地理信息系统的应用.doc

地理信息系统的应用地理信息系统的应用即人应用GIS对地球表层人文经济和自然资源及环境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系和空间过程的演变规律，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展服务。地理信息通过数值化录入，压缩存贮与系统管理，便于维护和提取，而且成本低、速度快，可以对地理学理论模式进行快速的和重复的分析测试（例如土地适宜性分析），便于在短期内对大范围地区进行科学和政策标准的评价；可以有效地对多时期的变化进行动态监测和分析比较；可以将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，这在工作效率和经济效益上都明显地占有优势。因而，地理信息系统在国内外都有成功的应用实例。如美国三里岛核电站事故中就是应用地理信息系统及时作出判断与决策；又如利用地理信息系统进行世界小麦大面积估产、全球大气环流形势和海况预报、环境管理；加拿大应用CGIS完成全国土地资源潜力估算；中国西南地区国土资源信息系统用于资源分析、评价、预测和合理开发利用等。一、管理和决策对地理信息系统的要求城市与区域研究要求地理信息系统在信息表示、管理和分析方面满足其空间、动态、定量和综合性要求。1.区域地理信息的表示与管理：区域地理实体或景观表现为多种空间类型，可大致抽象为点、线、面三种类型。点，具有几何确定位置，在空间分析中将某些具有一定空间的地理实体（如城市）抽象为点：线具有一定的走向和长度，表示线状地物或点之间的地理联系，最重要的线状地物为交通线；面具有确定的范围和形态，表示空间连续分布的地理景观或作用范围。点线结合组成网络；线面结合成为地带；面点结合成为地域类型；点线面结合组成区域。用于城市和区域研究的地理信息系统必须有效地表示地理空间上点线面实体。其数据拓扑结构由点（Point）、弧（Arc）、多边形（Polygon）、数据平面（Plane）等四个级别组成。弧可以用来表示地理线，多边形用来表示地理面，数据平面用来表示空间区域内某一方面地理要素的内容。城市与区域研究具有高度综合性，涉及自然、社会、人文经济等多方面的要素，因此GIS不仅要采用几何图形表示空间位置，还必须以属性方式表示图形的地理意义。前已述及属性可以是定性的名称、类型和特征，也可以是定量表示的数量和等级。图形和属性是地理模型抽象的产物，图形是几何的抽象，属性是概念和度量的抽象，二者之间存在有机的联系。在GIS中要求既可以在属性意义上进行空间查询和分析，又可以空间定位地进行属性列表、统计运算和属性信息处理，并支持图形-属性空间分析模型。属性的图形基础可以是地理景观单元，也可以是空间坐标像元，视研究者要求而定。目前正在发展一种面向对象的数据库（Object Oriented Database），根据地理景观的结构特点，设计空间数据结构，实现属性和图形在数据结构上的统一。城市和区域的信息管理，要求数据项的选择应符合区域模型，要素过多会拖长系统建立和数据更新周期，失去动态性特点；要素不足，不利于全面的综合分析。此外，区域地理要素既相互关联，在形态和类型上又很不一致，既有具体的，又有抽象的，GIS数据结构要适合于各种形态，要素之间的地理关系也力求在数据结构中得到正确的反映，数据库要具有开放性。地理区域具有层次性，因此对于区域信息管理也必须按照区域等级系统划分为不同的层次，具有不同的精度。对于较大尺度的地理区域，信息量较大，在GIS中要求采用适用的编码方法进行数据压缩，减少冗余。为满足区域综合空间分析的要求，区域要素要按照共同的地理空间配准。2.区域空间指标和空间关系量测：空间指标在区域定量分析、区内差异分析、区域对比、区域间联系研究等方面具有重要意义。定量量测区域空间指标和区域地理景观间的空间关系是GIS特有的能力。计算机高速运算能力和有效的地理数据空间结构，使得这种量测得以高效准确地实现。区域空间指标包括：（1）几何指标：如位置、长度（距离）、面积、体积、形状、方位等；（2）自然地理参数：如坡度、坡向、河网密度、切割程度、年降水量、积温等；（3）经济地理指标：如集中化指数、区位商、差异指数、地理关联系数、吸引范围、交通便利程度等；（4）人文社会指标：如人口密度、人均收入、社会福利等。城市与区域地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、弧、线、多边形之间的空间几何关系，对它们的量测包括点点、点线、点区域、线线、区域区域关系的量测。3.区域综合分析：区域综合分析是一个复杂的系统问题，区域分析的复杂性决定了所采取的分析手段的多样性。它们包括：（1）常规数理统计分析方法：在地理信息系统中应用常规数理统计方法关键在于如何与空间位置相联系。数理统计通常是针对属性进行的，要具有空间分析的意义必须将分析结果与图形相联系。通常采用逐点分析、景观单元分析、行政单元分析等方法；（2）GIS空间分析函数：空间分析函数是对地理空间数据按一定规则进行转换的图像函数，基于一定的空间分析算法，以一个或多个数据平面作为输入，函数运算结果产生新的数据平面。许多区域分析模型要求首先由空间分析函数将原始数据进行变换，以获取符合模型要求形式的地理空间信息，例如在经济地理综合评价中，要求将诸如中心城市、商业网点、重要居民点、大工厂、公路、铁路等点状和线状地理实体的影响扩展到整个空间区域，通常要由空间分析函数运算来完成，如以两点或线段的中分线划分控制范围；按邻近距离划分控制范围的圈层结构；空间插值或拟合；空间计数，即采用一定区域内的数据点数或线段长度作为区域指标，如城市密度、交通密度等；由理论公式决定影响范围。