1.概述

要实现新世纪治水战略目标，解决水利面临的问题，必须依靠科技进步，突破传统的治水思路，切实重视和加强水利信息化建设。灌区信息化建设是水利信息化建设的重要内容之一。为贯彻落实部领导关于灌区信息化工作的指示，积极稳妥地推动大型灌区信息化建设，水利部已确定在全国30处大型灌区开展灌区信息化试点工作。

大型灌区信息化的主要建设内容包括信息监测采集系统，信息的传输及计算机网络系统，灌区综合数据及信息处理系统，用水管理决策支持系统，水费管理系统和办公自动化系统等。

开展大型灌区信息化建设试点就是要运用先进的数据采集、传输和处理手段，初步建立起能提高灌区管理水平、促进灌区技术优化升级和提高用水效率的水管理信息系统，为灌区水资源的优化配置、高效利用提供决策支持。灌区信息化建设的最终目标是建立一个以信息采集系统为基础、以高速安全可靠的计算机网络为手段，以4S技术和决策支持系统为核心的现代化灌区管理系统，实现灌区管理的现代化。

基于4S技术的灌溉用水决策支持系统综合利用GPS的瞬时快速定位功能、RS的数据更新功能、SCADA实时控制与数据采集功能和GIS的空间数据处理和分析功能从而建立起决策支持系统。利用RS获取农业自然资源、作物长势、气象趋势、灾害等动态信息。将这些信息直接以栅格格式存入空间数据库，为地理信息系统提供大量的定位定量观测数据。利用GPS作为重点工程数据更新的手段，将测量数据存入工程数据库。利用SCADA作为灌区工程监测和控制的手段，将采集的数据放入实时数据库。利用地理信息系统自己所带的功能结合其他数据对这些遥感数据进行管理。RS、GPS、SCADA和GIS的结合使GIS具有大量快速的空间和属性数据源，能保证遥感图像得到快速有效的解译和分析，可提供农业自然资源的调查、分析和评价，农业灾害的监测、预测和评估，作物长势的监测和产量预测，生产管理决策支持及农业生产信息咨询服务。

4S技术在灌溉决策系统中的应用可以概况为如下两个方面：一是同系统的模拟模型结合，采集数据和进行数据前处理工作；二是同系统的结果分析输出模块结合，进行数据的后处理，提高方案的说服力。4S技术中，网格GIS是数字灌区的核心部分，是灌区信息存储、管理和分析的强有力的工具。这是因为大型灌区信息化建设中所涉及的数据量非常巨大，既有实时数据，又有环境数据、历史数据；既有栅格数据，又有矢量数据、属性数据。组织和存储这些数据非常复杂，而且灌区信息中70％以上与空间地理位置有关。网格GIS不仅可以用于存储和管理各类海量灌区信息，还可以用于灌区信息的可视化查询与网上发布，而且利用其空间分析能力可以直接为灌区灌溉决策提供辅助支持。

本文主要从（1）灌区网格GIS概念；（2）灌区GIS中数据标准、规范与共享；（3）空间数据库群和业务数据库的集成；（4）灌区网格GIS的系统框架（5）灌区网格GIS的功能等方面阐述灌区网格GIS的建设和应用。

2.灌区网格GIS

网格GIS在灌区的应用就是把灌区内各种与水相关信息通过各种技术手段，按照统一的数据规则，集成到统一的地理信息平台上，从而实现灌区内与水相关的各种信息的统一管理。通过数字灌区的建设，可以把灌区上所有业务和研究问题通过网格GIS集成到一起，便于对各类业务进行综合分析，从而全面提升灌区信息化管理的水平。网格GIS在灌区的应用将大大提高灌区管理水平、实现灌区水资源的优化配置、高效利用。

网格GIS是实现广域网络环境中空间信息共享和协同服务的分布式GIS软件平台和技术体系。将地理上分布、系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等，通过高速互连网络连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境就是网格地理信息系统。灌区网格GIS的建设目的是消除灌区间的信息孤岛，屏蔽系统异构，实现灌区信息的共享和协同服务。

