苑希民

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

0 前言

水是社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是社會必不可少的重要資源，能為人類創(chuàng)造優(yōu)美的生存環(huán)境，水環(huán)境是各類水生物賴以生存的場所，同時水在特定條件下又可能轉(zhuǎn)化為災(zāi)害，成為社會發(fā)展的約束，甚至?xí)?yán)重威脅人類的生存。因此，社會的發(fā)展史就是依賴和利用水資源并與水災(zāi)害不斷斗爭的歷史，也是長期以來從事江河治理和水利建設(shè)取得輝煌成就的歷史。

到了 21 世紀(jì)，社會發(fā)展進(jìn)入了信息化時代，處于信息化技術(shù)飛速發(fā)展的時期，人們工作生活無時無刻不處在信息化的氛圍中，離開信息化的環(huán)境是難以想象的。同時，我國是世界上人均水資源量較少、洪水災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家之一，隨著現(xiàn)代社會和經(jīng)濟的發(fā)展，我國面臨水旱災(zāi)害、水環(huán)境惡化、水資源短缺、生態(tài)環(huán)境退化、水管理相對落后的形勢日益嚴(yán)峻，迫切需要科學(xué)的治水思路、方法和技術(shù)，現(xiàn)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展和新理論、新方法的不斷涌現(xiàn)為提高治水技術(shù)和科學(xué)管理水平提供了條件。因此，信息現(xiàn)代化，行業(yè)數(shù)字化，水利信息化，是水利事業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

信息技術(shù)日新月異，以超出常人想象的速度飛速發(fā)展，為水利工作提供了強大的技術(shù)支持。從廣義的信息技術(shù)來說，主要包括：地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)據(jù)庫（DB）、遙感（RS）、虛擬現(xiàn)實（VR）、網(wǎng)絡(luò)（Web）等軟件技術(shù)；筆記本電腦、臺式機、服務(wù)器、圖形工作站等硬件技術(shù)；光纜、交換機、GPS 等通訊技術(shù)；傳感器信息采集技術(shù)；水情預(yù)測預(yù)報技術(shù)；水情模擬分析等仿真計算技術(shù)等。通常我們提到的信息技術(shù)應(yīng)用主要指的是軟件技術(shù)的應(yīng)用，包括 GIS、DB、 RS、VR、Web 等，或是軟硬件結(jié)合的信息技術(shù)。水利信息化技術(shù)應(yīng)用主要包括：辦公自動化、防汛抗旱指揮、水情測報、水務(wù)管理、水資源管理、決策支持、防汛會商、信息服務(wù)等應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)信息技術(shù)為水利建設(shè)和管理服務(wù)。下面重點介紹較為廣泛應(yīng)用的信息技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用情況[1]。

1 水利信息化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS）功能十分強大，應(yīng)用十分廣泛，遍及各行各業(yè)。在水利行業(yè) GIS 技術(shù)得到廣泛應(yīng)用已經(jīng)有 10 多年了，并且逐步發(fā)揮了巨大的作用，其主要體現(xiàn)在地理位置確定、地理信息展示、行業(yè)信息展示、信息統(tǒng)計分析及功能集成等方面。主要應(yīng)用介紹如下：

（1）基礎(chǔ)地理信息管理。GIS 技術(shù)基本功能是反映地理坐標(biāo)，并通過地理坐標(biāo)確定有關(guān)信息的坐標(biāo)和相對位置。從信息管理方面水利行業(yè)與其他許多領(lǐng)域一樣，首先要求得到基礎(chǔ)地理信息，如：地形、地貌、河流、水系、行政區(qū)、交通等信息。

（2）水利專題信息展示。在基礎(chǔ) GIS 平臺上展示水利專題信息，主要包括：水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)、水閘、測站等水利工程信息，和雨情、水情、災(zāi)情等水情信息及水利管理信息。將這些信息在 GIS 平臺中分類、分圖層、分區(qū)域展示。

