3S集成技术在水利行业的应用及优势

“3S”集成技术在水利行业中已经开始并且有着广阔的应用前景。在前几章中,已经讨论了在防汛抗旱、水资源调度、水环境监测与管理、水土保持和水利工程规划与管理等的应用情况,下面讨论无线通讯和GIS集成、地理信息系统建模技术、GIS支持下的遥感数据融合技术和三维可视化技术和虚拟现实技术,以及数字流域技术等的应用。

(1)无线通讯与GIS相结合。无线通讯改变了人们的生活和工作方式。随着无线通讯技术的发展,特别是WAP技术的应用,使无线通信技术与GIS技术以及Internet技术的结合成为可能,形成了一种新的技术——无线定位技术(wireless location technology)。因此也衍生一种新的服务,即无线定位服务(wireless location service)。无线定位技术的应用很广泛。利用这种技术,人们可以利用手机查询到自己所在的位置;再利用GIS的空间查询分析功能,查到自己所关心的信息。比如旅客来到一个陌生的城市,迷失了方向,就可以利用手机迅速地调出旅客所在位置附近的地图,标出目标地点,手机就会自动显示出旅客应该行走的路线,指导旅客顺利地到达目的地。

据估计,利用手机进行无线上网、无线资料传输将是下一个热潮。到2002年,全球将有超过1亿部手机有上网功能,到2003年其数量将达到10亿部。GIS与无线通讯的结合,使GIS借助于无线通讯等技术手段更加深入地融入到我们的日常生活当中,这将是一个非常广阔的市场。

(2)地理信息建模系统(GIMS)。通用GIS的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的,因为这些领域都有自己独特的专用模型,目前通用的GIS大多通过提供进行二次开发的工具和环境来解决这一问题。如ARC/INFO 提供的进行二次开发的宏语言AML。二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。而GIS成功应用于专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。GIS应当支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境,支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策。这种GIS系统又称为地理信息建模系统(Geographic Information Modeling System,简称GIMS)。GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。基于RS和GIS的分布式流域水文模型成为当前研究的前沿,“3S”技术支持下的分布式或半分布式水文预报模型在中小流域尺度进行了试验性的应用研究,取得了一些成果。目前实现通用GIS空间分析功能与各种领域专用模型的集成主要有四种途径。

1)模拟模型嵌入GIS平台。目前流行的部分GIS平台嵌入了专业应用模块,方便了用户直接应用于专门流域的开发。例如Integraph的In Roads,Army Corps of Engineers的HEC-SAS,又例如Arc/Infor8.01即嵌入了流域模型ARCStorm 和ARCGrid等、地下水Darcy水流模型和污染运移模型,常见的模块有BASIN、DARCYFLOW、POROUSPUFF、WATERSHED、FLOW-ACCUMULATION、PARTICLETRACK 等。上述模块是高度概化的通用模块,用于解决复杂实际问题还有一定困难。

2)GIS功能嵌入模拟模型。目前流行的水文模拟模型软件多基于Windows平台,可视化程度较高。例如,TOPMODEL,MIKE SHE,MIKE BASIN,Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW 等都采用了可视化数据输入处理和模拟结果表达,大大提高了模型识别、验证与应用的效率。又例如,美国Research Systems公司的交互式数据语言IDL和VIP可视化开发工具,为模型集成提供了理想平台。Research Systems公司开发的River Tools为IDL平台开发的DEM 分析、水系及河流网系分析、洪水淹没分析应用系统。但是,这种方式的集成其空间数据处理分析功能有限,还需要借助其他GIS工具软件实现大规模数据的输入和前处理等。

3)模拟模型和GIS的松散连接。通过各种工具软件,将二者连接起来,开发数据接口程序,通过数据文件交换的方式进行连接。Argus ONE(Open Numeric Environment)即为一套可视化的,开放式数值模拟环境,为各类模拟软件提供便捷的数据前处理和后处理平台。由于通过数据文件交换方式进行模拟模型和GIS的连接,不可避免存在个别数据交换错误,影响整个模拟模型精度和效率。

