地理信息技术在灌区用水管理和工程管理中的应用研究

张绍强，刘子亭，程 宇

(1.中国灌溉排水发展中心，北京 100054；2.北京润华信通科技有限公司，北京 100054；3.哈尔滨鸿德亦泰数码科技有限责任公司，哈尔滨 150001)

0 引 言

根据2011年全国水利普查结果，设计灌溉面积2 万hm2以上的灌区456处，灌溉面积1 866.7 万hm2；设计灌溉面积666.7～20 000 hm2的灌区7 316处，灌溉面积1 486.7 万hm2。全国总用水量6 107.2 亿m3，其中农业用水3 743.5 亿m3，占总用水量的61.39%。因此，提高灌区的输配水管理水平，是建设现代化灌区和节水型社会的重要内容。

灌区业务划分为4大主体业务：用水管理、工程管理、组织管理、经营管理。2大衍生服务：水文化、水生态。最核心的业务是两个方面：“用水管理”、“工程管理”。

灌溉的业务目标可以概化为“以最少的水量损失，把适量的水，以最短的时间，用最少的人力，安全的输送到最需要的地点。”要实现这个业务目标，仅靠原始的人工管理方法很难实现，因此，需要借助灌区信息化的先进工具提高灌区的用水管理和工程管理水平，才能保证灌区主要业务目标的达到。

大型灌区信息化建设总体分为三个阶段：第一阶段为2000年以前灌区自发开展的灌区信息化建设；第二阶段为2001-2010年期间，水利部先后启动了两期灌区信息化建设试点，并给予资金政策扶持，在全国50处灌区开展了信息化试点建设；第三阶段为2011年后，各灌区则根据灌区管理需求及资金可能安排信息化建设资金。通过对前期灌区信息化建设的总结和研究，灌区在用水管理和工程管理中地理信息技术的应用还有广阔的提升空间。

下面结合中国灌溉排水发展中心课题项目“现代灌区信息管理技术(e-ids)开发完善与示范推广”在试点推广灌区的应用，分别论述地理信息技术在灌区用水管理和工程管理的应用。

1 地理信息技术介绍

地理信息技术主要采用ESRI公司的ArcGIS 10.5系列产品中的ArcGIS Enterprise，ArcGIS Enterprise是一个功能全面的制图和分析平台。该平台包括功能强大的 GIS web服务器，加上专用的 Web GIS 基础架构，可用于组织和共享作业以便可随时随地将地图、地理信息和分析用于任何设备。ArcGIS Enterprise 具有灵活的部署方式，可以本地部署，亦可以云平台部署，也支持两种方式相结合。包含三个主要的组件，即 Portal for ArcGIS、ArcGIS Server 和 ArcGIS Data Store，三者共同组成了 Web GIS，提供基础制图和分析功能以及安全共享、应用程序基础架构和信息管理功能。基于此强大的WEB GIS服务器运行架构，采用4.X系列的ArcGIS API for JavaScript进行应用程序开发。ArcGIS API for JavaScript 4.X是ESRI公司的新一代JavaScript API，集成了2D和3D的功能，易于使用，功能强大的API。4.X版本可以实现建立功能完善的Web 3D应用场景，展示丰富的地理信息，如地形、影像、要素和3D对象等。

1.1 地图服务加载

目前采用最新版本的ArcGIS API for JavaScript 4.5，为了实现2D和3D的地图加载，提出了新的地图服务加载方式，即View对象，该对象分为MapView(2D视图)和SceneView(3D视图)。View对象相当于一个容器，在容器中初始化Map对象，在Map对象中添加许多图层进行展示和处理。

Map对象作为ArcGIS API中的一个功能类，通过Map对象类中包含的相关方法和属性，实现对二维地图服务的加载和处理，支持加载基础地图，实现对地图图层的新增、维护，以及图层集合的获取。Map对象包含的具体方法和属性请参见表1。

表1 Map对象说明

1.2 地图要素查询

为了便于用户操作地图要素数据，API中提供三种查询方法，IdentifyTask、FindTask、QueryTask，其中IdentifyTask适用于基于地图范围进行的要素查询，例如查询某位置的地图要素或与某图形范围内的所有要素等需求。FindTask适用于基于要素属性的查询，可以设置查询条件，查询所有图层中满足条件的地图要素。QueryTask适用于只查询某图层的要素信息。

3个地图要素查询对象中，IdentifyTask的使用最为简便，处理基本依托于Arcgis Server来实现，其中包含的属性、方法和返回结果的功能说明请参见表2。

表2 IdentifyTask对象说明

1.3 地图显示渲染

一切基于地图的处理均是对图层的处理，可以实现对图层要素的符号渲染显示，用到API中提供的分类渲染ClassBreaksRenderer、唯一值渲染UniqueValueRenderer、点云渲染PointCloudRenderer等多种渲染方式，提供多种类型的图标可供选择，支持普通的点、线、面的图标样式，亦支持3D效果的点、线、面的图标样式，还提供一些图片、文本等多种图标样式，为实现丰富的应用提供实现方式。

