1.3 GIS研究发展动态
1.3.1 国内外GIS的研究发展概况
GIS涉及软件和硬件、地理空间数据以及建立在遥感、全球定位系统一体化基础上的系统集成、应用服务、企业和市场等诸多方面。作为面向21世纪的支柱产业之一，以及作为信息产业的重要组成部分，GIS技术的发展已成为世界各国激烈竞争的高科技热点之一。
1.3.1.1 国外研究发展状况
地理信息系统（GIS）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。地理信息系统萌芽于20世纪60年代初，加拿大的Roger F Tomlinson和美国的Duane F Marble在不同地方、从不同角度提出了地理信息系统。在Tomlinson的建议下，1972年加拿大地理信息系统（CGIS）开发完成并全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行的地理信息系统。它在最近的30多年内取得了惊人的发展，并广泛地应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。纵观其发展，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段。
（1）地理信息系统的开拓期（20世纪60年代）。20世纪60年代初，计算机得到广泛应用，并很快被应用于空间数据的存储和处理，使计算机成为地图信息存储和计算处理的装置，地图被转换为被计算机识别与处理的数字形式，出现了地理信息系统的雏形。这时，地理信息系统的特征是和计算机技术的发展水平联系在一起的，表现为计算机存储能力小，辅助制图能力较强，地学分析能力比较简单。对于这个时期地理信息系统的发展来说，专家的兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用，并且大多有关地理信息系统的工作仅限于政府及大学的范畴，国际交往甚少。
（2）地理信息系统的巩固发展期（20世纪70年代）。20世纪70年代，随着计算机技术迅速发展，数据处理速度加快，内存容量加大，且输入、输出设备比较齐全，推出了大容量直接存取设备——磁盘，为地理数据的录入、存储、检索、输出提供了强有力的手段，可以通过屏幕直接监视数字化的操作，而且制图分析的结果能很快看到，还可以实时编辑。这时，由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理中的应用，促使地理信息系统迅速发展。这一时期，地理信息系统发展的总体特点是：在继承20世纪60年代技术的基础上，充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍很弱，在地理信息系统技术方面未有新的突破，系统的应用与开发多限于某个机构。
（3）地理信息系统技术大发展时期（20世纪80年代）。由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通信传输设备的出现，为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。在系统软件方面，数据库管理系统（DBMS）、系统软件工具和应用软件工具均有成熟软件产品出现，数据处理开始和数据模型、模拟等决策工具结合。地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务、区域划分到政治选举分区等，涉及许多学科和领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。这个时期地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场。
（4）地理信息系统的应用普及时代（20世纪90年代至今）。由于计算机软硬件均得到飞速发展，网络已进入千家万户，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门，在一定程度上由于受地理信息系统的影响而改变了原有机构的运行方式、设置与工作计划等。另外，社会对地理信息系统的认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致了地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如，地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划；美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略也包括地理信息系统。毫无疑问，地理信息系统将成为现代社会最基本的服务系统。
1.3.1.2 国内研究发展状况
我国有关地理信息系统的研究与应用起步稍晚，但随着社会经济的迅猛发展，在需求的驱动下，这一领域内的发展势头相当迅猛。大体上可以分为3个阶段。20世纪70年代是起步阶段，地理信息系统主要用于交通和输电线路等基础设施的规划管理，也用于城市发展规划、土地农业利用和人口规划。20世纪80年代是研究试验阶段，地理信息系统研究被列入了国家“七五”科技攻关计划，主要研究数据标准化，数据处理与分析方法，空间数据库的建设以及应用软件的研制开发。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志。在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配置、软件研制、规范制定、区域实验研究、局部系统建立、初步应用实验和技术队伍培养方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究与应用奠定了基础。我国地理信息系统进入发展阶段是从第7个五年计划开始的。地理信息系统研究作为政府行为，被正式列为国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时开展了地理信息系统研究与开发工作，如全国性地理信息系统（或数据库）建设，区域地理信息系统研究与建设，地理信息系统基础软件或专题应用软件的研制以及地理信息系统教育培训。通过5年的努力，在地理信息系统应用技术上开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了实际的效益。自20世纪90年代起，地理信息系统进入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。同时，努力加强基础数据库的建设，推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化。在地理信息系统的区域工作重心上，出现了“东移”和“进城”的趋向，促进了地理信息系统在经济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急迫的地区和城市首先实现实用化。
