（环境工程专业论文）地理信息系统在河流污染事故中的应用.pdf

摘要 近年来，河流污染事故尤其是突发性河流污染事故发生频率高、破坏性大、不确定 因素多，给人类和生态环境带来了很大的危害。目前，国内外已广泛引入地理信息系统 ( g i s ) 的空间数据管理功能与空间分析功能来进行应急处置，取得很好的效果。但是传 统的g i s 技术在对事故的应急响应及污染预测的时空模拟上还存在着很大的不足，达不 到理想的效果，因此在传统的g i s 技术上进行开发和利用，使其在流污染事故的处置过 程中的实效性和系统性上发挥更大的作用，对环境事故的应急处置有着重要的作用。 本文从g i s 的基本功能和特点入手，详细介绍了g i s 技术在水环境领域的应用和优 势。通过湘江衡阳段和三峡库区两个实例，分别阐述了g i s 技术应用于突发性河流污染 事故和二维随机水质模拟的操作方法和应用途径，并在某些关键问题的处理上进行了深 入的探讨。 在利用g i s 技术处理湘江衡阳段突发性水污染事故的实例中，重点讨论了对于重金 属a s 污染在河流污染中的应急处置方法，通过将g i s 技术与数学模型结合，得到了重 金属在河流的污染状况和趋势，根据时问和空间对污染事故造成的影响将事故情况分为 四种，并对四种情况的污染状况进行分析、对比，得出解决该事故的最优化方法。 在利用基于g i s 的动态栅格( d y n a m i cg r i d ) 技术处理三峡水库二维水质模拟的实 例中，详细介绍了动态栅格的定义及应用方法，并将它应用于二维随机水质模拟，对三 峡库区河流水质污染进行分析和预测，得到较好的效果。最后以重庆段为例，给出可视 化的结论和污染模拟图。 关键词：g i s ；河流污染事故；应急处置；动态栅格 1 1 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a c c i d e n t so ff i v e rp o l l u t i o ne s p e c i a l l yt h o s ep a r o x y s m a lo n e so c c u r r e d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g l lf r e q u e n c y 、h u g er u i n sa n du n c e r t a i nc a u s a t i o n ，w h i c ha r e k n o w nt ob ep o t e n t i a l l yh a r m f u lt oh u m a no re c o s y s t e mh e a h ha tv e r yl o wt r a c el e v e l s a tt h e p r e s e n tt i m e ，p e o p l eh a v ee x p l o r e dt od e a lw i t ht h ee m e r g e n c yo ff i v e rp o l l u t i o nb yd i n to f i n t r o d u c i n gt h ef u n c t i o no fs p a t i a ld a t a b a s em a n a g e m e n ta n dt h ef u n c t i o no fs p a t i a la n a l y s i s o fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) t e c h n o l o g i e s ，w h i c hw o r ke f f e c t i v e h o w e v e r ， t r a d i t i o n a lg i st e c h n o l o g i e sa r ei n a d e q u a c ya sf a r 鹤a p p l i c a t i o ni nm e e t i n g 趴e m e r g e n c yo f r i v e rp o l l u t i o ni sc o n c e r n e d i ti ss i g n i f l c a t i v ef o re m e r g e n c ym a n a g e m e n tt oe x p l o r ea n d m i l l t eg l st e c h n o l o g i e so nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lu s a g e ，a n dt om a k ei tn l o r ee f f e c t i v e 、 p r a c t i c a la n ds y s t e m i c t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h eb a s i sf u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fg i st e c h n o l o g i e s ，t h e n r e p r e s e n t si t sa p p l i c a t i o na