ClassBreaksRenderer渲染方式应用范围广，展示效果好，加载速度快。并且提供多种实现方法，方便开发人员进行扩展应用，具体属性名称和功能说明请参见表3。

表3 ClassBreaksRenderer对象说明

1.4 空间数据分析

ArcGIS API for JavaScript 4.5为了用户更加简单实现常用的空间分析功能，提供了一些即拿即用的空间分析服务，其中有打印服务、GP服务调用服务、路径分析服务、定位服务等，提供了简单的调用方法，实现相关应用的开发更加快速容易，无须应用开发者去制作复杂的GP流程。但若是需要实现与业务需求相关的空间分析，则依然需要开发者根据业务所需算法制作GP工具，并利用ArcGIS Server部署为GP Service供应用程序调用。

GP Service又被叫做GP工具，是在Web应用中实现空间数据分析的基础。利用GP工具既可以实现复杂的空间分析，也支持用户根据特定的业务需求进行定制开发，是实现复杂GIS 应用的重要方法类，其中包含的具体属性和方法请参见表4。

表4 GP Service对象说明

2 用水管理业务应用

用水管理业务模块实现农业灌溉和用水控制的流程化管理和分析，并结合当前互联网最新设计思想和展示形式，实现水雨情实时监测、配水情况及水费收缴情况分析、预警预测等多种应用方式。实时监控水源蓄水信息、输水渠道配水信息、用水单位的水量应用情况以及水费收缴情况等。根据实时监控的最新数据以及收集的历史数据，对达到警戒状态的供水情况进行预警，预警形式包括颜色预警、位置预警、语音预警等多种警戒方式，例：当配水口水位超过警戒线时，进行语音播报，同时在地图上高亮显示该测点位置，以提醒工作人员及时处理。

为了帮助灌区在用水管理过程中，严格执行“三条红线”管理政策，实现节水灌溉的目的，通过该模块实时监控各用水单位的年总供水量，当发现有用水单位用水量超过控制指标或即将超标时，在地图上高亮显示该单位位置并语音播报警戒信息，以提醒工作人员。在控制用水单位的用水量的同时，也支持计算用水单位的应收水费与实收水费，若发现用水单位未交水费或欠费时，可在分析图表中显示，管理人员可依据管理办法采取相应措施。

2.1 供水渠道分析

实现实时掌握用水灌溉信息，水流从供水水源开始，逐步流动至各输水渠系中，根据各引配水口的水位和流量数据，在地图上渲染显示各级渠道的过水情况，通过此种方式可以清晰看到哪些渠道正在输配水，哪些渠道已停止供水。对于管理供水渠道过长的灌区，通过该功能，可在供水初期，显示水流已到达位置、分析预计到达时间，使各管理站(所)的调度人员更加精准的配水，为灌区的调配水工作提供更加丰富的分析方式，为调度工作提供指导。效果显示如图1。

图1 供水渠道分析效果图

2.2 水资源总量指标控制

显示已超标或即将超过的用水单位个数，并在地图上渲染显示用水单位位置，若是即将超标，则将该用水单位渲染成黄色，并显示该用水单位剩余可用水量。若是已经超标，则将该用水单位渲染红色，并显示该用水单位已超标水量值。同时语音播报警戒信息，例：XXX乡镇用水总量已超标XX万方，总量指标为XXX万方。效果显示如图2。

图2 水资源总量指标控制效果图

2.3 水量分析

利用柱状图、曲线图等多种图表形式，对比显示各用水单位的地表水实供水量、地下水实供水量以及总量控制指标，若用水单位实供水量超标时，用特殊颜色标识，使各用水单位的实际用水情况清晰明了。

同时在地图根据各用水单位的供水总量的大小，用渐变色渲染显示用水单位管理范围，通过颜色的深浅可以判断用水单位的用水量多少。效果显示如图3、图4。

2.4 水费分析

通过图表形式，显示各用水单位的定额内应收水费、超定额应收水费、应收两费以及实收水费、实收两费等收费信息。效果显示如图4。

3 工程管理业务应用

工程管理业务模块实现对灌区水利工程的信息化管理，包括工程台账归档、日常巡检管理等灌区日常工作中水利工程相关的管理工作。利用地图实现任意查看各类水利工程的台账信息、照片、实时视频等多媒体材料。可以随时查看当前正在巡检工作人员的巡查位置、现场视频以及进行语音对讲，同时支持语音智能识别，实现与现场工作人员进行实时沟通，及时处理各种突发状况。支持查询历史巡检记录，查看巡检视频、巡检录音和照片等各类巡检过程数据，若巡检过程有发现问题还可以自动定位至发现异常的位置，为灌区执法巡查和工程维修养护提供有力的数据支撑。

图3 供水总量效果图

图4 实供水量分析效果图

3.1 工程台账管理

在地图点击任意一个水利工程建筑物，查看该建筑物基础台账信息、多媒体资料以及相关的管理数据。例：当点击水库时，可查看水库的工程属性信息、照片、实时视频、文字简介、最新水位、库容、入库流量、出库流量以及大坝安全监测数据等。当点击渠道时，可查看渠道的工程属性信息、照片、维修养护信息、改造信息以及该条渠道上的所有监测站点的最新水位、流量数据等。效果显示如图5-7。