我国GIS的发展比发达国家要落后许多年，尤其是GIS软件的开发与应用方面差距更大。但组件式GIS开发平台的出现，大大缩短了我国与发达国家GIS软件之间的差距，为我国中小型GIS应用系统的建设带来了新的机遇。因此，完全有可能一步跨越几个台阶，直接利用最新的技术，开发出先进的管理系统。近年来，我国在组件式GIS方面的研究已取得初步进展，如福州大学地球信息科学与技术研究所的邬群勇等、浙江工业大学的郝平等基于MapObjects分别开发了海洋功能区划管理信息系统和环境地理信息系统；中国科学院南京地理与湖泊研究所的江南等基于MapX开发了太湖流域洪涝灾害评估系统；陕西煤航地理信息公司张培宏利用Geomedia Objects开发控件，开发了具有自主版权的水土保持行业组件式GIS平台；中山市地理信息系统中心采用SuperMap与ObjectARX联合开发，扩充原有的利用InterGraph公司的MGE组件开发的中山市国土专题信息管理系统功能；福建师范大学地理研究所谢跟踪等基于MapObjects组件进行了电子地图的设计与制作；南京师范大学杨旭等在分析组件软件技术的基础上，采用组件式GIS技术，实现了地下水动态监测数据管理中多源数据的整合、图层的建立以及专题图的制作，完成了地下水动态管理系统的开发等。
目前开展的主要研究及今后尚需进一步发展的领域有：重大自然灾害监测与评估系统的建设与应用；城市地理信息系统的建设与应用；建立数字化测绘技术体系；国家基础地理信息系统建设与应用；专业信息系统的建设与应用；基础通用软件的研制与建立；地理信息系统规范化与标准化；基于地理信息系统的数据产品研制与生产。中国地理信息系统事业经过20余年的发展，取得了重大的进展，地理信息系统的研究与应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件，同时经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。
1.3.1.3 GIS技术在水利行业的应用
GIS在水利行业的应用相对滞后，20世纪80年代后期才有一些科研院所和高等院校开始接触和应用GIS。由于该项技术的实用性和普适性特别强，尤其是生产上广泛和迫切的需求，生产部门也很快开始了应用，先是与科研院所及高等院校合作，随后是自己组建一班人马，掌握了这项技术的应用。较长一段时间内，大多数部门的应用水平仅限于对数据的管理，主要是发挥它的数据存储、查询、统计和图形显示的功能，也就是说只发挥了GIS最低层次的功能。直到20世纪90年代后期，才在某些领域和少数单位开始将它作为分析、模拟、决策和预测的强有力工具。21世纪是信息时代，信息资源是重要的战略资源，水利部也提出了“以信息化带动水利现代化”的战略方针。信息中空间信息占80%，而水利行业，这一比例还要更高一些。GIS就像一座多功能水库，对信息起着集中、调节和净化的作用，它兼容并蓄各种来源的信息，按地理空间坐标进行数据管理、查询和检索，通过地学分析、空间分析、相关分析、模拟和预测等手段进行科学加工与决策，提供多层次和多功能的信息服务，因此GIS在水利信息化也就是水利现代化中起着并将继续起着至关重要的作用。
我国的水问题比较复杂，“水多、水少、水脏”是对现状比较概括的描述，即水资源短缺与洪涝灾害频繁发生并存，洪涝灾害与干旱灾害并存，资源型缺水与水质型缺水并存。任何一项先进技术的应用与发展都依附于生产的需求，GIS技术在水利行业的应用也主要围绕着上述主要问题。
1.GIS在防洪减灾方面的应用
目前GIS技术在防洪减灾方面的应用主要有以下4个方面。
（1）防汛决策支持系统或信息管理系统的平台。在国家防汛指挥系统总体设计框架下，目前许多流域或省、市都在实施防汛决策支持系统或防汛信息管理系统的开发与建设，如上海市、江西省、北京市、黑龙江省、沂沭泗流域、柳州市等，各地防洪减灾工作的实际需求各有特点，但都以GIS为平台。GIS在这些系统中的作用主要有以下几个方面。
1）空间数据管理，包括查询、检索、更新和维护。
2）利用空间分析能力为防汛指挥决策提供辅助支持。
3）为各类应用模型提供数据。
4）优化模型参数。
5）预报预测。
6）防汛信息及决策方案的可视化表达。
（2）灾情评估。灾情评估包括灾前、灾中和灾后评估。灾前评估是按各种调度方案作出损失评估，从以下几个方面为决策提供依据。
1）可能造成的经济损失。
2）可能的受灾人口（涉及社会因素）。
3）迁安能力（人数、道路、车辆调度）。
4）重点保护区（交通大动脉、重要工业基地、军事要地）。
5）抢险物资储运。
灾中评估在利用遥感技术确定受淹范围的基础上，与本地水体、土地利用、行政界线、社会经济等空间数据层叠加，用GIS技术进行灾情评估。
灾后评估主要用于上报损失的核实、为防洪规划提供信息、为灾后重建提供方案。
（3）洪涝灾害风险分析与区划。洪涝灾害风险分析是分析不同强度的洪水发生概率及其可能造成的损失，它包括洪水的危险性分析（即孕灾环境和致灾因子）、承灾体的易损性分析和损失评估。采用GIS技术，将涉及上述3个方面诸多的自然、地理、社会因子并附上相应的权重进行空间叠加，是进行洪涝灾害风险分析与区划的有效手段。近几年的新成果在考虑的因素上比以前增加了很多，但仍有继续研讨的空间，如充分利用GIS空间分析的功能，考虑上下游的关系等。
洪涝灾害风险分析与区划对于防洪规划、流域或区域的风险管理都十分重要。除了数据收集之外，GIS技术在这项工作中起了至关重要的作用，数据层叠加、多边形合并、缓冲区的运用等功能得到了充分应用，概括起来讲，GIS发挥的作用有以下几个方面。
（1）多源、多尺度数据的管理。
（2）空间数据的叠加与综合处理。
（3）图形处理的特殊功能。
（4）城市防洪。由于城市社会经济地位的特殊性而且在有条件的地方城市大都是依水傍湖而建，因此城市防洪工作尤为重要。虽然城市堤防的建设标准比一般地方较高，但由于不适水面积多，产流量大，因此除堤防失守引起的洪灾外，由于暴雨积水来不及排走而引起的内涝更是城市形成灾害的主要原因之一，排水系统也是城市防洪减灾的主要措施之一。另外城市街区复杂，社会经济要素分散混杂，因此在灾情评估上的难度远比农村地区大。要做洪水演进和受淹过程模拟，对地形资料精度和尺度的要求也高得多。除了在一般防洪减灾决策支持系统或信息系统中的作用外，GIS在城市防洪中发挥的作用更多更大，目前比较突出的有以下几个方面。