网格GIS是一个跨平台支持的GIS平台软件，能在多种软硬件平台上运行，如Windows2000、SUN-Solaris、Linux RedHat等。具备完善合理的服务控制机制，在客户端软件中按照访问权限、服务类型将系统划分多个层次。在服务器端通过移动计算实现服务器间的多对多映射，从而提供协同服务，支持多用户并发访问、支持长事务处理和数据版本管理，保证了数据一致性、安全性及访问数据的高效性。

灌区网格GIS的建设将为灌区水管理、信息监察、提供一个先进的、多方位的信息平台，基于此可以结合行业应用的新技术对灌区可能出现的各种问题进行科学有效的管理。它是一项庞大的信息化工程，具有信息共享、系统性强、集成度高的特点。

3.灌区数据标准、规范与共享

灌区数据具有多类型，多格式（13种矢量格式格式和9种常用栅格格式），多来源（实时数据和静态数据），多时相（不同时间跨度），数据量大的特点，而且随着技术的发展和业务需求的提高，灌区数据不断增加，所以，数据规范标准的研究与制订必须结合实际需要，以创新的思维，在水利部主管部门的组织领导之下，打破数据封闭、数据壁垒和数据垄断，有步骤、有计划的营造空间信息共享的环境。

信息化法规和技术标准体系的建立是在遵循国家信息化、标准体系的基础上，根据灌区信息化建设的实际需求（包括现有的、应有的和预期发展的），按其内在的联系运用系统科学的理论和方法加以研究和建立。灌区网格GIS数据标准建设的内容是建立一套包括数据标准、数据共享管理办法、信息安全保密规定、以及相应的政策法规等，以确保灌区信息的互联互通和共享。主要内容包括：

1)建立灌区信息化技术标准体系。跟踪有关国际、国家标准，使“数字灌区”的数据标准和技术系统与国家信息标准规范体系相一致，以保证系统的兼容与互通。建立规范化的数据分类和编码标准、元数据标准及管理标准、术语和数据字典标准、数据质量控制标准、数据格式转换标准、空间数据定位标准、信息系统安全和保密标准、信息采集与交换标准等。

2)建立健全信息化政策，加强信息化法制建设和综合管理。主要包括：灌区信息共享政策的基本原则、灌区管理的相关政策、灌区信息“管理体系”和信息共享的管理办法、信息共享的基本规定和处理细则。

4.数据库群的集成

灌区数据库群包括灌区空间数据库和灌区业务数据库二部分。

4.1灌区空间数据库

我国已建成了全国1:400万地形数据库；1:100万地形数据库、地名数据库、数字高程模型；1:25万地形数据库、数字高程模型和地名数据库建设；七大江河重点防范区1:1万DEM和DOM。部分地区 1:5万地形数据库、数字高程模型、正射影象数据库、数字栅格图形数据库和土地覆盖数据库等。目前各省开始建立1:1万地形数据库，并正在进行省、市级基础地理信息系统及其数据库的设计和试验研究。

灌区空间数据库建设将结合国家建设的已有成果，遵循GIS规范，形成行业内地理信息数据库群。主要包括六种类型数据库，各数据库的内容是：

(1) 灌区地形数据库（DLG）

地形数据库是将灌区基本比例尺地形图上各类要素包括水系、境界、交通、居民地、地形、植被等按照一定的规则分层、分类编码、采集、编辑、处理建成的数据库。根据灌区基础地理信息系统总体设计，地形数据库的比例尺分1：100万、1:5万、1:1万和1：2千四级。

(2) 地名数据库

是地形图上的各类地名注记包括居民地、河流、湖泊、山脉、盆地、自然保护区等的名称，属性特征如类别、政区代码、归属、网格号、交通代码、高程、图幅号、图名、图版年度、更新日期、X坐标、Y坐标、经度、纬度等。地名数据库的比例尺系列与地形数据库相同。

(3) 数字栅格地图数据库（DRG）

数字栅格地图数据库是将已经出版的地形图进行扫描，经过几何校正、色彩校正和编辑处理，建立的栅格数据库。

(4) 数字正射影象数据库（DOM）

正射影象数据库是将航空影像扫描数据或航天遥感数据，经过辐射校正、几何校正，并利用数字高程模型进行投影差改正，有时附之以主要居民地、地名、境界等矢量数据建成的数据库。影像可以是全色、假彩色或真彩色。其比例尺系列与地形数据库相一致。

