論GIS在環(huán)境管理及評價方面的應用

論ＧＩＳ在環(huán)境管理及評價方面的應用

摘要：論述了地理信息系統(tǒng)(GIS)的組成、功能、特點以及在環(huán)境科學中的應用,主要綜述了GIS在土地資源、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、水資源中的應用以及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：地理信息系統(tǒng)；環(huán)境科學；土地資源

1GIS在資源環(huán)境中的應用

1.1GIS在土地資源中的應用

(1)土地資源清查。

20世紀60至70年代,加拿大就建立了土地清查地理信息系統(tǒng)(CGIS)，它可以在快速方便地輸入實地詳查資料的基礎上,按要求輸出各類土地面積、土地利用現狀分布圖以及坡度坡向圖,也可按用戶特定要求輸出不同年代的土地利用類型等相應圖件。國際土壤學會于1986年開始著手建立1∶1000000的世界土壤O土地數字化數據庫(worldsoilsandterraindigitaldatabase簡稱SOTER)，希望利用GIS技術完成全球性的土地資源清查。在我國,地理信息系統(tǒng)用于土地資源清查起步較晚,但發(fā)展迅速,它大大方便了土地資源清查與數據共享,為土地資源的合理利用與可持續(xù)發(fā)展提供了決策信息服務。

(2)土地資源評價與管理。

土地資源評價與管理是地理信息系統(tǒng)應用最早的和較為成熟的領域之一,由此產生了一系列的土地管理信息系統(tǒng)(LIS)。早期的有美國紐約土地利用與自然資源信息系統(tǒng)(LUNR)，美國明尼蘇達土地管理信息系統(tǒng)(MLMIS)。

20世紀70年代以來土地資源信息系統(tǒng)得到迅速發(fā)展和普遍應用,出現了巨大的加拿大國家土地信息系統(tǒng)(CanGIS)，新西蘭微型計算機土地信息系統(tǒng)(MIDGE，Giltap)，澳大利亞SIRO土地利用規(guī)劃信息系統(tǒng),以及英國發(fā)展的土地資源信息系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都將土地評價和規(guī)劃過程相結合,并適用于土地管理,具有綜合性和實用性。我國土地資源信息系統(tǒng)始于20世紀80年代后期,但發(fā)展較快,戴旭利用ARC/INFO信息系統(tǒng)應用于農業(yè)土地資源評價，傅伯杰以延安地區(qū)為例建立了資源評價信息系統(tǒng),周慧珍和賀紅士等建立了區(qū)域微機土壤信息系統(tǒng),分別對實驗區(qū)進行了土地退化評價、土地利用變遷分析和土地肥力評價,倪紹祥、黃杏元等利用土地評價信息系統(tǒng),改善了土地適宜性評價的效率和精度,將土地適宜性評價和土地利用規(guī)劃決策聯(lián)系起來。

1.2GIS在生態(tài)環(huán)境中的應用

(1)生態(tài)環(huán)境管理規(guī)劃與宏觀決策。

地理信息系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境研究中應用廣泛,主要有環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境質量評價與環(huán)境影響評價、環(huán)境預測規(guī)劃與生態(tài)管理以及面源污染等?？臻g監(jiān)測信息的綜合加工與快速而形象的反映是環(huán)境管理的迫切需要,監(jiān)測信息的綜合分析是一個復合型的巨大系統(tǒng),引入地理信息系統(tǒng),不僅可滿足上述要求,而且可作為支持系統(tǒng)的有利工具。

通過GIS與這些模型結合可以確定面源污染的影響因素、形成機理和分布規(guī)律,在實踐中發(fā)揮了很好的作用。在我國,面源污染研究起步較晚,仍不夠深入,主要是借用國外的一些模型進行土壤侵蝕研究和污染物總量控制,而面源模擬實驗進行得很少。

(2)自然災害預警及災情分析。

從國內外發(fā)展狀況看,地理信息系統(tǒng)技術在重大自然災害和災情評估中有廣泛的應用領域。從災害的類型看,它既可用于火災、洪災、泥石流、雪災和地震等突發(fā)性自然災害,又可應用于干旱災害、土地沙漠化、森林蟲災和環(huán)境危害等非突發(fā)性事故。就其作用而言,從災害預警預報、災害監(jiān)測調查到災情評估分析各個方面,綜合起來有如下幾點:①進行災情預警預報;②對災情進行動態(tài)監(jiān)測;③分析探討災情發(fā)生的成因與規(guī)律;④進行災害調查;⑤災害監(jiān)測;⑥災害評估。

