GIS技术在水和污水行业应用的未来动向

GIS技术在水和污水行业应用的未来动向


发布日期: 2023-02-03 更新日期: 2023-02-03 编辑:xuzhiping 浏览次数: 607

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摘要: 能够预知GIS技术在水和污水行业应用是GIS发展的一个重要方向。在一个行业中通常每2~年就会彻底革新一次,紧跟当前的速度是一项艰巨的任务。然而,在任何公共工程事业资产中,GIS的应用向着一个数据集成的模型不断发展,而且有着很大的灵活性。今天,大多数水和废水行业...

能够预知GIS技术在水和污水行业应用是GIS发展的一个重要方向。在一个行业中通常每2~年就会彻底革新一次,紧跟当前的速度是一项艰巨的任务。然而,在任何公共工程事业资产中,GIS的应用向着一个数据集成的模型不断发展,而且有着很大的灵活性。今天,大多数水和废水行业内部的计算机系统正致力于整合信息孤岛。每个孤岛代表着一个组织内的具体特定服务目的的核心业务功能。GIS技术通常作为附件,通过一个直观的界面,将这些岛屿的信息提供给用户。

1.手持设备和移动GIS的进展

长期以来,移动GIS只是一种概念,看上去超出了大多数专业人士所能想象到的程度。随着硬件和软件方面的进步,移动GIS技术很快会成为现实。首先是硬件设备,如坚固的笔记本电脑和笔式输入的电脑。接着是从大型机和小型机(通常在UNIX平台)主要GIS软件的端口,到WindowsNT平台。这使得在便携式计算设备 (包括笔记本电脑和笔式输入的电脑) 上安装先进的GIS软件方面取得了巨大的进步。此外,随着越来越多高精度和先进的全球定位系统(GPS)设备出现,整合GPS与GIS和移动设备的必要性变得不言而喻。

然而,因为野外考察工作本身的性质,企业仍然需要携带更易于管理,比3000~6000美元的笔记本电脑和笔式电脑价格更便宜的设备。这引起了掌上电脑手持设备的兴起并持续发展,这些成功吸引了大家的想象力,也首次引发了移动计算这一话题的激烈辩论。这些小巧结实的设备迎来了移动计算的新时代。然而掌上电脑手持设备不具有足够的处理能力或操作平台的兼容性,如GIS的复杂计算。通过引入基于Windows CE的手持式掌上电脑和GIS软件,移动GIS经历了一次成为现实的巨大飞跃。随着移动GIS的发展,野外工作人员数据库可以随时随地 直接访问数据库的信息显得非常必要。GPS接收器和天线通常集成到这些基于Windows CE的手持设备上,使其成为一种现场数据采集更加灵活的理想工具。这种基于Windows CE手持设备的使用频率越来越高,如水和污水处理系统、道路和路面管理系统的数据收集。这些可以表明,移动GIS明确在数据收集的过程中经济和项目工程意识。

虽然现在的移动领域系统中硬件和软件功能日益强大,无线连接仍然是在移动GIS方程中最薄弱的环节。但是,这将很快改变。现在的相对有限的带宽可能适合于小型工作,如分派或简单订单等方面数据管理的工作。然而,它们不适合大型文件的传输,如CAD制图和地理空间文件。预计这种情况会在不久的将来有所改变。为满足公众需要,移动GIS和无线连接数量在不断增加,无线厂商将推出更高带宽的“信息高速公路”。

在美国有超过40万工人从事这个领域方面的工作,随着企业信息化的基础设施的不断发展,使得简便的、无缝的移动计算成为未来十年的主要目标,同时成为提高生产力、减少成本、增加企业价值的最大机遇之一。

2.无缝数据集成技术

这个“无缝数据集成”看上去是个矛盾的术语。由于缺乏统一的平台和标准,在不同的媒介之间很难进行数据转换。在不久前,需要复杂而昂贵的处理器将CAD数据 转换为不同的GIS软件和关系数据库,GIS软件往往似乎处于冲突中,而不是和平地共存着。然而,随着GIS和CAD软件的日益复杂化和灵活化,现在在两种介质之间的相互转换显得更加容易。主要的GIS软件包可以直接读取CAD数据,并有第三方的应用程序,提供在GIS中类似的CAD操作和设计。此外,GIS和主要的关系数据库可以无缝连接和传递数据,从而结合两者的最佳元素。

数据集成也影响了移动和手持计算领域。运用更好、更强大的软件,掌上电脑和台式计算机可以毫不费力地进行通信。使用基于WindowsCE操作系统和应用程序,如Visual WindowsCE和Windows CE为基础的GIS,使现场数据采集成为不费时和不费力的工作,并在提高效率和提高生产力方面得到快速发展。GIS数据整合领域的下一步发展是改善价格低廉的无线技术。这可以增强实时沟通与更新,并提供了有关操作,维护及公共机构的客户服务方面更有效和更高效。

