of K

15、onya,Turkey:PJ.Journal of Environmental Management,2006,79(1):30-374 武先锋,陶勇.GIS 在饮水与健康领域中的应用及开发 J.国外医学卫生学分册,2005,32(5):285-2895 李小建,侯景伟.村域尺度上的农村用水量预测研究 J.地域研究与开发,2009,28(5):124-1296 Camp JS,Eugene J.Abkowitz.Application of an Enhanced Spill Management Information System to Inland WaterwaysJ.Journal

16、of Hazardous Materials,2010,175(3):583-5927 Kistemann T,Herbst S,Dangendorf F,et al.GIS-based Analysis of Drinking-water Supply Structures:a Module for Microbial Risk AssessmentJ.International Journal of Hygiene and Environmental Health,2001,203(4):301-3108 何伟,陈凯,程志勇，等.GIS 在深圳市供水水源网络管理信息系统中的应用 J.中国农

17、村水利水电,2002,12:43-459 Li H T,Kinzelbach W,Brunner P,et al.Topography Representation Methods for Improving Evaporation Simulation in Groundwater ModelingJ.Journal of Hydrology,2008,356(2):199-20810 Vieux B E,Mubaraki M A,Brown D.Wellhead Protection Area Delineation Using a Coupled GIS and Groundwater

18、ModelJ.Journal of Environmental Management,1998,54(3):205-21411 林桂兰,庄翠蓉,孙飒梅，等.水源保护区划界的遥感与GIS 技术研究 J.遥感技术与应用,2002,17(2):99-10312 王耕,王利,吴伟.基于 GIS 的辽河干流饮用水源地生态安全演变趋势 J.应用生态学报,2007,18(11):2 548-2 55313 牛宝茹.基于遥感 GIS 的安塞油田水源井有利区预测 J.中国煤田地质,2005,17(5):52-5414 侯景伟.基于 GIS 的农村饮水工程规划研究以河南省镇平县为例 D.郑州：河南大学，2008第

19、一作者简介:侯景伟,博士，讲师，主要研究方向为 GIS 的开发与应用，以及 GIS 在饮水安全、水资源中的应用和开发。（上接第 33 页）精密钟差文件，能够快速提取出所需时刻的卫星钟差数据，为高精度的插值加密做准备。1）对于采样率为 5 min 的精密钟差数据，采用滑动 Lagrange 多项式插值方法，当选取 8 个插值节点，即多项式阶次为 7 阶时，插值加密精度可以达到 0.1 ns，可以完全满足 PPP 等应用的要求；但随着插值阶次的增大，插值效果趋于平稳。因此，并不是插值阶次越高越好。2）Lagrange 多项式插值方法原理简单易懂，属于代数插值范畴，易于编程实现，并且滑动式内插算法充

20、分利用了待插时刻前后的数据信息，插值精度较高，还避免了龙格现象的出现。因此，在对 IGS 精密钟差进行加密时，可以首选该方法。参考文献1 洪樱，欧吉坤，彭碧波.GPS卫星精密星历和钟差三种内插方法的比较J.武汉大学学报：信息科学版，2006,31(6)：516-518，5562 刘冬，张清华.基于高斯过程的精密卫星钟差加密 J.测绘学报，2011,40(S1)：59-623 郭东美，韩保民，熊熊.低轨卫星定轨中精密卫星钟差的插值方法 J.大地测量与地球动力学，2007,27(2)：103-1064 韩保民.精密卫星钟差加密方法及其对星载GPS低轨卫星定轨精度影响J.武汉大学学报：信息科学版，2

21、006,31(12)：1 075-1 0785 杨凯，姜卫平.IGS 精密钟差精度分析 J.测绘信息与工程，2009，34(5):11-126 柳迪，逄淑涛，董绪荣.IGS 精密星历文件的读取及内插方法研究 J.全球定位系统，2011，36(5)：46-48，647 何玉晶，杨力.基于拉格朗日插值方法的 GPS IGS 精密星历插值分析 J.测绘工程，2011,20(5)：60-62，66第一作者简介：雷雨，博士，研究实习员，从事 GNSS 时间传递方面的研究。IIIndex(Vol.11,No.3)GEOSPATIAL INFORMATIONof low-altitude photogram

22、metry,and investigated the technical process of photogrammetry operations by using the system.Then it made the digital production test for the DLG,DEM and DOM.Finally,it made the accuracy assessment and feasibility analysis on the results.The results show that low-level image can be used for small a

23、reas of large-scale rapid topographic mapping.Key words low altitude aerial images,UAV,topographic mapping(Page:29)Read and Densifi cation Methods of IGS Precise Clock Offset File by LEI YuAbstract In this paper,a subroutine program for reading a clock file with Fortran was compiled.Moreover,sleek L

24、agrange fitting was taken as a densification method to interpolate clock offset.Finally,results were discussed and analyzed.Key words International GNSS Service,precise clock offset,Lagrange interpolation,densification(Page:32)Realization of the Sunlight Azimuthal Orthographic Projection by ZHANG Ku