n da d v a n t a g e si nw a t e re n v i r o n m e mf i e l d i nd e t a i l s b yt a k i n g e x a m p l e so fh e n g y a n gs e g m e n to fx i a n gr i v e ra n dt h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a ，t h e o p e r a t i o na n dm e t h o d so f g i st e c h n o l o g i e si nt h ea p p l i c a t i o no f p a r o x y s m a la c c i d e n t so f r i v e r p o l l u t i o na n ds i m u l a t i o no ft w o - d i m e n s i o n a ls t o c h a s t i cw a t e rq u a l i t ya r er e s p e c t i v e l y a n a l y z e d ，a n ds o l n en 砖a 文l r e st os e t t l ee x i s t i n gp r o b l e m sa r eo f f e r e d i nt h ee x a m p l eo ft r e a t i n gw i t ha c c i d e m a lp o l l u t i o no fr i v e r sw i t hg i st e c h n o l o g i e si n h e n g y a n gs e g m e n t ，t h ee m e r g e n c ys e t t l e m e n to fr i v e rp o l l u t i o nc a u s e db ya r s e n i c ( a s ) ，w h i c hi s ak i n do fh e a v ym e t a la r ee m p h a s i z e d t h r o u g hc o m b i n e da n a l y s i so fg i s t e c h n o l o g i e st o g e t h e rw i t hm a t h e m a t i c sm o d e l ，t h ep o l l u t i o ns t a t e m e n ta n d d i f f u s et e n d e n c y o f h e a v ym e t a li np o l l u t e df i v e r 甜ed i s c o v e r e d a n dt h er e s o l v e n tw h i c hi sf i n do u tt h r o u g h a n a l y s i n gt h ef o u rp u u u t i o ns t a t e m e n tc l a s s i f i e dd e p e n do nt h ed i f f e r e n te f f e c to na c c i d e n t s a r ea l s oo f f e r e d i nt h ee x a m p l eo fd e a l i n gw i t ht h es i m u l a t i o no ft w o - d i m e n s i o n a ls t o c h a s t i cw a t e r q u a f i t yi nt h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e ae s t a b l i s h e db a s e do nd y n a m i cg r i dt e c h n o l o g yo f g i s ，d e f i n i t i o na n dm e t h o d so fa p p l i c a t i o no fd y n a m i cg r i da r ee l a b o r a t e do n a n di t s p r a c t i c e si nt h es i m u l a t i o no ft w o d i m e n s i o n a ls t o c h a s t i cw a t e rq u a l i t ya r ea l s oo f f e r e d ， w h i c hi sp r o v e da v a i l a b l ef o rt h ea n a l y s i sa n df o r e c a s to fw a t e rq u a l i t y a n da tl a s tt a k e c h o n g q i n gs e g m e n ta sa ne x a m p l e ，s i m u l a n tp h o t o g r a p h so f p o l l u t i o n i r ei l l u s t r a t e d k e yw o r d s ：g i s ；a c c i d e n to fr i v e rp o l l u t i o n ；e m e r g e n ts e t t l e m e n t ；d y n a m i cg r i d i v 第1 章绪论 1 1引言 近年来，随着经济的迅速发展和人口的不断增加，我国环境污染问题日益严重，而 河流的环境污染事故也时有发生，如长江运载两吨多砒霜的货轮沉没；贵州装载剧毒农 药的车辆翻车造成的农药泄漏；1 9 9 3 年的洋河流域农田污染；2 0 0 0 年的沙城地下水污 染事故等，国外的此类事故更是不胜枚举。