（3）統(tǒng)計分析功能運用。GIS 技術(shù)的分析功能十分強大，在水利工作中發(fā)揮了重要作用，如降雨分布信息、水資源量統(tǒng)計、洪水淹沒面積計算、受災(zāi)面積和人口財產(chǎn)統(tǒng)計等。這些分析結(jié)果為水情預(yù)報、防汛會商決策、水量調(diào)度等提供了較為可靠詳實的數(shù)據(jù)支持，初步實現(xiàn)了在水利及防汛工作中對雨情、水情、災(zāi)情的粗略估算向定量分析轉(zhuǎn)變。

（4）系統(tǒng)集成功能。GIS 作為地理信息管理基礎(chǔ)平臺，系統(tǒng)集成功能是其重要的基本功能之一。常用的 GIS 集成主要有相關(guān)功能模塊和相關(guān)專業(yè)模型的集成。集成功能模塊包括：信息服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、圖形庫、防汛會商、防汛值班及部分辦公自動化等功能模塊；集成專業(yè)模型包括：氣象預(yù)報、水文預(yù)報、水動力學(xué)計算、水庫調(diào)度等模型。

（5）空間三維 GIS 技術(shù)應(yīng)用。GIS 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用歷經(jīng)了從二維平面 GIS 平臺到三維空間立體 GIS 平臺的過程，隨著三維空間 GIS 技術(shù)的日益成熟，三維空間 GIS 技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。三維GIS 技術(shù)的主要特點是在 GIS 平臺中展現(xiàn)空間立體環(huán)境，并在三維環(huán)境中展示與管理相關(guān)信息。

地理信息系統(tǒng)雖然功能強大，應(yīng)用廣泛，但是地理信息系統(tǒng)技術(shù)還處在迅速發(fā)展階段，在應(yīng)用過程中存在信息不夠詳細(xì)、圖標(biāo)不夠完善、分析功能有限等問題，而且國外 GIS 產(chǎn)品價格較高，國內(nèi) GIS 產(chǎn)品功能不夠全面，因此地理信息系統(tǒng)技術(shù)在水利信息化建設(shè)的實際應(yīng)用中還有一定的局限性，有待不斷發(fā)展和完善。

1.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)庫（DB）技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的核心內(nèi)容之一，是水利信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，幾乎所有的水利信息系統(tǒng)建設(shè)都離不開數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用主要包括數(shù)據(jù)存貯和管理。目前，已經(jīng)完成了國家級水情數(shù)據(jù)庫建設(shè)，實現(xiàn)了對國家重點關(guān)心的降雨信息、水情監(jiān)測信息和歷史水情信息進(jìn)行查詢與管理，流域和省級水情數(shù)據(jù)庫建設(shè)正在緊鑼密鼓的進(jìn)行中，部分有條件的省市已率先完成了水情數(shù)據(jù)庫建設(shè)，制定了國家防汛工情數(shù)據(jù)庫建設(shè)規(guī)范，正在進(jìn)行工情數(shù)據(jù)的入庫工作；部分省市正在根據(jù)國家規(guī)范開展工情數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作；部分地區(qū)根據(jù)需要建立了洪災(zāi)災(zāi)情信息管理數(shù)據(jù)庫，以及根據(jù)防汛指揮系統(tǒng)和防汛決策支持系統(tǒng)建設(shè)需要建立了系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的運用和推廣，進(jìn)一步推動了防洪減災(zāi)信息管理的規(guī)范化，使信息存儲、更新和查詢更加方便，并且為數(shù)據(jù)挖掘奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫技術(shù)在水利信息化建設(shè)與管理中應(yīng)用較為成熟，為水利信息的數(shù)據(jù)管理提供了強大的支持，但是隨著水利信息化建設(shè)中數(shù)據(jù)量的膨脹式增加，國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品對海量數(shù)據(jù)的管理還存在一定的不足。

