0水资源与环境管理(12)

1水资源管理涂新军[e-mail]2第十二章水资源数字化管理水资源管理的信息化—信息技术+”3S”技术解剖水资源管理系统——数据库+模型库+支撑平台数字流域——”3S”+VR+AI整合3第十二章水资源数字化管理一、水资源数字化管理二、3S技术与数字水资源三、水资源管理信息系统四、数字流域4数字化管理随着信息时代、网络时代的到来，数字化管理成为现代管理的基本模式。数字信息，也即通常所说的数据，是数字化管理的基础。数据，就是利用一定的信息技术原理，将各种复杂多变的相关信息转化为可以度量的数字或符号形式，通过适当的数字化模型，将这些数字或符号转化为一系列可供计算机识别、处理的二进制代码，引入计算机内部，进行分析和处理。数字化管理是指利用计算机、通信、网络、人工智能等技术，量化管理对象与管理行为，实现计划、组织、协调、服务、创新等职能的管理活动和管理方法的总称。数字化管理的本质就是将现代化管理思想、管理方法、管理技术数字化，通过信息技术、网络技术进行各项管理活动，从而全面提高管理的效率和效益。5水资源数字化管理水资源管理是一项复杂的系统工程，其内容十分广泛。对水资源系统的管理涉及到社会、经济、环境的许多内容，包括水资源数量、水资源质量、供水、用水、水质、水环境、水工程管理以及关于水资源权属管理等多个方面。随着社会经济持续发展，水资源危机日渐突出，客观上对水资源管理提出更高的要求，需要我们更加精确的进行水资源管理，实现水资源的合理优化配置使用。要达到现代水资源管理的目标要求，需要收集和处理的水资源系统信息越来越多。现代水资源管理需要数字化管理。随着现代信息技术的不断发展，计算机技术、网络技术、3S技术、数据库技术等信息技术不断在水资源管理中得到应用，实现了数字水资源的现代化目标，使水资源系统管理实现数字化。6水资源数字化管理水资源数字化管理是实现水资源可持续开发利用的基础，实现水资源数字化管理具有如下几点意义：第一，有助于实现水资源优化配置。第二，有助于提高水行政管理能力和公共服务水平。第三，实现了水资源信息资源共享从而为全社会提供方便、快捷的水利信息服务需要。第四，有助于加强水资源灾害管理的能力，提高预测和防治各类水旱灾害的水平。信息是预防各类水资源灾害的基础。73S技术“3S”是指：RS（RemoteSensing,遥感技术）GIS（GeographicalInformationSystem,地理信息系统技术）GPS(GlobalPositioningSystem，全球定位系统技术)“3S”技术及其集成技术能够实现包括信息收集、定位和加工等内容等全方位的水资源信息处理，是水资源数字化管理的重要内容和组成部分。8地理信息系统（GIS）地理信息系统（GIS）是通过计算机技术，对各种与地理位置有关的信息进行采集、存储、检索、显示和分析。通过各种途径（遥感、测绘、调查、测量、统计等）得到的信息都可以通过GIS建成一个数据库。随着网络技术的日益成熟，同一地区的不同信息系统之间以及不同地区的同类信息系统之间开始连通和兼容。近五年来，地理信息系统和网络结合，发展成了基于网络的地理信息系统，即WebGIS。9地理信息系统（GIS）地理信息系统是一个有组织的硬件、软件、地理数据和人才的集合，一般认为由4部分组成：①描述地球表面空间分布事物的地理数据，包括空间数据和属性数据。空间数据可以通过三维坐标或地理坐标（经纬度及高程）以及数据间的拓扑关系等方式。属性数据是描述实体属性的数据，如水资源的质量、权属、用途等属性。②硬件，指收集、分析、处理数据所需的硬件，如工作站、微机、数字化仪、扫描仪以及自动绘图仪等。③软件，对空间数据进行管理和分析的各种软件。④管理和使用地理信息系统的人。10地理信息系统（GIS）地理信息系统具有以下四项功能：（1）数据采集和编辑功能。（2）地理数据库管理功能。（3）制图功能。