1）城市积水、退水的预报预测。
2）现有排水设施（排水管网、泵站等）信息的管理。
3）排水设施的规划与设计。
4）城市绿地（透水面）的面积与位置的规划。
5）暴雨时空特征分析（4D GIS）。
6）以街道为统计单元和以街区为空间单元的社会经济数据空间分布。
7）暴雨分布及积水街道分布的可视化显示。
8）高分辨率、多层次、多源和更新频繁数据的存储、维护和管理。
由于城市防汛信息管理及决策支持系统的复杂性，不少方面还在继续深入研究，可以肯定的是GIS技术在这进程中发挥的作用将越来越大。
2.GIS在水资源管理方面的应用
我国水资源短缺，且时空分布又极不均匀，尤其是西北地区，西北5省面积占全国的32.2%，而水资源总量却只占全国的8%。由于在社会经济飞速发展过程中对环境保护不力，因此在资源型缺水的同时又加上了水质型缺水，水资源严重短缺的同时又存在水资源浪费。面临如此严峻的形势，水资源的管理已被赋予了维系社会经济可持续发展的历史性重任。水利工作的重心已从工程建设转移到对水资源的合理开发、高效利用、有效保护、优化配置、全面节约和综合治理上来。行业发展战略思想的这一调整体现了可持续发展的思想，同时也对水资源管理工作提出了更高的要求，由此也决定了必须使用现代化手段，实现以信息化为基础的监控管理，以解决好水利资源中诸多复杂的问题，这就为GIS提供了大显身手的绝佳机遇。
目前如上海、广东、山西等省（直辖市）都已建设了一批以GIS技术为支撑的水资源信息管理系统，有的已在此基础上向水资源管理决策支持系统迈开了新的步伐，形式上大多是空间决策支持系统（SDSS）。
水资源信息涉及的面非常广，有水文气象、地理、地质、水质、泥沙、水利工程、供水工程、水处理工程、生活需水量、点面污染源、农作物与植被分布、土壤类型与侵蚀、地表水与地下水、灌溉渠系、墒情、管理条例和行政法规等，大多数据既有历史的，又是实时的，从性质上决定了其多源、多时相、多种类、大量和动态这几个基本特征。
水资源信息管理系统可发挥的作用是从时空上了解水资源的现状与变化、直观地表现水资源状况、了解水资源的变化规律，完成信息处理与分析，辅助管理和决策，完善水资源信息的管理与更新，实现数据共享。
在这类信息管理系统中GIS发挥的作用大致有以下几个方面。
（1）历史数据管理和实时数据的动态加载。
（2）信息的空间与属性双向查询。
（3）时空统计。
（4）以多种方式直观地可视化表达各类信息的空间分布及动态变化过程。
（5）区域水资源的空间分析。
（6）区域水资源管理模式区划，如地下水禁采与限采区划、水环境区划等。
3.GIS在水环境和水土保持方面的应用
由于受社会经济高速发展中的人类活动影响，我国水体的污染已十分严重，大江大河中也只有两条水质能达到Ⅱ级。土壤侵蚀面积达国土面积的20%以上，而土壤侵蚀本身也是造成水体污染的主要因素之一。
已建和在建的水环境信息管理系统在水利行业已有不少例子，有包括170多个主要测站的全国信息管理系统，如广东省的省级系统、三峡库区的区域性系统，这些以GIS技术为支撑的信息管理系统和空间决策支持系统的功能主要有以下几个方面。
（1）数据管理。包括对自然、地理、社会经济等基础背景数据，水利工程与设施、监测站点，水质与水量的历史与实时数据，水环境评价等级，水质标准及法规和条例，决策项目和边界条件数据，水污染预测数据等的管理。
（2）水质参数的双向查询。单击站点位置，查询该站的基本信息、水质参数、水质等级、超标物名称、以月或年为单位的水质等级过程线；也可由水质等级或物质超标来查（显示）测站位置或河段。
（3）统计某流域或区域各等级水质的测站所占的比例或各等级水质的河段长等。
（4）区域或上下游水质的空间分析，找出某水质参数严重超标的污染源。
（5）各类可视化表达。
（6）水质水量模拟与预测。
（7）污染排放管理与控制。
（8）取水点位置优化。
（9）突发污染事件的处理方案及优化。
（10）改善水质现状的对策及优化。
水环境信息管理系统是空间决策支持系统的基础或者组成部分，而GIS是其基础。GIS与空间决策支持的各类模型有3种结合方式：以GIS为平台建模；松散结合，即GIS提取数据，又回到GIS上显示结果；用GIS软件本身的建模功能建立一些数值分析模型，实现有限的决策支持功能。
土壤侵蚀与地形坡度、沟谷密度、成土母质、植被、降雨等几个要素有关。植被通常用覆盖度表示，按大于70%、70%～50%、50%～30%、30%～10%、小于10%分成5级；坡度按小于5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、大于25°分成5级；成土母质按砂石、土石、土、石4种分类；沟谷密度则利用GIS软件完成沟谷数字化编程计算沟谷密度图；降雨强度则用汛期最大30d雨量、最大1d雨量的加权值代表，上述5个图层用GIS软件叠加，并对各种因子赋予一定的权重，可以得到初步土壤侵蚀强度级别的空间分布。
GIS不仅是确定土壤侵蚀强度级别的有力工具，也是了解其动态变化以及调查各类水土保持措施效益的工具，即建立以GIS为平台的动态信息系统。这样的信息系统的底层信息还不只上述判别土壤侵蚀的5个因子，通常还有自然地理、土地利用、地形、植被种类、水文气象等许多基础背景数据。在这样的信息数据库的支持下，还可以建立土壤侵蚀估算模型进行模拟，包括水保措施的效果模拟以及水土流失的预测。在GIS的支持下，还可以进行流域产沙和汇沙模型的研究，即进一步模拟和预测水土流失在时空上的过程。
GIS在水土保持中的应用是全面的、全过程的应用。从土壤侵蚀发生与否的判断、侵蚀强度划分、侵蚀量的计算、流域泥沙输移、水保措施的效益评价，直到土壤侵蚀过程的模拟与预测，GIS始终在技术上起着支撑作用，所以与其他领域相比，水土保持中一些应用模型大多采用与GIS紧密结合的方式，即直接用GIS为建模平台，这是一个比较鲜明的特点。
4.GIS在水利水电工程建设和管理方面的应用
GIS是水利水电工程选址、规划，乃至设计、施工管理中十分重要的工具，如移民安置地环境容量调查、调水工程选线及环境影响评价、梯级开发的淹没调查、水库高水位运行的淹没调查、大中型水利工程的环境影响评价、防洪规划、大型水利水电工程抗震安全、河道管理、大型水利水电工程物料贮运管理、蓄滞洪区规划与建设等。
水利水电工程建设与管理中应用GIS功能最多的有以下几个方面。
（1）三维可视化显示及贯穿飞行模拟。
（2）位置或路线的优化。
（3）空间信息的叠加与分析。
（4）影响区域（范围）的确定。
（5）开挖量及剖面分析。
（6）淹没分析。
（7）交互式的工程布置方案修改。
1.3.1.4 GIS技术在水利行业的发展趋势