这类事故发生突然，破坏性大，直接关系到 人民生命安全，关系到国家财产损失，也往往使人民赖以生存的生态环境遭到严重破坏 f l 棚。河流水污染事故往往存在以下特点：( 1 ) 大多为点源污染源引起的有机污染。这些 污染物进入水体后，引起有机污染；( 2 ) 污染河段致使溶解氧普遍偏低，从而使鱼类缺氧 窒息而死亡，废污水中的有机污染物进入水体后在降解过程消耗了水体中的氧；( 3 ) 受污 染河段水质污染严重，大多为v 类或劣v 类水，水体已失去使用功能；( 4 ) 水污染事故大 多发生在枯水期河流径流量小、流速慢即降解能力小的时候，此时接纳大量的超标废污 水，就容易造成水污染事故1 4 “。这是经济发展中一个不可忽视的问题，已引起了我国各 级环境管理部门的高度重视。做好河流水环境污染事故的预防、监测、应急处理处置及 善后工作，建立运行有效、行动快速的事故应急管理系统是最大限度减少损失的关键。 环境污染事故的发生具有时间性和空间性，存在多种表现形式，因此，环境污染事故的 处置是一个系统工程，需要多方面的协调配合。为环境事故处置赢得时间，提高事故处 理应急决策水平，环境事故应急处置系统是主要的技术手段。环境污染事故的应急处置， 不但要快速了解事故类型，而且要快速了解事故的发生地点、污染范围、可能的扩散面 积等空间信息。这就需要引入地理信息系统( g i g ) 的空间数据管理功能与空间分析功能 5 - 7 1 。 1 2 河流污染事故的特征及分类 1 2 1 河流污染事故的特征 河流污染事故，和一般环境污染事故相比较可以看出，二者具有许多共性。但是同 时，河流污染事故又具有其鲜明的特点【7 9 】。 1 2 1 1 河流污染事故的不确定性 河流污染事故的大多发生都有其随机性、偶然性，有时是难以预测的。人类活动引 起的不确定性，地理环境及自然现象的不确定性，人类认识客观世界能力的局限性都可 能引起破坏性巨大的河流污染事故。 1 2 1 2 河流污染事故演化过程的连续性 尽管河流污染事故的发生存在着明显的不确定性，但事故前的系统状态变化过程却 是一个按客观规律演交的连续变化过程，事故的发生是该系统连续变化过程中符合客观 科学规律的一个突变。因此，研究分析系统突变规律，建立危险源系统状态变化的动态 模型是可以探索研究事故发生的原因，进而掌握突发事故发生前的系统变化及导致该系 统状态突变的原理和规律。 1 2 1 3 河流环境污染事故源于人类自身违反自然规律的行为 河流环境污染事故是人类自己在经济、社会活动中违反自然规律而造成的恶果。如 人们在生产活动中一味追求高额经济回报而忽视安全生产、忽视生态环境的保护，导致 事故频发、环境污染、生态恶化。而被人类自己破坏的自然生态环境对人类自己的生存 构成了威胁。因此，只要人类遵守自然规律，规范自己的行为是会为人类自身的可持续 发展奠定良好的基础的。 水污染事故发生、变化及其计算分析的不确定性主要有以下几个方面【8 】：( a ) 发生时 间、空间的不确定性。运输船舶的失事以及沿岸污染物容器破裂本身难以预料，因此失 事的时间、地点更难确定。( b ) 污染源的不确定性。即使知道了出事时间、地点，但出 事对象释放的污染物类型、数量一时也难以确定，而这些数据恰恰是水污染模拟分析的 基本参数。( c ) 出事水域性质的不确定性。水域的水流状态直接影响污染物的扩散方式 与速度。水域不仅有江河湖海之分，即使在同一河段，仅岸别不同，水流性质差异就很大， 何况还有洪水、潮汐、风浪等瞬时水文变化。( d ) 受害对象的不确定性1 9 _ ”。各种水域 的开发利用方式及程度各不相同，同等规模和程度的污染事故，造成的污染危害千差万 别。若城市水源地受到污染，则城市供水就会突然中断，其后果将是灾难性的。此外还有 污染事故信息的不完整性与不可比性。虽然水污染事故层出不穷，但至今还不可能获得 一场典型污染事故的全程信息。即使某些事故信息相对较完整，往往也不具有事发环境 时空的可比性【1 “”】。综上所述，由于水污染突发事故发生时间、空间、规模、过程、水 域背景、影响对象的不确定性，以及信息的不完整性，因此准确模拟与分析水污染突发事 故目前还是一个难题。 1 2 2 河流污染事故的分类 1 2 2 1 污染物分类 造成水污染事故的污染源，按照属性可分为物理污染源、化学污染源和生物污染源， 其中化学污染源是最主要的污染源，也是危害最大的一类污染源。化学物质进入水体后， 2 导致水体的化学性质或化学物质浓度异常，造成水污染事故。化学污染物的分类及其危 害见表1 1 。 