（环境科学专业论文）地理信息系统在环境影响评价中的应用研究.pdf

a b s t r a c t i no r d e rt op r e d i c tp o l l u t a n t sd i f f u s i o na n dm i g r a t i o n ， s p a t i a lp o s i t i o ni n f o r m a t i o no f p o l l u t i o ns o u r c e sa n dp r e d i c t e dp o i n t s a r ea l w a y sn e e d e di ne n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r e d i c t i o n ， b u tu s i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d ( m e t h o dd o e sn o tb a s e do ng i s ) t oo b t a i nt h e s e d a t ai st i m e c o n s u m i n ga n dc o m p l i c a t e d ， e s p e c i a l l yw h e nt h ep o l l u t i o ns o u r c e sa r el i n e a r s o u r c e sa n ds u r f a c es o u r c e s ，a n dt h ep r e d i c a t e dr a n g ei sar e g i o n t h e s ep r o b l e m sa r ew e l l s o l v e da f t e rt h ee m e r g e n c eo fg i s an e we n v i r o n m e n t a li m p a c tp r e d i c t i o nm e t h o di sp u t t e d f o r w a r di nt h i sp a p e r t h i sm e t h o di sb a s e do nt h et h e o r yo fi n t e g r a t i o na n dd i f f e r e n t i a t i o n ， a n dt h el i n e a rs o u r c ei sd i v i d e dt oi n f i n i t e s i m a ls e c t i o n sb ys p e c i f i e dl e n g t h t h ei n f l u e n c eo f l i n e a rs o u r c eo ns e n s i t i v ep o i n t sw a so b t a i n e db ym e a n so f s u p e r i m p o s i n gt h ei n f l u e n c eo f e v e r yi n f i n i t e s i m a ls e c t i o no ns e n s i t i v ep o i n t s t h ed i s t r i b u t i o no fc o n c e n t r a t i o ni n p r e d i c a t i o nr e g i o nw a so b t a i n e db yi n t e r p o l a t i n ga l lo fs e n s i t i v ep o i n t s d a t a g i sa n ds o f l - w a r ep l a t f o r mw e r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，a n dt h e n ， i n t e r c h a n g ew a s g i v e nt oi l l u s t r a t et h ep r e d i c t i o no f a c o u s t i c a le n v i r o n m e n ti m p a c t a f t e rb u i l d i n gt h ed a t a b a s e o fp r e d i c t e dr e g i o n ，r e l e v a n t f u n c t i o no fs o f t w a r ew a su s e di ng e t t i n gt h e3 - d i m e n s i o n c o o r d i n a t eo fs e n s i t i v ep o i n t sa n dt h et w oe x t r e m e so fi n f i n i t e s i m a ls e c t i o n t h e na c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fm o d e l ，t h e3 - d i m e n s i o nc o o r d i n a t ew a su s e di nw r i t i n gm a t l a bp r o g r a m t oc a