GIS技术的发展与计算机硬件和操作系统、元数据库的建设、数据仓库、数据挖掘、网络、遥感、数据库管理、数字摄影与自动成像等技术的发展是紧密相关的。数据获取与更新是GIS的基础；数据存储、管理、分析、可视化是GIS的基本功能；计算机技术是GIS的根基；网络是GIS的翅膀；应用科学技术是GIS发展的动力，总之，每项技术的发展都会给GIS带来深刻的变化。GIS技术在水利行业应用的发展，不仅仅取决于GIS技术的发展，更取决于水利行业信息化进程，尤其是数字化的进程。在以信息化带动水利现代化的战略方针指导下，GIS在水利行业的应用将“无孔不入”，而且迅速地占领管理和决策层面，作为基础技术支撑，进入数字流域或数字水利的框架。GIS在水利行业应用的主要趋势有以下4个方面。
（1）网络GIS（WebGIS）。WebGIS可用于除一般数据外的特殊数据类型，尤其是矢量数据的处理，它以网络浏览器为应用工作平台，在客户端或多个客户端可以实现对矢量数据的操作，实现原来在本机上才能实现的功能，并可通过网络远程调用和发布各类数据、图形、图像，这些优点对GIS的使用者来说是显而易见的。目前国内WebGIS的研制基本上与国际同步，但在应用上常受制于网络传输能力，即带宽。例如，WebGIS在防汛会商等系统中特别有用，但动态地访问地理空间数据时反应太慢，会大大影响工作，但随着信息基础设施的发展，这不会成为影响WebGIS发挥其突出优越性的障碍。
（2）组件式GIS（COMGIS）。GIS软件的技术体系经历了GIS模块、集成式GIS和模块式GIS这3个阶段后，已发展到组件式GIS阶段，即基于组件平台，通过一组具有某种标准通信接口实现交互，甚至是跨计算机交互。COMGIS使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，更便于二次开发，特别有利于应用系统集成和拓展。
（3）三维GIS和四维GIS。三维尤其是实时三维GIS系统为各种水利信息提供了更为直观的表现方式，其在调水线路沿线贯穿飞行、城市及蓄滞洪区洪水演进、水利工程布置、大坝及堤防等工情信息的表达、地面与地下结合的地质构造描述、水流流动的三维表现、厂房或结构内部的描述、库区的描述、宏观地形地貌表现、通视性分析等方面使用得特别多，具有很好的应用前景，而且它也是虚拟或仿真的基础。目前三维功能较强的GIS软件也趋于采用组件架构。
水利上很多问题是时间序列问题、动态监测及过程问题，因此加上时间维的4D GIS应用需求很广。4D GIS要解决的主要问题是数据冗余，即在过程中既有变化也有不变化的数据，对每个时相的数据都完整地存储是没有必要的，而且大量的冗余也会造成数据存储与管理在物理上的困难和反应速度迟缓，目前尽管有几种处理方法，但其实质都是从消除无变化数据的冗余来着手解决问题。
（4）VR-GIS技术。VR-GIS技术是虚拟现实技术与GIS技术的结合，是专门用于研究地学或以地球系统为研究对象的虚拟现实技术，可以做到：对现时的地理区域进行非常真实的表达；可在所在地理范围内外自由移动；在三维数据库中实现GIS的各种功能；以可视化功能作为用户接口的自然整体部分。
应用VR-GIS技术进行模拟试验时必须要了解对象的机制，并建立模型（数理模型或概念模型）或采用人工智能及可视化技术，此外还必须进行实验分析和验证。
在水利行业可模拟的内容也不少，如工程结构、河流地貌过程、三角洲演化过程、天气过程、湖泊与沼泽演化过程、调水工程、水资源调控、河道整治、大型水利工程的环境评价、水质污染过程、区域可持续发展、生态系统的恶化与恢复、洪涝灾害的发生与救灾、防洪规划、河口与港口整治、溃堤、土壤侵蚀、水土保持效果、荒漠化过程、大型水利水电工程规划以及替代传统的水工模拟等。
要在水利行业更好地应用和发展GIS技术，必须在进一步加强标准化、规范化的基础上，大力开展基础数据库的建设，尤其是具有水利行业特色的数据库，如蓄滞洪区空间分布式社会经济数据库、雨情和水情数据库、水旱灾情数据库等。此外，还要加快提高GIS的应用水平，充分发挥GIS现有的和潜在的功能，加强与遥感、全球定位系统、网络、计算机等高新技术以及水利行业相关技术紧密结合，为水利信息化和现代化做出它应有的贡献。
1.3.2 我国河道管理现状
1.3.2.1 人类与河道的关系
人类社会存在以来，人类与河流的关系大致经历了以下4个阶段。
（1）人类“无能为力”被动适应河流的阶段。这大致相当于原始社会时期，由于生产力水平低下和人类认识水平的局限，人们对河流充满了敬畏和无奈，不得不听命于大自然的主宰。人们对河流的自然状态无力加以明显的改变，人类与河流是一种依存的关系，人类依附于河流。人类视洪水如猛兽，经常被洪水、旱灾所苦，面对滔滔洪水或赤地千里的大灾难，只能逃荒或死亡，不得不忍受河流的肆虐和蹂躏。
（2）人类“力不从心”利用并抗御河流的阶段。这主要指奴隶社会和封建社会、资本主义早中期。随着生产力水平的提高，人们建堤防洪，引水灌溉，在河流上兴建了一些防洪、航运和灌溉工程，并在一定程度上控制了洪水的威胁。但抗御自然灾害的能力仍然有限，严重的旱灾或水灾不但经常发生，而且有时还成为奴隶社会和封建社会改朝换代或重大社会动荡的直接原因。
（3）人类“为所欲为”改造河流并使之为自己服务的阶段。这主要是指20世纪早中期。随着科学技术的快速发展和生产力水平的进一步提高，人类支配河流的能力大大增强。人类大规模开发、整治、改造、利用河流建库滞洪、蓄水发电、筑堤挡水、引水灌溉、纳污排水、取水饮用、通航养殖，为了自身的安全和幸福，最大限度地控制、利用、开发河流。河流水质、生态系统遭到了破坏，河流健康遭受伤害，并招致了河流对人类的报复与惩罚。例如，横贯英国的泰晤士河在19世纪之前，还是河水清澈，碧波荡漾，水中鱼虾成群，河面飞鸟翱翔。但随着工业革命的兴起及两岸人口的激增，每天排放的大量生活污水和工业废水使泰晤士河迅速变得污浊不堪，水质严重恶化。到20世纪50年代末，泰晤士河的污染进一步恶化，水中的含氧量几乎等于零，除少数鳝鱼外，其他鱼类几乎绝迹。美丽的泰晤士河变成一条死河，肮脏的河水还成为沿岸疾病流行的祸首，1849—1954年滨河地区约有25000人死于霍乱。
（4）人类“人水相依”力求与河流和谐相处的阶段。这主要是指20世纪后半叶以来，随着工业规模的不断扩大和快速发展，与河争地、水质污染、水生生物灭绝、水生态平衡破坏等问题严重，人类逐渐意识到，河流的承载能力是有限度的，人类必须既要改造和利用河流，又要善待和保护河流。
在人类力求与河流和谐相处的阶段，发达国家先行起步。西方国家经历100多年对于河流大规模开发利用以后，针对工业急剧发展造成的水污染问题，从20世纪50年代开始了以水质恢复为中心的河流保护行动。经过30多年的不懈努力，到20世纪80年代初河流污染问题得到基本缓解，治理了一些严重污染的河流，尤其是英国泰晤士河、欧洲莱茵河、法国塞纳河的治理，都取得了很大的成效。
