GIS在环境科学中的应用与发展

GIS在环境科学中的应用与发展摘要：地理信息系统（GeographicalInformationSystem,简称GIS）是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息为地理研究和决策服务。地理信息系统能为现实地理空间上的物质和能量运动规律的研究提供方便、准确的空间管理和空间分析手段。因此，将GIS与环境科学的结合运用有着巨大的发展潜力。在环境管理、环境规划、环境监测、环境影响评价、环境工程及环境地球化学等领域拥有广泛的应用前景。关键词：地理信息系统（GIS）、环境科学、应用、发展Abstract：Geographicinformationsystem（GeographicalInformationSystem,GIS）isbasedonthegeospatialdatabases,byusinggeographicmodelanalysismethodtosupportavarietyofspace,dynamicgeographicinformationforresearchanddecision-makingservices.Geographicinformationsystemcouldprovidetheconvenience,accuratespacemanagementandspaceanalysismeansforthestudyofthelawofmotionofmatterandenergyontherealitygeospatial.Therefore,combiningtheusagewithGISandEnvironmentalScienceshasahugepotentialfordevelopment.Ithasthewidespreadapplicationprospectsinthefieldofenvironmentalmanagement,planning,monitoring,impactassessment,engineeringandgeochemistry.KeyWords:GeographicalInformationSystem（GIS）,EnvironmentalSciences,application,progress1GIS的特征按通常理解，地理信息系统是一种采集、储存、管理、查询检索、分析、显示和描述空间数据的计算机系统，是分析、处理、挖掘海量地理数据的通用技术［2。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间相关数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS本身的特点GIS是在计算机硬件支持下，对地理空间数据及相关的属性进行采集、录入、编辑、处理、分析、输出，并利用某一领域的数学模型进行空间分析、模拟的一门现代技术。其组成主要包括硬件、软件、数据和用户四大要素。与一般的管理信息系统相比，地理信息系统有以下特点：（1） 强大的空间数据管理系统。将现实世界经过模型处理后得到的各种数据（包括空间数据和属性数据）输入到系统中，系统可以有机地组织、管理、显示这些数据。（2） 形象直观的应用界面。系统用模型化了的电子地图和用户交互，使用者可依靠人类固有的对自然界的认知和逻辑来操作数据。（3） 强大的空间分析能力。数据是空间对象的一种属性，并可通过地理对象的相关性进行连接、分割、总计等操作，使空间问题的处理简单迅速。GIS应用于环境科学的优势由于环境问题在不同程度上都具有某种地理含义，因此GIS技术的引入，必将带来巨大益处。主要有：（1）提高工作效率。利用专题地图功能，可迅速将环境统计数据显示在图上，不必象以前费时费力。改善工作质量。环境工作者可有效组织数据可视化。拓展工作范围。例如:对于有害危险气体的环境影响评价。以前只能基于一维风向模型，而GIS技术能够提供路径分析。利用当地的人口气象数据，建立二维的污染物扩散模型。集成化解决问题。由于GIS数据参照同一空间坐标系，这使得不同领域共享数据和结果变得简单高效，各部门数据可集成支持整个项目的战略决策。对环境监测历史统计数据进行趋势分析。利用历史监测数据可以对末来的环境状况进行预测，从而使得环境规划管理手段适应信息化和社会发展的需要。2GIS在环境科学中的应用GIS在环境监测中的应用环境监测离不开环境信息的采集和处理，而环境信息85%以上与空间位置有关，因此地理信息系统就成为环境监测的有效工具。