水利信息化技术应用现状及前景展望

前言

水是社会生存和发展的基础，是社会必不可少的重要资源，能为人类创造优美的生存环境，水环境是各类水生物赖以生存的场所，同时水在特定条件下又可能转化为灾害，成为社会发展的约束，甚至会严重威胁人类的生存。因此，社会的发展史就是依赖和利用水资源并与水灾害不断斗争的历史，也是长期以来从事江河治理和水利建设取得辉煌成就的历史。到了21世纪，社会发展进入了信息化时代，处于信息化技术飞速发展的时期，人们工作生活无时无刻不处在信息化的氛围中，离开信息化的环境是难以想象的。同时，我国是世界上人均水资源量较少、洪水灾害发生较为频繁的国家之一，随着现代社会和经济的发展，我国面临水旱灾害、水环境恶化、水资源短缺、生态环境退化、水管理相对落后的形势日益严峻，迫切需要科学的治水思路、方法和技术，现代高新技术的飞速发展和新理论、新方法的不断涌现为提高治水技术和科学管理水平提供了条件。因此，信息现代化，行业数字化，水利信息化，是水利事业发展的必然趋势。信息技术日新月异，以超出常人想象的速度飞速发展，为水利工作提供了强大的技术支持。从广义的信息技术来说，主要包括：地理信息系统（GIS）、数据库（DB）、遥感（RS）、虚拟现实（VR）、网络（Web）等软件技术；笔记本电脑、台式机、服务器、图形工作站等硬件技术；光缆、交换机、GPS等通讯技术；传感器信息采集技术；水情预测预报技术；水情模拟分析等仿真计算技术等。通常我们提到的信息技术应用主要指的是软件技术的应用，包括GIS、DB、RS、VR、Web等，或是软硬件结合的信息技术。水利信息化技术应用主要包括：办公自动化、防汛抗旱指挥、水情测报、水务管理、水资源管理、决策支持、防汛会商、信息服务等应用系统建设，实现信息技术为水利建设和管理服务。下面重点介绍较为广泛应用的信息技术在水利行业中的应用情况[1]。

1　水利信息化技术应用现状

1.1　地理信息系统技术应用

地理信息系统（GIS）功能十分强大，应用十分广泛，遍及各行各业。在水利行业GIS技术得到广泛应用已经有10多年了，并且逐步发挥了巨大的作用，其主要体现在地理位置确定、地理信息展示、行业信息展示、信息统计分析及功能集成等方面。主要应用介绍如下：

（1）基础地理信息管理。GIS技术基本功能是反映地理坐标，并通过地理坐标确定有关信息的坐标和相对位置。从信息管理方面水利行业与其他许多领域一样，首先要求得到基础地理信息，如：地形、地貌、河流、水系、行政区、交通等信息。

（2）水利专题信息展示。在基础GIS平台上6水利信息化2010,(2)展示水利专题信息，主要包括：水库、堤防、蓄滞洪区、水闸、测站等水利工程信息，和雨情、水情、灾情等水情信息及水利管理信息。将这些信息在GIS平台中分类、分图层、分区域展示。

（3）统计分析功能运用。GIS技术的分析功能十分强大，在水利工作中发挥了重要作用，如降雨分布信息、水资源量统计、洪水淹没面积计算、受灾面积和人口财产统计等。这些分析结果为水情预报、防汛会商决策、水量调度等提供了较为可靠详实的数据支持，初步实现了在水利及防汛工作中对雨情、水情、灾情的粗略估算向定量分析转变。

（4）系统集成功能。GIS作为地理信息管理基础平台，系统集成功能是其重要的基本功能之一。常用的GIS集成主要有相关功能模块和相关专业模型的集成。集成功能模块包括：信息服务、数据库、图形库、防汛会商、防汛值班及部分办公自动化等功能模块；集成专业模型包括：气象预报、水文预报、水动力学计算、水库调度等模型。

（5）空间三维GIS技术应用。GIS技术的发展和应用历经了从二维平面GIS平台到三维空间立体GIS平台的过程，随着三维空间GIS技术的日益成熟，三维空间GIS技术的应用更加广泛。三维GIS技术的主要特点是在GIS平台中展现空间立体环境，并在三维环境中展示与管理相关信息。地理信息系统虽然功能强大，应用广泛，但是地理信息系统技术还处在迅速发展阶段，在应用过程中存在信息不够详细、图标不够完善、分析功能有限等问题，而且国外GIS产品价格较高，国内GIS产品功能不够全面，因此地理信息系统技术在水利信息化建设的实际应用中还有一定的局限性，有待不断发展和完善。

