内容提要：GIS是水文工作中的一个重要组成部分，从小处讲它只是一个软件，从大处讲，它可自成一个系统。在水文事业向自动化、信息化突飞猛进的今天，GIS已越来越突显出其巨大的作用。本文在总结GIS发展方向的基础上，着重分析了GIS在水文行业的应用中所面临的一些问题，并就这些问题的解决提出一些建议，供有关人士参考。
关键词：地理信息系统   水文 问题
1、 问题的提出
水文事业是我国各项水利、水务事业的基础，承担着水利工程、水资源调度、水资源论证、水环境保护、防汛抗旱等的前期论证和可行性研究工作，虽然水文工作在很多方面很难直接体现其经济效益，但它的基础作用和社会效益却不容忽视。
随着现代科学技术的飞速发展，以计算机和通信为核心的信息技术在水文工作中的作用显得日益重要，具体表现在水文、水质信息的自动采集与分析，水文资料的自动整编与数字传输，成果的图形表现与多维动态演示等多个方面。信息技术的发展一方面为水文工作的发展注入了新的活力，另一方面也对水文工作提出了新的更高的要求，水文工作面临着新的挑战。不论是国内还是国外，以计算机信息技术为基础的现代化水文都在蓬勃发展，水文工作的信息化将成为今后水文事业发展的一个重要组成部分。
地理信息系统是在计算机软、硬件平台支撑下，以采集、存贮、管理、分析描述地球表面（包括大气层） 与空间分布有关的数据的空间信息系统[1]。地理信息系统具有地图输入与编辑，空间信息查询与分析，报表生成，地图输出，以及数据库管理等功能。这一新技术在水文工作中已经发挥了非常重要的作用，在水文信息化中也扮演着越来越重要的角色。不过，随着GIS在水文上的应用，也暴露出了一些问题，对这些问题进行深入研究并设法予以解决，将促使GIS与水文更加有机地结合，为水文的新一轮发展发挥更大的作用。
2、 GIS的发展动向
GIS技术发展速度很快，在短短十几年里就完成了从传统的单机运行模式向系统化、网络化方向的转变。下面介绍GIS发展的几个新的方向。
2.1 网络GIS
网络GIS[2]以计算机网络技术为基础（主要是局域网），通过客户机/服务器模式（C/S）工作，其中在服务器上安装服务器版GIS软件的服务器部分，客户机安装软件的客户端。
网络GIS在总体上分为C/S两层，以充分利用C/S模式的跨平台、易扩充、数据独立等优点。在客户端又分两层来进行设计——GIS功能层和数据请求层，GIS功能层是GIS的功能实现部分，数据请求层是GIS的数据实现部分，起到数据转换的作用，对上是具有GIS特点的数据文件，对下是标准的数据库记录。这种分层设计的形式一方面充分利用了现有的单机版本GIS研究成果；另一方面，GIS功能层和数据请求层的开发可同时进行，只要接口标准不变，本层的变动不会影响到另一层。

                     图1  C/S模式下GIS访问数据库的框架

2.2  Web GIS
GIS技术也随着Internet的出现而发展成为互联网地理信息系统[3]（Web GIS）。目前基于Web的GIS技术已经成为GIS研究的一个热点课题。全球各大GIS厂商也相应地推出自己的Web GIS解决方案，如ESRI公司的ArcIMS。
2.2.1  CGI（通用网关接口）模式
CGI灵活性较强，可以用任何一种能运行在服务器上的语言如VB、C＋＋、Perl等编写。客户端无需安装任何插件，基本上没有任何负担，所有操作和分析都是由服务器端完成，充分利用了服务器的资源。但由于CGI本身效率不高，加上此类Web GIS传到客户端的地图为栅格数据，因此每次客户端的操作，如放大、缩小、漫游等都必须由服务器来完成，网络和服务器的负担较沉重，因此对服务器性能和网络带宽的要求较高。

图2  基于CGI模式的Web GIS示意图

2.2.2  Plug-In（插件）模式
它的优点是传送到客户端的结果为矢量数据，充分利用了客户端的计算能力，可在客户端实现缩放、漫游等基本操作，运行效率最高。但有一点，即客户端需下载并安装插件，因此这种方式与平台和操作系统有相关。
2.2.3  JAVA Applet(JAVA小程序)模式
其原理是，Applet由服务器下载到客户端，负责图形的放大、缩小、漫游等功能，通过CGI、RMI、IDL与应用服务器通信。Web服务器负责WWW服务，处理和分发请求。应用服务器负责处理并发请求，实例化状态，交易处理，安全管理，数据库连接池管理等。应用构件用于完成不同的用户应用功能。这种方式最大的优点是它与平台和操作系统无关，但由于JAVA Applet本身效率比ActiveX慢好几倍，因此基于此类的Web GIS运行效率不是很高。