发达国家的河流保护行动从20世纪50年代开始以水质恢复为第一阶段，到80年代初期转入第二阶段即河流生态恢复阶段，20世纪80年代以来，国外许多水利与生态环境工作者开始对河道整治技术中一些破坏生态环境的设计和施工进行反思，德国、美国、日本、法国、瑞士、奥地利等国在保证防洪安全的前提下，采取了修建生态河堤、恢复河岸水生植物、拆除河道上人工铺设的硬质材料等措施。河道整治要保护自然、恢复自然，强调建设生态景观型河道为主导理念。在欧洲、北美的许多国家还制定了相应的法律，确保对水资源的使用不影响鱼类、野生动物栖息地、生物多样性。自水质治理取得成效后，开始了以河流生态修复为中心的战略转移，包括生物栖息地建设，恢复河流的生物群落多样性等，其目标是恢复河流生态系统的结构和功能。20世纪80年代初期的特点是建设小型河流的生态恢复工程，到80年代末进入以单一物种恢复为标志的大型河流恢复行动。
20世纪90年代以来为第三阶段，即从河流生态转向更为广泛的河流健康。澳大利亚政府于1992年开展了“国家河流健康计划”，南非的水事务及森林部于1994年发起了“河流健康计划”，美国、英国等也开展了河流健康的评价。
在我国，20世纪90年代后期，在河流管理中提出了人水和谐的理念。1999年3月，在中国水利学会第七次全国代表大会上，水利部汪恕诚部长首次提出了“资源水利”的概念，由此引发了有关治水思路的热烈讨论。在实践上，以上海苏州河、成都府南河、绍兴环城河等城市河道综合整治为发端，集防洪、排水、交通、绿化、生态、文化于一体，提供了河道生态治理的成功范例，取得了很好的社会、经济、环保效益，生态河流的理念在理论和实践上都有了很大进展。2005年，水利部组织开展了水生态系统保护与修复的试点，并印发了《关于水生态系统保护与修复工作的若干意见》，提出了保护与修复水生态系统的基本原则、目标。
进入21世纪，围绕人水和谐的总目标，我国河流管理的视角已经从资源水利、河流生态转为更为广泛的河流健康，在河流健康评价指标体系、河流健康状况评价方法方面作了探索。
1.3.2.2 我国河流管理现状
目前我国河流管理中，人水和谐的理念得到普遍赞同与认可，但在管理实践上，由于法律、技术、体制等方面的原因，人水和谐的理念付诸实践还有很大差距。
（1）从依法管理的角度来看，实现人与河流和谐相处，必须规范人们的行为。这需要在许多方面都依靠强制性手段，依靠法律法规。调整人与自然、人与河流的关系，最有力的武器是法律。道德亦可以调节，但在利益面前往往显得软弱，而且没有强制性。
我国现行的水法律法规，绝大部分颁布较早。以《中华人民共和国河道管理条例》（以下简称《河道管理条例》）为例，《河道管理条例》颁布于1988年，其设定的河道管理内容主要有3个部分：河道整治与建设、河道保护、河道清障。总体来看，该条例对河流的开发、利用、保护侧重于河流的行洪排涝、灌溉供水等传统功能，而忽视了河流的生态、景观、文化等功能的开发、利用和保护。自1988年至今，我国社会和经济生活发生了很大的变化，河流管理面临的问题与工作内容与《河道管理条例》颁布时的情况有了较大不同，如河流整治已从传统的工程整治为主转向工程、生态、景观、文化相结合的综合治理；河道保护也已成为河道管理的一项日常工作；水污染、水生态问题成为近年来社会各界关注的焦点。作为规范人与河流关系的水法律法规，其制度设定、管理内容、管理体制、管理权限、管理责任都迫切需要按人水和谐的新理念进行制度创新、内容扩展，以确保人与河流和谐相处的价值目标得以实现。
（2）从管理的技术规范来看，河流管理现状主要有以下两个方面问题。
1）河流管理的很多内容没有相应的规范。河道涉河建筑物的审批、采砂许可、河道保洁，都需要相应的技术标准的指导、规范，并作为工程建设、实施或审批的依据。但目前在河道管理中河道涉河建筑物审批、采砂许可、河道保洁等方面缺乏相应的技术规定。以涉河项目审批为例，涉河建筑物的审批是河道管理的一项重要内容，涉河建设项目的建设直接涉及河势稳定、堤防安全等，所以涉河项目的审批是一项技术性较强的工作。除了审批程序合法外，审批中如何把好技术关也十分重要。但是目前的河道审批中缺少相应的技术规程、规范，如跨河桥梁与两岸堤防平交还是立交，如果立交，净空应预留多少，允许的桥梁阻水面积是多少，桥轴线与主流的交角范围是多少等。审批中没有可以参照的控制参数，水利部门和建设单位交涉时缺少令人信服的理由和依据，各地掌握的尺度不一，存在随意性、经验性、人为性，致使审批无序，甚至给防汛安全带来隐患，不利于规范、科学管理。
2）已有的河道管理方面的规范与人水和谐、河流健康的理念有差距。已有的水库、电站、堤防、海塘、水闸等的设计、施工规范，侧重于发挥河流传统的行洪排涝、灌溉供水等功能，而忽视了河流的生态、景观、文化等功能的发挥。以《堤防工程设计规范》（GB 50286—98）为例，该规范规定了总则，堤防工程级别及设计标准，基本资料，堤线布置及堤型选择，堤基处理，堤身设计，堤岸防护，堤防稳定计算，堤防与各类建筑物、构筑物的交叉、连接等内容。在总则中缺少对保留江河自然形态、生物栖息地、景观设计的总体要求。在基本资料中明确了收集气象水文、社会经济、工程地形、工程地质的要求，但缺少对相关范围的生态系统调查及重点生物群落（动物、植物）的历史与现状调查资料收集的要求。在规定堤线布置、堤距确定、堤型选择、护坡材料时着眼于行洪和堤防（岸）本身的结构及稳定，忽视了河流与岸上生态系统的有机联系，忽视了河流周围的生物群落的存在，忽视了生态保护或恢复技术要求的堤型及护坡材料，也常常忽视了整治后原有生物群落的恢复。近年来，各地在进行防洪工程建设和河流整治工程中，已经采取了一些新技术和新材料加强河流的生态建设，如生态型护坡技术、堤防绿化措施等。但是这些技术经验还缺乏系统的总结，也迫切需要有关技术规范和技术导则的指导，使之更具科学性和规范化。再如河流的综合整治，河流综合整治的平面布局、裁弯取直、切滩、丁坝等控导建筑布置，断面设计、护岸形式、护坡护岸材料选择等与河流形态的多样性、透水性直接相关，与依赖于河流形态的多样性、透水性生存的生物群落直接相关。但目前规划、设计、施工、管理所依据的相关国家或行业规范缺少相应生态方面的规定。荷兰、德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家已在河道整治工程和堤防工程设计施工规范中增加了有关河流生态建设的内容，或者颁布了专门的河流生态工程设计导则。
从人水和谐、河流健康的理念和我国河道管理实际需要出发，制定或修订有关河道综合整治、涉河项目审批、采砂管理、河道保护等技术规程、规范十分必要。