（4）空间查询和空间分析功能。11遥感（RS）遥感是一种远距离、非接触的目标探测技术和方法，遥感根据不同物体的电磁波特性不同的原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成非接触远距离识别物体。遥感器一般借助于飞机或卫星获取目标物反射或辐射的电磁波信息来判断目标物的性质。遥感数据的处理方式主要是纠正处理后的影像，根据影像解译编制专题图件和数字数据。目前，遥感主要应用于水资源、土地资源、植被资源、海洋资源调查等各类自然资源的调查；地质调查、城市遥感调查、测绘、考古、环境监测以及规划管理的方面。12遥感（RS）遥感技术系统由遥感平台、传感器、遥感介质、数据处理和应用五部分组成：（1）遥感平台。传感器必须在一定的空间位置才能接受目标体的遥感信息。遥感平台将传感器搭载到预定空间的运载工具。根据运载工具的不同，遥感可以分为航天遥感（如卫星）、航空遥感（飞机）和地面遥感（如汽车）。（2）传感器。传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。由收集器、探测器、处理器和输出器等4部分组成。主动遥感主要是通过传感器向目标发身一定波长的电磁波，然后记录反射波的信息，用于主动遥感的传感器有气象雷达和测试雷达等。被动遥感主要是指传感器被动的接受来自目标物体的信息，用于被动遥感的传感器主要有摄影照相机和多光谱段扫描仪等。13遥感（RS）遥感技术系统由遥感平台、传感器、遥感介质、数据处理和应用五部分组成：（3）遥感介质——电磁波。不同类型的地物具有反射或辐射不同波长电磁波特性，遥感正是利用电磁波作为介质来探测地面目标的。（4）遥感数据处理。遥感资料主要是影像资料和数字资料，遥感数据处理，不仅包括由数字到影像的转换，还包括对遥感数据的纠正。14遥感（RS）遥感技术系统由遥感平台、传感器、遥感介质、数据处理和应用五部分组成：（5）遥感数据的应用。遥感技术不仅可以用来探测目标属性，还可以探测目标的空间位置。遥感影像是反映目标属性和空间位置的较好方式。在影像上，目标的波谱特性反映在数据处理后的影像色调上。形态特征反映在具体的形象上，空间位置则由地理坐标标识。在遥感影像上，将具有同一形象和相同波谱特性的目标以图斑形式绘制，可以得到各专题地图，如水资源分布，土壤植被分布等地图。15全球定位系统（GPS）全球定位系统最初是由美国国防部研制的以空中卫星为基础的无线电导航定位系统。具有全天候、全球覆盖、高精度、快速高效的多动能无线定位功能。在海空导航、精确定位、地质探测、工程测量、环境动态监测、气候监测以及速度测量等方面应用十分广泛。全球定位系统由卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机三部分构成。GPS卫星基座共有24颗卫星，其中21颗是工作卫星，3颗为备用卫星。星座的这种分布确保地球上任何地点都能同时在地平线10º以上区域内，接收到导航定位必须的4颗卫星的GPS信号，从而实现全球的三维定位和导航。在地面监控系统的支持下，GPS星座的卫星向GPS信号接收器持续不断的发送全球定位信息并报告自己和其他卫星的位置。16全球定位系统（GPS）GPS能够准确地确定某一实体地空间位置，从而为该实体获得信息源地定位提供强有力的技术手段。在利用GIS系统建立矢量地图时，必须使用GPS定位技术进行现场定位。另外，遥感解译结果地野外校正也需要精确的空间位置。在水利工程方面，目前GPS已广泛应用于江河，湖泊，水库地水下地形测量，大堤安全监测，堤防险工险段监测，泥石流滑坡预警监测等方面。17“3S”集成技术“3S”集成技术不是RS、GIS、GPS地简单结合，而是将三者通过标准化数据接口严格地、紧密地、系统地集成起来成为一个大系统，集信息获取、处理、应用与一体。