l c u l a t ep a r a m e t e r sa n ds o u n dl e v e l so fs e n s i t i v e p o i n t s ， a n dt h ef u n c t i o no fs o f t w a r ew a s u s e di nc r e a t i n gt h ee q u a ln o i s el e v e lc u r v ea n dd i s t r i b u t i o no fs o t m dl e v e li np r e d i c t e dr e g i o n p r e d i c t i o no fa i re n v i r o n m e n ti na i r p o r tw a sg i v e nf o ra n a l y z i n gt h ep o s s i b i l i t yo fu s i n g g i si na i re n v i r o n m e n tp r e d i c t i o n ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d w a sp u t t e df o r w a r d g i s i sw i d e l yu s e di nc u r r e n te c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti m p a c ta s s e s s m e n t t h em e t h o do fu s i n g g i si ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n ti m p a c ta s s e s s m e n tw a si n t r o d u c e d ，a n dt h er e l e v a n te x a m p l e s w e r ea n a l y z e di nt h ep a p e r k e yw o r d s ：g i s ，i n t e r c h a n g e ，t r a f f i cn o i s e ， a i re n v i r o n m e n t ， e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，p r e d i c t i o n l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 砷砻 。酶5 月9 日 f 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 搿二气岁i 踊 a 响吕年9 月9e t & b 胡年月2 日 长安人学硕_ j 二学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 1 1 1 研究背景 通过对国内外经济发展和环境保护关系的研究，越来越多的有识之士认识到，环境 问题将会是今后影响我国经济可持续发展和建设和谐社会的首要问题。 环境影响评价( e t a ，e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n 0 ，是对环境质量优劣的定性定 量评价，是环境管理的科学依据和实施可持续发展战略的有效手段和方法。环境影响评 价的实施过程是按照一定的评价标准和评价方法，确定一个区域范围内的环境质量状 况，预测环境质量变化趋势和评价人类活动对环境的影响，按时间可以分为回顾评价、 现状评价、预期影响评价。环境影响评价首先确定评价目标、评价观点、评价区域、评 价因子、评价方法、定权方法和评价标准，然后通过模型运算和分析取得评价结论【1 1 。 环境影响评价在国外出现于2 0 世纪6 0 年代中期，7 0 年代蓬勃发展，美国是世界上第 一个将环境影响评价以法律形式加以确定的国家。纵观环境影响评价的发展，正经历着 由单目标向多目标，由单环境要素向多环境要素，由单纯的自然环境系统向自然环境 与社会环境的综合系统，由静态分析向动态分析的发展趋势【2 】。环境质量数学模型是环 境影响评价的重要组成部分，是环境质量预测评价定量化的基础。 我国的环境影响评价是从7 0 年代才开始的。1 9 7 9 年9 月，我国公布了中华人民 共和国环境保护法，将环境影响评价作为一项法律制度确定下来【3 】。这项制度的执行对 于加强建设项目的环境管理，控制污染，保持环境与经济建设持续发展等起到了重要作 用。经过二十多年的发展，我国的环境影响评价从地学、生态学、化学系统科学等学科 角度对环境影响评价理论进行了探讨，引入了各种数学方法，在评价指数系统、模式控 制分析及环境评价理论探索等方面均取得了较大发展。无论是在评价的理论基础上，还 是在评价的技术方法上都取得了一定的进步。这其中包括了一系列用于预测评价区域内 水、大气和噪声影响的评价模型的提出以及基于这些模型的评价软件的应用。 1 9 6 3 年加拿大科学家r t t o m l i n s o n 首先提出“地理信息系统”这一专业术语【4 】，他 提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用数据，并建议加拿大土地调查局建立加 拿大地理信息系统( c g i s ) ，到1 9 7 2 年，c g i s 全面投入运行与使用，成为世界上第一个 运行型的地理信息系统【5 】。