地理信息系统技术在湿地研究中的应用2001.pdf

4 42 0 0 1 年东北测绘学术与信息交流会论文集 一 o 一 一 地理信息系统技术在湿地研究中的应用 汪爱华张树清张柏 中国科学院长春地理研究所 吉林长春1 3 0 0 2 1 摘要 湿地数据量庞大 数据类型复杂 现行的数据库技术和统计分析软件难以对其进 行有效管理和充分利用 G I S 技术为湿地研究提供了新的方法和技术支持 从湿地空间数据的 管理 查询和分析 基于G I S 的湿地遥感分类方法 湿地与环境因素定量模型 湿地信息系 统和湿地制图5 个方面 对利用G I S 进行湿地研究的工作进展予以回顾 在此基础上 对G I S 在湿地研究中的应用前景进行了展望 提出G I S 在湿地研究中的应用应朝着G I S 和R S G P S 相结合 建立基于I n t e r n e t 的湿地信息系统 利用G I S 组件技术以及G I S 和专家系统的结合等 方向发展 关键词 地理信息系统湿地湿地数据 凡 0 前言 湿地是由喜水生物和过湿环境构成的特殊自然综合体 位于生物圈 水圈 岩石圈和大气 圈的交汇处 是各种能流和物流交换与作用的场所 它是地球上重要的生存环境和生态系统 具有稳定环境 物种基因保护和资源利用功能 被誉为自然之肾 生物基因库和人类的摇篮 自2 0 世纪6 0 年代开始重视湿地问题以来 至今世界各国己开展了广泛的湿地研究 积累了大 量数据 特别是遥感和全球定位系统技术的发展及其在湿地中的应用 为湿地研究提供了更多 更及时 更准确的数据 湿地数据量庞大 数据类型复杂 既有关于湿地内部结构和功能方面 的信息 又有气象 地理 环境 政策和社会经济等方面的信息 空间数据与属性数据 统计 数据并存 文字信息与图像图形数据并存 因而 一般的数据库技术和统计分析软件难以实现 湿地数据的有效管理和充分利用 地理信息系统 G I S 是以地理空间数据库为基础 在训 算机软硬件支持下 对空间数据 进行采集 管理 操作 分析 模拟和显示 并采用地理模型分析 适时提供多种空间的和动 态的地理信息 为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统 2 1 它是集数据库管理 空问数 据操作与分析 计算机制图功能于一体 可以进行叠加分析 网络分析 缓冲区分析 数字图 像处理 多变量综合分类等较为复杂的数据分析功能口 因此 运用G I S 对湿地信息进行管理 和分析 具有其它方法无法比拟的优势 1G I S 在湿地研究中的应用现状 对于G I S 在湿地中的应用主要有两种情况 一是利用G I S 来管理和处理湿地数据 二是 在G I S 基础上 进行二次开发 得到专用的湿地信息系统软件 4 具体体现在以下几个方面 1 1 湿地空间数据的管理 查询和分析 汪爱华等 地理信息系统技术在湿地研究中的应用 4 5 即以多种方式录入湿地数据 以有效的数据组织形式进行湿地数据库管理 更新 维护和 进行快速查询检索 利用空间分析功能分析湿地数据 以多种形式输出所需的湿地空间信息 现行的数据库管理系统缺乏空间实体定义能力和空间关系查询能力 一般的统计分析软件也 难以对空间数据进行操作和分析 因此 G I S 在湿地空间数据管理和分析上的应用日趋活跃 湿地数据 包括矢量数据和栅格数据 在建库时采用分层管理 也就是说 根据数据的性质 相同或相近的归并在一起 形成一个数据层 既有空间数据又有属性数据 这样可以同时对 多个数据层进行操作和分析 操作和分析的结果是以原数据层为基础 经过空间操作后生成的 新数据层 在空间定位上没有发生变化 如利用A R C I N T O 软件对辽河三角洲1 1 0 万假彩色 T M 卫片 1 1 0 万地形图 1 1 0 万土地利用现状图 l 1 0 万土壤图 1 2 0 万地貌图 1 1 5 万植被图进行计算和分析 可得到辽河三角洲湿地的景观破碎化情况 2 2 基于G I s 的湿地遥感分类 G I S 数据库中含有大量的可供遥感图像分类的知识 这些知识中有些可通过G I S 查询功能 提取 如某一地区有无河流 湖泊 沼泽等 还有一些知识如空间位置分布规律 空间关联 规则 形态特征区分规则等 并未直接存在于空问数据库中 必须经过计算才能将其挖掘出来 利用G I S 软件A r c V i e w 3 0 a 遥感图像处理软件E N V l 3 0 及R u l e q u e s t 公司开发的归纳学习软 件C 5 0 通过对北京地区l 1 0 万土地利用数据库的学习 可将水域区分为河流 湖泊 水 库和空坑塘 6 1 H u a n g 等用c 4 5 算法从G I S 数据和S P O T 多光谱数据中提取知识用于湿地分 类 卵l S t e n