1.3.2.3 现行的河道管理方法
（1）从管理体制上来看，现行行政区划管理往往和流域划分不一致。河流上下游、左右岸、干支流连为一体，形成不可分离的天然系统，也就是水系。由于地形、地质构造的不同和气候等因素的影响，各个水系的形状各异，并形成各个水系所具有的独特水文情势。按照自然规律和治水规律的要求，按水系统一管理比较科学，可以统筹兼顾各地区、上下游之间的利益。按流域进行统一管理，是现代河流管理的共同趋势。流域管理有两种模式：英国的流域管理机构实行高度集中统一的流域管理；法国的流域管理机构原则上要负责规划和协调，具体水事务仍由地方主管。有的国际河流还设立了跨国的流域管理机构，按国际条约进行管理，如莱茵河。
我国的现行法律法规规定，河流实行按流域、水系统一管理和分级管理相结合的原则，但我国现行行政区划一般都不是按照流域划分的。在河流的管理中，区域之间因为经济社会发展的不平衡，会对河流治理的迫切性、河流治理总体目标等方面会有较大差异。无论是对水资源开发利用的管理还是对河流水生态系统保护与修复，都离不开流域与区域的协调，在流域管理与区域管理的事权划分、统筹协调等方面还有许多工作要做。
（2）从管理的基础工作来看，主要问题是基础工作滞后。
1）河道管理范围不明确。要对河道实施管理，必须明确河道的管理范围，河道管理范围的划定，是水行政主管部门实施河道管理的基本条件，是进行依法监管、执法的基础和依据。管理范围不明确，水行政主管部门就没有明确的管理和执法范围，河道的管理界限不清，一旦发生纠纷，河道管理和执法就缺少依据。但由于资金等方面的原因，此项工作总体进展不理想。
2）河道保护规划滞后。近几年来，我国法制建设日益加强，城市建设、公路建设、园区开发，都很重视规划，以便与其他专业规划协调好，力争主动。水利部门也编制了一系列规划，如流域综合规划、防洪规划等，但对河道水域的保护缺少相应的规划，没有提出可以控制对河道等水域占用的控制性指标，管理缺乏依据。城市改造、开发区建设占用水域时，建设单位往往能拿出高标准、高层次的开发规划，但水利部门常常因缺乏河道保护规划、缺乏水面率等控制性指标，很难控制对水域的占用。
1.3.3 河道信息管理的国内外研究现状
我国水资源总量不足，时空分布不均，干旱缺水严重制约着社会经济的可持续发展。由于气候变化和人类活动的影响，华北、西北、东北都面临着严重缺水的威胁。南方及其他一些地区也存在着局部资源型缺水、水质型缺水或工程型缺水等问题。城市供水的保证率还比较低，部分农业和生态用水被挤占。中国水资源短缺，尤其是北方地区缺水严重的现实，使人们充分认识到节约用水已经成为当务之急。水资源能否科学合理的应用是社会经济环境可持续发展的关键问题，而水资源管理首先要解决的一个主要问题就是河道信息的科学管理。河道资源与国民经济息息相关，近年来对于河道资源的研究得到了很多国内外专家的重视。数字河道研究是当前地理科学、环境科学、生态科学与计算机科学等多种学科交汇研究的一个热门领域。
河道及其相关数据均具有空间分布特性，这就决定了GIS可以在该领域发挥重要作用。GIS能支持与河道有关的地理空间数据的获取、管理、分析、模拟和显示，以解决复杂的河道信息管理问题。数字河道信息管理系统的开发，就在于建立满足GIS设计要求的河道地理信息数据库，并在此基础上实现河道资料信息的采集、存储、分析、查询、管理、输出，为提高河道资源及水文信息管理水平，为河道资源合理利用及其他水利工程规划部门的决策提供可靠依据。利用GIS强大的空间分析功能，对河道进行时空分析，建立河道资源数据库，通过分析与管理数据库中的数据，逐步修正和完善，可大大提高工作效率和数据精度，正确指导河道资源的持续开发利用，促进社会经济与环境的协调发展。
1.3.3.1 国外研究概况
美国、日本和德国的河道管理研究在国际上处于比较先进的水平。研究重心主要放在合理利用河道资源、预防洪水灾害、可持续发展和跨国界河道管理上。1989年，美国前副总统戈尔提出了“数字地球”“数字流域”的概念也应运而生，它是在数字地球的概念下局部的、更专业化的数字系统。广义地说，所谓数字流域，就是综合运用遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、虚拟现实（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。美国从20世纪30年代就开始对境内主要河流进行系统性的管理，到20世纪末，美国已经建立先进的数字河道管理系统，利用高科技的专业技术和现代信息技术，对洪水可能造成的灾害进行及时、准确的预测，发布警示信息，并逐步建立“3S”洪水预警系统。美国在流域管理方面可以说代表了当今国际发展的方向。美国地质调查局（USGS）是美国资源管理和信息整合的国家机构，同时也收集整理全球相关资源的信息。美国几乎所有江河湖泊水文水质等资料从互联网上都可以看到他们的数据管理状况，以及水位、水质、地下水等实时情况，而且它们还建立了各河床的多比例尺数字高程模型（DEM），并能对地形特征进行分析。
日本洪水灾害严重，国内多数地区处于威胁之中，河道管理也因此得到重视，针对河道及洪水的管理，已经采用自动化程度很高的信息系统、洪水泛滥危险图以及具体的危机管理措施，对河道的管理也越来越注重保护生态环境，促进可持续发展。
德国对河道研究的侧重点在于控制水污染和共享水资源，已经把内陆水和海水保护采取跨国界合作作为其环境工作的一个关键。
在法国，由法国国家安全署（CNES）和法国科技部领导组成的“帕可特”（PACTES）一体化遥感和现代防洪管理及风险分析工程项目，已在法国得到了应用。此项目于2000年开始，集法国先进技术于一体，有十几家科研机构和专业公司参加研究，包括法国科学院（ASTRIUM）、阿尔卡特通信公司（ALCATEL）、法国SPOT卫星影像中心等，其采用的现代技术代表了当今洪水风险管理的水平。在工程应用方面主要包括洪水预警、预报，风险预防、风险管理及风险评估等，建立了HYDOR（水）数据库、PLUVOI（雨量分布学）数据库和GEOBANQUE（地理学数据库）等，并开发了多种应用模型。
在澳大利亚，墨累达令河流域（Marrury-darling River Basin）已建立了十几个用来分析气候、环境变化对水资源及生态环境影响的模型。其中，应用比较广泛的有：主要用来模拟水资源动态变化的HEC-HMS、LEACHM、SWIM、SPAC和TOPG-IRM模型；用来模拟流域的物理、化学和生物过程的WAVES模型；用来模拟水环境变化的SEESAW模型。
由于国外GIS发展比较早，在GIS与水利的结合应用方面，除了上述成果外还有以下几个方面。