表1 1 化学水污染物分类表 污染物分类 典型污染物主要危害 非金属有毒物氰化物、氟化物、硫化物、砷化物 重金属汞、铬、镉、铅、铜 放射性物质铀2 3 5 、锶9 0 、铯1 3 7 、钚2 3 9 酸碱盐类 致色物质 致臭物质 植物营养物质 需氧有机物 易分解有机毒物 难分解有机毒物 生物中毒 生物急性中毒或慢性中毒、 累积效应二次中毒 生物体内放射损伤 黼械黼无机盐蝥篙麓篙警 铁盐、锰盐、色素、染料、腐殖质 氨、硫化物、酚、胺类、硫醇 硝态氮、氨氮、磷酸盐、蛋白质 碳水化合物、蛋白质、油脂 酚、醇、有机磷农药 有机氯农药、洗涤剂 油类石油及其制品、植物油 水体色觉变差 水体味觉变差 水体富营养化 水中溶解氧大幅下降 生物中毒、致癌、致突变、 致畸 生物中毒、致癌、致突变、 致畸 生物中毒、阻隔水气界面气 体交换 1 2 2 2 污染事故分类 ( i ) 油污染 1 9 8 9 年1 月2 日，“长江6 2 0 0 8 ”油驳船队在长江中游大兴洲触撞沙滩，爆炸起火， 燃烧原油4 4 0 0t ，引起江面大面积污染：1 9 9 5 年6 月1 9 日，“长江油运1 0 7 0 ”驳在万县 江段发生1 0 2 8t 航空煤油泄漏长江的特大恶性事故；1 9 9 7 年6 月3 日，“大庆2 4 3 ”油 轮在南京锚地发生特大爆炸沉没事故，致使数千吨石油泄漏入江。 ( 2 ) 毒害品污染 污染近年来，有毒化学品运输量约5 0 0 万t a ，由于船舶装卸作业失误或发生海损 事故，常常造成毒化物水污染。据不完全统计，1 9 9 0 2 0 0 1 年长江干线共发生大事故2 7 起，如：1 9 9 0 年6 月2 7 日湖南桃源的钢甲驳在荆江口沉船，5 0t 苯酚落江；1 9 9 0 年1 1 月 8 日“长江0 8 0 2 ”油驳与“花溪1 0 3 ”轮在重庆江段相撞，致使1 3 7t 浓硫酸落江，水域 垫墨篮星丕筮垄鎏速违鍪要墼主丝鏖星 严重污染；1 9 9 6 年1 2 月1 9 目“渝乐2 0 1 ”拖轮在长江云阳触礁翻沉，6 5 0t 硫酸、三氯 甲烷等入江；1 9 9 7 年7 月6 日忠县“川粮2 0 4 ”、“川粮2 0 5 ”两驳罐装硫酸3 3 0t 掉入 江中：1 9 9 7 年1 0 月8 日，赣抚“油0 0 0 5 号”油轮在云阳下游不幸触礁，1 4 9 t 工业纯苯 泄入江中，这是国内罕见的剧毒污染：1 9 9 8 年6 月2 日在江阴两船相撞，1 0 8t 硫酸沉入 江中：2 0 0 0 年6 月1 8 日“衡山机1 8 ”在长江七弓岭翻船，4 9t 农药( 甲胺磷) 倾入江中； 2 0 0 1 年9 月4 日“池州货1 7 8 ”和“枞阳化0 1 7 ”两船在武穴港沉没，2 0 3t 桶装浓硫酸 沉入江中等。上列统计数字仅是浩瀚长江上的区区一斑，有毒化学品对水资源及水生生 物造成损害的严重性不容小看。 ( 3 ) 船舶垃圾污染 船舶垃圾包括生活垃圾、运行垃圾及扫舱垃圾。长江轮船运送旅客约3 0 0 0 万人次 a ，至少产生垃圾24 万t a ；常年航行1 l 万余艘船舶，1 0 万以上船员产生的垃圾约 1 6 万t a ，合计垃圾量高达1 84 万t a 。船舶垃圾突出的危害表现在对长江葛洲坝船 闸和电厂的营运带来的严重影响，如1 9 9 7 年3 月，2 号船闸因人字门操作事故，被迫停运 检修。后经检查，闸室内8 0 0 多只破旧轮胎以及钢丝绳等固体杂物垃圾是造成事故的罪 魁祸首。 ( 4 ) 生活垃圾固体废物的污染 长江上游沿江城镇都以边滩地作为居民生活垃圾和工农业废弃物的堆积场，长江下 游的南通、如皋等地也有同样情况。历年来，全江堆积垃圾约3 0 0 0 万t 。每年汛期，经 洪水冲刷和雨水淋溶，固体废弃物中的有毒有害物质流入江中，对水质造成严重污染：尤 其是暴雨和洪水将大量固体废弃物冲入江中，大量漂浮物、塑料制品顺江而下，形成白色 污染带。就葛洲坝电厂而言，每当汛期，漂浮物集结在机组进水口拦污栅前，高出水面2 4 m ( 使拦污栅压差上升3 5 m ) ，严重阻碍水流，降低了机组发电效率，更威胁了电厂安 全运行。如1 9 9 8 年6 月2 9 日7 月1 8 日，发电机组停机5 1 台次，损失发电量3 6 5 0 万k w h 。 1 3 流域环境对河流污染事故的影晌 1 3 1 流速的影响 污染物扩散的速度与流速成正比例关系，这对污染事故的发展有两方面的影响，流 速越大，污染物扩散越快，污染物浓度降低速率也越快，但事故影响区域也迅速扩大。 1 3 2 降水的影响 降水对污染事故的发展可能产生有利影响，也可能产生不利影响。有利影响有：增 加污染水域水量，降低污染物浓度；流速、流量加大加速污染物通过敏感保护区域；人 们外出减少，降低人员伤害风险。不利影响有：增加应急处理难度，应急行动不便；增 4 加应急物资的投入；把陆上的污染物冲入水体中或促进下渗到地下水和土壤中。降水对 污染事故发展的影响要根据污染事故的具体情况具体分析，如大气污染事故可能因为降 水演化为水污染事故。 1 3 3 河遂地形的影响 河流按区域可分为山区河流、平原河流和河口，按地形可分为顺直河段和弯曲河段、 收缩河段和扩大河段。河流的弯道可能会在凸岸的下游形成小流速区和回流区，小流速 区和回流区的长度大小与弯遭的夹角和河宽相关。据研究发现，弯道夹角在0 。1 5 。 之间是回流区长度逐渐增加，在1 5 。9 0 。之间则是逐渐减少。事故发生在弯道凸岸 下游区域要比发生在其它区域风险小。河道的不均匀同样会引起流场的改变，河段突然 扩大或逐渐扩大会造成下游区域的流速迅速减小。如果在河道的扩大段加一导流堤，水 流将发生极大改变。