1.3地理信息系統(tǒng)在土地資源與生態(tài)環(huán)境應用中存在的問題

(1)數據來源與數據質量難以保證。

土地資源與生態(tài)環(huán)境問題涉及土壤學、環(huán)境學與地理學等各個學科領域,其影響因素復雜,需要數據量大且要求質量高。然而由于儀器設備以及人力物力的限制,許多土地資源與生態(tài)環(huán)境數據難以獲取。而且現有數據也往往由于數據來源不一、數據格式各異、年代不同等原因造成土地資源與生態(tài)環(huán)境數據質量難以保證,特別是數據格式不一,使各地區(qū)的數據難以共享,嚴重影響了GIS的應用。同時,地理信息系統(tǒng)最基本特點是每個數據項都有空間坐標,即首先定位,才能使定性定量的屬性數據與空間數據相連,而傳統(tǒng)的人工采集與野外調查數據空間定位能力差,并且往往以點代面,不可避免的帶來了各種誤差。因此數據來源與數據精度一直是GIS技術真正解決土地資源與生態(tài)環(huán)境問題的一個“瓶頸”。

(2)專業(yè)模型缺乏通用性。

現代土地資源與生態(tài)環(huán)境研究從世界范圍和歷史發(fā)展來看,許多發(fā)達國家已從第一階段的側重調查、分類和制圖,進入第二階段的側重模擬、監(jiān)測和管理。在這個階段,問題的解決依賴于模型的建立,然而現有的模型多是面向某一地區(qū)特定條件下建立的,大多不具有空間和時間上的可移植性。

(3)系統(tǒng)集成性差。

集成是將基于信息技術的各種資源及分析方法(計算機硬件、軟件、模型、接口及傳感器)集成一個協(xié)同工作的整體。隨著地理信息系統(tǒng)在土地資源與生態(tài)環(huán)境中應用的深入,建立了一大批相關地理信息系統(tǒng)。這些專業(yè)地理信息系統(tǒng)數據庫模型、專業(yè)模型以及兩者之間的接口和GIS之間的連接方式均不一樣,界面不統(tǒng)一不友好。GIS的數據模型仍然缺乏環(huán)境模擬所需的時空結構,GIS軟件系統(tǒng)也不能夠同時處理時空數據的結構可變性以及建立和檢驗過程的算法可變性。

1.4GIS在水資源與生態(tài)環(huán)境中的應用

由于水資源與生態(tài)環(huán)境評價牽涉面廣，涉及數據信息來源多，因此需要運用多種手段進行分析研究。遙感技術、技術和管理信息系統(tǒng)技術在水資源與生態(tài)環(huán)境評價中的綜合應用是未來發(fā)展的趨勢。用于實時、快速地提供大面積地表物體及其環(huán)境的幾何與物理信息和各種變化，是綜合處理非空間數據的平臺，同時也為空間數據提供了屬性信息，則是對多種來源時空數據的綜合處理分析和應用以及展示的平臺。項技術綜合運用將對大范圍改善水資源與生態(tài)環(huán)境之間的關系發(fā)揮巨大的作用。

基于水資源與生態(tài)環(huán)境評價管理信息系統(tǒng)的主要用戶對象是系統(tǒng)內部戶，目前組件技術已相當成熟，并且由于結構的設計不受開發(fā)方式的限制，可以將的分析功能發(fā)揮至極致。水資源與生態(tài)環(huán)境評價管理地理信息系統(tǒng)由專題管理系統(tǒng)、空間數據管理系統(tǒng)及空間數據編輯系統(tǒng)I部分組成。