图3  基于JAVA模式的Web GIS示意图

2.3 组件式GIS（ComGIS）
组件式GIS（COMGIS）一直是近年来大家极力推崇的一种开发模式[4]。组件技术使近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。在组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来，以便其他对象了解和调用。这样把GIS的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多传统GIS工具无法比拟的优点。这种开发模式只需要开发人员掌握一门通用的高级语言，并对GIS工具软件提供的组件的对象结构体系十分了解。它不必从底层去做起，也不必掌握专业的开发语言。它的运行不依赖于GIS工具软件的运行环境，系统移植性也很强。因此组件式GIS具有小巧灵活、价格便宜，能直接嵌入GIS开发工具，功能强大，开发简捷的特点，在水资源管理系统开发中已得到了广泛的应用[5]。
2.4 数字地球[6]
数字地球（The Digital Earth：DE） 最早出现于1997年下半年。1998年1月31日，美国副总统阿尔·戈尔在加利福尼亚科学中心的演讲中提出“数字地球”（Digital Earth）的概念。他明确地将“数字地球”与遥感技术、地理信息系统、计算机技术、网络技术、多维虚拟现实技术等高新技术和可持续发展决策、农业、灾害、资源、全球变化、教育、军事等方面的社会需要联系在一起。
从上述观点来看，数字地球以地理信息科学为基础，并为地理信息科学的进一步发展提供了广阔的空间。因此可以认为数字地球是一个分布式、多尺度、多维的地理信息系统。在信息技术日益发达，日益重要的今天，数字地球技术对于我国国民经济和科学技术的发展无疑具有重大的影响。
数字地球的理念已深入到水文行业，近年来相继出现了“数字长江”、“数字黄河”等重大GIS项目。
3、水文行业应用GIS存在的问题
根据笔者的了解，目前国内水文行业在GIS应用方面普遍存在着以下一些问题：
3.1  GIS功能的使用有限
目前，水文行业使用GIS系统主要是用来进行信息查询与及简单的图形表现，以及地图的编制打印，对于一些高级功能则使用很少。众所周知，GIS本身的功能是非常强大的，例如它可以作路径分析，三维分析，地理统计分析，空间数据库的设计与管理等。如果能将GIS的这些高级功能应用到水文分析工作当中，无疑会在拓展GIS应用领域的同时，丰富水文业务的内涵。
3.2  GIS与水文的专业性结合不强
水文工作是专业性很强的工作，涉及到地理，气象，数学，统计，流体力学，工程等诸多方面的知识，属于综合性的交叉学科。随着现代水文学的发展，数据通信，自动化技术，计算机网络等新的领域已渗透到水文行业当中，使用水文工作所涉及的专业日益增多。
水文工作的一个很重要的方面就是水文计算与分析预报。这些方面包括产汇流计算，频率计算，流量推算，泥沙输移计算，水质分析，以及很多水文模型等。因为GIS的应用面很广，GIS软件在设计开发过程中，必须要考虑到软件适用的广泛性，就很难把它在水文上的应用考虑得很全面，因此目前大多数GIS系统并不能很好地体现水文业务的专业性。很多GIS软件很少甚至根本不具有水文分析计算功能，这导致GIS与水文业务的结合不强，体现不出水文特色。
3.3  GIS系统的多样化与统一标准之间存在着矛盾
GIS应用的广泛需求使用使得近几年涌现了许多GIS软件，比较著名的如国外的ArcGIS，Mapinfo，国内的GeoStar，MapGIS，SuperMap等。这些软件系统各自的功能是比较强大的，每一种软件系统都拥有大量的用户群体，但是，每种软件所支持的数据格式有限，各系统之间数据格式的转换就成了一个棘手的问题。虽然许多软件厂商为了扩展其适应能力，开发了一些格式转换程序，但在转换过程中大都存在一些问题，如转换后数据丢失，或者某些属性不能正确表现出来，等等，给系统之间的数据交换造成了很大的麻烦。
就全国范围来讲，这一问题还表现为各省市水文部门所用的基础地图的格式上有较大差别，如有些省市所用的基础地图坐标为北京84坐标，有些可能是北京54坐标或者其它坐标，对于地域范围比较小的直辖市，可能直接用本市的城建坐标。如果要把全国各省市的地图拼接起来，那么不同坐标系的地图是不可能无缝拼接的，这样就出现了一个不同坐标系之间相互转换的问题，实践证明，坐标转换是一件很复杂的工作。