虽然远离现实,但不同数据源的融合将会越来越容易。然而,这是一个未来发展和创新的领域,这一领域需要辛勤工作和创新的解决方案,才能实现“无缝数据集成”的最终目标。

3.GIS增殖的工作场所

世界各地的人们都意识到使用GIS作为工具,使得他们的日常工作更加高效。GIS在勘测、规划、公共设施和工程中变得越来越常见: 一些环境应用包括海岸侵蚀与恢复的建模和疏浚业务的建模;消防和警察部门分别使用GIS进行模拟野火和犯罪分析;在健康科学正在开发功能强大的应用程序,这些应用程序利用了GIS的空间和分析功能,包括研究和控制疟疾与癌症GIS的应用。这将会引起研究GIS科学的兴趣。目前在不同学院和大学的各个院系均增加了GIS课程的数量。这些教育机构试图通过建立GIS认证方案,提高工作人员的专业知识,以满足对GIS知识日益增长的需求。这些工作会促进GIS软件在工作领域的推广。人们越来越多地依靠GIS软件完成日常工作,如:

(1)地图税务管理和纳税评估活动。

(2)客户记录和服务。

(3)规划、分区及物业管理。

(4)设施建模与绘图。

(5)环境规划。

(6)资产和基础设施管理。

(7)基础设施系统改造和设计。

这种趋势还会持续下去,因为人们与部门的联系通过企业级GIS变得更加紧密,还会开发和分析空间数据的更多用途。

4.企业级GIS解决方案

为了有效运作,信息必须被当作一种资源,为组织内的所有部门与机构所共享,并支持多种不同功能,同时保持与公众需求相同步。一个人未来的成功取决于他利用核心知识基础的能力,同时了解组织是如何接收和吸收信息。将浏览各级政府的相关数据作为一种信息资源,通常需要在思想上有所转变。这包括从整个企业的角度改变观念,迫使我们思考工作职能和优先性。企业级表示将组织作为一个整体,在一个可定义的范围内进行工作。在企业范围内设定目标的例子是,在一个区域内的各级政府间进行土地规划的选址。另一个例子是,工程和消防部门之间共享水系统总量和属性。

据许多GIS业内人士介绍,GIS产业正在从个体层面的数据共享转移到企业或组织层面的数据共享。如何共享以及用户参与共享的份额各不相同,但有下列一些共同特征:

(1)标准数据库在数据存储和管理中起到了核心领导的作用,而个别CAD文件和格式文件发挥的作用比较有限。

(2)该数据库将成为空间数据用户所围绕的“营火”,与笔记本电脑和手持设备的客户端软件并存。

(3)客户端软件可能看起来与CAD不同,虽然它可能使用一些CAD软件中“最好的部分”。

(4) GIS正朝着“GIS”方向前进: 随着GIS软件与传统的信息管理系统相集成,地理学变得不那么重要。

由于资金与资源越来越有限,对机构有了少做多做方面的需求。这就是为什么一个企业级的GIS开始并将继续在可预见的未来具有逻辑性和经济性意义。

5.社会GIS

社会GIS是GIS资源在本地、县、州和美国联邦政府的无缝集成。它需要精确的元数据、基础设施、信息交流中心,并提供有关共享数据。

事实上,我们所做的一切本质上是绑在一个位置,它是这个空间的组成部分,结合多种来源的数据将是关键。今天关于社会GIS的例子很多,例如,人们可以利用MapQuest找到两个位置之间的地址和路由,这是一个很好的社会GIS应用。市场营销和广告公司开发基于GIS的市场营销软件,这些软件可以收集你的上网痕迹,从而制定有针对性的营销策略。在短时间内,一家房地产销售代理就能调出属性的登记调查,显示属性的照片(甚至采取虚拟之旅),找到最近的学校或校车路线,展现城市的官方土地规划用途分区,找到满足购买者的价格和设计标准的所有特性,如果土地所有权出现变更情况,并告知所有受影响的公用事业单位。这不会要求房地产经纪人学习使用现代文字处理程序中的 任何更多的知识和训练。社会的GIS将不再是映射专业的工具;相反,这将是一个产品或一种服务,任何人都可以使用。

社会GIS的吸引力在于它的广泛而有效的免费访问。你将只为你所使用的服务付费。在我们当今的文化中有许多类似情况。很多消费类电子产品的价格都在直线下降,如个人电脑、游戏机和手机。但是,你要为个人电脑中的软件、游戏机的游戏卡、手机的通话时间和网络使用而付费。