(5)数字高程模型（DEM）

数字高程模型是按照一定的格网间隔采集地面高程而建立的规则格网高程数据库，简称DEM。可利用已采集的矢量地貌要素（等高线、高程点）和部分水系要素作为原始数据，进行数学内插获得。也可以利用数字摄影测量方法，直接从航空摄影影像采集。

(6)土地利用分类数据库

土地利用分类数据库是利用最新航空或航天影像数据，按照标准的分类和编码，自动或半自动进行解译形成的多边形图形数据库。利用土地覆盖数据库可以为配水调度提供基础数据。

4.2灌区业务数据库

灌区业务数据库主要保存灌区业务运行数据。包括十类数据库：

(1)气象数据库

气象数据库除了存储国家、地方气象台的短中长期预报外，还存储灌区灌溉实验站的实时天气预报，这些数据是制定配水计划的依据之一。气象数据库划分成长期气象数据表、中期气象数据表和短期气象数据表。

(2)水文数据库

水文数据库主要存储水位、流量和雨量数据。

雨量数据划分成实时降雨量数据表，日降雨量数据表，旬降雨量数据表，年降雨量数据表，灌区逐年水资源流入流量/流出流量数据表，年配水计划和实施结果数据表。

水位数据划分成实时水位数据表、日平均水位数据表、旬平均水位数据表、月平均水位数据表。流量数据划分成实时流量数据表、日水量数据表、旬水量数据表、月水量数据表。

(3)水环境数据库

水环境数据库划分成地下水位数据表、含盐量数据表、氨氮含量数据表、含沙量数据表、重金属含量数据表和大肠杆菌含量数据表。

(4)运行数据库

运行数据库分为闸门运行数据表、闸门运行事故记录数据表、水泵运行数据表、水泵运行事故记录数据表、电站运行数据表、电站运行事故记录数据表。

(5)工情数据库

工情数据库划分为渠首枢纽（闸、坝）情况数据表、渠道情况数据表、水闸情况数据表、倒吸虹情况数据表、渡槽情况数据表、隧洞情况数据表、其他建筑物情况数据表。

(6)工程特征数据库

工程特征数据库划分为渠道特征数据表、水闸特征数据表、倒虹吸特征数据表、渡槽特征数据表、隧洞特征数据表、其他建筑物特征数据表。

(7)农作物生长数据库

农作物生长数据库划分成土壤数据表、作物生长数据表、田间工程设施数据表。

(8)管理数据库

管理数据库划分成灌区资源情况数据表、经济情况数据表、人事档案数据表、财务情况数据表、调度情况数据表、水费收缴情况数据表、渠系绿化情况数据表、工程建设情况数据表。

(9)源信息及其属性数据库

源信息采用多媒体表现形式记录并展现灌区的地理、建筑物的历史及现状，有助于灌区水管理调度的决策支持。

源信息属性数据库划分成地理信息数据表、渠系建筑物数据表、工程状况数据表。源信息除了其属性外，以文件为单位进行存储，容量比较大。

(10)灌区模型数据库

主要用于存储各种水利调度模型等方面的信息。

4.3虚拟数据库与联邦数据库群

为了将多源异构的灌区数据库群管理起来，形成对用户而言是透明单一的数据库，必须提供对多源异构数据库的管理和访问机制。主要包括对不同类型空间数据库的管理和空间数据库与非空间数据库的管理，对前者可以通过网格GIS系统中虚拟数据库来实现，后者可以借助于网格GIS的数据中间件来构筑联邦数据库群。

5.系统框架

由于大型灌区的信息化程度不同，灌区数据存在异构性，使得数据无法共享；另一方面由于系统建设标准不同，系统异构性普遍存在，因此在系统框架上要遵循统一规范，以实现所有灌区的互联互通（下图）。

将全国1：100万数据库群放在全国灌区信息中心（中国灌溉排水发展中心），1：5万数据放在省（或流域）灌区信息分中心，1：1万或1：2千数据放在各个灌区。

6.系统主要功能

6.1信息的查询

6.1.1 基础地理信息的双向查询

基础地理信息包括行政区划、水系、地形、土地利用等。查询其空间位置、长度、面积、编码、名称、等级、性质等方面的信息。具备图形和属性间的双向查询，即可从图形上选择地物来查询其属性信息，也可以根据属性信息构造表达式，查询对象的空间位置。