事故发生在扩大段下游比发生在上游风险要小，事故发生后，可在 扩大段开始处筑一导流堤改变主流方向，同时会明显形成一个回流区和小流速区，方便 事故处理。回流区的大小与导流堤的长度和方向有关，长度越长，回流区长度就越长； 与顺直段的夹角越大，回流区宽度越大，同时修筑的难度也加大 1 5 1 6 , 1 8 】。 1 4 地理信息系统及遥感 1 4 1 地理信息系统的概念及特征 地理信息系统( g i s ) 是以空间数据痒为基础，在计算机软硬件的支持下，采用地理模 型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息所建起来的，为多种决策提供服务的计 算机技术系统，它是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起 来的一个新兴技术，是一个能够对空间相关数据进行采集、管理、分析和可视化输出的 计算机信息系统。地理信息系统萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，1 9 7 2 年，世界上第一个物理 信息系统加拿大地理信息系统( c o l s ) 全面投入运行。此后，地理信息系统在全球 范围内获得了快速发展，在西方发达国家g i s 应用已经渗透到社会经济生活的各个方 面，目前已成功地应用到了资源管理、环境保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、 人口和商业管理、交道运输、石油和天然气、教育、军事等众多领域。在我国随着经济 建设的迅速发展，g i s 在城市规划管理、环境保护、交通运输、防灾减灾、农业、林业 等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。 利用g i s 可以将地图、图像、数据表格、声音、照片、视频、文字材料等信息联系 在一起，并进行综合查询和检索，为使用者提供全方位的综合信息，也可以将不同的专 题内容有机地结合在一起，综合进行数据地图处理，并为不同专题提供基础服务。地理 信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统；二是工具型地理 信息系统，也就是g i s 工具软件包，如a r c 1 n f o 等，具有空间数据输入、存储、处理、 分析和输出等g i s 基本功能。 地理信息系统具有以下三个方面的特征： 1 ) 采集、管理、分析和输出多种地理信息，具有空间性和动态性； 2 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门 的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； 3 ) 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，使其能以快速、精确、 综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 1 4 2g i s 技术及其特点 g i s 系统是在数据库管理系统( d b m s ) 和计算机辅助设计( c a d ) 两个比较成熟 的软件技术基础上发展起来的，并附加了对空间数据进行管理和分析的特殊功能。g i s 以其混合数据结构和独特的地理空间分析功能而别具一格。它所提供的专用函数可用来 进行测量、坐标交换、图像生成、属性修改、统计分析、拓扑叠加、网络分析等。许多 g i s 产品还采用了工业标准的组件对象模型( c o m ) 技术，为用户进行功能和结构定制 拓展了空削“】。g i s 技术特点可归纳为： 1 4 2 1 数据输入 数据输入是把现有资料按照统一的参考坐标系统、统一的编码、统一的标准和结构 组织转换为计算机可处理的形式，输入到数据库中的过程。除了在地图上手扶跟踪数字 化、图形扫描外，目前g i s 的输入越来越多地借助非地图形式，r s ( 遥感技术) 数据 和g p s ( 全球定位系统) 数据已成为g i s 的重要数据来源。 1 4 2 2 数据处理 g i s 对空问数据的处理主要包括数据编辑、数据综合、数据变换等，最终形成具有 拓扑关系的空间数据库。g i s 中的数据分为栅格数据和矢量数据，如何有效地存储和管 理这两类数据是g i s 的基本闽题。大多数g i s 系统采用了分层技术，即根据地图的某 些特征，把它们分成若干图层分别存储，把选定的图层叠加在一起就形成了一张满足某 些特殊要求的专题地图。 1 4 , 2 3 空间分析和统计 空间分析和统计是g i s 的一个独立研究领域，它的主要特点是帮助确定地理要素之 间新的关系，为用户提供一个解决各类专门问题的工具。这也是g i s 得以广泛应用的重 要原因之一。g i s 的空间分析分为两大类：矢量数据空间分析和栅格数据空间分析。矢 6 = 2 1 1 1 = ! = = ! 自= = 自= ! i 硕，士i 学位论文 ii i i i i i i i i g = 。i= 兰篁皇篁皇皇詈皇詈皇詈= = 兽皇= = 喜暑= = 搴篁= 毫詈= = 墨= = 墨 量数据空间分析包括：空间数据查询和属性数据分析，缓冲区分析。网络分析等。栅格 数据空间分析包括：记录分析、叠加分析、统计分析等。 