1.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

信息化水平的主要標(biāo)志之一是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用水平，水利信息化建設(shè)亦是如此，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為氣象、水情、工情、旱情、水質(zhì)、生態(tài)、災(zāi)情等信息，以及水利管理信息的傳輸、共享、分析、管理和發(fā)布提供了強力的技術(shù)支撐。

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)成為我國水利工作中信息采集、傳輸、處理和共享的重要手段。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的需要建設(shè)有局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊安全保障的需求分為公共網(wǎng)絡(luò)和水利專網(wǎng)；根據(jù)信息傳輸是否有線分為有線網(wǎng)和無線網(wǎng)。

國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要任務(wù)是依托公網(wǎng)資源和已建的防汛通信專網(wǎng)，組建國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程計算機網(wǎng)絡(luò)。主要包括：一期工程骨干網(wǎng)，建設(shè)中央網(wǎng)絡(luò)中心與 7 個流域機構(gòu)、31 個省（自治區(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)防汛抗旱部門之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；一期工程流域省區(qū)網(wǎng)（可研報告中的地區(qū)網(wǎng)）：建設(shè)流域和?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）與所轄的125 個水情分中心、4 個工情分中心、28 個旱情試驗站（分中心）、4 個重點工程管理局之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；一期工程城域網(wǎng)（可研報告中的園區(qū)網(wǎng)）：建設(shè)同城異地辦公的同級水文、防汛抗旱部門及網(wǎng)絡(luò)中心之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；一期工程部門網(wǎng)：建設(shè) 31 個省（自治區(qū)、直轄市）水情、工情中心及 4 個重點工程局的局域網(wǎng)；建設(shè)中央、7 個流域機構(gòu)、31 個省（自治區(qū)、直轄市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)網(wǎng)絡(luò)中心；建設(shè)一期工程網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)及安全系統(tǒng)[2]。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)除了以通訊傳輸技術(shù)為主的計算機網(wǎng)絡(luò)硬件技術(shù)以外，網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)也是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的重要內(nèi)容之一，通常談到的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)化軟件的開發(fā)和應(yīng)用，即是指具有網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能的 Web 技術(shù)而不是廣義的 IT 技術(shù)。Web 技術(shù)的應(yīng)用起步于 2000 年前后，此后國家各級各部門編制的網(wǎng)絡(luò)化軟件系統(tǒng)主要采用 Web 技術(shù)。例如各級防汛指揮、水情測報、決策支持、信息服務(wù)、會商管理、辦公自動化等系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)化軟件系統(tǒng)部分都是基于 Web 技術(shù)的。

計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為水利信息共享和交換提供了條件，作用重大、效果顯著，但是由于信息量逐步增加，網(wǎng)絡(luò)容量有限，信息傳輸和交換速度往往難以滿足實際應(yīng)用的需求；再者，互連網(wǎng)穩(wěn)定性不足，系統(tǒng)較為脆弱，可靠性不夠強，如某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障就會影響整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運行。因此網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用還應(yīng)該全面考慮出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障后的應(yīng)急解決方案。

1.4 遙感技術(shù)應(yīng)用

隨著遙感技術(shù)（RS）的發(fā)展，影像識別精度的提高、數(shù)據(jù)處理能力的增強、影像獲取成本的降低，遙感技術(shù)在水利信息化建設(shè)中的作用日趨重要。遙感影像的來源渠道較多，有美國、日本、法國、印度等國外的遙感影像產(chǎn)品，也有我國自己的遙感影像產(chǎn)品或者航片，遙感技術(shù)的應(yīng)用主要是通過接收或購置遙感影像數(shù)據(jù)，確定洪、旱災(zāi)害的位置、識別洪水淹沒情況和受災(zāi)情況、分析旱災(zāi)影響范圍和受災(zāi)面積、評估可能受到的災(zāi)情影響，以及根據(jù)遙感影像分析河流水質(zhì)變化和水土保持狀況，為防汛指揮、救災(zāi)活動、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)提供信息支持。