專題管理系統(tǒng)是水資源與生態(tài)環(huán)境評價管理地理信息系統(tǒng)的核心部分，其主要任務是提供空間數據與屬性數據進行連接的工具，建設專題信息，將空間數據和水資源與生態(tài)環(huán)境評價所需的屬性數據結合成為有機的整體，使空間數據信息為水資源與生態(tài)評價服務，并在此基礎上完成對空間數據和屬性數據進行雙向查詢，既可以對屬性庫進行各類查詢，又可將查詢結果直觀地在地圖上表示出來，也能以地圖為工具，查詢圖上各空間要素的詳細資料，通俗的說，也就是從表到圖、從圖到表的雙向信息查詢，使信息達到既形象直觀又詳盡、具體的完美統(tǒng)一。專題管理系統(tǒng)還提供對空間信息進行量算、數據顯示和輸出及其他輔助功能。

1.5環(huán)境影響評價

環(huán)境影響評價用以識別和預測某項人類活動對環(huán)境所產生的影響,解釋和傳播影響信息,制定出減輕不利影響的對策措施,從而達到人類行為與環(huán)境之間的協(xié)調發(fā)展。由于GIS能夠集成管理與場地有關的數據,例如水質,空氣質量、污染源、土地利用狀況等,因而特別適合作為環(huán)境影響評價的分析和輔助決策工具。2GIS的發(fā)展趨勢

2.1RS、GPS和GIS一體化技術的應用

RS(遙感)作為一種獲取和更新空間數據的強有力的手段,能提供實效性強、準確度高、監(jiān)測范圍大、具有綜合性的定位定量信息,于是RS信息便成了地理信息系統(tǒng)十分重要的數據源,它有助于GIS數據庫的及時更新,確?，F實性,特別是環(huán)境動態(tài)監(jiān)測,自然災害防治以及土地利用分類等方面,具有其它類型數據所無法代替的優(yōu)越性。GPS(全球定位系統(tǒng))是美國在24顆衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的最新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它由三部分組成,即空間部分、地面監(jiān)測部分和用戶部分。GPS為RS影像數據和GIS數據提供精確定位信息。在當今全球變化研究、土地資源與生態(tài)環(huán)境、信息技術高實效性要求日益急迫的情況下“3S”一體化技術必將成為重要發(fā)展方向之一。

2.2應用模型的開發(fā)

目前應用模型的研究比較引人注目的是:①引進空間化的數理統(tǒng)計和系統(tǒng)分析方法。②通過實例研究,建立專業(yè)模型。在GIS應用中,應用模型是聯(lián)系GIS應用系統(tǒng)與常規(guī)專業(yè)研究的紐帶,模型的建立必須以廣泛的專業(yè)知識為基礎。這既是解決專業(yè)模型的關鍵,也是GIS功能的擴展。因此應用模型研究是今后研究的重點和發(fā)展的主要方向之一。

2.3模型驅動的決策支持系統(tǒng)的發(fā)展

以模型庫為驅動核心的空間決策支持系統(tǒng)以決策的有效性為目的,建立決策模型和空間復合運算,在不同的決策階段予以不同的支持,支持決策的全過程,從而避免了運用GIS在空間信息的分析評價、時空分析、預測和模擬及。決策等過程中模型分析功能的不足。因此GIS在土地資源與生態(tài)環(huán)境中的傳統(tǒng)應用階段必將走向空間決策支持系統(tǒng)發(fā)展階段。

2.4人工智能的應用和專家系統(tǒng)的開發(fā)

20世紀80年代開始的以知識為對象的信息處理,注意利用人工智能(AI)的方法,通過專家知識的規(guī)范化建立知識庫,發(fā)展專家系統(tǒng)。利用這種智能型的地理信息系統(tǒng)來解決不能用算法解決的復雜問題,將使GIS的應用領域獲得更大的拓展。

2.5標準化是發(fā)展方向

制訂統(tǒng)一的規(guī)范和標準是信息系統(tǒng)共享的基礎。美國、日本、法國和加拿大等國都十分注意全國性的統(tǒng)一規(guī)劃和標準。我國應吸取國際經驗結合本國實際,開展關于資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家規(guī)范的研究,以便科學而準確地規(guī)定系統(tǒng)中的內容分類,數據格式、控制體系、精度標準和技術名詞等,以保證不同系統(tǒng)之間的交換和數據共享。

2.6網絡地理信息系統(tǒng)的發(fā)展

網絡技術的發(fā)展,給新一代GIS技術重構帶來了巨大的機遇與挑戰(zhàn)。GIS的空間分析方法由原理驅動轉變?yōu)閿祿寗?采用主流技術的標準與協(xié)議,實現GIS