1.2　数据库技术

应用数据库（DB）技术是信息技术发展和应用的核心内容之一，是水利信息化建设的基础，几乎所有的水利信息系统建设都离不开数据库技术的应用。数据库技术的应用主要包括数据存贮和管理。目前，已经完成了国家级水情数据库建设，实现了对国家重点关心的降雨信息、水情监测信息和历史水情信息进行查询与管理，流域和省级水情数据库建设正在紧锣密鼓的进行中，部分有条件的省市已率先完成了水情数据库建设，制定了国家防汛工情数据库建设规范，正在进行工情数据的入库工作；部分省市正在根据国家规范开展工情数据库建设工作；部分地区根据需要建立了洪灾灾情信息管理数据库，以及根据防汛指挥系统和防汛决策支持系统建设需要建立了系统专用数据库。数据库技术的运用和推广，进一步推动了防洪减灾信息管理的规范化，使信息存储、更新和查询更加方便，并且为数据挖掘奠定了基础。数据库技术在水利信息化建设与管理中应用较为成熟，为水利信息的数据管理提供了强大的支持，但是随着水利信息化建设中数据量的膨胀式增加，国产数据库产品对海量数据的管理还存在一定的不足。

1.3　网络技术

应用信息化水平的主要标志之一是网络技术的运用水平，水利信息化建设亦是如此，网络技术为气象、水情、工情、旱情、水质、生态、灾情等信息，以及水利管理信息的传输、共享、分析、管理和发布提供了强力的技术支撑。计算机网络技术作为基础设施已经成为我国水利工作中信息采集、传输、处理和共享的重要手段。根据网络应用范围的需要建设有局域网和广域网；根据网络通讯安全保障的需求分为公共网络和水利专网；根据信息传输是否有线分为有线网和无线网。国家防汛抗旱指挥系统一期工程关于计算机网络建设的主要任务是依托公网资源和已建的防汛通信专网，组建国家防汛抗旱指挥系统一期工程计算机网络。主要包括：一期工程骨干网，建设中央网络中心与7个流域机构、31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团防汛抗旱部门之间的互联网络；一期工程流域省区网（可研报告中的地区网）：建设流域和省（自治区、直辖市）与所辖的125个水情分中心、4个工情分中心、28个旱情试验站（分中心）、4个重点工程管理局之间的互联网络；一期工程城域网（可研报告中的园区网）：建设同城异地办公的同级水文、防汛抗旱部门及网络中心之间的互联网络；一期工程部门网：建设31个省（自治区、直辖市）水情、工情中心及4个重点工程局的局域网；建设中央、7个流域机构、31个省（自治区、直辖市）和新疆生产建设兵团网络中心；建设一期工程网络管理、服务及安全系统[2]。网络技术除了以通讯传输技术为主的计算机网络硬件技术以外，网络编程技术也是网络技术应用的重要内容之一，通常谈到的网络化技术是指网络化软件的开发和应用，即是指具有网络发布功能的Web技术而不是广义的IT技术。Web技术的应用起步于2000年前后，此后国家各级各部门编制的网络化软件系统主要采用Web技术。例如各级防汛指挥、水情测报、决策支持、信息服务、会商管理、办公自动化等系统中网络化软件系统部分都是基于Web技术的。计算机网络技术的发展为水利信息共享和交换提供了条件，作用重大、效果显著，但是由于信息量逐步增加，网络容量有限，信息传输和交换速度往往难以满足实际应用的需求；再者，互连网稳定性不足，系统较为脆弱，可靠性不够强，如某一环节出现故障就会影响整个网络系统的正常运行。因此网络技术应用还应该全面考虑出现网络故障后的应急解决方案。

1.4　遥感技术

应用随着遥感技术（RS）的发展，影像识别精度的提高、数据处理能力的增强、影像获取成本的降低，遥感技术在水利信息化建设中的作用日趋重要。遥感影像的来源渠道较多，有美国、日本、法国、印度等国外的遥感影像产品，也有我国自己的遥感影像产品或者航片，遥感技术的应用主要是通过接收或购置遥感影像数据，确定洪、旱灾害的位置、识别洪水淹没情况和受灾情况、分析旱灾影响范围和受灾面积、评估可能受到的灾情影响，以及根据遥感影像分析河流水质变化和水土保持状况，为防汛指挥、救灾活动、环境保护、生态建设提供信息支持。近年来，由于7大流域和部分省市已经建成一定精度的三维空间地理信息系统基础平台，将遥感影像成果与三维平台相结合，不仅直观展示水利信息，还可以进一步分析可能的发展趋势，为水利建设与管理提供高水平的信息支持。

1.5　虚拟现实技术

应用虚拟现实技术（VR）是利用计算机技术生成逼真的三维虚拟环境。虚拟现实技术最重要的特点就是“逼真感”与“交互性”。虚拟现实技术可以创造形形色色的人造现实环境，其形象逼真，令人有身临其境的感觉，并且与虚拟的环境可进行交互作用[1]。