从此掀开了地理信息系统发展的序幕，伴随着几十年的发展， 地理信息系统作为一种技术，已经越来越成熟，并且广泛的应用于各行各业，其中当然 也包括环境保护领域。 第一章绪论 g i s 作为一门介于信息科学、计算机科学、地理学、几何学、测绘遥感学和管理科 学之间的新兴边缘学科，能把各种环境信息同地理位置和有关视图结合起来提供给环保 工作者【6 】。其最大的特点在于把环境中的各种信息与反映地理位置的图形信息有机结合 在一起，并可根据环境需要对这些信息进行分析。g i s 技术被广泛利用到环境领域中， 在提高环境保护工作效率的同时，也影响着环境保护工作方式的转变【7 1 。自然生态保护、 环境影响评价、环境监测、城市环境安全及环境污染事故应急、海洋环境保护等环境保 护领域都可以见到地理信息系统技术的身影。k u r tf e d r a 利用科技文献检索得到的资料 分析了二者的结合状况他分别用g i s 、e n v i r o n m e n t 以及g i s + e n v i r o n m e n t 作为关键 词进行检索，其结果如表1 1 【8 】。 表1 1 有关g i s 和环境研究的科技文献检索情况 检索结果( 以相应关键词检索得到的项目数) 检索数据源 g i se n v i r o n m e n tg i s + e n v i r o n m e n t 社会科学索引 1 8 1 9 8 9 86 ( s o c s c i s e a r c h ) 科学索引 1 4 3 6 1 1 87 ( s c i s e a r c h ) 环境科学索引 1 2 12 5 3 1 0 3 4 ( e 1 ) 水资源 1 6 54 4 6 9 65 6 ( w a t r e s a b s t r a c t s ) 计算机数据库 5 0 12 1 9 3 38 l ( c o m p u t e rd b ) 由表1 1 可以看出，目前将g i s 与环境模型结合的研究还不够，而g i s 作为- f j 高 新技术，应用前景必然十分广阔，十分有必要加大两者相结合研究的力度。 1 1 2 研究意义 本论文的研究意义在于提供一种可以广泛使用、相对简单且准确的预测方法，提高 预测的精确性。依靠地理信息系统软件的一些基本的功能和编写简单的m a t l a b t 9 j 计算程 序即可实现预测由线污染源引起的环境因素的影响，例如非顺直公路两侧和立交桥周围 的噪声预测。该方法既弥补了现有预测方法精确度不够的缺点，又避免了g i s 系统二次 开发复杂的编程过程。具体意义体现在以下几方面： 1 、方法简单，便于掌握，可以应用于环境影响评价领域，提高预测精度； 2 、可以通过利用现有预测模式对交通噪声进行预测，并且对现有的噪声线状的噪 声污染源中的一部分非顺直源进行监测，将噪声监测结果与预测结果进行比较，验证现 2 长安大学硕：l ：学位论文 有预测方法和模式的准确性，进而促进噪声预测模型和预测方法的研究，使噪声预测模 式能够更加准确的反应实际的噪声影响； 3 、通过与噪声影响评价类似的方法，可以将这种技术方法推广到环境预测评价的 其他方面，如生态环境影响评价和大气环境影响预测，并且提高预测精度。 4 、通过对预测方法建立的研究，可以考虑基于此方法和地理信息系统的二次开发 技术，使地理信息系统与环境模型达到紧密结合，使其真正应用到实际工程实践当中。 1 2 相关研究综述 近1 0 年来，地理信息系统技术( g i s 技术) 飞速发展，功能不断完善，越来越显示出 其广泛的应用领域、强大的生命力以及广阔的应用前景，并成为地理学第三代语言，其 应用已渗透到社会各个方面。涉及到所有相关的空间信息领域，诸如农业、林业、水利、 土地、资源环境等【5 1 。其具体应用包括自然资源管理、农工商业布局、政治经济分析、 城市土地规划、工程设计管理以及科教文体、国防科技、金融交通、公共设施等领域。 由于集采集、存储、管理、分析信息于一体，地理信息系统具有图形、图像、声音、文 字等多种表达能力，是一种应用性极强的系统。迈入2 l 世纪，数字地球战略计划将提 到议事日程上来，而且国家可持续发展的实际要求也越来越紧迫，地理信息系统的应用 前景势必会日益拓宽，迎来新一轮的发展热潮。 在环境影响评价中用到的很多预测模型，有些模型由于本身比较复杂，用到的很多 参数，多与地理位置和海拔高度有关或与预测对象的空间特性有关。在运用这些模型的 时候存在一定难度，如水质预测模型、噪声预测模型和大气扩散模型等。地理信息系统 在表达空间位置、提取对象的空间位置信息，进行空间操作、分析、显示方面有其独特 优势。基于这些优势来反映具有空间分布特征的环境模型研究对象的移动、扩散、动态 变化及其相互之间的作用，使原有模型的可用性大大增强，表现手法更加丰富，表现结 果更加直观。 随着我国环境影响评价( e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t ) 铝1 度的建立和发展，与地 理信息系统的结合已成为一种趋势。无论是方法上的结合还是系统集成，已经体现出其 必要性。目前，国外地理信息系统与环境保护的结合应用，环境影响评价也是一个很主 要的方面。 