4)水文模拟模型和GIS 的紧密连接。通过GIS 提供的宏语言或二次开发4GL 高级语言(如Visual Basic、Visual C++、Dephi等),将水流数值模拟模型和GIS紧密连接的方式。一般情况下,GIS在后台运行,但模拟模型可充分利用GIS的空间数据和属性数据处理功能,并能够实现水流动态的实时模拟和演示。目前,许多GIS软件提供了二次集成开发的环境,如ESRI’s Avenue和AML开发语言,MapInfo公司的MapInfo平台MapBasic以及Intergraph公司的Geo Media Object等。水流数值模拟模型和GIS集成二次开发工作量大,开发成本高,需要多个专业开发人员的参与和配合。例如,Bo Huang(2002)等运用ARCVIEW 宏语言Avenue,采用TOPMODEL(TOPographybased hydrological MODEL)代码开发AVTOP模型系统,实现了水文模拟模型和GIS的完全集成,模型创建的所有阶段,包括模型初始参数输入、数据集转换、中间和最终结果的图形方式表达在同一环境下完成,大大提高了模型数据分析与决策的效率。

(3)GIS支持下的多源数据的融合技术。由于卫星数据种类越来越多,而应用者希望在有限的投资内获得不同卫星遥感数据源的信息优势,以增强对目标物的检测与识别能力,提高卫星遥感应用的精度和效率。因此,多卫星数据融合技术及其融合产品也就有了广阔的应用领域。不同于一般的图像复合,实现信息优化是数据融合的主要目标。而信息优化是有选择性的,针对不同卫星数据源、不同地物特征和应用目的采用不同的融合方法。有时强调信息保持,保证图像判读和统计上的一致性;有时突出光谱变异以提取变化信息。多源数据的融合需要GIS系统的支持,尤其是在涉及遥感和非遥感数据的融合处理的情况。

例如,“长江三峡工程库区水土流失与生态环境地理信息系统”和“南水北调中线工程水源区水土流失与生态环境地理信息系统”涉及三峡库区175m 水位淹没所涉及的21个县(市、区),面积近6104km2,涉及1/5万地形图共198幅,第一期SPOT 影像54景、TM 影像10景。系统分别采用了异源影像融合技术和同源影像融合技术,在地形图数字化、GIS技术支持下生成DEM,利用DEM和SPOT、TM 成像机理纠正畸变和视差,采用HIS变换方法对高分辨率的SPOT 全色影像(分辨率10m)和彩色的低分辨率TM 影像(分辨率30m)进行融合处理,融合后的图像既保持了SPOT的高分辨率,又保留了彩色信息,大大提高了解译和分类精度,成效显著。

(4)三维可视化技术和虚拟现实技术(VR)。三维可视化技术和虚拟现实技术已在水利各领域逐步得到应用。例如,航天北京仿真中心成功开发研制了“南水北调工程仿真系统”,是地理信息系统、遥感、全球定位系统、网络技术及虚拟现实等信息技术集成运用的成功例子。南水北调工程是我国继三峡工程之后的又一项超大规模水利建设工程,建立仿真系统就是要辅助解决工程在方案论证和可行性研究中的难点问题,为工程决策者提供方便实用的科学分析工具和仿真平台,从宏观上为工程决策提供技术上的支持。仿真系统主要应用仿真技术,对南水北调工程所涉及的区域地理环境、自然资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各类信息进行采集和数字化处理。系统采用分布式技术,以多台微机组成分布式仿真系统。前期仿真重点是围绕东线和中线地区的工程运行、水资源调度和环境问题,提供工程运行、调度方案的模型、预演和研究。该系统将具有跨平台、互联网服务和较为逼真的三维仿真显示能力。(www.xing528.com)

(5)空间决策支持系统(SDSS)。大多数GIS以数据库软件系统为驱动核心,模型在系统中处于从属地位,GIS提供的主要是原始数据信息和有限的低层生成信息,在辅助决策过程中GIS只能提供数据级支持,而不能提供实质性的决策方案,且难以求解复杂的结构化的空间决策问题。决策支持系统DSS理论的出现,给传统的GIS注入新的活力,使GIS从以数据库为驱动核心逐步向以模型库为驱动核心的空间决策支持系统SDSS发展。这将有助于GIS向纵向和横向渗透,扩大并提高其应用效率。

DSS是以计算机技术、人工智能技术、数学方法和信息技术为手段,面向半结构化的决策问题,辅助支持决策者的决策活动的人机计算机网络系统。SDSS是面向空间问题领域的,主要用于求解难于具体描述和模拟的结构较差的空间问题。SDSS能快速地为决策者准确提供决策所需要的数据、信息和背景材料、图形、图像及报表形式,帮助决策者明确决策目标,建立修改决策模型和进行空间复合运算,提供各种备选方案,并对各种方案进行评价和优选,通过反复的人机对话,充分发挥决策者的分析、判断和智能,为正确决策提供支持和帮助。SDSS与GIS的主要区别在于。①SDSS具有专门的模型库及其管理系统,供决策人员分析和决策时进行模型选择和构造新模型。②SDSS中将方法库与模型库分离,有利于一个模型使用不同方法,从而形成问题的不同求解途径。③SDSS可用于求解半结构化或非结构化空间问题。④SDSS更强调知识和模型在问题求解过程中的重要性。研究资料表明,GIS将来是否获得成功,在很大程度上依赖于复杂的分析技术和模型模拟能力的开发。