图5 水库信息效果图

图6 渠道信息效果图

图7 渠首信息效果图

3.2 工程巡检管理

在地图上自动显示当前正在巡检人员的工作轨迹以及所在位置，并实时更新。当在地图上点击人员标识时，可以查看当前正在巡检工作人员的巡检记录、上传的照片以及现场视频和录音文件，录音文件可以通过智能分析技术转换成文字。同时可以发起语音对讲，与现场人员进行通话。效果显示如图8、图9。

图8 渠道实时巡检效果图

图9 实时巡检信息效果图

支持查看历史巡检记录，通过点击历史巡检记录，实现查看该次巡检的视频文件、录音文件以及图片等现场信息，同时定位显示此次巡检过程中发现问题的位置。效果显示如图10、图11。

图10 巡检记录效果图

图11 巡检详细信息效果图

4 灌区业务应用部分模块代码应用示例

渠道巡检轨迹渲染程序实现的实例代码如下所示：

//巡检段

xunjianduanXR = function getPersonCanalResults(ID) {

resultsLyr.removeAll();

var qTask=new QueryTask();

qTask.url = "http:∥www.xjsth.cn:8399/arcgis/rest/services/slgk_pm_Map/MapServer/17";

var query=new Query();

query.outFields=["*"];

query.returnGeometry=true;

query.where="FID = "+ID+"";

qTask.execute(query).then(function (results) {

var graphicS = arrayUtils.map(results.features,function (feature) {

feature.symbol = new SimpleLineSymbol({

color:[253, 97, 0],∥[ 21, 197, 234],

width:4

});

return feature;

});

resultsLyr.addMany(graphicS);

view.goTo(graphicS);

}),function (error) {

alert(error);

};

}

渠道输配水情况渲染程序实现的实例代码如下所示：

//动态水流渲染

renderByPictureMarkMethod = function RenderByPictureMarkMethod(url, where,linename) {

resultsLyr.removeAll();

var qTaskArea=new QueryTask();

qTaskArea.url = "http:∥www.xjsth.cn:8399/arcgis/rest/services/szy_ds_Map/MapServer/";

var queryArea=new Query();

queryArea.outFields=["*"];

queryArea.returnGeometry=true;

var qWhereArea = where != "" && where != undefined ? where : "1 = 1";

queryArea. where=qWhereArea ;

qTaskArea.execute(queryArea).then(function (results) {

arrayUtils.map(results.features,function (feature) {

if(feature.geometry.paths[0] && feature.geometry.paths[1]) {...}

});

});

}

水量分析渲染程序实现代码如下所示：

∥水量超标处理

getUnit = function getUnit(where1,where2) {

resultsLyr.removeAll();

var url = "http:∥www.xjsth.cn:8399/arcgis/rest/services/szy_ds_Map/MapServer/25";

var senderInfo = {"Type":"POLYGON","Color":[255,0,0,

0.8],"Style":"solid","OutlineColor":[139,54,38],"OutlineWidth":1};

renderGeometryMethod(url,where1,senderInfo);

var senderInfo = {"Type":"POLYGON","Color":[255,255,0,

0.8],"Style":"solid","OutlineColor":[139,54,38],"OutlineWidth":1};

renderGeometryMethod(url,where2,senderInfo);

}

//超标信息显示

renderTextMethod = function RenderTextMethod(url, where,text){

//resultsLyr.removeAll();

var qTask=new QueryTask();

qTask.url = url;

var query=new Query();

query.outFields=["*"];

query.returnGeometry=true;

var qWhere = where != "" && where != undefined ? where : "1 = 1";

query.where=qWhere;

qTask.execute(query).then(function (results) {

var graphicS = arrayUtils.map(results.features,function (feature) {...});

resultsLyr.addMany(graphicS);

if (zoom != undefined){

view.goTo({target: graphicS, zoom: zoom});

}

}),function (error) {

alert(error);

};

}

5 结 语

通过以上在各个试点灌区用水管理和工程管理中地理信息技术的应用示例，使灌区用水管理和工程管理更加直观和形象，提高了灌区输配水的时效性和科学性，提高了工程管理的现场感和实时性，因此，地理信息技术在灌区业务管理中还有很大的应用空间。

□

[1] 中国灌溉排水发展中心. 大型灌区信息化建设技术指南[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012.

[2] 王顺久. 水资源优化配置原理及方法[M]. 北京：中国水利水电出版社，2007.

[3] Eelco van Beek. 宋心同 译. 水资源综合管理 方法-模型-应用[M]. 郑州：黄河水利出版社，2008.

[4] 汤国安，杨 昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M]. 北京：科学出版社，2006.

[5] 池 建. 精通ArcGIS地理信息系统[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[6] 安迪·米切尔. 张 旸 译. GIS空间分析指南[M]. 北京：测绘出版社，2011.

[7] 王远飞. 空间数据分析方法[M]. 北京：科学出版社，2007.