目前无论是在环境影响评价领域还是其他方面都可以见到地理信息系统的应用【l o 】， 例如战略环境影响评价、区域环境影响评价、基于g i s 的厂址选择【1 1 、环境质量现状评 价、环境影响预测、大坝修建后对下游生物栖息地产生的影响【l l 】、利用g i s 技术对饮用 第一章绪论 水中砷污染进行分析和评价【1 2 】，运用g i s 对地表径流的影响进行研究【1 3 】，国外也有人 研究在水质模型方面使用g i s 技术【1 4 】，取得了很丰富的研究成果。 目前国内外很多科学工作者正在从事这方面的一些研究，各自取得了一定的成绩， 但是研究的侧重点有所不同。国内地理信息系统与环境影响预测模型的结合，多是基于 一个大的区域，建立起该地区的数据库，然后选择模型、参数等进行预测研究，侧重于 建立一个系统。如晏晓林【1 5 1 1 9 9 8 年在基于交通环境保护的g i s 开发一文中就提出 了建立交通环境地理信息系统的想法；张路【1 6 1 等人所做的基于g i s 和相关数学模型 的城市环境空气质量评价系统等。国外多是根据具体的目标要求提出不同的方法，例 如s u k h ag a n j a ns a m a d d e r t l 2 1 和c h i l l a r as u b b a r a o 两人的g i sa p p r o a c ho f d e l i n e a t i o na n d r i s ka s s e s s m e n to fa r e a sa f f e c t e db ya r s e n i cp o l l u t i o ni nd r i n k i n gw a t e r ) ) 和l i un a n 1 7 1 、 h u a n gb o 和m a g e s hc h a n d r a m o u l i 三入的( ( o p t i m a ls e t i n go ff i r es t a t i o n su s i n gg i sa n d a n t a l g o r i t h m ) ) 都是运用g i s 针对具体问题进行的方法研究。在e s r i 中国( 北京) 有限 公司在( ( a r c g i s 环保解决方案集锦中也列出的国内国外的一些成功的案例，还有其 他一些城市或地区建立起来的环保信息系纠1 8 】。这些系统与预测模型的结合多是直接输 入一些预测模型需要的参数，而后进行预测计算，并未对得到的数据做任何处理，而并 未对是否符合计算模型的使用条件进行研究。由于模型使用有一定的条件，所以这样导 致了模型计算时存在误差。 目前运用g i s 对噪声预测模型和大气预测模型研究具体使用条件的不多，即如何使 用地理信息系统的某些功能对预测区域采集到的数据进行处理，使模型中的计算参数更 加准确，满足模型的要求。杨军【1 6 1 和焦保华两人在立交桥噪声等值线评价方法及软件 开发一文中提到了要使计算机可以自动绘制噪声等声级曲线图必须与g i s 进行结合。 1 3 主要概念和研究思路 1 3 1 主要概念 由于是地理信息系统与环境保护专业的结合，因此会用到地理信息系统的一些专业 名词，以下列出地理信息系统中比较重要的三个概念，包括地理信息系统、地理坐标和 地图投影。 l 、地理信息系统 地理信息系统是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。它是以空间数据库为基 础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和 显示，并采用地理模型分析方法，实时提供多种空间和动态地理信息，为地理研究和地 4 长安大学硕士学位论文 理决策服务而建立起来的计算机技术系统f 5 】。 2 、地理坐标 地理坐标是指用经纬度表示地面点的球面坐标。在大地测量学中，对于地理坐标系 统中的经纬度又三种提法：天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度【2 0 】。 3 、地图投影 地图投影是按照一定的数学法则，将地球椭球面上的经纬网转换到平面上，使地面 点位的地理坐标( v ，”与地图上相对应的平面直角坐标( x ，y ) 或平面极坐标( 6 ，p ) 之间， 建立起一一对应的函数关系。只要能够建立( 、l ，”与( x ，”之间的函数关系，那么只要 知道地面点的经纬度( 、i ，的，便可以在投影平面上找到相对应的平面位置( x ， y ) t 2 0 1 。 目前我常用的投影系统有以下几类：在基本比例尺地形图中比例尺大于等于 1 ：5 0 0 0 0 0 的图，均采用高斯一可吕格投影为地理基础；在1 ：1 0 0 0 0 0 0 地形图采用正轴等角 割圆锥投影，其分幅与国际百万分之一所采用的分幅一致；我国大部分省区图多采用正 轴等角割圆锥投影和属于同一投影系统的正轴等面积割圆锥投影【2 i 】。 1 3 2 研究思路 目前地理信息系统与其他专业相结合的应用方式主要有三种结合方式：无缝结合、 紧密结合和松散结合三种方式。无缝结合是指运用本专业内的知识基于地理信息系统技 术开发出适合于本专业使用的软件或系统，操作和数据的传输在统一的界面下进行，各 种数据在一个系统内可以自由传输和转换：紧密结合是指以第三方插件或模块的形式， 辅助地理信息数据格式与其他软件数据格式进行交换。松散结合是指人工的从地理信息 系统软件中提取数据，运用第三方软件对数据完成处理后，在返回地理信息新系纠引。 