近年來，由于 7 大流域和部分省市已經(jīng)建成一定精度的三維空間地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺，將遙感影像成果與三維平臺相結(jié)合，不僅直觀展示水利信息，還可以進(jìn)一步分析可能的發(fā)展趨勢，為水利建設(shè)與管理提供高水平的信息支持。

1.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是利用計算機技術(shù)生成逼真的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)最重要的特點就是“逼真感”與“交互性”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)造形形色色的人造現(xiàn)實環(huán)境，其形象逼真，令人有身臨其境的感覺，并且與虛擬的環(huán)境可進(jìn)行交互作用[1]。

現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)在水利信息化建設(shè)中的應(yīng)用日漸廣泛。（1）構(gòu)建防洪工程的三維虛擬模型，如大壩、堤防、水閘等三維虛擬模型，實現(xiàn)了防洪工程三維空間示景；（2）洪水流動和淹沒的三維動態(tài)模擬，實現(xiàn)了三維空間場景中的洪水演進(jìn)動畫過程，三維場景中洪水淹沒情況的虛擬展示；（3）防洪工程規(guī)劃中樞紐布置三維虛擬模型，包括大壩、泄洪洞、發(fā)電廠、變電站等，為工程規(guī)劃提供直觀三維視覺效果場景；（4）云層和降雨效果渲染三維虛擬模型，模擬云層流動、降雨過程等動態(tài)效果；等等。

由于虛擬建模過程工作量較大，占用計算機空間較大，三維虛擬模型與地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的耦合運用還不夠完善，有關(guān)應(yīng)用還處在局部范圍，現(xiàn)階段沒有大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1.6 衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）應(yīng)用是隨著 GIS、Web 和 RS 等信息技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的。防洪決策、搶險救災(zāi)，都需要了解險情、災(zāi)情發(fā)生的準(zhǔn)確位置，雖然擁有了地理信息系統(tǒng)平臺和衛(wèi)星遙感影像，但是災(zāi)情的位置仍然難以確定，“5.12”抗震救災(zāi)行動中就出現(xiàn)過類似的窘境，因此利用 GPS 技術(shù)將災(zāi)情發(fā)生的位置和 GIS 平臺及 RS 影像有效連接起來，實現(xiàn)災(zāi)區(qū)和災(zāi)情的準(zhǔn)確定位意義重大。另一方面，利用 GPS 和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，將險情和災(zāi)情信息及時傳達(dá)或通知到相關(guān)負(fù)責(zé)人，大大提高搶險救災(zāi)效率，有關(guān)應(yīng)用在浙江、福建、廣東等地區(qū)十分普遍。在水利信息化建設(shè)中 GPS 對河流、工程等有關(guān)信息的定位與管理發(fā)揮了重要作用。

由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)通訊容量有限，對于數(shù)據(jù)量較大的水情和災(zāi)情信息傳輸速度較慢，普及應(yīng)用受到一定限制。

2 水利信息化技術(shù)應(yīng)用前景

社會在發(fā)展，科技在進(jìn)步，經(jīng)濟在增長，投資在加大，在水利信息化建設(shè)過程中雖存在這樣或那樣的問題和不足，但信息化建設(shè)仍然發(fā)展迅速，取得了驚人的階段性成就，而且隨著信息化建設(shè)進(jìn)程和國家投資力度的不斷加大，水利信息化技術(shù)的應(yīng)用前景更加美好。

2.1 社會發(fā)展對信息技術(shù)的應(yīng)用提出更高要求

社會的發(fā)展是一個變加速的進(jìn)程，安全保障日益得到重視，在建設(shè)和諧社會和以人為本的社會理念指導(dǎo)下，保護(hù)生命安全和環(huán)境安全的要求放到治水工作的首要位置。水利信息化建設(shè)對防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、水資源管理、工程管理，進(jìn)一步提高我國科學(xué)治水水平，建立人與水和諧的社會與環(huán)境，發(fā)揮著十分重要的作用。加快水利信息化技術(shù)的推廣與應(yīng)用，推進(jìn)水利信息化建設(shè)是社會發(fā)展的必然需求。