v e nA S a d e r 等 1 9 9 5 在对缅因州森林湿地进行分类时 比较了非监督分类方法 穗帽变换分类方法 复合分类方法和G I S 支持下的基于规则的分类方法四种卫星影像分类方 法 结果表明G I S 支持下的基于规则的分类方法精度比非监督分类方法和穗帽变换分类方法 高 和复合分类方法精度相近口1 1 3 湿地与环境因素定量模型 G I S 还可以对现实世界进行模拟 将湿地的自然过程 社会经济现象和决策用G I S 命令 函数和分析模拟模块综合表示出来 可以模拟湿地的发生发展过程 预测其发展趋势 为制定 湿地决策方案提供科学依据 如M S h a i k h 等使用陆地卫星M S S 图像建立了澳大利亚G r e a t C u m b u n g 森林湿地淹没 流域径流 气象数据之间的模型关系 A 2 一8 3 5 4 1 7 0 1 疆A l 0 0 2 8 疆B f l o w 0 0 0 2 薏M f l o w 一0 0 0 7 强R f l o w 02 1 1 葛A 1 R a i n E v a p 1 0 0 式中 A 2 为当天遥感图像上的湿地淹没面积 h a A 1 为原先的湿地淹没面积 h a 从前一次的遥感图像上获取 B f l o w 为两次遥感图像时间段内从第一条河流流入湿地区的 总流量 注 共有两条河流向湿地汇流 M f l o w 为两次遥感图像时间段内流出湿地的总流量 R a i n 为两次遥感图像时间段内的总降雨量 E v a p 为两次遥感图像时间段内总蒸发量 该模型 定量评价了湿地植被对湿地水文淹没的反映 j J o h nG L y o n 将遥感湿地解译数据 1 9 7 4 年拍摄 与湿地范围内地形图 水位等值线图 等在G I S 中进行空间复合 在此基础上建立了简易的湿地预测模型Y a x 搬 P 式中Y 为要预测的湿地植被群落 x 为土壤数据 屯为高程或湿地水深数据 南为航空遥感湿地解译 数据 e 为模型噪音误差 式中a b c 分别为土壤 高程和水深的权系数 1 0 利用此模型得 到的湿地植被种群的变化情况 可预测湿地边界的变化状况 1 4 湿地信息系统 湿地作为一种重要的生态系统 具有特殊的功能和研究领域 通用的G I S 空间分析功能 远远不能满足湿地研究的需要 因此 有必要在G I S 基础上进行二次开发 建立湿地信息系 统 美国在2 0 世纪9 0 年代建立了L o u i s i a n a 湿地恢复空间决策支持系统 S D S S 该系统可 用于L o u i s i a n a 卅I 湿地恢复中的淡水转换 沉积转换 沼泽管理 海岸线固定等各类项目的评 价工作 系统除具有数据浏览 查询等基本G I S 管理功能外 还可利用分析模型做出定量评 2 0 0 1 年东北测绘学术与信息交流会论文集 价 用以分析所有申报项目的环境 生态及经济等效益 从而选择最佳的湿地恢复招标项目 这种湿地管理与决策支持系统直接面向应用 所解决的问题具有较强的实用价值 l 我国的黄惠萍利用G I S 技术建立了广东省海岸带湿地资源与环境信息系统 系统功能涉 及湿地资源与环境的现状分析 评价预测 保护规划和开发利用等方面 1 1 5 湿地制图 地理信息系统是从地理制图开始发展起来的 因而G I S 的主要功能之一是制图 建立地 图数据库 与传统的耗时费力 更新慢的手工制图方式相比 利用G I S 建立起的地图数据库 可以达到一次投入 多次产出的效果 4 因此 利用G I S 进行湿地制图 不仅可以输出全要素 的湿地图件 而且可以根据用户需要分层输出各种专题图 如沼泽图 河流图 湿地景观图等 此外 由于G I S 是一种空间信息系统 所以利用G I S 制作的各种湿地图件 反映湿地间的空 间关系 利用输入的地形图数据 还可以制作立体图形 2G I S 在湿地研究中的应用前景 21G I S 和R S G P S 在湿地中的系统化应用 在湿地研究中 虽然也广泛使用了R S 和G P S 技术 但都未能与G I S 技术实现在线连接 影响了G I S 技术潜在功能和整体功能的发挥 因此要注重G I S 技术与R S G P S 技术的充分集 成 利用R S 提供的丰富数据源和G P S 的导航 定位功能 建立空间决策支持系统 实现人 机一资源利用和管理的一体化 空间化 实时化 把对湿地资源信息的分析和处理上升到研究 湿地空间上的规划和决策 为合理利用湿地资源指引方向 2 2 建立基于I n t e r n e t 的湿地信息系统 湿地数据存在着数据结构和标准不统一 难以实现共享 且相同内容数据重复采集 收集 的现象 造成大量人力 物力和财力的浪费 因此 迫切需要统一的数据标准 实现湿地信息 的共享 提高湿地数据的利用效率 