本研究中，预测模式与地理信息系统软件采用松散结合的方式，采用这种结合方式主要 有以下两点考虑： l 、本文旨在研究地理信息系统的原理和技术方法在环境影响评价中应用的可能性 和实现的技术路线，而不侧重于某一系统的开发； 2 、采取此种结合方式要求的技术门槛较低，便于该方法的应用推广； 本文的主要思路是运用微元积分的思想，运用地理信息系统软件在空间数据的处理 和表达方面的优势，将线污染源按照一定的长度比例，分为微小线源，将这些微小线源 视为可以近似为点源的直线，将所有微小线源在敏感点处产生的环境要素的影响进行叠 加，得到非顺直线源对其周围环境要素的影响，而后将这种影响通过污染物浓度的等值 线图表示出来。 第一章绪论 1 4 研究内容 本文提出了一种基于地理信息系统的环境影响预测方法，即：采用“微元积分”的数 学思想，将污染线源按照一定的单位长度分为微小线源。通过将微小线源对敏感点处的 某一环境要素产生的影响进行叠加，得到污染线源对该敏感点的影响。将预测区域内所 有敏感点的数据进行数学插值处理，得到预测区域内污染物的浓度分布状况。 本文首先介绍了地理信息系统和软件操作平台，在声环境影响预测中以立交桥为 例，建立预测区域的数据库，并利用软件的相关功能，确定污染线源的长度，将得到的 非顺直有限长的污染线源分成一定长度的微小线源，提取敏感点和微小线源两端点的三 维坐标。通过编写m a t l a b 程序，严格按照预测模型的要求，利用三维坐标进行计算， 得到模型参数和最终的敏感点声级数据，并利用软件生成噪声等声级曲线图和预测区域 的噪声声级分布图。 以机场大气环境预测为例，分析运用地理信息系统进行大气环境预测的可能性，并 提出实现的技术方法。目前在生态环境影响评价中，地理信息系统的运用己较为广泛。 本文对在生态环境影响评价中运用地理信息系统的方法进行了介绍，并分析了相关实 例。 6 长安火学硕一 ：学位论文 第二章地理信息系统及a r c g i s 系统简介 2 1 地理信息系统简介 2 1 1 地理信息系统的兴起 地理信息系统的概念是伴随者计算机的发展而出现的。2 0 世纪5 0 年代，电子计算 机在美国被发明出来，最初计算机只是供美国军方计算炮弹曲线，但不久人们就发现了 它在其他行业的巨大用途，随后电子计算机在不同的领域都开始了广泛的使用。 从2 0 实际5 0 年代后期开始，英国爱丁堡大学的地理学教授t e r r yc o p p o c k 就使用 早期的计算机开始进行与土地利用变化及国土资源相关信息的收集与管理工作。1 9 6 3 年，加拿大测量学家、前加拿大地理师协会主席r o g e rft o m l i n s o n 开始研究使用电子计 算机管理加拿大的土地资源信息，并且提出了“地理信息系统”这一概念，经过地理学家、 计算机学家和其他领域科学家的共同努力，他们建立世界上第一个g i s - 力拿大地理信 息系统( c g i s ) ，这个系统用于自然资源的管理与规划。 在同一时期，m m 和g e 等公司都开始涉足使用计算机工具管理公用事业的设施， 也就是电网、管线等全新的技术领域。在那之后的十多年里，计算机辅助设计( c a d ) ， 计算机辅助制造( c a m ) 都开始发展起来，而c a d 及数据库管理( d a t a b a s em a n a g e m e n t ) 等学科的发展为g i s 技术的发展铺平了道路【2 2 1 。 2 1 2 地理信息系统的发展概况 ( 1 ) 国际上地理信息系统的发展概况 上世纪6 0 年代，地理信息系统的发展主要处于探索时期。主要是g i s 思想的建立 和探索如何实现地理信息系统的技术方法的时期。人们主要关注的是到底什么才是真正 的地理信息系统，它又能为我们干些什么事情。也正是因为有了这些思想和方法才有了 地理信息系统辉煌的今天。 到了7 0 年代，在前期取得的成绩的基础上，由于计算机技术的快速发展及其在我 们生活的各个发面得到广泛的应用，当然也包括自然资源和环境数据处理的应用，促进 g i s 迅速发展。这一期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库 管理这三个方面。正是因为有了关于如何处理数据和管理数据，才使我们在当今由数据 堆积起来的世界中游刃有余。 8 0 年代，此刻很多环境问题开始突显出来，这也为地理信息系统的发展和推广提供 了一个机遇。空间技术在此时期也被引入到地理信息系统中来，把地理信息系统与遥感 7 第二章地理信息系统及a r c g i s 系统简介 手段结合起来处理很多问题，如全球沙漠化、全球可居住地评价、核扩散问题等，有其 他技术手段难以比拟的优势。 9 0 年代至今，是地理信息系统全面推广应用的阶段，也是开始产业化的阶段，对 g i s 进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数 据模型，人工智能引入等方面【5 】。 ( 2 ) 我国地理信息系统的发展概况 我国g i s 起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段： 7 0 年代，准备阶段：一些科学界人士看到了g i s 广阔的应用前景和对国民经济发 展的重要性，进行极积呼吁，为g i s 在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行 性实验。 8 0 年代，试验起步阶段：这期间，我国在g i s 理论探索，规范探讨，软件开发，系 统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。 