1、1基于 GIS 的灌区现代化管理及决策支持系统应用研究一、GIS 技术引入灌区管理的目的和意义 灌区现代化管理是获取灌区系统最优运行、充分发挥灌溉工程效益的重要措施之一。用水管理是灌区现代化管理的核心。灌区用水定额多少、运行成本高低、供水质量好坏，以及配水数量是否准确等直接关系到灌区工程效益的发挥、水资源的合理利用以及经济效益和社会效益的提高。我国是一个水资源相对贫乏的国家，农业用水量（其中农田灌溉占 90.2%）约占全国用水总量的 62%，是最大的用水户。农田灌溉面积总体呈上升趋势，但是灌溉水的利用率低。我国灌区的灌溉水利用率仅为30%40%，而发达国家则达 70%80%。除去灌溉技术相对落
2、后，配套工程建设滞后的因素，灌区低下的管理水平是造成水资源浪费的最主要因素。我国灌区普遍存在的依靠人工进行灌溉管理的传统方式，已经成为农业节水发展的障碍。灌溉管理系统的出现，为农业水资源的科学管理与优化调配提供了科学的决策依据与决策方案。信息技术的高速发展及应用，为节水灌溉科学管理的推广创造了便利条件。然而，真正实现灌区灌溉的科学管理，必须以大量灌区地理信息（各地理要素的空间位置）为基础，同时还需要及时采集可靠的动态信息（农作物信息、墒情信息、水资源状况、气象资料等）为依据，来编制合理的用水计划并做出合适的调整。 地理信息系统作为一种特殊的管理系统，以空间数据作为基础，进2行空间数据及属性数据
3、叠加分析，方便快速提取用户所需的信息，通过地面模型自动生成功能及三维空间处理模块，能够清晰、准确地将地物的数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律等以图形、图像的方式动态地显示出来，以供管理者迅速、准确地掌握情况，为综合管理和科学决策提供一种快捷的分析方法和信息支持，大幅提升工作效率。同时，既能让管理者通过图形宏观把握灌区用水的总体情况，又可以利用各种快捷地查询手段了解各种非图形因素的情况，使管理者可获得的信息量成倍地提高。GIS 技术是水利行业信息管理标准化、网络化、空间化、可视化的有效工具。利用 COM 体系结构，将 GIS 与其他系统之间进行无缝集成，可推动灌溉管理走向信息化、自动化、智
4、能化。基于以上因素，GIS 技术应用于具有区域性特征的灌区必然有着广阔的前景。 二、GIS 在灌区管理及决策支持系统中应用的原理 GIS 是融计算机图形学、数据库、地理科学、信息科学和管理科学于一体，存储和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，满足不同领域对地理信息的要求，并借助其独有的空间分析和可视化表达，进行各种辅助决策。GIS 的这种特点使之成为与传统方法迥然不同的解决问题的先进手段，作为现代社会必不可少的应用技术，已在城市交通、土地管理、电网等方面得到广泛应用。 （一）GIS 的功能及特点 GIS 是采集、存贮、分析、再
5、现空间信息的信息系。它不仅利用属性数据，更重要的是利用空间数据。通过将地理空间模型化并存储在计算3机中，便于地理信息的快速查询、空间分析，以达到对研究对象行描述、模拟和预测的目的。相对于常规意义上的息系统，因其能进行空间分析而更能全面、直观动地采集和利用信息，因此是更加完备、更加成熟、更有用的信息系统。它具有以下功能：具有采集、管、分析和输出多种地学空间信息的能力，具有空间性动态性；以地学研究和地学决策为目的，以地学模方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合和动态测能力，产生高层次、高质量的地学派生信息；由计算机支持空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地学分析方法或模型，作用于空间数
