专题GIS应用 结课大论文.doc

学 号 结课大论文专题GIS应用学生姓名班级联系方式成绩2013年4月26日GIS在环境中的应用摘要随着我国社会经济的快速发展, 自然资源问题与环境问题越来越受到全社会的关注, 复杂的环境综合研究和管理, 对环境信息的快速、准确获取、空间信息分析和图形处理等要求, 已经变得十分迫切。GIS作为一门综合信息技术, 近年来得到长足发展, 并在环境系统领域中引起了广泛的关注和应用。关键词：GIS、功能、环境应用、问题、发展前景在本世纪初, 地理信息技术已和生物技术、纳米技术被美国列为新世纪最重要的三大新兴技术。在信息领域, 新兴的物联网应用与GIS 紧密关联, 而在热门的云技术领域中, 最佳实践之一即GIS云。在GIS的快速发展背景下, 国内GIS应用范畴越发广泛, 涉及领域从传统的国土、环境、公安, 拓展到通讯、金融、商业等各行各业。伴随着IT 技术的更新,GIS应用模式也迅速多样化。富客户端让W eb GIS拥有了更好的客户体验; 新的移动智能技术, 让Ios、Android记和Windows Phone 等各种手机和平板电脑也具备GIS能力。这些变化为GIS应用带来了更高的关注度, 同时也为GIS用户带来了更多的选择。运用GI S 技术可以从空间和时间上, 了解环境资源的现状与变化趋势, 直观地表现环境资源状况, 更好地认识环境资源的变化规律, 为环境管理提供科学的信息处理和分析手段。1. GIS的功能 地理信息系统(GI S) 的基本功能有:(l) 数据采集与编辑功能: 包括图形数据采集与编辑和属性数据编辑与分析。(2) 数据的存储和管理功能: 地理信息数据库管理系统是数据存储和管理的高新技术, 包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通讯功能等。(3) 制图功能: 根据GI S 的数据结构及绘图仪的类型, 用户可获得矢量地图或栅格地图。地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图, 而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图, 如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高城图等等。(4 )空间查询与空间分析功能: 包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠加分析、空间相关分析、插值分析、回归分析、热点探索分析、数字高程模型的建立、地形分析等。利用GIS的空间信息属性可使原本不具有空间信息属性的环境统计数据展示出其空间分布的地理规律。利用专题地图功能，可以迅速将环境统计报表数据以图表等多种形式显示在地图上，既减轻了工作量，又能以多样的形式展示环境数据，以供清楚地了解环境状况。利用GIS软件提供的路径分析功能，可以对以前只能基于一维的风向模型建立起二维的污染物扩散模型。2. GIS在环境领域中的应用2.1GIS在环境工程中的应用 环境工程规划：GIS在环境工程规划方面具有很大的优越性，它采用开放式的体系结构，规划人员可以利用现有的表格数据和数据库管理系统查询、使用各个部门的信息；它可以把各种数据按类型进行分类，并放在不同的图层上，各层之间可以进行运算、变换、叠加、旋转等。另外，GIS具有很强的空间分析和图形管理功能，能把决策分析的结果以地理分布图的形式表达出来，更易为决策者理解和接受。环境质量监测：由于GIS在空间分布、范围等问题处理方面的独到优势, 在环境监测方面应用十分广泛在水质监测中, 基于面向对象空间数据库的水文模型和水文分析工具能够提供提取水流方向、汇流分析、河网分段、划分流域等功能。基于这些基本水文分析, 能够进行断面水质分析、水污染范围分析、污染源位置追溯、饮用水源地保护等业务。在空气监测过程中, 通过监测点数据和采样数据, 可以制作空气质量专题图。通过监测点位置和GIS的空间统计分析和插值算法, 可以在一定置信区间条件下, 得到分析估计的区域监测值。此外, 借助GIS选址技术, 可以对监测或者采样点位置进行优化, 以期得到更准确的区域监测数据。在噪声监测中, 通过噪声源分布、建筑物分布和基础数据, 结合噪声扩散模型可以在GIS软件中生成噪声地图, 并分级绘制。以机场噪声污染为例, 传统的机场内部噪声预测和规划方法涉及到大量的理论分析, 同时要对一些复杂实际情况进行处理, 工作量大, 评定时间长, 不适宜在大量方案中优选。利用空间分析功能建立模型进行评定，直观、简单、方便。2.2.GIS在环境科学中的应用2.2.1.