9 0 年代，我国g i s 发展阶段：我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展 土地的有偿使用和外资的引进，急需g i s 为之服务，这也推动g i s 在我国的全面发展。 9 6 年以来，是我国g i s 产业化阶段。近几年来，我国经济信息化的基础设施和重 大信息工程己纳入国家计划，一批国家级和地方级的g i s 相继建立并投入运行，一批专 业遥感基地己建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3 s ”技术的重点项目的实施， 并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥作用，一批高等院校开设了与g i s 相关的新专 业，培养了一大批从事g i s 研究与开发的高层次人才，具有我国自主知识产权的g i s 基础软件的研制逐步进入了产业化轨道等等，这些都标志我国g i s 产业已进入新的发展 阶段【5 1 。 2 1 3 地理信息系统的发展前景 地理信息系统经过多年的发展已经日臻成熟，一方面地理信息系统的运用促进了各 学科的知识创新和理论深入研究：另一方面，各学科的不断发展又反过来促进系统不断完 善。未来的发展趋势主要有以下方面： ( 1 ) “5 s ”技术的综合运用 所谓“5 s ”技术即指地理信息系统( g i s ) 、遥感( r s ) 、全球定位系统( g p s ) 、e s ( 专家系 统) 及d s s ( 决策支持系统) 。在该系统中，r s 与g p s 为环境模型提供可靠、准确、快速 的数据源；e s 为模型提供丰富的知识库及推理机；d s s 主要是帮助决策者构造模型， 检验、反复修改并发展模型，同时利用其较强的分析能力，进行辅助决策。而g i s 除了 长安大学硕 ：学位论文 模型数据的输入输出外，还为系统各部分的有机结合提供方便的环境。这几种技术结合 在一起不光能够解决某些现实问题，还能够发各种技术的优势，帮助决策者能够合理决 策，科学决策，减少决策失误，更好的为大众服务【l 引。 ( 2 ) g i s 的网络化 建立基于g i s 的应用系统与互联网的有机结合，是在广域网环境下一种g i s 的应用。 最终的目标是以网络为平台，采用分布式体系结构的g i s 系统将在全球范围内得到广泛 应用。利用这种技术，人们可以通过互联网对自己所需要的空间信息进行查询、分析、 决策的辅助和管理，普通用户不再需要复杂的专业软件和专门的培训就可以享受全球化 空间信息技术所带来的便利。但是目前，对于g i s 数据的网络传输仍然有一些局限，由 于g i s 的数据通常容量较大，现在网络宽带的能力在中远距离的大量数据传输过程中， 速度不够令人满意，这将会是网络技术在g i s 发展过程中的一个瓶颈；g i s 网络软件的 开发：网络技术给g i s 技术的发展带来了更多潜力，但是到目前为止，g i s 软件工业界 还没有充分地将这些潜力发挥出来，许多技术在g i s 领域仍然处于研究和试验阶段，达 到商业化、实用化还有一定的距离；网络技术在g i s 中的有效使用：技术的发展只有在 给人们带来利益时才有真正的价值【5 】。 2 1 4 地理信息系统的功能 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式 和模型。为了完成上述的地理信息系统的核心任务，需要采用不同的功能来实现它们。 因此地理信息系统功能可分为以下五判5 】： ( 1 ) 数据的采集 主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、 数值逻辑一致性与正确性等。地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的7 0 或 更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成 为地理信息系统研究的重要内容。目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很 多，有些仅用于地理信息系统，如手扶跟踪数字化仪。目前，自动化扫描输入与遥感数 据集成最为人们所关注。扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍 是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键。 ( 2 ) 数据的处理 初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数据的格式化是指不同数据结 构的数据间变换，是一种耗时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；数据转 9 第二苹地理信息糸统及a r c g i s 糸统荷介 换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。在数据格式的转换方式上，矢量到栅格的 转换要比其逆运算快速、简单。数据比例尺的变换涉及到数据比例尺缩放、平移、旋转 等方面，其中最为重要的是投影变换；制图综合( g e n e r a l i z a t i o n ) 包括数据平滑、特征集 结等。