现在虚拟现实技术在水利信息化建设中的应用日渐广泛。

（1）构建防洪工程的三维虚拟模型，如大坝、堤防、水闸等三维虚拟模型，实现了防洪工程三维空间示景；

（2）洪水流动和淹没的三维动态模拟，实现了三维空间场景中的洪水演进动画过程，三维场景中洪水淹没情况的虚拟展示；

（3）防洪工程规划中枢纽布置三维虚拟模型，包括大坝、泄洪洞、发电厂、变电站等，为工程规划提供直观三维视觉效果场景；

（4）云层和降雨效果渲染三维虚拟模型，模拟云层流动、降雨过程等动态效果；等等。由于虚拟建模过程工作量较大，占用计算机空间较大，三维虚拟模型与地理信息系统和网络的耦合运用还不够完善，有关应用还处在局部范围，现阶段没有大规模推广应用。

1.6　卫星定位系统技术

应用卫星定位系统（GPS）应用是随着GIS、Web和RS等信息技术的应用而发展起来的。防洪决策、抢险救灾，都需要了解险情、灾情发生的准确位置，虽然拥有了地理信息系统平台和卫星遥感影像，但是灾情的位置仍然难以确定，“5.12”抗震救灾行动中就出现过类似的窘境，因此利用GPS技术将灾情发生的位置和GIS平台及RS影像有效连接起来，实现灾区和灾情的准确定位意义重大。另一方面，利用GPS和通讯网络技术结合，将险情和灾情信息及时传达或通知到相关负责人，大大提高抢险救灾效率，有关应用在浙江、福建、广东等地区十分普遍。在水利信息化建设中GPS对河流、工程等有关信息的定位与管理发挥了重要作用。由于卫星定位系统通讯容量有限，对于数据量较大的水情和灾情信息传输速度较慢，普及应用受到一定限制。

2　水利信息化技术应用前景

社会在发展，科技在进步，经济在增长，投资在加大，在水利信息化建设过程中虽存在这样或那样的问题和不足，但信息化建设仍然发展迅速，取得了惊人的阶段性成就，而且随着信息化建设进程和国家投资力度的不断加大，水利信息化技术的应用前景更加美好。

2.1　社会发展对信息技术的应用提出更高要求

社会的发展是一个变加速的进程，安全保障日益得到重视，在建设和谐社会和以人为本的社会理念指导下，保护生命安全和环境安全的要求放到治水工作的首要位置。水利信息化建设对防灾减灾、环境保护、水资源管理、工程管理，进一步提高我国科学治水水平，建立人与水和谐的社会与环境，发挥着十分重要的作用。加快水利信息化技术的推广与应用，推进水利信息化建设是社会发展的必然需求。

2.2　信息技术进步为水利信息化建设创造条件

DB、GIS、Web、RS、GPS等信息技术的飞速发展和进步，为基于信息技术发展的水利信息化建设和完善提供了技术保障。国家防汛抗旱指挥系统建设是前沿信息技术在防汛抗旱领域的应用，先进成熟的信息技术成果为防汛抗旱、水资源管理、环境与生态建设等水利行业的信息监测、传输、存储、查询、检索、分析与展示提供了技术条件，使水利信息化推动水利现代化成为可能。

2.3　专业模型技术改进为信息技术应用提供技术支持

水利信息化建设的主要内容之一是决策支持系统建设，而决策支持系统建设的重要依据是水情、旱情、灾情等信息的分析成果，这些分析成果主要来源于气象预测预报、洪水预测预报、洪水演进分析模型系统、洪水调度模型系统、溃坝分析、旱情分析、水资源管理、水质、环境评估等专业模型系统。近年来，有关专业模型技术得到了逐步改进和完善并随着计算机技术的发展为复杂的模拟分析计算提供了条件。专业模型技术的发展为决策支持系统建设的实用性提供了强有力的技术支撑，是水利信息化建设与发展的坚强后盾。

2.4　经济发展为水利信息化技术应用提供了资金保障

改革开放以来，我国经济发展迅速，国力得到了大大增强，人民生活得到了重大改善，为了人们生命安全、社会稳定、环境保护、经济可持续发展，各级政府有能力、有条件投入更多的资金进行水利信息化建设事业。近10多年来，国家投入防汛抗旱指挥系统建设的资金与10年前相比增加了数10倍，而且更加重视水资源利用和生态环境等领域的信息化建设。随着经济的进一步发展和人民生活水平的逐步提高，信息系统建设经费投入会持续增加，水利信息化技术应用会更加广泛。

3　小结

本文重点介绍了GIS、DB、Web、RS、VR、GPS等信息技术在我国水利信息化建设中的应用情况及其存在不足，论述了水利信息化技术的发展条件和应用前景。此外，三维建模、多媒体、图形处理、动画、幻灯片制作等计算机技术在水利信息化进程中也发挥了重要作用。总之，信息技术的飞速发展与推广应用为我国水利现代化进程注入了催化剂，提高了水利行业的技术水平，推动了水利事业的发展，缩短了我国与世界发达国家在水利信息化方面的差距，发展潜力巨大，应用前景广阔。