6、据，产生有用信息，快速、准确地提供科学决策依据。GIS 具有以下特点：独特的空间分析能力。对空间信息进行各种复杂的空间运算，实现多元地理信息的迭加分析，以及图形与属性的双向查询，帮助人们了解空间实体的空间分布特征和空间关系。多样化的信息来源。遥感、测量、地图、GPS 文字报告等都可以为 GIS 提供数据。广泛的应用领域。由于能同时使用、综合分析属性数据和空间数据，因此能为具有空间查询、分析功能要求的领域所采用，特别适合水资源开发领域的需要。直观、形象的工作方式。GIS 能直观地反映处理对象的空间分布和特征，相对于其他信息系统具有非常直观、形象的工作方式。根据用户的需要，可以输出文字报告、专题地
7、图，还可以输出电子地图、多媒体信息等数字化产品。快速的信息使用速度。一方面与遥感、全球定位系统结合和集成，可以实时利用信息；另一方面，由于具有很强的信息检索和综合能力，大大缩短了管理和决策的周期。 （二）GIS 在灌区灌溉管理中的应用 4GIS 技术已应用于水利行业防汛抗旱决策支持、水资源管理、水环境保护、水文监测、水土保持、江河流域规划、水利工程规划、城市防洪、农田水利等诸多方面。但水利行业在应用 GIS 技术时，过去大多仅注重数据管理，即利用 GIS 技术进行数据的检索、查询和空间数据显示功能，这只是 GIS 最低层次的功能。对于一个灌区管理者来说，仅对数据进行检索查询或对图形进行简单的浏
8、览对灌区管理水平的提高是远远不够的，系统应以数学模型和决策分析为支撑，应用 GIS 的深层次功能，即将它作为分析、决策、模拟甚至预测的工具，这也将比较明显地显示出 GIS的社会效益与经济效益。 GIS 具有开放性和可扩展性，利用 GIS 的开发函数库能二次开发出专用地理信息系统软件。GIS 系统也有良好的可集成性，利用 COM 体系结构，将 GIS 与灌溉管理专家系统、现代通讯技术、全球定位系统等其他系统之间进行无缝集成，可实现灌区管理中各类信息的游览查询、灌溉辅助决策、灌水预报、渠系水流虚拟三维可视化等多种功能。 （三）系统功能和体系结构 1、系统功能 （1）管理信息：灌区基本情况（自然概况
9、、土地利用、水资源情况、工程管理现状） ；行政管理；工程管理（工程管理基本情况、灌溉渠道系统、排水沟系统、骨干建筑物） ；用水管理。 （2）地理信息：灌溉渠道系统；排水沟（河）系统；灌排泵站；桥梁；涵闸；道路；乡镇范围；行政村区域等。 （3）决策支持模型：用水管理决策模型；灌区调度决策模型；5灌区改造模型。 这三大信息资源通过三大功能，形成既相互交叉融合，又各有侧重，构成了完整的灌区决策支持系统。 2、体系结构 作为灌区决策支持系统，应该由三部分组成，分别是信息管理子系统（informat stem，DSS） ，其中决策支持系统是该系统的核心，也是系统较难实现的部分。在灌区决策模型中，主要是用
10、水管理决策模型，而该模型影响的因素很多，外界条件有气象、降雨、土壤墒情等，灌区本身条件有水源、渠道系统规划布置、渠系建筑物情况、渠道工作制度等。如此众多的影响因素，决定了灌区决策支持系统是一个综合、复杂和多变量的系统。IMS 为其提供了基础数据支持，而 GIS 则从空间信息处理到空间决策提供了平台和工具。该体系结构如图 1 所示。 3、逻辑结构 根据上述体系结构，结合灌区管理的需要，建立了一个基于 GIS 的集成数据库和模型库系统的灌区决策支持系统的逻辑结构，如图 2 所示。该结构采用三层式结构。即外部是人机接口，直接面向用户和决策者，包括数据的预处理和数据维护系统、灌区配水建模和管理系统、决