目前地理信息系统所提供的数据概括功能极弱，与地图综合的要求还有很大差距， 需要进一步发展。 ( 3 ) 数据存储与组织 这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅 格模型、矢量模型或栅格矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选 择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能；在地理数据组织与管理中， 最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。目前大多数系统都是将二者分开 存储，通过公共项( 一般定义为地物标识码) 来连接。这种组织方式的缺点是数据的定 义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。 ( 4 ) 空间查询与分析 空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本 的分析功能；而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机 系统的根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相 关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。地理信息系统的空间分析可分为空 间检索、空间拓扑叠加分析和空间模型分析三个不同的层次。 ( 5 ) 图形与交互显示 地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机 屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系 统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境， 以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。 2 1 5 地理信息系统软件简介 ( 1 ) 国外地理信息系统软件 e s r i ( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c hi n s t i t u t ei n c ) 公司产品系列 e s r i 公司于1 9 6 9 年成立于美国加利福尼亚卅l 的r e d l a n d s 市，公司主要从事g i s 工具软件的开发和g i s 数据生产。 e s r i 公司的产品中，最主要的是运行于u n 洲n d o w sn t 平台上的a r e l n f o ，它 由两部分组成：w o r k s t a t i o na r c l n f o 和d e s k t o pa r c l n f o 。 l o 长安大学硕士学位论文 w o r k s t a t i o n a r c l n f o 基于拓扑数据模型，实现了图库( m a pl i b r a r y ) 的管理，并且具有 了栅格数据的分析功能，支持栅格矢量一体化查询和叠加显示。此外，a r c i n f o 还提供 了二次开发语言a m l 以及开放开发环境o d e ，以便于用户定制自己的g i s 应用。 w o r k s t a t i o na r c l u f o 提供了最基本的g i s 功能，包括数据录入和编辑、投影变换、 制图输出、查询分析及其分析功能( 缓冲区分析、叠加复合分析等等) 。 除了上述基本功能以外，w o r k s t a t i o na r c i n f o 还通过一些扩展模块实现特定的专门 功能。 d e s k t o pa r c l n f o 包括四个应用：a r c m a p 、a r c c a t a l o g 、a r c t o o l b o x 和a r c s c e n e 。 a r cm a p 实现了地图数据的显示、查询和分析；a r cc a t a l o g 用于基于元数据的定位、浏 览和管理空间数据；a r ct o o l b o x 是由常用数据分析处理功能组成的工具箱；a r c s c e n e 可 以用于研究区域的三维场景显示【5 】。 i n t e r g r a p h 公司成立于1 9 6 9 年，总部位于美国阿拉巴马州的汉斯维尔市，公司致 力于计算机辅助设计、制造以及专业制图领域的硬件软件以及服务支持。 i n t e r g r a p h 提供的g i s 产品包括专业g i s 系统( m g e ) ，桌面g i s 系统( g e o m e d i a ) ， 以及因特网g i s 系统( g e o m e d i aw e bm a p ) 。 m a p l n f o 产品系列 m a p l n f o 公司于1 9 8 6 年成立于美国特洛伊( t r o y ) 市，成立以来，该公司一直致力于 提供先进的数据可视化、信息地图化技术，其软件代表是桌面地图信息系统软件 - m a p h l f 0 。 m a p l n f op r o f e s s i o n a l 是m a p l n f o 公司主要的软件产品，它支持多种本地或者远程数 据库，较好地实现了数据可视化，生成各种专题地图。