在水资源评价和规划应用方面，如Gupta等早在1977年就实现了将栅格型GIS数据管理工具用于流域规划。随后欧洲一些研究机构也联合开发了具有水文过程模拟、水污染控制、水资源规划等功能的流域规划决策支持系统“WATERWARE”。在此基础上，Bhuyan等综合运用GIS及美国农业部开发的农业非点源污染模型AGNPS，很好地在小流域尺度上进行了水资源和水环境评价。日本的Kenji Suzuki等也运用GIS技术通过对高分辨率的卫星数据进行处理，实现了雨养农业区域水土资源的评价。近年来Carlo等在GIS平台上开发了AG-PIE模型，评价由农业生产造成的地表水和地下水水质下降的程度。
在防洪减灾应用方面，Davis将HEC21、HEC22与GIS结合对洪水、水质和土坡侵蚀进行了模拟，能够很好地用于洪灾损失评估。德国Geomer公司研制了基于GIS的水动力学模型——Flood area，用于界定洪水淹没范围，预警可能的洪水风险。Joy Sanyal等针对发生在印度Gangetic West Bengal的一次特大洪水，运用遥感和GIS强大的空间分析功能对易受洪水淹没的居民点区域进行了预测和分析。Overton结合GIS与RS建立了泛洪区洪水淹没模型，并在澳大利亚南部的Murray河进行了验证。在美国，突发事件管理委员会（FE2MA）将GIS技术用于淹没灾害管理，在灾害期间可以辅助预测水灾危害，如洪水峰值时间、洪水高度，为保证城市安全进行水量调配等，在灾后可以辅助政府部门和保险公司进行损失评估和灾后重建。
在水环境监测和水资源保护应用方面，美国国家环保局基于GIS技术和地调局水文数据开发了美国河段文件。Debarry公司在一个污染评价系统中利用DLG地形数据及土壤和地表覆盖多边形信息，估算了从每个流域输出的污染物，可用于水质监测和模拟。He等将AGNPS、GRASS及GRASS Water Works模型集成在一起，综合评价了非点源污染对美国密歇根州Cass河水质的影响。近年来，Boyle等建立的IDOR2D系统将水污染模型与GIS集成；Lee等在Mokhyun流域建立了基于GIS的水质管理系统WQMS，利用水污染模型计算污染排放、预测水质。
此外，在“数字河流”具体的应用技术中，信息采集与分析已取得了重要进展。其中，河道数字化测图工作在国外已开展，但由于水下地形的复杂多变，水下地形的自动成图有诸多难点，在国外经常采用昂贵的水下三维测量船直接成图。此外，还有运用SPOT影像生成的DEM，在西班牙东南部半干旱的环境中进行河道和流域盆地的分析（Hogg J等，1996）；运用地表高程的地质统计分析描述河道的时空变化（Chappell等，2003）等。在分析软件的开发中，Clague John J（2003）研究分析了英国Cheakamus流域最近河道不稳定的记录，分析了河道不稳定性持续几十年的原因。Mossa J等（1998）研究了美国佛罗里达州Suwannee河深度变化，找出了深度线随时间变化的演变规律等。
1.3.3.2 国内研究概况
目前，在我国河道研究领域内，河道环境变化的现代过程、河道资源的合理利用以及河道生态系统的管理、立法与保护等方面的研究非常活跃，方法手段也从定性走向定性与定量相结合，常规调查与“3S”技术相结合，生物过程与物理、化学过程相结合，多种技术及平台相结合上，而20世纪末开始的“数字黄河”工程将这一研究带到了新的高峰。数字黄河是我国七大江河中最早提出的数字河道工程。它包括数据采集、数据传输、数据存储及处理、数学模拟和决策支持等5个系统，主要为黄河的防汛减灾、水量调度、水质监控、水土流失治理与监测、水利工程运行与管理等提供决策支持，但由于该系统非常庞大、涉及面很广，建设还需要相当长的时间。除此以外，数字长江、数字南水北调等也已被提出。
近年来，我国随着计算机和GIS技术水平的不断提高，GIS技术在资源、环境和可持续发展决策等研究领域的应用越来越广泛，在数字河道的研究方面也有所突破，如武汉大学的颜辉武通过分析河道信息，对下荆江河道的演变进行了分析和预测；测绘遥感信息工程国家重点实验室的汤仲安以吉奥之星系统软件为开发平台，建立了相应的地理数据库系统及应用型GIS基础软件，以实现Web数据库系统和WebGIS，为最终实现长江数据仓库的建设蓝图及“数字长江”的宏伟目标奠定了基础；山西省河道管护服务总站的王兵对山西省河道的数字化管理与信息化建设进行了总体概括，并以“3S”技术为基础来构建河道信息化数字平台；小浪底工程咨询有限公司的渠守尚利用GIS和GPS导航定位技术对数字河道测量系统进行了研究与开发；长江水利委员会的梅军亚研制了河道地理信息管理系统，并介绍了数字河道研究的GIS软件平台选择原则及主要的系统功能，详细分析了系统的关键技术；四川省交通厅交通勘察设计研究院的廖胜利针对目前在内河河道测量资料的管理和利用上存在的问题，采用VB.NET、AE和SQL Server 2000软件，设计并开发了一个内河河道信息管理系统，实现了相关文档资料的科学管理和有效利用；武汉大学的张正禄等，为充分利用长江不同时期的河道观测成果，提高河道及水文分析计算水平，加速河道管理的信息化，优化河道演变分析计算方法，实现河道信息的自动采集、存储、分析、查询、管理、输出和应用，对河道地理信息系统的设计与实现过程进行了深刻探讨；河海大学的丁贤荣，为推进河床演变、河道整治等应用数字技术研究提出了河道数字地形信息系统概念，并在系统开发中利用COM组件技术，以长江镇扬河段河道地理信息系统的设计与实现为例，阐述了组件技术在GIS中的应用；大连理工大学的韩敏等对数字河道信息管理系统利用VB为开发平台，结合GIS控件MapObjects，以1∶340000地图为背景GIS图库进行开发，系统的开发对提高河道管理水平及水文分析计算水平，对加速河道管理的信息化，对优化河道演变及水文分析计算方法发挥了较大作用。
此外，河道数字化测图工作在国内也已开展，在国内地形测图基本上是手动与自动结合，复杂地形的成图效率较低。此外，还在采用RS测量河道地形方面作了有益探索（闾国年等，2003），但其精度很低。在分析应用软件的开发中，汤仲安等开发的长江水文河道地理信息系统，以长江流域内河道、湖泊及其水文泥沙特性为主要研究对象，以多年观测所得的水文、泥沙及河道地形勘测资料为基础，以吉奥之星系统软件为开发平台，建立了相应的地理数据库系统及应用型基础软件；穆宏强等提出了构建数字长江口模型的设想，探索了构造该模型的技术支撑和保障措施，认为要搞好长江口水土和生态资源的综合管理与开发，必须运用现代科技手段，建立长江口的信息化数字平台，统一信息化管理，以保证长江口地区水土和生物资源科学、合理、有序的开发和利用；詹小国等结合水利行业的特点分析了地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）即“3S”技术在长江防洪救灾、水工程勘察设计、水土流失动态监测、水土保持规划、水利经济、移民规划和在血吸虫防治等方面的应用，总结了国内在这方面已做过的工作，展望了“3S”技术在长江水利事业中的应用前景；李茂田等利用地理信息系统与数字高程模型（DME）技术定量模拟了40年来冲淤演变过程。