近年来 随着I n t e r n e t 技术的普及以及W e b G I S 的发展 使得利用G I S 在同一空间坐标系下 按照统一的数据标准 实现湿地空间数据和属性数据的 集中管理 维护 更新和共享成为可能 建立基于I n t e r n e t 的湿地信息系统将是G I S 在湿地中 应用的发展方向之一 这一方面可实现湿地信息共享 为广大湿地科研工作者提供湿地数据 避免重复性的劳动 另一方面又可进行湿地科普教育 提高全民族的湿地保护意识 2 3G I S 组件技术在湿地研究中的应用 湿地是一个复杂的巨系统 有其特有的结构和功能 独特的发生发展过程和时空分布规律 同时又受到各种生态因子如气候 水文 地质 地貌等变化及人类活动的影响 因此 在进行 湿地信息系统开发时 存在着系统庞大 开发难度大 耗时费力 维护费用高 功能扩展难 版本更新困难等难题 而组件技术可以比较完善地解决这些难题 即将庞大的湿地信息系统的 软件系统分解成若干个功能部件 这些部件可以来自不同的厂家和不同时期的产品 可以用任 何语言开发 开发的环境也无特别限制 根据应用的需要 可方便地组合在一起完成复杂的任 务l l 由此可见 将组件技术用于湿地研究中 可避免系统的重复建设 节省大量的人力 物力和财力 取得良好的社会效益和经济效益 2 4G I S 和专家系统的结合 目前 G I S 技术还不能为一些复杂的湿地空间问题如湿地宏观规划 管理和决策以及湿地 工程项目的评估 开发 建设与管理等提供足够的决策支持 因为这些问题的解决过程包含着 大量的人为经验和专家知识 而G I S 缺乏知识处理和进行启发式推理的能力 专家系统是将 人类专家的特殊知识赋予机器 使机器和计算机对问题的求解达到专家水平 1 3 1 因此 G I S 和 专家系统的结合将是解决这些问题的重要途径 总之 G I S 为人类从湿地实体中提取湿地信息以及将处理后的信息返回到湿地的利用改造 汪爱华等 地理信息系统技术在湿地研究中的应用 4 7 过程中创造了空前良好的条件和环境 随着G I S R S 和G P S 集成技术的不断完善 以及G I S 网络化 智能化和组件技术的发展 G I S 技术必将推动湿地研究向更高 更深层次深入 参考文献 1 孙广友中国湿地科学的进展和展望 地球科学进展 2 0 0 0 t1 5 6 6 6 6 6 7 2 2 邬伦等 地理信息系统一原理 方法和应用 科学出版社 2 0 0 1 3 李本纲等 地理信息系统与主成分分析在多年气象观测数据处理中的应用 地球科学进展 2 0 0 0 1 5 5 5 0 9 5 1 5 4 曹瑜 胡光道 地理信息系统在国内外应用现状 计算机与现代化 1 9 9 9 6 1 3 5 王宪札等 辽河三角洲湿地的景观破碎化分析 应用生态学报 1 9 9 6 7 3 2 9 9 3 0 4 6 李德仁 关泽群 空间信息系统的集成与实现 武汉测绘科技大学出版社 2 0 0 0 7 H u a n gX u e q i a o J o h nR J e n s e n AM a c h i n e L e a r n i n gA p p r o a c h t oA u t o m a t e d K n o w l e d g e b a s e dB u i l d i n gf o r R e m o t e S e n s i n gI m a g eA n a l y s i s w i t hG I S D a t a P h o t o g r a m m e t r i cE n g i n e e r i n g R e m o t eS e n s i n g 1 9 9 7 6 3 1 0 1 1 8 5 1 1 9 4 8S t e v e n A S a d e r D o u g l a s A h l a n d W e n S h u L i o u A c c u r a c y o f L a n d s a t T M a n d G I S R u l e B a s e d M e t h o d s f o r F o r e s tW e t l a n dC l a s s i f i c a t i o ni nM a i n eR e m o m S e n s i n go f E n v i r o n m e n t 1 9 9 5 5 3 1 3 3 1 9M s h a i k h A TB r a d ya n dPS h a r m a A p p U c a t i o n so fr e m o t cs e n s i n gt oa s s e s sw e t l a n di n u n d a t i