(6)数字流域技术。“数字流域”是“数字地球”概念在水利行业的延伸。广义地说,数字流域就是综合运用遥感、地理信息系统、全球定位系统、虚拟显示技术和超媒体等现代新技术,对全流域的地理环境、基础设施、自然资源、人文景观、生态环境、人口分布、社会和经济状态等各种信息进行数字化采集与储存、动态监测与处理、深层综合与挖掘、综合管理与传输分发,构建全流域可视化的基础信息平台和三维立体模型,建立适合于全流域各不同职能部门的专业应用模型库和规则库及其相应的应用系统。在此基础上,研制和开发各级政府领导部门综合管理整个流域、并进行宏观决策的计算机应用系统,是实现全流域各类信息的可视化查询、显示和输出,将整个流域在计算机上虚拟再现,为各级政府管理部门对全流域的综合规划、设计、建设、管理和服务等提供辅助决策依据和手段,为社会公众提供关于流域信息服务的大型系统工程。从狭义上讲,数字流域是将上述广义数字流域的研究对象只局限于流域的水资源及水电能源范畴,为全流域的水利水电部门应用和服务提供计算机管理与应用系统。

数字流域是一个集数字化、网络化和信息化等多种高新技术为一体的可视化计算机管理和应用系统,是数字地球建设的一个重要区域层次。从理论上来讲,数字流域不仅要以水文学、水资源学、水利水电工程、电力生产与调度、规划与建设、环境保护和灾害学等各个领域的专业知识为理论基础,而且需要系统科学、运筹学、控制理论、优化与决策以及软件工程等相关学科作为支撑。其中,相关数学模型是数字流域的核心和灵魂,模型化是实在流域数字化的真正体现。

在我国,“数字黄河”工程已经启动,建设以数据采集为基础,信息资源共享为导向,决策分析模拟为核心,统筹规划的“数字黄河”工程,采用了由基础设施、应用服务平台、应用系统、决策技术支持和保障体系等组成的工程总体框架结构。近期以急需的基础设施和完善监测体系为基础,以防汛减灾、水量调度、水质监控、水土流失治理与监测、工程建设与管理和电子政务等应用系统建设为重点。预计到2006年基本完成框架建设,2010年建立全面的业务应用系统并投入运行。

国外最为典型的数字流域应用实例是美国Mississippi河网上博物馆(Mississippi River Web Museum),让公众更好地了解流域基本情况,包括水资源、洪水、生态、社会经济和相关科学知识等(图13-4、图13-5)。运用了实时数据流整合、实时模拟技术、网络门户技术以及系统原型技术等。整个系统由架构(Architecture)、数据库、模型库、可视化引擎(Visualization Engine)、声波降解系统(Sonification)以及多用户界面等6大部分组成,其中数据库集成了GIS,RDBMS,XML 和HTML等技术。

图3-4　美国密西西比河数字博物馆导航系统

图13-5　美国密西西比河数字博物馆控制台

(7)“3S”技术与水信息学。水信息学是一门崭新的学科,它是信息技术与传统水环境科技相结合的产物,是研究与水环境相关数据的收集、处理、存储、传布、分析和图形显示等的学科,它通过综合数学、计算机科学和传统水环境科学和工程学的方法,来揭示大量复杂的水环境科技奥秘,解决水环境科技难题。水信息学的研究和应用领域极为广泛,内容非常丰富,包括数据的获取和分析(例如SCADA、遥感、遥测、数据模型、数据管理和数据库技术)、先进的数值分析方法和技术(例如一维、二维和三维计算机水力、水质和水生生态模型,参数估计和过程识别)、控制技术和决策支持(例如基于模型控制、不确定性处理、决策支持系统、分布影响评价和决策、Internet和Intranet)、标准软件的开发(例如,海岸和河口污染扩散的过程分析、水资源的流域管理、城市给水排水系统、计算机辅助教学软件),以及最近出现的新技术的应用(例如进化算法、神经网络、模糊逻辑、分布和扩散模型、面向对象和代理)等。无疑,水信息学的发展,需要“3S”技术的支持。