1 4 2 4 地图显示与输出 g i s 可将空间地理信息以地图、报表、统计图表等形式显示在屏幕上，利用开窗缩 放工具可以对所显示的地图中的任意点和范围进行无级开窗缩放，也可以按照某一比例 尺显示，进行分析对比。还可按照用户需要设置制图符号和颜色，根据编辑好的空间数 据分层选择，通过逐层叠加形成各种专题图，通过绘图机、打印机等输出。 1 4 2 5 二次开发和编程 大多数g i s 系统都提供二次开发环境，包括提供专用语言的开发环境，用户可在自 己编程环境中调用g i s 的命令和函数。系统配有专门的控件，供用户的开发语言( c + + ， v b ，v c + + ，d e p h i ) 调用等等。用户可以很方便地编制自己的菜单和程序，生成 可视化的用户界面，完成g s 的应用功能的开发。 1 4 3g i s 的组成和功能 1 4 3 1g i s 的组成 完整的g i s 主要由四个部分构成，即硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统管 理操作人员，其核心部分是软硬件系统，空间数据库反应了g i s 的地理内容，而管理人 员和用户则决定系统的工作方式和信息表达方式 7 j o 。 ( 1 ) 硬件系统：g i s 大多数硬件是计算机技术的通用设备，如c p u 、输入设备、 存储设备、输出设备、通讯传送设备等。处理小规模的数据库，只需个人微机即可。对 于管理中，大规模的g i s 则需工作站或工作站与微机联成的网络，甚至大中型机。目前 计算机硬件发展很快，因此硬件条件己不再是g i s 推广应用的制约因素。 ( 2 ) 软件系统：软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。g i s 软件系统由核心软件和应用软件组成。核心软件包括数据处理、管理、地图模拟和空间 分析等部分。特殊的应用软件包与核心模块相连，并面向一些特殊的应用问题。如网络 分析、数字地面模型( d t m ) 分析等。 ( 3 ) 数据：g i s 系统中最重要的部件是数据。地理数据和相关的表格数据可以自 己采集或者从商业数据提供者处购买。g i s 的数据分为空问数据和属性数据。地理数据 库( g d b 系统亩数据库( d b ) 实体和地理数据库管理系统( g d b m s ) 组成。g d b m s 主要用于数据维护、操作和查询检索。数据是g i s 应用中最难解决的问题，也是投入最 多的环节，有人曾形象地将硬件、软件利数据的费用比例定为1 ：1 0 ：1 0 0 ，充分体现了数 据收集以及隐藏在其背后的工作量与难度。 ( 4 ) 人员：地理信息系统不同于一般的图形图像处理系统，也不同于一幅地图， 而是一个动态的、客观进行的空间模型，仅有其硬件、软件和数据不能构成完整的地理 信息系统，要有专门的人员去进行组织、管理、维护和数据更新，扩充完善系统，并灵 活采用分析模型，提取各种信息，才能为各种需求做好服务。人的因素在g i s 中北认为 起着决定性的作用。 1 4 3 2g i s 的功能 g i s 的功能，概括起来可分为以下几个方面随1 4 ，2 1 埘】： ( 1 ) 空间分析功能。这是g i s 的核心功能，也是它与其它计算机系统的根本区别。 g i s 的空间分析功能有三个不同的层次c 第一是空间检索，包括从空间位置检索空间物 体及其属性和从属性检索空间物体；第二是空间拓扑叠加分析，空间拓扑叠加实现了输 入特征的属性合并以及特征属性在空间上的联接，其本质是空间意义上的布尔运算；第 三则是空间模拟分析，该层次的应用和研究可分为三类，即g i s 外部的空间模型分析、 g i s 内部的空间模型分析和混合型的空间模型分析。作为空问信息自动处理与分析系统， g i s 的功能遍及“数据采集一分析一决策应用”的全过程。 ( 2 ) 数据采集、检验与编辑功能。这是g i s 的基本功能之一，主要用于获取数据， 保持其数据库中的数据在内容与空间上的完整性( 即所谓的无隙d b s e a m k s sd a t a b a s e ) 、数据值逻辑一致、无错等。一般而论，g i s 数据库的建设占整个系统建设投资 的7 0 以上。因此，信息共享与自动化数据输入是g i s 研究的重要内容。 ( 3 ) 数据操作功能，包括数据格式化、转换和概化。数据的格式化是指不同数据 结构的数据间的转换，这是一种耗时、易错、需大量计算的工作。数据转换包括数据格 式转化、数据比例尺的变换等。数据概化包括数据平滑、特征集结等。 ( 4 ) 数据的存储与组织功能。这是建立g i s 数据库的关键步骤，包括主间数据和 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问数据组织方 法。目前属性数据的组织方式有层次结构、网状结构和关系型数据库管理系统( r d b m s ) 等，其中r d b m s 是目前最为广泛应用的数据库管理系统。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为一体。现行系统大多将二者分开存储， 通过公共项( 一般定义为地物标识) 来连接。这种方式的缺点糙无法有效地记录地物在 时间域上的变化属性，数据定义与数据操作相对分离。目前，时域g i s ( t e m p o n y g i s ) 、面向对象d b ( o b j e c t - - o r i e n t e dd a t a b a s e ) 的设计都在努力解决这方面的问 题。 ( 5 ) 分析、查询、检索、统计和计算功能。模型分析是在g i s 支持下，分析和解 决问题的方法体现，是g i s 应用深化的重要标志，如图形、图像叠合和分离功能、缓冲 区功能、数据提炼功能及分析功能等。利用g i s 可以方便地进行有用信息的检索和查询 ( 通过菜单或命令) ，通过模型数据库可以方便地进行统计和计算。 ( 6 ) 空闻显示功能。g i s 具有良好的用户界面，二维和三维的动态显示功能，直 观和方便的显示方式对辅助诀策极为有用，特别是政府g i s ( g o v e r n m e n tg l s ) ，它的 需求是多层次和全方位的，因此简便而具有鲜明特点的显示功能很有价值。 1 4 3 3 常用g i s 软件简介 目前，世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种，当前我国市场上较为流行的是m a p l n f o 和a r c g i s 等软件【7 l 。 ( 1 ) m a p l n f op r o f e s s i o n a l 软件 m a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供了一整套功能强大的工具来进行复杂的商业地图化、数 据可视化和g i s 功能。通过m a p l n f op r o f e s s i o n a l 可连接本地及服务器端的数据库， 创建地图和图表以揭示数据行列背后的真正含义。m a p l n f op r o f e s s i o n a l 的软件运行平 台为w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 。n t 4 0 。 m a p i n f op r o f e s s i o n a l 采用混合型空间数据库，分别使用不同的模块存储空间数据 和属性数据，具有强大的地图编辑和数字化功能，同时也具有专题分析等数据可视化功 能；支持c 1 i n t s e r v e r 体系结构及无缝图层；可直接访问和更新数据而不需要下载大 文件，对于本地存储的数据类型可提供直接读写功能。它可嵌入己存在的应用系统内或 完整地集成到商业系统中。 m a p l n f op r o f e s s i o n a l 采用多种方式加工和显示数据，以便更好地理解数据库背后 记录的含义： 圈层：将不同地数据叠加在同一地图上，从而揭示数据之间地理关系。 专题图及其模板：根据数据的数值为地图渲染，以帮助用户更容易地实现可视化模 式和趋势。可从各种颜色、符号和线型中进行选择，从而进一步区分数据。 连续的专题渲染：对于点数据集提供连续的彩色可视化以产生易于理解的地图，也 可以存储常用的模板以便于将来的引用和修改。 栅格图像支持：能使用栅格图像，如扫描的纸张地图、卫星图片、航片、标志符号， 以提供详细内容的地图图层。 将数据与地图建立关联：只需单击地图上某个点，就可以浏览与该点相关的信息。 专题和制图图例：允许地理图层的样式信息可视化表示，提供增强的注释功能和更 高质量的地图。 链接视图：可以同时以三种方式浏览和编辑数据行列方式、统计图和地图。 9 ( 2 ) a r c g i s 软件 美国环境系统研究公司( e n v i r o n m e n t a ls y s t e mr c s e a r c hi n s t i t u t ei n c ，e s r i ) 被公 认为世界领先的g i s 软件供应商。e s r i 在全面整合了g i s 与数据库、软件工程、人工智 能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后，成功的推出了全系列g i s 平台 a r c g i s 系列。a r c g i s 是一个统一的地理信息系统平台，由a r c v i e w 、a r c e d i t o r 、a r c i n f o 等三个重要部分组成。 a r c v i e w 提供了核心的制图和g i s 功能。它沿袭了a r c v i e wg i s 的基本功能。此外， 它还提供了与传统数据分析工具软件的连接途径，如电子数据表和商业图表，与地图构 成了一个整体的、完整的分析系统。a r c w i e w 还作了明显的改进。新的a r c w i e w 桌面动 能包括：通过a r c c a t a l o g 浏览和管理数据、动态的投影转换、内嵌的v b a 开发、新的 编辑工具、支持静态注记等。a r c v i e w 允许用户创建和编辑s h a p e f i l e 个人化的空间数 据库的简单要素。 a r c e d i t o r 包含了a r c v i e w 软件的所有功能，还增加了对空间数据库和c o v e r a g e 数据的编辑能力。增加的功能包括：支持多用户编辑、版本管理、定制数据类型、与要 素连接的注记和丈量数据类。a r c e d i t o r 提供对e s r l 支持的所有矢量数据格式的建立和 编辑能力。 a r c i n f o 除了包括a r c v i e w 和a r c e d i t o r 的所有功能外，还增加了高级的空间处理 能力。