25、nAbstract There is a kind of map projection which shows sunlight in the map,thus established connection between map and date.The sunlight azimuthal orthographic projection maintains the circular outline of the Earth,it is a“Suns eye view of the Earth”.Based on coordinate transformation,this paper pr

26、ovided a detailed implementation of the sunlight azimuthal orthographic projection,and provided the equation.Key words map projection,daytime hemisphere,sunlight,coordinate transformation(Page:34)Automatic Detection Handing Method of Spatial Conflict in Spatial Data Dynamic Updating by CHEN MinghuiA

27、bstract This paper focused on conflict detection and processing in spatial data dynamic updating,based on the analysis of the manifestation of spatial conflict,geographic entities and database space oriented mapping as the starting point,explored a detection method of spatial conflict and made a con

28、flict detection model.Considering different types of space conflict,targeted treatment was given.Finally,a verification making by independent development system achieved good results and confirmed that the method of conflict detection and processing in this article was reliable.Key words spatial map

29、ping,spatial conflict,automatic detection,conflict resolution(Page:37)Application of GIS in the Management and Planning of Drinking Water Safety by HOU JingweiAbstract GIS technology has been applied to monitor and evaluate water quality,to forecast water consumption,to develop system for drinking w

30、ater safety,to protect and plan water source.Artificial intelligence,3S technology and other new technologies and new ways were used to meet the multi-dimensional simulation,emergency management,project planning of the drinking water safety in support of GIS,which achieve the organic integration bet

31、ween drinking water security and GIS technology.Key words GIS,drinking water safety,management,planning,application,prospect(Page:40)Spatial Data Interoperability Model Based on Oracle Spatial by YANG WensenAbstract The paper gave an integration interoperability model based on Oracle Spatial,accordi

32、ng to different requirement of interoperability,using spatial data storage characteristics of Oracle Spatial.It would both meet the efficiency requirement within the department and the wide adaptability requirement of external department.Key words spatial data interoperability,Oracle Spatial,GML(Pag

33、e:43)Design of the Management System for Urban Green Space Planning Based on Service GIS by ZHONG GuangruiAbstract This thesis elaborated the basic concept of service GIS.And taking the design of the management system for urban green space in Meizhou City as an example,it offered details on the desi

34、gn of system database,the service configuration release,main function and the realization of client port,etc.In the end,it showed the further study on the system.Key words service GIS,SOA,geographic information service,Web Service,urban green space(Page:45)Pre-processing Method of MODIS Data by ZHAN

35、G YiAbstract There are differences about the contrast and brightness value among the remote sensing images because of the time,solar radiation and the atmosphere.It is must be preprocessed to have better analysis and evaluate.This paper used ENVI to pre-processing the MODIS data which around the Tia

36、nshan Road that to prepare for the following data analysis.It was including data geometric correction and matching cutting.Key words MODIS,ENVI,pre-processing(Page:49)Geometric Precision Correction Based on Web Mercator Projection and Its Accuracy Analysis by SUO JunfengAbstract For the intuitive,fr

37、ee,time-sensitive characters,Google Earth satellite images has been gradually spread in the field of engineering.In order to provide train of thought and method for engineering practice using GE,this paper analyzed the GE projection type,geometric precision correction principle and methods,and discu

38、ssed method of Web Mercator projection and GE Remote Sensing image correction using ArcGIS10.0 and ENVI 4.8 platform.Key words Google Earth,Web Mercator projection,geometric correction(Page:51)Study on Calibration and Test of Domestic Single Lair-Lidar Instrument by ZHANG HengAbstract The principle

39、of range and angle measurement of Lair-Lidar was analyzed to get the source of range error and angle error.Actual experiments were done on single instrument,and the theory of range and angle measurement as well as the regularity of the test data were taken into consideration to get the relevant corr

40、ection parameters.Correspondent models were then respectively built to rectify the measurement and effects before and after correction were compared for the analysis of the accuracy of test data after correction.The results show that range and angle measurement accuracy of Lidar be increased to a ce

41、rtain degree.Key words Lair-Lidar,test of single instrument,precision analysis(Page:54)Dodging Method of Considering the Position Relationship Between Images by ZHOU ZhichengAbstract This paper proposed a color balance algorithm based on moment matching,which maps mean value of the image and the mea

42、n square error to a given value on the basis of considering the position relationship between images.Moreover,it made gray scale mean and standard deviation of different regions approximately equal to the value,and eliminated the differences of hue and brightness between the images as well as images

43、 inside,as far as possible under the conditions of maintaining the original color of the image.Key words image dodging,color balance,moment matching(Page:57)Infl uence of Altitude Error on GPS Baseline Reduction by GUO ZhongmingAbstract This article described the theory and technology of GPS baseline reduction based on GPS adjustment data at first.And then it introduced the influence of altitude error on the reduction.At last it proposed a practical method to detect the distortion of side length.