6.1.2 灌区水利工程信息查询

查询内容：渠首枢纽（闸、坝）、渠道（灌、排）、闸（节制闸、分洪闸、排涝闸）、涵洞、渡槽、倒虹吸、隧洞、跌水、船闸等灌区水利工程的基本情况、历史资料与现状信息、工程运行信息等。具备图形和属性间的双向查询。

6.1.3 雨情、水情等信息查询与分析

包括灌区信息采集站（雨量、闸位、渠道流量、水质等）的基础信息查询、实时水情查询（实时降雨量、实时流量、水位、闸位），并与历史数据进行比较与分析。具备图形和属性间的双向查询。

6.1.4 图层分层管理与显示

主要实现对地图和图层的管理、维护及显示。地图是指图类，如地形图、水利工程分布图等，每一类地图又包括一些图层，如地形图又包括公路、铁路、等高线等图层。考虑到系统的扩展性，系统留有一些与未来图层的接口。系统该部分功能包括地图的创建、删除、属性修改以及图层的添加、删除、属性修改。

6.1.5 基本GIS功能

包括图形缩放功能（放大、缩小、漫游、自由缩放）以及图版制作与打印输出（制作与编辑图版，打印输出）。

6.1.6 三维实时游览

本系统可实现超大规模场景的实时地形游览，可实时游览灌区水利工程项目情况和查询由于水情、雨情变化而引起的水库、渠道的水位情况，并可以对所制作的三位地形地貌进行飞行游览和鹰眼观察，并能回放飞行路线，能对地物进行动态注记。

6.2 统计

6.2.1 水情、雨情统计

按指定范围或渠道等级等方式对该范围渠道水情点指定时间的实时水情（流量）进行统计。以及对某一时段的灌区雨量进行统计。

6.2.2 工情统计

按指定范围或渠道等级等方式对灌区各类基础工程相关信息进行统计。统计内容主要包括：(1)各级渠道数量、长度；(2)各级渠道相应建筑物情况；(3)某一渠道相应耕地面积、灌溉面积、用水户数量等信息。

6.2.3 灾情统计

按指定范围或任意区域等方式对灌区干旱和洪涝灾害情况进行统计。

6.3 空间分析

网格GIS的空间分析功能主要有空间插值、图形叠加、最佳路径选取、缓冲区分析、最佳空间分布方案等。在灌区网格GIS系统中,采用GIS空间叠加方法可以方便地构造水资源分析单元，将各个要素在空间上联系起来。同时还可以进行灌区内各类供用水对象的空间关系分析；建立在灌区地形信息、遥感影像数据支持下的灌区三维虚拟系统，配置各类基础背景信息、水资源实时监控信息，实现灌区的可视化管理，为灌区的用水决策创造条件。此外，与RS和GPS结合使GIS具有大量快速的空间和属性数据源，能保证遥感图像得到快速有效的解译和分析，可提供农业自然资源的调查、分析和评价，农业灾害的监测、预测和评估，作物长势的监测和产量预测等。

6.4 用于制定灌区发展规划

灌区网格GIS另一个主要的功能是用于制定灌区发展规划。将影响灌区发展规划的各种因素做成GIS系统的各个层面，将各种因素逐一加以定量化描述，然后根据逻辑分析规则，将灌区发展规划制定出来。GIS技术提供了一种全新的灌区规划和管理的综合分析手段，它可以在多种复杂因素共同作用条件下，随意假设或更改部分边界条件，对可能出现的结果进行数字模拟和仿真，通过生产实践经验积累与反馈，实现灌区规划和管理的优化。

7 灌区网格GIS建设

为推动网格GIS在大型灌区信息化建设中的应用，中国灌溉排水发展中心与中科院计算技术研究所、中科院地理科学与资源研究所、河海大学等单位组成联合课题组，利用国家“863”项目成果（面向网络海量空间的大型GIS）组织开发面向大型灌区应用的网格GIS平台。初期拟在江西赣抚平原灌区、甘肃洪水河灌区及安徽淠史杭灌区开展示范。

灌区网格GIS计算结点软件正在开发中，在本年度预计可在上述灌区运行。