11、策交互和决策结果等，并构成基于 GIS 可视化的人机交互界面；基础数据库是本系统底层数据库，主要存储灌区管理的基本信息，包括现有工程的基础数据、基础影像数据、工程空间数据和灌区管理所需要的一些基础数据；整个系统的核心层是中间层，它主要完成灌区工程属性数据、地6理空间数据和灌区决策模型库等的生成、组织、管理、集成、维护和运行等功能，三者通过决策支持系统环境紧密协调工作。 （四）系统实现的关键技术 1、数据库技术 数据库技术是任何信息系统的关键技术，决策支持系统是在大量信息的基础上经过分析、判断和综合而做决策。本系统中数据库主要有存放灌区基本信息和工程属性的数据库、存放灌区空间信息的空间数据库和影
12、像数据库。属性数据库采用关系型数据库管理系统（RDBMS）管理，该系统技术成熟，已成功应用在许多领域空间数据库的管理可以采用 GIS技术。GIS 不仅可以存取和管理空间数据，而且还能提供与关系型数据库管理系统的接口，从而可以做到空间数据与属性数据的双向查询与分析。影像数据库一般先将需要的资料以文件形式预先制作好，然后再利用关系数据库进行管理，如果条件允许。还可以采用遥感图像处理软件管理。2、面向组件的开发技术 面向组件的开发方法非常适合决策模型的集成。灌区决策支持系统由许多模型组成，特别是决策模型应根据当时的雨情、水情、工情、土壤墒情、气象信息等进行不断调整，使其更符合灌区实际情况。从软件设计
13、的角度，这些变化采用面向组件技术进行开发，更有利于适应变化的情况。 3、GIS 技术 GIS 在灌区 DSS 中用于对空间数据综合地、动态地进行采集、管理、7分析、模拟和显示，实时提供空间和动态的地理环境信息，并服务于辅助决策的空间信息系统。 （1）GIS 的空间分析能力直接为灌区配水方案提供辅助决策。GIS所具有的网络分析功能可以为灌区配水方案提供决策支持；利用其专题图分析功能，可以为分析灌区不同部位灌溉面积进行预先分析，以便利用有限的水资源灌溉更多的面积。 （2）GIS 为模型参数的自动获取提供可能。 在灌区决策过程中，特别是灌溉过程中，将 GIS 与自动控制系统联结，能在地理位置图中及时
14、获取渠道不同部位水位、泵站或闸站运行的实时信息，从而为配水模型的推算提供实时参数。 （3）GIS 有利于灌区信息及决策结果的可视化表达。利用 GIS 强大的空间显示功能，在行政区划、交通、骨干建筑物分布、土地利用等图层上叠加实时雨情、水情、工情、灾情、作物种植分布图，有利于各级领导作出正确的决策。另外，GIS 强大的制图输出功能，也有利于决策结果的表达。 三、结语 将 GIS 技术应用于灌区现代化管理，可充分利用 GIS 分析处理空间信息的优势，丰富了灌区用水管理手段，提高了灌区管理水平，对优化水资源调配，实现适时适量的科学灌水，提高水资源利用效率具有重要作用。系统还可以和 GPS 相结合，通
15、过对遥感数据的分析处理，便于 GIS数据库及时更新，同时还能够对水土资源，作物生长状况变化进行实时监测，进一步提高灌区水资源管理系统的智能。 8参考文献： 1范昊明，杨国范，安禹等.GIS 技术在灌区用水管理中的应用研究J.沈阳农业大学学报，2002，33（2）：142-145. 2汪志农，冯浩.节水灌溉管理决策专家系统M.郑州：黄河水利出版社，2001.1-18. 3王玉宝，何武全，尚虎君.GIS 技术在灌区灌溉管理中的应用J.西北水资源与水工程，2009，14（3）：39-42. 作者简介：郭培震（1987-） ，男，山东省德州人。中国海洋大学水利工程专业 2011 级在职研究生。主要研究方向：水利工程。