从上述数字河道研究状况可以看出，GIS技术作为数字地球中的一个重要支柱，由于其丰富的数据分析功能，尤其是地理数据的空间分析功能，在数字河道资源管理的研究中得到了广泛应用。从总体上来说，目前利用GIS对河道进行研究基本上偏重于调查河道资源分布、河道治理、河道演变的分析与预测和水文计算等方面，而对河道资源利用与管理方面研究较少。本书的目的是建立河道管理信息系统平台，建立河道资源数据库，为河道资源的合理利用和管理打下理论和技术基础。
1.3.3.3 存在的问题或不足
（1）系统运行的基础是数据。地理信息由于其格式复杂、内容繁杂、数据量大、数据结构不统一等原因，对其实施有效的存储和管理一直是地理信息系统首先需要解决且必须解决好的一个难题。但目前大多数现行系统的数据兼容性仍不是很理想，往往只能支持一两种数据格式。而数据提供方的数据可能是多种不同格式的数据，因此需要一种能够支持多种数据格式的数据平台。
（2）与其他环境建模不同，水利行业建模有着被水文学家和水务工程师广泛接受的良好实践和标准，有时其建模结果还用于日常工作。因此，集成GIS和水利行业建模的实践需要单独的仔细审查。业务运行系统的核心是模型，通常一个具体问题的解决需要系统调用若干个模型有机组合才能实现。而系统运行质量的好坏一定程度上取决于模型的设计与管理。一般的系统是利用交换文件（ASCII或二进制数据）解决模型与GIS耦合，在多种不具有共同用户界面的软件包中集成水利专业模型和GIS，该方法可以避免多余的编程工作，但这种低层次的耦合虽然成本较低、操作简单，但效率很差。特别当多个模型组合使用时，效率就更低。而且不同软件包之间的数据转换可能是繁琐的，并容易发生错误。因此，需要一种高效的模型管理机制和耦合机制，使得模型与GIS无缝结合的同时，又能够灵活定制模型。
（3）优秀的系统平台设计是业务运行系统的保障。目前大多数水利系统都缺乏扩展功能，即很难做到不需对系统做很大的改动下，稍微加以配置，就能使系统正常运行在新环境下。由于设计时没有考虑到这点，现在的许多系统往往不具备这个功能，当需要建新的系统时，最终情况是重建新的系统比修改原有系统来得更方便。这里就存在一个低层次的重复性劳动。因此，设计可扩展的、灵活方便的系统平台对模型库和数据库加以合理组织尤其重要。
1.3.3.4 山西省河道信息管理现状
山西省历史上洪水灾害较多，而河道工程建设是山西省水利建设中的薄弱环节。山西省河道工程数量少、配套不足、防洪标准低、老化失修严重，大多数河流防洪标准不足10年一遇，有相当一部分不足5年一遇，平原河道河床淤高、主槽萎缩，治理难度相当大，以致小水大灾给沿河两岸人民生命财产安全带来极大威胁。随着改革开放的不断深入和河川地带经济的迅猛发展，河道治理滞后的问题变得越来越突出。
现代化的河道管理是社会现代化和水利现代化的综合体现，而其建设是一个复杂的长期过程。这一过程的实质，就是人们广泛利用现代化的科学技术，不断增强对环境的控制能力，不断适应国民经济和社会发展的需要，达到水资源高效利用和河道的可持续发展，从而全面改造河道两岸人民生存条件的过程。在这一过程中河道信息化建设是实现目标的重要手段。山西省经过若干年的探索研究，对河道进行数字化管理已取得了一些经验，已有一些工作者提出了相应的目标与原则。
（1）山西省河道管理数字化的目标。
1）近期目标。实现河道资料信息化，建立适应当前管理水平的信息化管理体制及一批河道基础数据库，初步建立标准规范和安全体系框架，提供准确、及时、有效的信息服务。
2）中期目标。继续建设和完善河道基础数据库，健全信息化管理体制，建设和完善标准规范和安全体系，全面提供准确、及时、有效的信息服务，实现山西省河道的信息采集和远端传输以及相应的计算机管理系统和网络。
3）远期目标。全面完成山西省河道管理信息公用平台的建设。建成山西省河道信息网络、山西省水资源管理决策支持系统、山西省河道工程管理信息系统、山西省河道信息公众服务系统、山西省河道规划设计管理信息系统、山西省河道数字化图书馆等6个省级应用系统，并投入运行。河道系统基本实现信息化，实现山西省河道数据自动采集和测报，基本实现“数字河道”的构想。
（2）河道数字信息化的原则。河道信息化建设要与国家信息化建设的方针和原则一致；要符合信息化技术发展的趋势，以保证技术的先进性，应本着“立足当前，服务生产，适当超前，逐步发展”的原则，通过信息化建设，提高河道管理水平，加快河道现代化建设，实行远期目标与近期目标相结合，分期实施、急用先建、逐步推进，更好地为国民经济和社会发展服务。
1）坚持系统性原则。对各系统的开发进行全面规划，统一标准。将长期的河道治理中积累的大量宝贵信息资源，经过加工、处理，形成全面、系统的数据库和知识库。
2）坚持先进实用性原则。充分利用现代信息技术，特别是以RS、GIS、GPS、VR技术为代表的空间信息技术的最新成果，采用高起点的主流技术，引进和开发先进、成熟且性能稳定的软硬件平台，构筑起良好的体系结构、系统界面、信息处理方法和系统运行机制，从系统安全性、数据安全性、网络传输安全性等多方面来保障信息系统长期稳定可靠运行，使系统具有较好的先进性和较长的生命周期。
3）坚持开放性和可扩充性原则。以操作简单、方便灵活、界面优良、风格统一、易于扩充为系统开发原则，使传统的文本信息与数字信息、空间信息有机地结合起来，使决策方案以多媒体方式直观生动地展现出来，以达到智能化和易学易用的目的。同时，采用模块化的结构，保证系统的开放性和可扩充性，为系统技术更新、功能升级留有余地。
4）坚持兼容性原则。保证系统的兼容性，充分利用国家的信息公共设施和相关行业的信息资源，以公用信息平台为依托，发挥已有水利信息基础设施的作用，实行优势互补、资源共享，使各系统形成有机结合的整体。
从上述研究状况可以看出，由于地理信息系统具有独特的空间数据存储、管理、分析等功能，它可以对不同类型的数据和相关的属性信息进行有机的结合和综合分析查询，实现计算机信息处理；它以基本地理信息为基础和载体，直观、及时、准确、全面地反映各种河道信息；它可以对各种空间与属性信息进行统计、综合分析，成为河道管理的强有力工具。由于三川河河道有其自身特点，河道两岸人口密集，河道工程和工矿企业众多，水土流失严重，因此结合三川河河道特点研究开发三川河河道信息管理系统是非常必要和紧迫的。