污染监控 污染监控是环境保护的核心业务之一。GlS技术则可以在污染源分布、污染影响范围等方面为污染监控提供技术支撑。通过建立污染源空间数据库, 可以实现对污染源所在位置的管理。以污染源空间数据库为基础,GIS技术为手段, 可以制作污染源分布专题图, 并实现针对流域、敏感区域周边的污染源查询监控, 能够统计汇总任意区域内污染排放总量。面源污染是地域范围巨大、成因复杂的污染类型，是当前研究的热点问题。德国某科学家在GIS的环境下开发了硝酸盐在地下水中迁移的简单模型。该模型仅考虑对流迁移，直接与用Bascal语言编写的GIS子程序相结合。这个模型与传统的模型相比，所需要的数据量少，并且为用户提供了一个友好的模型环境。同时将该模型与MT3D-MODFLOW这个比较完善的地下水模型通过实例研究比较其结果，这两个模型结果的相似性证明了在GIS环境下开发的模型的正确性和可行性.2.2.2. 环境应急预警预报 GIS作为技术手段, 能够为突发性环境事故的应急监测、指挥处理提供了先进的技术手段和决策支持。在环境应急中, 可用于: 重点危险源的管理, 化学危险品管, 环境应急预案管,环境应急指挥, 污染扩散模拟, 应急调度导航监控, 视频监控, 气象、水利数拒矫卜部集成, 现场信息采集集成等方面在基于GIS境应急处置过程中, 首先, 确认事件位置, 通过GIS技术定位; 调用GIS分析模型根据当前情景参数得到区域; 在污染区的基础上构建缓冲区确认隔离布控范围;再通过隔离范围与道路路网叠加得到所有需要采取布控行动的位置点, 形成完整的应急处置流程。同时, 可在系统中看到参与应急救援的所有资源, 医疗救护、消防武警、救援直升机等, 同时接人交通探头信息, 查看现场实时信息, 形成完整的应急指挥辅助支撑。最终可通过GIS的叠加分析, 得到区域内受影响的人口、经济数据, 评估损失。 利用GIS技术可以建立重大环境污染事故区域预警预报系统，使环保部门系统具有一定的应急反映能力，在遇到重大环境污染事故或突发事件时，可以使用预警预报系统准确显示污染源的地理位置、事故敏感区域位置及污染源的周边地形等信息，如行政区划、人口分布、地下管线状况，饮用水源地及取水口、危险品仓库、有毒有害物质处理场等，通过提供污染事故的大气、河流污染扩散模拟过程和相应的应急方案，为环保部门在事故发生后，根据污染物的不同，立即提出处理意见，实施各种防护措施以及为高层领导迅速正确决策和指挥提供依据。2.2.3. 环境影响评价 环境影响评价一般是指建设项目、区域开发计划实施后可能给环境带来的影响进行预测和评价。它不仅要研究建设项目在开发过程中对自然环境造成的影响，同时也研究对社会和经济的影响；既要研究污染物对大气、水体、土壤等环境要素的污染途径，也要研究污染因子在环境中传输、迁移、转化规律以及对人体、生物的危害程度。由于GIS能够集成管理与场地密切相关的地表水、地下水的水量与水质，点源及面源污染等数据，因而特别适合做环境影响评价的分析和辅助决策工具。伦敦大学高级空间分析中心的Haklay.M等在对以色列进行环境影响评价时，首先采用以GIS为基础的方法对环境影响评价中最重要的阶段环境影响识别进行研究，并讨论了采用这种方法所必须的条件。卡拉奇大学的Iqbal.M在评价巴基斯坦海岸水域污染时，所采用的主要环境影响评价方法是基于计算机的GIS技术，并讨论了GIS技术在环境影响评价中所面临的问题。 利用GIS的空间分析功能，可以在空间上实现对建设项目的环境影响预测评价，其强大的图形与数据处理功能，将使环境影响评价工作走向崭新台阶；另外，将环境质量模型与GIS结合，实现真正的集成化，可视化地描述污染物在空间上的扩散规律，可以很好实现污染物在流体介质的空间模拟，对促进环境影响评价工作的标准化和程序化，提高其精确度和可比性等各方面都有着重要作用。2.3在水资源管理和分析中的应用 GIS技术在水资源这个领域的研究应用非常多，并且已发展得比较完善和成熟。利用GIS软件管理各种与场地密切相关的地形、水文地质、土地利用及其他环境数据，并将它们与特定的应用程序、专业模型相关联，从而对复杂的水资源问题进行综合研究和分析.Mc Master大学的Zheng.PQ等基于GIS技术水文地理学的发展前景进行了分析,指出GIS技术在连接空间数据和模拟模型之间起到了不可缺少的、非常重要的作用，承担着描述流域、确定水文参数、选取可开发区域和列出应用的设计方案等任务。这项研究的结果对于市政工程师和决策制定者们考虑发展项目的一系列可能影响是很有意义的。 GIS在流域综合治理中的应用包括以下几个方面。预测与监测：GIS可以通过历史资料和有效的数学模型对洪水进行定量分析预测和预报，为防洪和水库调度的科学决策提供及时的信息。