3.4  GIS网络应用与数据安全矛盾比较突出
网络化，尤其是互连网应用是GIS今后发展的重要方向。这一发展趋势要求GIS系统所需要的大量属性和空间数据必须直接面向互连网。这就导致数据可能受到攻击而破坏，或者可能被其他人窃取而使单位遭受损失。由于水文数据在一定程度上还具有保密性，如何保护数据安全显得更加重要。因此，水文行业很多单位在开发GIS的互连网应用时都采取很谨慎的态度，一个通常的作法是，把数据库和GIS系统作物理上的隔断，对于数据的传输，则采取中间媒介（如优盘）进行拷贝。尽管这样做数据安全了，但它是以牺牲效率为代价的。
4、 解决问题的途径
首先必须清楚的一点是，GIS绝对不是一个纯计算机技术的工作，相反，GIS只有与相应的行业应用紧密结合起来，才能充分发挥其应用的作用。就水文行业来讲，要解决这一问题，需要既懂GIS，又懂水文的复合型人才。这样的人才目前在国内还相对比较缺乏，因此人才的培养就变得非常重要。
针对GIS与水文专业不能很好地结合的问题，笔者认为，需要对现有的GIS软件进行深层次的二次开发，使之满足水文专业应用的需要。从目前各GIS的功能来看，一般都具备了二次开发的能力，比如ArcGIS就可以用VB、VC进行开发和定制，Mapinfo有内置的二次开发语言MapBasic。另外，组件式GIS技术发展比较迅速，它的优点是可以把GIS的组件直接嵌入到高级编程语言中使用，开发后的程序运行不需要GIS平台的支持。这种开发方法有利于把水文专业知识纳入GIS系统。另外，目前国内外已出现了大量的水文分析计算软件，这些软件具有很强的水文分析计算功能，但又缺乏GIS功能，因此，如果能把这些现有的软件与GIS软件集成到一起，也是一个不错的途径。
GIS虽然是近二十年迅速发展的新技术，但就目前来讲，它发展得还不是很成熟，最突出的表现是目前还没有制定出一个全国统一的行业标准和规范。标准的制定是非常重要的，一方面它是一个行业发展成熟的标志，另一方面它在很大程度上可以促进行业的发展。比如，在建立国家水文数据库时，就制定了相应的技术标准，如全国统一采取Sybase数据库系统，规定了数据表的结构等，使国家水文数据库能够在较短时间内比较顺利地建立起来。全国水文行业也很有必要建立自己的GIS开发标准，笔者认为，标准应该规定采取哪种软件系统，哪种坐标系统，还要分门别类地规定属性表的结构，数据的格式等。建立GIS标准的好处有：（1）便于省市之间的数据交换；（2）便于省市之间的技术交流与合作，节省投资，少走弯路，更好地促进技术的发展；（3）便于地方向国家上报数据；（4）有利于全国范围的项目的开展。
5、 结语
GIS是一种新兴的热门技术，如何把GIS与水文专业有机地结合起来，是一件很有意义的工作，但在这个过程中存在着很多困难和问题。解决这些问题的途径，需要加强人才的培养，对现有软件系统的进一步深层次开发，以及好的标准规范的制定。其中标准规范的制定更加迫切。

参考文献
[1] 钱励.地理信息系统的建立.微电脑世界,1998年第10期.
[2] 李振华,刘修国.GIS访问网络数据库中若干技术问题的探讨,  http://www.digitalgx.com/Information/article/gis/art_gis25.htm
[3] 周涛,透视Web GIS软件,  gisky.com/Article_Show.asp?ArticleID=123.>http://www.gisky.com/Article_Show.asp?ArticleID=123.
[4] 宋关福 钟耳顺. 组件式地理信息系统研究与开发, 《图像图形学报》，1998.4.
[5] 杨旭,黄家柱,陈锁忠等.组件式GIS在地下水资源管理系统开发中的应用.水文,第23卷第1期,12-15
[6] 王晓栋,崔伟.数字地球的时空维实现,  http://159.226.117.32/body/article/de_time_space.htm
作者简介：
毛兴华（1973－），男，甘肃，工程师，硕士，主要从事GIS系统的应用、开发与研究工作

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