6.资产管理

资产管理是一个涵盖延长时间范围的业务流程和决策框架,它最一开始应用于经济学和工程领域,它可以涉及各种资产。资产管理办法纳入权衡另类投资方案的经济评估之中,并使用这些评估信息帮助做出符合成本效益的投资决策。资产管理通常被描述为一个长远的、宏观的、可操作性的工具,用来管理资产。国家和地方政府每年花费1400亿~1500亿美元建设、改善和重建公共资产,包括:污水下水道系统,水系统,雨水下水道系统,流量控制设备(标志、交通信号等),道路。

因此,资产管理对于政府机构具有真正的战略利益。这些好处包括提高信息访问和内容、重点战略举措,并协助开发更快的决策。此外,战略资产管理可以帮助识别规模经济和行动的可能的替代课程,引导服务外包和私有化活动,并帮助确定扩大提供服务的最佳潜力。

对于一个有效的资产管理计划,它需要由以下几部分组成:

(1)开发和所需资产的库存跟踪。

(2)保持资产的状况可用信息。

(3)确定资产的价值。

(4)有效利用和收集的资料分析。

(5)正确分析维护资产在其生命周期的费用。

(6)分析成本和项目的效益,并确定最佳行动路线。

综上所述,资产管理有助于产生更准确、更快的决策。它还通过整合部门的活动明确组织目标,形成整个组织的基础和系统的观点。

7.设施动态规划过程

理想情况下,当利用GIS作为设施规划工具时,分析应依靠来自多个司法管辖区的信息。协调来自不同地区、县和州政府机构所需的信息,这些所需信息必须遵守相关的规则与标准。然而,社会GIS的优点是提供政府各个层面的最新信息,并将这些信息无缝地结合在一起。如人口增长预测、土地利用以及拟发展位置都是很好的信息来源,有助于确定何时、何地以及以何种规模来建造新的设施。从理论上讲,社会GIS中关于设施规划的物理模型,是通过建立一些必要的文件来构建与维护的。由于系统内信息更新,设施规划可以自动更新以反映所做的修改。通过这种方式,设施规划可以随着其所负责的司法 管辖区内的最相关信息进行更新。例如,一个服务区内的土地使用通过当地总体规划来创建。通常情况下,规划升级到公共工程设施,取决于总体规划中对最终流量状况的描述。然而,总体规划不是静态的,而是随着时间而改变的,以反映所描述区域的不断变化的需求。正因为如此,总体规划的改变体现在所服务的司法管辖区内对未来服务 事业的规划的改变,这点很重要。利用GIS技术,设施规划过程可以响应在一个社区内的变化,并且服务和依靠于未来规划所需要的最相关的、最新的信息。

8.应急响应

在美国科罗拉多州利特尔顿哥伦拜恩高中的射击场建设的 后续工作中,应急救援小组认为唯一最宝贵的资源虽然不可获得,但会造成结果的巨大差别。这个描绘学校布局的可获得资源就是学校的最新地图。为了应对这一点,应急救援小组携带的大批量地图,将有助于他们在未来突发事件中的工作。随着移动GIS技术的进步,地图信息的可获得性会变得更好。试想一个社会GIS,通过一个通用的地图应用程序共享 来自各个公共机构的空间数据信息。在这种情况下,紧急救援人员可以进入学校的AM/FM应用程序,包含了最新的设备信息,包括学校布局、学生人数,或许还有班级课程表。最新影像技术的发展可以提供学校射击的照片,包含几乎所有可以想象的任意方向,它的精确度非常高,可以发现一个高尔夫球躺在学校操场上。用户可以在这些影像照片上测量墙壁、窗户、屋顶的尺寸。此应用程序将继续帮助在学校关键位置 处部署执法和救援人员。这不是未来派有些牵强的想法,而是目前存在技术和应用程序.与哥伦拜恩高中事件相同的案例,适用于水和废水处理行业,未来可能面对任何紧急情况。目前现有技术,有助于提供最大量的相关信息以挽救生命。

9.最大日负荷

大部分水和废水处理行业运营处理设施正面临着 被称为最大日负荷排放法规的新框架。最初它是清洁水法的一部分,TMDLs从质量平衡的角度出发管理水体污染。TMDL程序从宏观层面检查各个流域,其触发点是美国环境保护署(EPA) 确定任何水体均已经达到水质破坏水平。一旦触发,TMDL程序旨在通过施加进一步的限制来管理化学成分排放,这些化学成分被认为是水体水质破坏的标志,如果有必要,使水体达到符合的水质水平。美国环境保护署应用GIS工具,模拟流域内点源和非点源污染物,以方便TMDL方法的使用。这个程序被称为优化评估科学整合点源和非点源 (BASINS)的GIS应用程序,该程序包含了水质数据、国家污染物排放系统数据、有毒物质排放清单以及超级网站与美国所有主要的流域基础底图。这个BASINS程序用来分析所包含的信息,以助于确定限制排放量,这些被限制的排放量很有可能会使水体质量得到改善。

