地理信息系统在环境保护中的应用.pdf

第五章环境监督管理制度建设 地理信息系统在环境保护中的应用 樊小龙 ( 石家庄环境信息中心河北石家庄0 5 0 0 2 1 ) 摘要本文在简要介绍g i s 技术特点的基础上，结合实例，综合性地阐述了g i s 技术在现代化数字 环保中的应用。 一 关键词地理信息系统环境保护数字地球数字环保应用 数字地球是当前信息科技发展的热点之一。数字地球是计算机技术、互联网技术和虚拟现实 技术等联合框架上以地球为参照系的多学科融汇。数字环保是数字地球在环保信息化和环境管理 决策中的应用。在国家数字地球战略的基础上实施数字环保，是保护人类生存环境的必然选择。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 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，是数字环保应用中的主要技术。 地理信息系统萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，1 9 7 2 年，世界上第一个地理信息系统加拿大 地理信息系统( c g i 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、交通运输、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。 一、g 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、坐标变换、图象 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间。g i s 技术特点可归纳为： ( 一) 数据输入 数据输人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。， ，( 二) 数据处理 g i s 对空间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 的基本问题。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一张满足某种特殊要求的专题地图。 ( 三) 空问分析和统计 ， ，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 2 0 1 4 中国环境科学学会学术年会优秀论文集( 2 0 0 7 ) 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。 ( 四) 地图显示与输出 g i s 可将空问地理信息以地图、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- - t t 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。 ， ( 五) 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 戚g i s 的应用功能的开发。 二、g i s 技术在数字环保中的应用 随着我国环境信息化的快速发展和计算机新技术在数字环保的广泛应用，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施，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。 ( 一) 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。它不仅可以为用户输出 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，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库和颜色库中 选择图件，使之更好地突出专题效果和特性。 ( 二) 应用g i s 建立各种环境地理信息系统 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8 5 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 i s ，可以建立各种环境空间数据库。例如：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) 、自然生态空间数据库( 包括地貌、水文动物、植物等) ，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g i 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，在此基础上开发了污染源信息管理决策支持系统，实现了城市环境污染源 空间增减，查询统计分析的可视化。武汉市环境信息中心建立了环境质量空间数据库，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。 第五章环境监督管理制度建设 ( 三) g 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 监测数据进行存储处理，利用g i s 技术开发了东深流域水环境管理信息系统。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。 ( 四) g 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。 ( 五) g 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。 ( 六) g 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，帮助确 立环境影响评价模型。由于g i s 系统具有层的结构，可将不同的环境影响进行计算并叠加。深圳 市环境保护研究所已利用g i s 技术进行编制环境影响评价报告书和制图。 在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测 数据结合在一起，利用g i s 软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的 评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。如通过叠加分析，可以提取该区域内大 气污染分布图、噪声分布图；通过缓冲区分析，可显示污染源影响范围等。 ( 七) g i s 应用于水环境管理 。 水环境信息具有明显的空问属性和层次属性，利用g i s 可以更加明确地揭示不同区域的水环 境状况，反映水体环境质量在空间上的变化趋势。可以更加直观地反映如污染源、排污口、监测 断面等环境要素的空间分布。利用g i s 还可以进行污染源预测、水质预测、水环境容量计算、污 染物削减量的分配等，以表格和图形的方式为水环境管理决策提供多方位、多形式的支持。目 前，全国各省环保局正在使用g i s 软件进行各省水环境功能区划汇总工作，在此基础上，进一步 开发水环境功能区管理信息系统，实现水环境数据查询、水质评价、统计分析、水质预测等功 2 0 1 6 中国环境科学学会学术年会优秀论文集( 2 0 0 7 ) 能，将各种水环境信息以可视化的方式表达，对水环境的科学管理将具有非常重要的意义。 三、结束语 地理信息系统近年来发展迅速，尤其是“3 s ”集成技术的出现，使我国的环境地理信息系 统开发与应用迈上新的台阶。其内涵和外延正在不断变化，其在各领域的应用极大地推动了社会 生产力的发展，成为各国激烈竞争的高科技热点之一，我国也把它列为九五重中之重科技攻关项 目。现在世界环境问题越来越突出，成为人类面临的主要挑战之一。地理信息系统可将表格式的 信息和地图式的信息结合起来，在计算机内组织成一个既反映数量特征又反映拓扑特征的地理信 息数据库。在相应软件工具作用下，g i s 既对数值又对图形作各种分析处理。在g i s 中，信息处 理的方式主要是图形方式。它直观醒目，各地理要素的分布态势及彼此之间的拓