在地理信息系统的帮助下，可以方便地获取、存储、管理和分析各种环境信息，并且能为环境监测提供全面、及时、准确、客观和有效的环境信息。地理信息系统具有强大的空间分析和数据处理功能，充分利用GIS的功能模块结合选定的环境监测模型可以对多源环境信息进行处理，从中发现环境演变的动态规律，从而实现对环境的动态监测，并将环境的变化情况、规律制成图片直观地表达出来⑶。GIS在大气环境动态监测中的应用随着城市土业化的发展，城市工业企业数量和机动车数量都在急剧增加，有毒有害污染物大量排人到城市空气中，很多国家和地区都在为改善大气环境质量做着努力。而大气环境有着以下特点：1、它的空间尺度大，人类赖以生存的大气圈有上百公里的厚度；2、空气在自然环境中有着最好的流动性，地面是其不可逾越的固体边界⑷。因此大气环境动态监测最适合用GIS技术进行监测和分析。引用地理信息系统技术和数据库管理技术，可以将所有对大气有污染隐患的企业及位置信息、主要污染物、污染物移动范围、周围地形进行收集、整理，并建立地理信息数据库。利用GIS空间分析和数据显示功能，可获得污染物在人气中的浓度分布图，进而可了解污染物的空间分布和超标情况。在这方面己经有了成功实例：欧洲的RAINS模式就是一个跨国界的SO2排放量计算机管理系统⑸，我国“七五”环保项目中“国家大气环境信息系统”⑷，都是通过GIS技术进行监测和分析的。2.1.2GIS在水资源环境监测中的应用水是人类生存和发展不可缺少的物资条件，是工农业的重要资源，然而，水源污染口趋严重并多以复合型污染为基本特征，造成大比例水不能用于饮用，因此有必要加强对水资源环境的监测和管理。水资源环境的特点是空间信息量大，而对空间信息的管理与分析正是GIS的优点。GIS用于水资源环境监测，主要是对水质监测数据和空间数据进行科学有效的组织和管理，能够让管理人员方便地对各种空间信息进行查询、修改和编辑等；通过GIS强大的空间分析和图标分析功能，实现对空间和检测数据的分析和专题图的制作，进而为污染治理方案的制订提供有效的信息支持。比如Adamus和Bergman采用GIS与筛选函数分析水域内无点污染源的载荷分布，Richard和Host应用GIS与相关函数分析河流生物与上游土地应用及河流形状的关系［4］，中国环境科学院郑丙辉等应用GIS定量分析昆明市松华坝水库的流域面源污染⑹，Hudak等人在利用GIS技术对地下水监测网络进行的设计中，对所选研究区域进行详细的场地监测和分析，从而有利于管理地表和地下废物，及时发现潜在污染源，加强对水源井的保护，还能为填埋场选址提供决策支持［刀。2.2GIS在环境综合影响评价中的应用应用GIS进行环境影响综合评价，可以将大量的空间数据、属性数据与区域地理环境紧密结合，快速创建图形化的评价结果，形象直观地将区域环境污染的分布、污染物的数据及其环境影响显示出来，为决策者或环境管理者服务，进而能随时运用GIS强大的空间分析功能，按不同的范围及约束条件，迅速生成评价区域的各种环境评价结果及专题图。2.2.1数据处理环境影响综合评价涉及大量的工程项目规划数据、区域自然环境和社会经济环境数据、污染物排放数据和环境本底值，这些数据是进行评价的基础数据，在GIS中可存入属性数据库中，然后与评价区域的地理空间位置图绑定，对以后进行的环境影响预测及评价提供了极大的方便，可以随时调用任意地区的相关数据，按照设定值进行数据查询和检索。由于GIS具有海量数据的快速处理能力，可以满足环境影响评价中大量数据分析、预测和评价的要求，并且可通过程序设计，将评价结果存入数据库中，再按照关系化数据库语言进行评价区域的结果分级检索及生成专题图，为环境影响综合评价的数字化发展提供了强大的技术支持，使数据的处理快速、准确、灵活。2.2.2影响预测和综合评价GIS具有极强的管理空间数据的能力，并利用空间数据进行空间分析，而环境影响综合评价的原始数据、预测数据和评价结果与地理区域的空间位置联系密切。这样，在进行环境影响综合评价时，应用GIS进行综合分析和评价，可以将评价的基础数据和预测数据与空间数据相结合，得出不同方法所获得的分析和评价结果，并以数据库、图形、图表的方式保存，便于以后的分析与应用。此外，编制应用软件将GIS与各种综合评价方法进行集成，设计环境影响综合评价应用软件，可以有目的地对各种评价结果进行空间分析，提高环境影响综合评价的处理速度和空间表现力，并按照不同的要求及时提供预测分析结果，在评价区域地图上对结果加以显示或打印输出⑻。