采用距离计算函数可以将交通网络图转换为各空间点距交通线最小范围，作为交通便利程度指标参加评价；采用空间计数函数可以计算各地理分区内点状地物个数，作为区域聚集程度指标参加评价，也可作为灾害评价依据，采用该函数可以得到诸如城市密度等空间分布指标，对区域分析有很大帮助。在区域地貌研究中可以计算单位面积内水系与沟谷长度，得到切割密度图参加构造稳定性评价；在环境污染评价中，可根据区域内各污染源的位置、源强、密度、风向、风速等指标，采用点源扩散公式确定污染物浓度场等。空间分析函数包括点函数（仅仅涉及各空间点的各地理要素的属性内容），区域函数（涉及某个区域内空间点的共同性质）和邻近检测函数（涉及空间与其邻近点的相应空间关系）等三种类型。（3）地理模型分析：地理模型分析是地理信息系统区别于其它计算机系统的重要标志，地理信息系统通过地理模型分析从空间数据中提取有用信息，达到地理分析和辅助决策的目的，没有强有力的地理模型分析，只能停留在地理数据库的水平，称不上地理信息系统。模型就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则所描述出来的简明映像。通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。例如经济地理模型是用来描述经济地理各要素之间的相互关系，通常反映经济地理过程及其发展趋势或结果，比如空间相互作用模型、距离衰减模型、中心地理论等。由于地理模型通常涉及同一区域的各种自然、经济、人文要素的空间数据，因此在GIS中要求数据质量和精度、坐标系统与设计方式、获取数据的时间与量测方法、地图比例尺、分类系统等的一致性；以保证分析结果的科学性。城市与区域是一个动态系统，处于不断演化发展过程中。城市与区域研究的目的，正是在于探索其动态演化规律，预测自然和人为过程的发展趋势，指导人类选择最佳的对策，这是地理信息系统最高层次的应用。GIS用于模拟和预测时，需要GIS数据结构中具有时间轴的标识，能支持快速的数据更新，并具有系统模拟和动态分析的功能。地理信息系统利用地理模型，进行城市与区域系统的动态模拟，不仅可以提取系统各时期不同的多种空间指标，还可以将自然发生或人为规划的动态过程施行于这个数据模型组，使人类在地理事件发生之前取得未来的精确预测信息，以避免决策失误带来的损失。二、地理信息系统的应用功能1.资源清查：资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同时期的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。又如中国西南地区国土资源信息系统，设置了三个功能子系统，即数据库系统、辅助决策系统、图形系统。资源数据存储了1500多项300多万个。该系统提供了一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及西南地区资源合理开发配置模型。该系统可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图、重大项目规划图等不同内容的专业图。2.城乡规划：城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件（回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、0-1规划模型、系统动力学模型等）加以保证的。我国大城市数量居于世界前列，根据加快中心城市的规划建设，加强城市建设决策科学化的要求，利用地理信息系统作为城市规划、管理和分析的工具，具有十分重要的意义。3.灾害监测：借助遥感遥测数据的搜集，利用地理信息系统，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息，例如据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达73以上。又如黄河三角洲地区防洪减灾信息系统，在ARC/INFO地理信息系统软件支持下，借助于大比例尺数字高程模型加上各种专题地图如土地利用、水系、居民点、油井、工厂和工程设施以及社会经济统计信息等，通过各种图形叠加、操作、分析等功能，可以计算出若干个泻洪区域及其面积，比较不同泻洪区域内的土地利用、房屋、财产损失等，最后得出最佳的泻洪区域，并制定整个泻洪区域内的人员撤退、财产转移和救灾物资供应等的最佳运输线路。4.环境管理：环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域，一个大中型城市每年搜集和监测的环境数据可能多达100万个，对如此大量的数据，应使其有效地为环境管理决策及其它用途服务。一个地方的环境管理信息系统的功能有：（1）为环境管理部门提供数据和信息存储方法基础数据库系统；（2）提供环境管理的数据统计、报表和图形编制方法；（3）建立环境污染的若干模型，为环境管理决策提供支持；（4）提供环保部门办公软件；（5）提供信息传输的方法和手段。例如上海市环境管理信息系统具有如下主要特征：（1）建立了动态数据库，可以存储环境监测数据（包括污染源和环境质量）和其它有关数据（如环境标准、水文、气象等），对大多数环境管理功能来说，实现了数据共享；（2）面向环境质量管理，可以对环境质量状况的统计、评价、预测、规划以及其它管理提供支持；（3）为实现面向污染源的污染控制管理提供支持，可以实现排污收费、