2.2 信息技術(shù)進(jìn)步為水利信息化建設(shè)創(chuàng)造條件

DB 、GIS 、Web 、RS 、GPS 等信息技術(shù)的飛速發(fā)展和進(jìn)步，為基于信息技術(shù)發(fā)展的水利信息化建設(shè)和完善提供了技術(shù)保障。國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)是前沿信息技術(shù)在防汛抗旱領(lǐng)域的應(yīng)用，先進(jìn)成熟的信息技術(shù)成果為防汛抗旱、水資源管理、環(huán)境與生態(tài)建設(shè)等水利行業(yè)的信息監(jiān)測、傳輸、存儲、查詢、檢索、分析與展示提供了技術(shù)條件，使水利信息化推動水利現(xiàn)代化成為可能。

2.3 專業(yè)模型技術(shù)改進(jìn)為信息技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)支持

水利信息化建設(shè)的主要內(nèi)容之一是決策支持系統(tǒng)建設(shè)，而決策支持系統(tǒng)建設(shè)的重要依據(jù)是水情、旱情、災(zāi)情等信息的分析成果，這些分析成果主要來源于氣象預(yù)測預(yù)報、洪水預(yù)測預(yù)報、洪水演進(jìn)分析模型系統(tǒng)、洪水調(diào)度模型系統(tǒng)、潰壩分析、旱情分析、水資源管理、水質(zhì)、環(huán)境評估等專業(yè)模型系統(tǒng)。近年來，有關(guān)專業(yè)模型技術(shù)得到了逐步改進(jìn)和完善并隨著計算機技術(shù)的發(fā)展為復(fù)雜的模擬分析計算提供了條件。專業(yè)模型技術(shù)的發(fā)展為決策支持系統(tǒng)建設(shè)的實用性提供了強有力的技術(shù)支撐，是水利信息化建設(shè)與發(fā)展的堅強后盾。

2.4 經(jīng)濟發(fā)展為水利信息化技術(shù)應(yīng)用提供了資金保障

改革開放以來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，國力得到了大大增強，人民生活得到了重大改善，為了人們生命安全、社會穩(wěn)定、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，各級政府有能力、有條件投入更多的資金進(jìn)行水利信息化建設(shè)事業(yè)。近 10 多年來，國家投入防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)的資金與 10 年前相比增加了數(shù) 10 倍，而且更加重視水資源利用和生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的信息化建設(shè)。隨著經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，信息系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)費投入會持續(xù)增加，水利信息化技術(shù)應(yīng)用會更加廣泛。

3 小結(jié)

本文重點介紹了 GIS、DB、Web、RS、VR、GPS 等信息技術(shù)在我國水利信息化建設(shè)中的應(yīng)用情況及其存在不足，論述了水利信息化技術(shù)的發(fā)展條件和應(yīng)用前景。此外，三維建模、多媒體、圖形處理、動畫、幻燈片制作等計算機技術(shù)在水利信息化進(jìn)程中也發(fā)揮了重要作用?？傊?，信息技術(shù)的飛速發(fā)展與推廣應(yīng)用為我國水利現(xiàn)代化進(jìn)程注入了催化劑，提高了水利行業(yè)的技術(shù)水平，推動了水利事業(yè)的發(fā)展，縮短了我國與世界發(fā)達(dá)國家在水利信息化方面的差距，發(fā)展?jié)摿薮螅瑧?yīng)用前景廣闊。

[1]苑希民，萬洪濤，劉媛媛，等. 全國和七大流域三維電子江河系統(tǒng)建設(shè)成果報告[R]. 北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2006.

[2]水利部水利信息中心和中國電子工程設(shè)計院. 國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程初步設(shè)計報告[R]. 北京：水利部水利信息中心和中國電子工程設(shè)計院，2004.