2.2.3评价结果的查询建立在GIS基础上的环境影响评价，可以全面进行污染源排放数据、影响预测数据、区域人口数据、评价结果数据、地理位置数据等大量数据的快速查询，在查询的过程中，可以选择一点、一个区域进行查询，也可输入一定的查询条件（如综合污染等级为一级、污染物浓度大于某一特定值等），在评价区域进行筛选查询，查询结果会迅速显示出来，并在区域电子地图上标明。查询者还可以对电子地图任意放大、缩小、移动、旋转、居中，操作非常方便，为管理及决策者提供了快捷准确的技术帮助，这正是GIS的优势所在。2.2.4评价专题地图的生成应用GIS进行环境影响综合评价，评价人员可根据评价的要求，依据数据库中的原始资料，经过相关的分析计算后，得出区域环境影响评价结果，并将结果存入数据库中。由于数据库中的数据可以被应用软件任意调用，只要将数据与区域地图绑定，在地图上就可以运用一定的图形表示方式，自动生成显示评价结果专题图。GIS对数据进行图形表示的方式主要有条形图、点密度图、填充区域图及饼型图等，在进行环境影响综合评价结果的图形表示时，评价人员可随意选择专题地图的生成方式，GIS系统会自动生成相应的结果图。2.2.5多方案的优化评估在进行区域环境开发过程中，不同的开发规划方案对环境的影响不同，评价人员必须对每个方案的综合环境影响进行判断。GIS的空间分析(如缓冲区分析等)功能可以将不同方案造成的环境影响图形化地加以显示，并能自动统计计算不同等级影响的地理范围、影响以及受影响人数及其他自然和社会经济数据，是进行多方案优化评估的有力工具。同时，由于GIS强大的数据库管理、调用、检索功能，节约了大量的人力、物力和财力。2.3GIS在其他环境领域中的应用2.3.1环境规划环境规划处理，如流域的水污染控制、固体废弃物的处置场址选择、自然保护区的规划等都需要处理大量的空间信息。为了正确、科学地进行环境规划工作，必须有足够的、现时的环境状态与特征的信息资料，处理和分析这些数据的工作量是很大的。GIS在环境规划方面具有很大的优越性，它可以把各种数据按类型进行分类，并放在不同的图层(Coverage)上，各层之间可以进行运算、变换、叠加、旋转等。另外，在环境规划中可以利用GIS数据表达直观形象的特点使输出的结果图形化，更便于为人们所接受。2.3.2环境影响评价环境影响评价用以识别和预测某项人类活动对环境所产生的影响，解释和传播影响信息，制定出减轻不利影响的对策措施，从而达到人类行为与环境之间的协调发展。由于GIS能够集成符理与场地有关的数据，例如水质，空气质量、污染源、土地利用状况等，因而特别适合作为环境影响评价的分析和辅助决策工具。2.3.3环境处理环境处理是指运用经济、法律、技术、行政、教育等乎段，来限制人类损害环境质量的活动。通过全面规划，使经济发展与环境相协调，达到既要发展经济，满足人类基本需要，又不超过环境的允许极限。国家和地方各级环保局都需要大量环境质量数据和统计报表，而GIS能够处理大气质量、噪声、水资源、生物资源、社会经济数据等，并能够有效地组织这类信息来进行环境统计、土地利用规划及总体发展规划等。日前，已有许多城市建立了自己的环境信息系统，它可以搜索、存储、加工、传输本市的环境质量、污染物的排放和治理、清洁生产、环保产业与产品、自然保护、生态平衡、环境处理以及对外合作等相关的社会经济信息。还可利用GIS对环境监测信息、环境处理业务信息、排污申报信息、贮存收集的其它部门相关信息等进行数据分析。重点污染源是环境处理的主要内容，用GIS可以把重点源的地理位置、污染种类、污染负荷、对该地区的影响以及对区域环境的贡献等清晰地反映出来，同时还可以对重点污染源的各种污染要素进行分析和综合统一的处理，还可分不同层面对污染源进行显示处理。Ventura等就利用GIS对城市面源污染进行了分析和评价，并结合土地类型的分配，为采取控制措施提供决策依据。2.3.4减灾防灾及紧急事故竹理对于重大的环境事件，如有毒化学物质爆炸和泄漏等，环保部门要能在事故发生后根据不同的污染物质提出处理意见和各种防护措施，并为高层领导正确决策和指挥提供依据和条件。GIS提供的快速反应决策能力，对减灾、救灾工作具有重要意义。它可以应用于地震和洪水的地图表示、飓风和恶劣气候建模、石油泄漏事故规划、有毒气体扩散建模等。美国Geo-dynamics公司1993年10月利用GIS和准实时遥感数据，帮助Califormnia州州扑灭LaugunaBeach的大火［9］。他们提供的GIS分析结果为该地区政府及时了解火灾情况，制定有效恢复计划提供了巨大帮助。