10.人力资源管理

有效的水资源管理,为客户提供可靠的饮用水源是水利行业业务能力中的一个关键因素。对于大多数的水利行业而言,水资源来自不同的地方,若以年为基准来衡量,其中一些水资源的产生量有所不同。正因为如此,必须能够预测可用水资源的短缺和盈余。GIS技术成为任何水利行业平衡供需的有效工具。通过在服务区内建立的需求,GIS应用程序有助于预测水量短缺会对一个社区产生怎样的影响。此外,通过整合水资源管理与设施规划信息资源,GIS可以帮助确保充足的水量供应,以满足社区的未来需求。基于水权的水资源分配信息,可以代入模型中,这样可以有助于涉及相关法律问题,尤其是复杂的美国西部情况。

11.面向对象的GIS

在GIS中嵌入面向对象的编程是比较新的技术。面向对象的编程是指任何程序的特定部分,例如Word文字处理器中的拼写检查,该处理器被分成若干工具组,这些工具组被称为对象。这些工具组可以通过一个简单的规则或命令来彼此关联。通过这种方式,应用程序可以被高度定制 (人们可以组装对象来完成一次应用过程)。

面向对象的GIS为数据库建模和编程都提供了附加功能。新的行为对象通过加入模拟现实生活的其他变量,可以更好地进行数据库建模。例如,地理数据库模型加入了以规则为基础的信息,为开发空间信息提供帮助。这方面的一个例子是,GIS软件能分辨出一个直径为200mm(8英寸) 管道不能连接在一个直径为100mm(4英寸)的管道上。一般情况下,编程功能因嵌入GIS对象而大大增强,这种技术被集成成为一个特定的应用程序中的一部分。这方面一个例子是,面向对象的GIS可以与外部的对象集成,并扩展应用程序的功能。例如,如果将模型功能封装在一个对象中,将使模型集成更加方便。这个对象仍然可以很容易地与GIS的对象集成,以形成一个应用程序。其结果是,软件应用程序里面的建模功能是应用程序自身最初建立的功能。

12.模型集成

水力学模型与GIS技术集成的例子有很多。水力学应用程序在GIS软件之外进行开发,但利用了GIS内存储的信息。大多数水力学模型试图表达一个空间环境,这是合乎逻辑的做法。这样,应用程序可以利用实时的GIS数据,或者利用GIS进行结果输出。我们已经认识到,大部分水和废水机构正逐渐转向地理空间系统,水力学软件开发商已经开始开发软件组件,更好地与GIS进行无缝集成。这些软件包可在GIS中加载,扩展其功能,包括水力学模型。但任何模型与数据都是用来获得解决问题的结论。应用水力学模型获得结论时,应当注意GIS中数据信息的水平和准确性。

要真正了解一个下水道系统的水动力原理,需要建立一个完整的水动力学模型。这将有助于规划和确定系统的改善措施,以适应未来的发展需求。物理属性,如管道尺寸、长度、底标高和材料都包含在GIS中。GIS模型可以与数据监控和采集系统相结合,数据监控和采集系统提供实时数据流进行分析、可视化和模型校准。水流监测位置可以访问或与上游流域的信息相关联。最后,对结果的解译可以图形化显示,以确定升级需求。

13.安全问题

在美国,恐怖主义已被高度关注。供水系统以及供水和污水处理设施已被确定为潜在目标,可能影响众多人口。因此,许多机构采取措施,以提高厂房设施和水储存及分配中心的安全性。在过去,GIS技术已经被部署到提高安全性的情况下。在2000年的美国总统竞选中,GIS技术已经被成功地应用于美国加利福尼亚州洛杉矶市的 民主党全国代表大会期间,管理斯台普斯中心以外的示威活动。它和部署安保的人员一样,用于人群控制和转移。

GIS还可以用来分析现有设施,并探测需要采取安全措施的弱点或失效点。通过各地工厂可获得的信息、地形建模和关键设备的选址,分析供水和污水处理设施的战略位置。恐怖主义行动的不同场景,可以通过GIS进行建模,包括将生物毒性引入到水储存或分配系统中。

未来GIS作为一种威慑恐怖主义的工具,可能因部门敏感信息而受到阻碍。自2001年9月11日以来,在地理数据广泛使用的趋势下,恐怖分子会利用地理数据信息探测到基础设施的弱点,从而方便他们实施更有威慑力的恐怖活动。例如,水处理设施布局的详细信息,可以帮助恐怖分子识别某个位置,在供水管道中投入生物毒素。

如果采取适当的预防措施,敏感数据可以共享。例如,美国联邦地理数据委员会建议共享国家的基础设施数据,但要为共享数据担负责任,这为威慑恐怖分子提供了巨大的价值。这方面的例子有:GIS系统的应用使潜在目标检测更加便利,为应急计划与防备提供工具,查明易遭攻击的弱点情况,并通过模拟演练提高响应时间。

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