a r c l n f o 是一个完全的g i s 数据数据建立、更新、查询、制图和分析系统。 1 4 4g i s 技术在环境保护中的应用 随着我国环境信息化的快速发展和计算机新技术在环境保护领域的广泛应用，环境 信息系统在环境保护管理和决策工作中发挥着越来越重要的作用。而地理信息系统技术 的出现为环境保护工作迈向信息化、现代化提供了技术支持。 目前，全国2 7 个省级环保局及一百多个城市环保部门都已购置了e s r i 公司的a r c g i s 、a r c v i e w 地理信息系统平台软件和相应的硬件设旃，大部分省市已经建立环境 基础数据库，在g i s 平台上开发了城市环境地理信息系统、重点流域水资源管理、环境 污染应急预警预报系统等，取得了显著的成效。下面将结合实例分别阐述g i s 技术在环 保领域的应用情况。 1 4 4 1 应用g i s 制作环境专题图 环境制图是环境科学研究的基本工具和手段。与传统的、周期长、更新慢的手工制 图方式相比，利用g i s 建立起地图数据库，可以达到一次投入、多次产出的效果。它不 仅可以用户输出全要素地形图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题图，如污染源 分布图、大气质量功能区划图等等。g i s 的制图方法比传统的人工绘图方法要灵活得多， l o 在基础电子地图上，通过加入相关的专题数据就可迅速制作出各种高质量的环境专题地 图。可以根据实际需要从符号和颜色库中选择图件，使之更好地突出专题效果和特性。 1 4 4 2 应用g i s 建立各种环境地理信患系统 各级环保部门在日常管理业务中，需要采集和处理大量的、种类繁多的环境信息。 而这些环境信息瞄以上与空间位置有关。g i s 的强大功能之一是它的空间数据的采 集、编辑、处理功能和对空间数据的管理能力。使用g l s ，可以建立各种环境空间数据 库。例如t 污染源空间信息数据库( 包括工业、农业、交通等污染源数量、属性和污染 源发生的地域范围) 、环境质量信息数据库( 包括空气、水、噪声等) ，g i s 能够把各 种环境信息与其地理位置结合起来进行综合分析与管理，以实现空间数据的输入、查询、 分析、输出和管理的可视化。例如，基于0 l s 平台，厦门市建立了城市环境空间数据库 和污染源监测属性数据库，开发了网络化城市环境质量地理信息系统，该系统涵盖了大 气、地表水、声学环境的监测信息，以分布图、专题图、三维模型等形式，生动直观地 反映环境质量状况。由于采用了因特网的g i s 开发技术，该系统可以在i n t e r n e t i n t r a n e t 上运行。 1 4 4 3g i s 应用于环境监测 在环境监测过程中，利用g i s 技术可对实时采集的数据进行存储、处理、显示、分 析，实现为环境决策提供辅助手段的目的。如广东省以东深流域自然环境地理信息为基 础。对东深流域的监铡数据进行存储处理，利用g i s 技术开发了东深流域水环境管理信 息。该系统直观显示和分析东深流域水环境现状、污染源分布、水环境质量评价。追踪 污染物来源。可结合数字地图查询历年监测数据及各种统计数据，进行空间分析( 如缓 冲区查询与分析) 、辅助决策( 容量计算及污染状况的预测) 为流域水环境的科学化管 理和决策提供了先进的科学手段。 1 4 4 4g i s 应用于自然生态现状分析 在进行自然生态现状分析过程中，利用g i s 可以比较精确地计算水土流失、荒漠化、 森林砍伐面积等，客观地评价生态破坏程度和波及的范围，为各级政府进行生态环境综 合治理提供科学依据。国家环保总局把g i s 技术与遥感技术相结合，对我国西部1 2 省 的生态环境现状进行调查，得到了西部地区生态环境的空间分布与空间统计状况、生态 环境质量状况和生态环境变化的空间规律特点，为该地区经济的可持续发展与资源环境 的可持续利用提供了科学依据。青海省遥感中心将“3 s ”技术运用到青海湖环湖重点区域 调查上，快速查清了该区域土地利用、土地覆盖现状，建立了生态环境数据库和生态环 境评价指标体系，为政府规划决策、资源开发、环境保护提供了宝贵资料。 1 1 1 4 4 5g i s 应用于环境应急预警预报 建立重大环境污染事故区域预警系统，能够对事故风险源的地理位置及其属性、事 故敏感区域位置及其属性进行管理，提供污染事故的大气、河流污染扩散的模拟过程和 应急方案。例如，大连市的“重大污染事故区域预警系统”把重大污染事故的多种预测模 型与g i s 技术相结合，当某一风险源发生事故时提供应急措施、报警信息和救援信息， 为重大污染事故应急指挥奠定了基础。上海市应用g i s 、r s 与g p s 技术开发了环保应 急热线系统，该系统采用g i s 技术进行污染源搜索和定位；将g i s 与g p s 结合起来， 用于出警指挥和导航；用r s 技术获取地面信息，解决了g i s 基础底图动态更新问题。 通过“3 s ”技术的综合应用，更好地发挥了g i s 在环保执法和应急事件中的作用。 1 4 4 6g i s 应用于环境质量评价和环境影响评价 由于g i s 能够集成管理与场地密切相关的环境数据，因而也是综合分析评价的有力 工具。环境影响评价是对所有的改、扩、建项目可能产生的环境影响进行预测评价，并 提出防止和减缓这种影响的对策与措施。利用g i s 的空间分析功能，可以综合性地分析 建设项目各种数据，帮