第二章 环境GIS及其系统分析.ppt

第二章环境GIS及其系统分析,概述环境GIS的概念和特点环境GIS的应用模式环境数据源分析环境GIS业务需求分析环境GIS功能需求分析,1.1概述环境保护离不开环境信息的采集、处理和应用。环境信息具有空间性、复杂性、直观性、时效性和多源性等特点。环境信息特点决定了其与地理信息系统结合的必然性和合理性。,第二章环境GIS及其系统分析,环境地理信息系统的定义以遥感、地理信息系统和全球定位系统技术为手段，进行环境空间信息的获取、分析、处理、存储和表达并为环境保护工作提供环境空间信息支持和管理决策依据的计算机系统。,第二章环境GIS及其系统分析,环境地理信息系统的特点1）多技术集成特性2）环境空间特性3）动态变化特性4）广泛实用特性5）可视化特性,作为环境科学研究工具的应用模式作为环境管理的应用模式作为公众服务的应用模式,1.2环境GIS的应用模式,科学研究描述与环境管理描述的区别：前者侧重于专业分析软件模型；后者侧重在GIS通用软件上进行二次开发。,项目级环境GIS部门级环境GIS企业级环境GIS社会化环境GIS,环境管理应用模式,进行环境GIS建设和应用的过程，实际就是对环境数据进行采集、存储、管理、加工和显示的过程。所以有必要对环境数据源进行简单的分类介绍。按照习惯分类，常见的环境数据有5种。,1.3环境数据源分析,第二章环境GIS及其系统分析,空气和废水数据,空气和废水数据,1.3环境数据源分析,室内空气质量标准GB/T18883-2002,第二章环境GIS及其系统分析,空气监测数据采集,1.3环境数据源分析,第二章环境GIS及其系统分析,废水数据采集,1.3环境数据源分析,第二章环境GIS及其系统分析,汽车尾气,1.3环境数据源分析,第二章环境GIS及其系统分析,声环境监测,1.3环境数据源分析,第二章环境GIS及其系统分析,便携式汽车尾气分析仪,意大利MOTORSCAN公司生产的汽车尾气分析仪适用于长时间连续分析测量各类汽油、柴油、LPG、CNG燃料发动机的尾气排放，符合欧/欧标准（Euro3/4）及OIMLR99Class0科研级标准。,便携式环境数据采集器“温度+湿度+光照”环境数据记录仪,温度测量范围：-40-+80湿度测量范围：25%-95%温度测量精度：0.3湿度测量精度：5%RH光照测量范围：2600(lux/ft2)记录时间间隔：0.5秒-9小时可选记录容量：8000-16000个数据,数据采集仪-深圳中兴,采集监测数据可以通过有线无线两中方式上传数据库，数据采集下位机可同时向地方环保局服务器、市级环保局、省级环保局三级同时通过无线或者有线上传监测数据。有线传输方式:可提供可靠、安全、稳定的传输监测数据，但对监测环境依靠比较大，监测点必须有光纤等有限传输条件；无线传输方式:不受监测点硬件条件的限制，但受气候等因素影响比较大，传输数据的可靠、稳定性比较差。,环境数据采集功能的移动台-华为技术有限公司,具数据采集功能的移动台及环境数据采集方法。移动台包括接收机模块，其特点是，还包括环境数据采集模块；该环境数据采集模块包括电平通过率LCR统计单元、散射体统计单元、样本离散系数统计单元以及环境数据采集管理单元；环境数据采集方法包括：选择适当的具有环境数据采集功能的移动台、启动环境数据采集、处理具有环境数据采集功能的移动台上报的环境数据和更新环境数据库等步骤。移动台可自适应地对其所处环境的特征数据进行采集，并上报给移动台定位中心。从而有效地抑制NLOS误差对定位精度的影响，保证了环境数据很好地适应环境的变化。,环境GIS的主要用户是各级环保部门，所以要对环保部门的设置和主要职能有一个基本了解。我国的环保机构分为四级管理机制：国家环保总局、省级环保局、市级环保局和县级环保局。相应地信息系统也分为四个层次：,1.4环境GIS业务需求分析,第二章环境GIS及其系统分析,国家级省级市级县级,宏观管理和决策支持负责本省环境信息管理工作，收集、分析、处理和存储；向国家级环境信息系统提供标准化和规范化的信息,环保工作的基础和重点，负担环境质量和污染源的监测、分析、统计和评价。,1）环境监测网络体系环境监测数据是环境GIS的主要数据源，而其获得的主要途径是通过环境监测体系。目前环境监测大体分为三个类型：,1.4环境GIS业务需求分析,要素型管理型混合型,环境监测,按不同的环境要素建立的监测网络,按行政管理体系建立的监测网络，我国基本上属于这种类型。,上述两种网络的综合，如重点流域，长委、黄委。,我国的环境监测体系管理型,2）业务工作流程,四级环境保护管理机制使得国家和省级环保部门主要担负宏观管理、综合分析和决策规划职能，这种层次化，向上集中的机构特点决定了决策任务向下传达，下级执行后环境基础数据向上传输和汇总。,第二章环境GIS及其系统分析,3）环境空间数据采集与数据录入流程,1查询业务,2新业务,3初审返回,4数据检查,6合格提交,5未通过,7提交检查,数据录入人员,第二章环境GIS及其系统分析,环境GIS涉及的空间信息主要有三大类：污染源空间信息、环境质量空间信息和自然生态空间信息。对这些空间信息进行查询和处理是环境GIS应用的最基本的功能。