遥感可以快速、准确地提供资源环境信息；地理信息系统能够为遥感数据地加工、处理和应用创造理想开发环境；全球定位系统为空间测量、定位、导航及遥感数据校正、处理提供空间定位信息。在实际工作中，RS、GIS、GPS单独使用都存在着明显缺陷，GPS可以快速精确定位目标，但不能描述目标属性；RS可以获得区域面状信息，但收到光谱波段限制，并且还存在许多不能处理的地物特征；GIS具有较强的数据编辑、处理和分析功能，但其数据的获取缺必须依赖于其他手段。18基于“3S”技术的水资源信息处理全面准确的水资源信息包括水资源的存在状态、水资源质量、水资源数量、空间属性、时间属性、权属属性等方面。利用遥感技术（RS）对地面水资源信息及生态环境信息的动态监测及数据实时动态采集，为水资源数字化管理提供快捷、实时、准确的信息，保证水资源管理的实时性。利用地理信息系统（GIS）的强大空间信息处理、管理及存储功能，为水资源数字化管理提供数字化集成平台。全球定位系统（GPS）为水资源数字化管理的空间信息、结果输出的空间方位提供空间定位服务。19“3S”技术在水资源数字化管理的应用1、水资源质量和数量调查及水环境监测2、水旱灾情预测评估及防洪减灾信息管理3、土地资源调查4、水资源开发利用研究5、水资源工程规划和管理20水资源管理信息系统水资源管理信息系统二项基本功能：数据维护功能水资源专业分析模块水资源管理信息系统由三部分组成：水资源数据库水资源模型库人机交互系统21水资源管理信息系统数据库功能：（1）实现水资源数据的输入、新增、更新、删除（2）维护数据库的完备性、一致性（3）实现水资源各类属性数据之间的高效、快速的检索（4）实现标准化的数据共享（5）实现一般水政管理所需的各类水资源数据统计功能（6）系统安全性管理22水资源管理信息系统模型库功能：（1）实现更进一步的水资源信息处理（2）实现对水资源系统特征的分析（3）实现水资源需求预测分析（4）实现水环境分析功能（5）水资源优化管理决策模型23水资源管理信息系统人机交互系统：24水资源数据信息平台建设水资源数据信息平台建设就是水资源数据标准化问题，为各个水资源应用系统开发和运行提供标准化的软、硬环境，以避免重复建设，实现网络共享、数据共享。其建设内容包括：基础数据库建设水资源信息标准化建设水资源信息网络建设25水资源管理信息系统应用领域三防指挥系统水务管理信息系统水资源管理决策支持系统水质监测与评价信息系统水土保持与管理监测信息系统水资源信息公共服务系统水资源工程管理信息系统水资源数字化图书馆水资源规划管理信息系统26水资源管理信息系统应用领域27数字流域数字流域是一个以流域空间信息为基础，融合流域内各种数字信息的系统平台，是对真实流域及其相关现象的统一的数字化重现，它把流域搬进了实验室和计算机，成为真实流域的虚拟对照体。数字流域由各种信息的数据库和数据采集、分析、交换、管理等子系统组成，可以根据不同的需要，对不同时间的数据进行比较分析，透视其变化规律。28数字流域广义地说,所谓数字流域,就是综合RS、GIS、GPS、VR、网络和超媒体等现代高新技术,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存储、动态监测与处理、深层融合与挖掘、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。狭义上讲,数字流域是以地理空间数据为基础,具有多维显示和表达流域状况的虚拟流域,是数字地球的重要组成部分。29数字流域的理论及技术基础（1）数字摄影测量技术和“3S”（2）监测和传输网络技术（3）大容量数据存储技术（4）流域模拟模型技术（5）可视化与虚拟现实技术30数字流域框架结构（1）数字流域基础数据库（2）数字流域可视化基础信息平台（3）数字流域专题应用系统（4）综合应用层31数字流域框架结构32