当采用遥感和遥测等手段为GIS提供及时准确的数据后，就可以对洪水灾情、环境污染、农作物生长状况、森林火灾、滑坡灾害及其影响范围等进行及时的监测与预测。规划与管理:GIS多要素拓扑空间分析管理功能可为规划管理部门快速地提供大量有价值的信息，如快速确定可利用而未利用的土地位置、为移民建镇选择最佳的新城建设地址、确定洪水期影响船泊运行的河段等。提供决策方案：如当河流全流域性地发生洪水灾害时，利用GIS 可以选择最佳的防治方案，利用已有的防洪设施进行洪水的调节、根据分流洪水的总量选择经济损失最小的分洪区、根据网络分析功能挑选出人员撤离到安全区的最佳线路、及时统计灾区受灾的人口和耕地等。3. 存在的问题3.1数据模型与数据共享 环境管理能力的基础是环境信息的管理和存储。环境系统中数据区域尺度变化大, 跨度从湿地局部生态, 到流域、省级行政区乃至全国、全球, 同时, 要求时态特征, 环境监测实时数据和历史数据同样有价值。这些需求对GIS数据模型提出了明确的要求。GIS技术建立了一套将现实世界要素分类抽象, 统一存储的空间数据库架构, 即空间数据模型。空间数据库能够将污染源、监测数据、流域、扩散模型、污染源头追溯模型等环境资源统一存储, 分类管理。在应用时, 按照需求将数据分别加载, 形成真实环境系统的应用场景, 进行综合业务分析。在空间数据库技术方面Oracle spatial、IBM db2 spatial extention 以及微软对于SQL Server的空间支持均可实现对空间数据管理。Esri提供的Arc SDE技术则可称为空间数据库中间件, 可以在各种通用关系型数据库的基础上,建立空间数据库结构,为用户提供了一种跨越不同数据库结构的通用空间数据标准。在技术的基础之上,环境数据的积累和共享是制约环境GIS应用的问题。环境系统涉及大量数据,而GIS应用中,数据是基础.同时,由于环境要素的内部关联, 多个业务都需要土壤、植被、气象、地形等基础数据,而人口、经济等人文数据需求也逐渐增加。随着环境GIS应用的增长,构建一个基础的环境数据共享平台的需求日益明显。环境数据共享平台是环境信息化的基础设施, 应该与网络、硬件服务器等基础设施同等对待。建立完善的共享平台体系能够大幅度降低环境GIS应用的成本,同时明显缩短项目周期, 提升环境管理能力。3.2 制图可视化与环境制图标准开展环境工作时, 无论是环境调查、环境监测、环境评价和各类环境系统研究时, 通常需采用环境分析成果专题制图方法来表示各种环境现象的空间分布特征和数量质量指标。环境地图既是环境工作的一个基本手段, 又是环境研究的一项重要成果。在生态规划、环境评价中提交成果报告中地图是必要部分,在环境监测、污染监控等方面GIS制图也是重要的技术保障手段。通过GIS环境制图技术,能够直观展示环境质量在区域空间内的分异原因、结果和趋势,对研究环境质量的形成和发展、进行环境区划和制定环境保护措施都具有实际作用。环境地图成果的信息化管理在环保系统中还没有形成规模, 造成针对专题图成果的进一步应用十分困难。同时针对环境业务需求定制的制图流程还不够成熟, 手工作业占整个流程中比例过高, 造成环境专题制图工作量大,以及环境制图标准、环境专业符号库以及成熟的制图模板建设的不足也制约了环境分析成果专题制图的发展。4.发展前景4.1.3S技术的应用（RS、GIS、GPS）3S技术系指GIS、遥感技术RS,和全球卫星定位技术GPS。这三项技术形成了对地球进行空间观测、空间定位及空间分析的完整的技术体系。其中GIS技术被称为信息高速公路建设的核心构件，是各种空间信息在计算机平台上进行装载运送和综合分析的有效工具；遥感技术的全天候、多时相以及不同的空间观测尺度，也使其成为对地球日益变化的环境与生态问题进行动态观测的有力武器；而GPS技术所提供的地面定位方法( 以其精度高、使用方便及价格便宜，已被广泛应用在海洋、大湖及沙漠地区的野外定点工作中，发挥着不可替代的作用。采用RS 技术武装环境监测信息管理( 将对其科学性、空间性、动态性诸方面带来深刻的影响。3S技术的应用( 将有效提高环境监测信息管理现代化及业务水平。环境监测信息的明显特征就是具有空间性。每个污染源、采样点均具有特定的地理位置 环境监测的基本任务就是解决测什么？怎样测？在哪里测的问题。这方面，GIS空间信息管理的综合分析能力、遥感技术的空间动态监测能力及GPS的高精度定位能力，均为环境监测信息管理工作上一个新台阶，奠定了技术基础。3S一体化技术，是目前国际上3S技术发展的前沿，特别是GIS系统中矢量栅格一体化数据结构的设计与实现以及微机环境中实现遥感与GIS海量数据管理技术。