,4）环境GIS涉及的空间信息的分类,4）环境GIS涉及的空间信息的分类,自然保护区生态功能区信息查询与处理,第二章环境GIS及其系统分析,其中污染源空间信息有分为以下类别：,环境GIS涉及的空间信息的分类污染源空间信息,非点源污染,第二章环境GIS及其系统分析,点源与非点源污染源,面源污染是相对于点源污染来说的。农业产生的污染主要来自于农作物种植过程中化肥、农药的过量施用和规模化养殖产生的畜禽粪便。前者污染源广泛分散、没有明确位置，就是所谓面源污染；后者污染源明确，称为点源污染。非点源污染的来源比较广泛，其中以农田的面源污染最为突出。美国的面源污染占污染总量的2/3，其中农业面源污染的贡献率为75%左右。我国的太湖、巢湖流域等水域，面源污染的贡献率已超过点源污染。控制农作物种植导致的面源污染要比控制规模化养殖业导致的点源污染更困难。,第二章环境GIS及其系统分析,污染源往往是综合的，例如：水体的污染源可以划分为：点源、面源(也称为非点源)和内源。点源主要来自于工业和生活污水的集中排放，非点源污染的来源比较广泛，其中以来自农田的面源污染最为突出，内源主要指水系沉积物的释放。,第二章环境GIS及其系统分析,点源与非点源污染源,点源污染源,非点源污染源,第二章环境GIS及其系统分析,分散性和隐蔽性与点源污染的集中性相反，非点源污染具有分散性的特征，它随流域内土地利用状况、地形地貌、水文特征、气候、天气等的不同而具有空间异质性和时间上的不均匀性。排放的分散性导致其地理边界和空间位置的不易识别。随机性和不确定性大多数非点源污染问题，包括农业非点源污染，涉及随机变量和随机影响。区分进入污染系统中的随机变量和不确定性对非点源污染的研究是很重要的。例如，农作物的生产会受到自然的影响（天气等），因为降雨量的大小和密度、温度、湿度的变化会直接影响化学制品（农药、化肥等）对水体的污染情况。,非点源污染源信息特点,不易监测性由于非点源污染涉及多个污染者，在给定的区域内它们的排放是相互交叉的，加之不同的地理、气象、水文条件对污染物的迁移转化影响很大，因此很难具体监测到单个污染者的排放量。严格地讲，非点源污染并非不能具体识别和监测，而是信息和管理成本过高。近年来，运用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)可以对非点源污染进行模型化描述和模拟，为其监控、预测和检验提供有力的数据支持。随着点源污染控制能力的提高，面源污染的严重性逐渐显现出来。在美国即使达到零排放，仍然不能有效控制水体污染，从而认识到面源污染控制的重要性；我国对污染物排放实行总量控制，但这只对点源污染的控制有效，对面源污染的控制没有意义。在我国强化工业和生活污水排放与治理的同时，面源污染的控制也应积极开展，否则水体污染不会得到根本性的好转。,非点源污染源信息特点,对非点源污染控制包括两个方面,其一是对污染源的控制,将非点源污染物的排放控制在最低限度;其二是对污染物扩散途径的控制,通过研究非点源污染的扩散机理,采取适当措施,减少污染物排入地下或地表水体的数量。研究非点源污染来源及扩散通常利用数学模型来模拟,目前比较有名的模型有USLE模型(UniversalSoilLossEquation)、ANSPM模型(AgriculturalNonpointSourcePollutionModel)、SWMM模型(StormWaterManagementModel)、STORM模型(StorageTreatment,OverflowRunoffModel)等。,非点源污染源信息特点,面源模型与GIS集成的方法随着面源污染模拟模型日趋成熟，模拟过程越来越复杂，数据量日益增大，这时仅靠模型难以分析污染时空位置、时空分布等问题。而GIS是获取、存储、检索、分析和显示空间数据的计算机化数据库系统。作为一种新型数据库管理系统，GIS具有很强的空间分析功能。将二者集成到一起后，既可以利用面源模型来模拟污染过程，又可以利用GIS的数据管理、对模型数据进行空间分析、数据和结果的可视化等功能，为更好地进行面源污染的计算和管理提供了新的途径。GIS与面源模型集成的方法总的来说有两种，松散集成和紧密集成。,第二章环境GIS及其系统分析,松散集成松散集成的方法依赖于GIS与外部模型程序之间数据文件的传输与交换。GIS与面源模型都有自己的系统和数据管理能力，并没有结合为统一的系统。其系统结构如图所示：,第二章环境GIS及其系统分析,松散集成的前处理模块和后处理模块都是为使各种形式的软件之间数据能相互匹配和交换而设计。前处理模块使GIS数据格式能适应特定面源模型的需求，后处理模块使模型输出文件的格式与GIS软件相匹配。这种繁琐的格式转换必然造成人力、物力的浪费，而且容易出错。所以松散集成虽然需要的编程较少，但由于数据格式转换等问题，使这种集成常常不能充分利用GIS的空间分析功能，是一种较低水平的集成方式。,第二章环境GIS及其系统分析,紧密集成紧密集成是指GIS和面源模型的数据管理统一起来，形成统一的数据库和应用系统。通常在一个商业GIS软件包中集成一个或几个面源模型，这一过程通过GIS的宏语言或其他常用的高级程序语言实现。越来越多的GIS软件都提供宏语言编程的功能，如ESRI公司的Avenue和AML等。模型通常通过一些高级程序语言如Fortran和C/C+编译成DLL，即动态连接库），DLL与GIS的宏语言连接起来紧密集成为统一的系统。系统结构如图所示。,第二章环境GIS及其系统分析,紧密