此外还能够进行一些空间查询和 空间分析运算，如缓冲区等等，并通过动态图层支持g p s 数据。 ( 2 ) 国产地理信息系统软件 中国地质大学开发的m a p g i s 软件 m a p g i s 是中国地质大学开发的地理信息系统软件，其功能模块包括：提供了各种 的空间数据输入手段，包括数字化仪输入，扫描矢量化输入以及g p s 输入的数据输入 模块；可以对点、线、多边形等多种矢量数据进行处理，包括修改编辑、错误检查、投 影变换等功能的数据处理模块；可以将编排好的图形显示到屏幕或者输出到指定设备 上，也可以生成p o s t s c r i p t 或e p s 文件的数据输出模块；提供了m a p g i s 与其它系统之 间数据转换的功能的数据转换模块；实现对空间和属性数据管理和维护的数据库管理模 第二章地理信息系统及a r c g i s 系统简介 块；包括很多空间分析功能的空间分析模块；图像配准镶嵌以及处理分析的图像处理模 块；实时生成三位曲面的电子沙盘系统；可以进行其他分析计算的数据搞成模型模块。 武汉测绘科技大学开发g e o s t a r ( 吉奥之星) 软件 c e o s t a r ( 吉奥之星) 是武汉测绘科技大学开发的、面向大型数据管理的地理信息系 统软件，其功能模块包括：整个系统的基本模块，提供的功能包括空间数据管理、数据 采集、图形编辑、空间查询分析、专题制图和符号设计、元数据管理等，从而支持从数 据录入到制图输出的整个g i s 工作流程的c e o s t a r ；数字地形模型和数字正射影像的处 理、分析模块的g e o g f i d ；利用离散高程点建立t i n ，进而插值得到d e m ，并进行相 关分析运算和生成三维曲面的g e o t i n ；可以进行要干图像的处理和影象制图的 g e o l m a g e r ；可以建立多尺度的遥感影象数据库系统的g e o l m a g e d b ；利用j a v a 实现的 因特网空间信息发布系统g e o s u r f i 图像扫描矢量化模块，支持符号识别的g e o s c a n 。 由北京大学开发研制c i t y s t a r ( 城市之星) 地理信息系统软件 由北京大学开发研制，是一个面向桌面应用的g i s 平台，其具体模块包括：负责矢 量数据的录入、编辑的c i t y s t a r 编辑模块；负责矢量栅格综合的空间数据管理、查询、 分析模块，提供了多种空间模型运算的c i t y s t a r 查询分析模块；提供了地图的整饰输出 以及符号制作功能，同时也可以制作影象地图的c i t y s t a r 制图模块；提供了线状图形扫 描、细化、跟踪并矢量化的一系列操作，适用于地形图等高线的录入的c i t y s t a r 扫描矢 量化模块；包括o c x 控件，使用户可以进行二次开发的c i t y s t a r 可视开发模块，该模块 提供了一个平台，包装控件的功能，便于用户使用，同时实现了多源数据的管理和查询， 使用户可以方便的构造应用；提供了从遥感图像纠正到增强、变换、分类以提取专题信 息整个流程的功能的c i t y s t a r 遥感图像处理模块；负责等值线、离散点插值生成d e m ， 并基于d e m 进行各种分析的c i t y s t a r 数字地形模块；基于d e m 的三维曲面生成和查询 分析的c i t y s t a r 三维模块；负责g p s 数据的接收、显示和分析的c i t y s t a rg p s 模块【5 】。 2 2a r c g i s 系统简介 本文的研究平台是w i n d o w sx p + a r c l n f o9 0 ，所以在此介绍一下a r c g i s 系统的桌 面软件和数据模型做一简单介纠2 们。 2 2 1a r c g i s 的结构体系 a r c g i s9 是一个统一的地理信息系统的平台，其应用程序由4 个重要部分组成：桌 面g i s 软件、服务器g i s 软件、嵌入式g i s 软件和移动g i s 软件。本文主要使用的是 1 2 长安大学硕| ：学位论文 桌面g i s 软件。 a r c g i s 是基于一套由共享g i s 组件组成的通用组件库实现的，这些组建被称为 a r c o b j e c t 。a r c o b j e c t 包含了大量的可编程组建，从细粒度对象到粗粒度对象，涉及面 很广，这些对象为开发者集成了全面的g i s 功能。在a r c g i s 的桌面软件中能实现的功 能和操作都可以用a r c o b j e c t 提供的组件库来进行开发完成，这也为基于a r c o b j e c t 二 次开发提供了可能。 ( 1 ) 桌面g i s 软件 桌面软件a r c g i sd e s k t o p 是一个集成了众多高级g i s 应用的软件套件，包含了一 套带有用户界面组建的w i n d o w s 桌面应用，如a r c m a p 、a r c c a t a l o g 和a r c t o o l b o x 。a r c g i s d e s k t o p 有3 种功能级别：a r c v i e w 、a r c e d i t o r 和a r c l n f o 。三级软件共用通用的结构、 通用的编码基数、通用的扩展模块和统一的开发环境。从a r c v i e w9 到a r c e d i t o r9 再到