非工程防洪措施(Non-Structualmeasures是减缓洪涝灾害的有效方法之一，把GIS应用于流域非工程防洪研究可以提供与洪灾及灾害评估有关的历史、自然环境和社会经济现状的背景数据；可以对洪涝灾害的可能性、空间分布、危险程度等进行综合的分析、评价、模拟分析和趋势预测研究；可以辅助防灾、减灾决策分析，提供灾害快速评估与计算机辅助决策。2.3.5城市生态环境功能区划城市生态环境功能区划是为了揭示区域生态环境特点的空间变化规律，进行不同等级的区域划分，因地制宜对制定环境规划、管理与决策提供依据。利用GIS软件支持，可以更精确、更直观地对空间数据进行划分。把GIS应用于城市生态功能区划中节约了大量的人力、物力，可以提高工作效率，增加生态环境适宜度分析的科学性和客观性。应用GIS，区域的划分更趋细致，在GIS的图形中，栅格数据的分辨率可以大大提高，增加信息容量，准确反映客观事实。把GIS应用于城市生态环境功能区划，应该以建立相应的城市生态环境信息系统为发展目标，直接为地方环境处理提供数据、信息、决策和预测服务，同时，又为上级环境管理部门和环境处理信息系统提供信息支持。3GIS在环境领域的发展方向3.1强调专业模型与空间信息技术的结合由于数据库技术和其他相应技术的成熟，制约环境领域GIS发展的关键已不在数据管理上，而在对所管理的数据进行深层次的开发利用上。从20世纪90年代中期开始，人们就逐渐重视在GIS框架内建立空间过程数学模型的研究。未来环境分析模型与空间信息技术的紧密结合必将直接解决复杂的环境问题，提高环境管理的水平和层次，推动环境信息系统从“信息管理”型向“决策支持”和“专家”型等更高形式发展。3.2组件式GIS(ComGIS)突显重要地位许多环境研究者从多年的实践中认识到，环境地理信息系统的建设不应该建立在单个的桌面GIS平台上，ComGIS是当今GIS发展的重要趋势。如今，著名的GIS软件厂商已由原来向用户提供系统转为提供控件OCX或ActiveX，用户可以很容易的使用VB、VC或Delphi等开发工具，根据需要选择控件，开发自己的应用系统。ComGIS能成功解决传统GIS在软件开发、应用系统集成和用户学习使用等方面面临的困难，降低成本，具有无限扩展性等特点，因此，GIS在小型化、实用化上的突破会很大程度地促进我国环境领域中GIS应用从政府部门、科研单位向企业、商用乃至民用发展。3.3将真正解决二维、四维空间操作和分析目前的地理信急系统从根本上讲，只是对一维地理事物进行处理，虽能提供较为简单的二维显示操作功能，但完全的二维模型和时间模型尚未普遍使用。为了描述二维、四维地理实体，在扩充模型及计算机贮存结构上已有突破，但还没有完全解决扩充后的数据模型从表示到分析的一系列问题。相信不久的将来，环境地理信息系统可利用模型复杂的、动态的环境变化过程，把用户带进生动、逼真、自由的虚拟世界no］。3.4基于Web上的GIS逐渐完善现在，互联网技术日新月异，基于Web的GIS出现，并得到应用，环境地理信息系统建设从C/S型开始向B/S型转变，必将逐渐地完善。在日益强调环境信息公开和环境管理应加强公众和企业参与的情景下，借助Internet/Intranet和新型WebGIS技术，以及未来网络环境下集群(Cluster)，网格(Grid)等新的系统建设策略，可以极大地缩短环境管理的空间距离，飞快地传递、迅速地获取环境信急，促进公众了解自己所置身的环境质量情况和环境问题的根源所在，自觉参与到环境保护中去。3.5智能化的GIS研究经久不衰海量的数据和数据库伴随通讯、互联网技术飞速发展并猛烈袭来，人们对智能化GIS的呼声愈来愈高。长期以来，此类研究处于艰苦的摸索阶段；被期望能解决复杂的专业问题，擅长于不确定知识表示的专家系统(ES)虽在环境科学研究中有所应用，但尚未能达到实用程度；而由对象技术应用对象、对象类结构、对象间的通讯来描述客观世界，可以直接定义和处理复杂的地物类型而倍受重视；数据挖掘(DataMining)从海量数据中发现隐含的、先前不知道的、潜在的有用信息，可使GIS查询和分析提高到发现知识的新阶段[11]相信经过不懈的努力，智能化GIS的探索会有实质性的进展。目前，GIS技术在我国环境领域的应用还比较肤浅，但它的影响是不可低估的。随着社会的进步、计算机技术和环境科学的发展，未来的GIS技术应用前景非常广阔。参考文献傅肃性.世纪之交地理信息系统的理论与应用发展[J]•地球信息科学,1999,(2):17-23.汪小钦