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地理信息系统技术在岩溶环境学领域的应用

  摘 要 地理信息系统(Geographic Information System,以下简称GIS)是在计算机软硬件支持下,对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。在土地利用规划、地表自然过程分析、脆弱性评价,污染治理等方面均能发挥不同程度的作用。特别是对大范围,地表地下属性均匀变化的研究目标具有很好的适用性。而岩溶区因其地表地下表现出的不均一性,对GIS的使用提出了不小的挑战,国内外的岩溶学者和GIS学者都进行了不同程度的研究。本文在尝试对GIS技术在岩溶学方向的应用作出简要综述后探讨GIS以及3S技术在岩溶环境学领域的应用。
  关键词 地理信息系统;岩溶环境学;3S技术
  中图分类号P208 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2011)37-0121-03
  0 引言
  进入21世纪以来,GIS技术及3S技术做为新兴技术,被广泛的应用于和地理位置相关的各领域。最近20几年地理信息系统和数据管理系统被广泛的用于发展岩溶地物数据库的空间分析和资源管理领域[1~5],许多国家已经建立全国范围的岩溶地物数据库以增强数据获取和资源管理能力[6,7]。而这一工作在国内相对较少,国内进行的较多研究是在小区域范围内的GIS建立,以及为特定研究提供服务支持,如研究云南小江流域的地下水质量和土地利用变化[8],或是特定区域的脆弱性评价研究[9~11]。之所以大区域范围的GIS建立存在的困难也是基于我国岩溶区的特点,在形成的背景条件上由于面积辽阔,大陆部分碳酸盐岩古老坚硬,新生代大幅度抬升,季风气候水热配套及未受末次冰期冰盖刨蚀,因此碳酸盐岩的分布有较大的环境跨度,各种岩溶形态有较好的保存 [12],岩溶类型区域差别较大,所以为了建立全国性的大范围的岩溶地物数据库,前期局部和小区域的研究既是因地制宜的方案,也为全国范围的岩溶地物数据库建立打下基础。而岩溶区GIS的建立相较之传统GIS的建立也有其特殊性,如岩溶区特有的管道系统导致物质和能量的不均一快速运移,使在运用一些常用空间分析方法时应多加注意适用范围。我国岩溶区面积广大,且蕴含多种矿产资源,同时又分布在两个人口密集带,岩溶区也面临人口资源与脆弱环境符合地带的贫困问题。尤为是在西南地区,且多处于山区地带,数据收集工作与经济支持较小,也为岩溶区地理信息系统的建立带来不少难题。本文旨在综述现今GIS技术在岩溶学中的应用,并对未来我国岩溶GIS建立进行尝试性探讨。
  1 脆弱性评价
  岩溶区由于其地质特点,丰富的地下水资源往往作为该区域重要的生活生产用水,因此对于岩溶区地下水资源的保护尤为重要。而岩溶地区由于其地下复杂的管网和裂隙,造成了污染物通过管道流快速扩散及埋藏于地下难治理。为了跟好的预防岩溶地区地下水资源的污染,对岩溶水资源进行脆弱性评价成为先进岩溶学研究的一个热门领域。全球各地学者根据研究区域的不同选择适当的脆弱性评价模型对区域进行研究,研究的较为广泛的是区域的固有脆弱性评价(Intrinsic Vulnerability),即由地质,水文和水文地质学特性造成的地下水脆弱性,因此与具体污染物及污染情况无关,且具有共通性,研究得到的模型具备广泛适用性,现今已有的脆弱性评价模型有EPIK,DRASTIC,GOD,AVI,ISIS,SINTACS,REKS,爱尔兰模型,德国模型,奥地利模型等,其中尤以EPIK,DRASTIC,以及后来含有较少参数的PI模型应用较为广泛,既能较好的模拟研究区域的地理过程,且多次被证明具有较好的普遍适用性。
  利用模型和GIS工具对岩溶区进行脆弱性评价的研究有很多,其主要的研究目的不仅仅局限于得到一个区域的固有脆弱性评价,也为污染物的特殊脆弱性评价和确定地下水资源保护区作为基础,并且讨论模型使用的范围和局限性。如利用EPIK和GIS工具确定地下水保护区的研究[13],利用DRASTIC模型和GIS工具对Hajeb-jelma的含水层进行的脆弱性与风险评价[14],利用SINTACS模型对Jordan Valley的冲积平原含水层脆弱性的评价[15]。而单一模型的应用往往也不能很好的模拟一个研究区域的地理过程,因此在基础数据较为齐全且有多个模型可供选择使用时,研究者们往往将多个模型结合起来使用,已得到更精确的模拟结果,如利用EPIK方法中提到的K因子(即Karst Network)并将其概念扩展为岩溶水饱和区,以进行垂直方向上地下水运移路径的脆弱性评价,并结合COP方法进行固有脆弱性评价进行从资源到源头的系统的脆弱性评价。[16]还有一些学者,为了得出更准确的结果,在进行固有脆弱性评价的结果上,加入地区主要污染物的地下水含量进行校正,以使研究结果更有针对性,如Erhan Sener对Turkey的Isparta地区在利用DRASTIC进行固有脆弱性评价的基础上,用地下水的氮元素含量进行校正并利用土地利用类型图对结果进行了验证,得到了理想的研究成果。[17]同样在利用污染物在地下水中的浓度值校准DRASTIC方法得到的脆弱性评价图的基础上,Ahmad Jamrah等加入了由1995至2004年的数据得到的DRASTIC脆弱性评价图序,并得到时间维度上的脆弱性变化,并且由于时间跨度较短,可以藉此区分由地质背景引起的固有脆弱性评价的因子有哪些,因为他们的变化随时间变动较小,同时由于研究区域滨海,也验证了DRASTIC对于滨海岩溶区也适用[18]。
  将岩溶学,GIS,RS,脆弱性评价模型和同位素研究结果的地域分布情况结合以获得准确的脆弱性评价结果,将GIS技术与传统研究方法结合也取得了一定进展,由此可以看出脆弱性评价由于其学科交叉的特性,其研究思维是十分活跃的。
  对于不同岩溶组合岩溶地貌的脆弱性评价也有广泛的发展,如对伊朗的Izeh坡立谷利用修改的DRASTIC模型进行的脆弱性评价并用地下水中氮元素含量进行校正。[19]同时也有对于不同方法的探寻与适用性的研究文献,如评价利用数字矢量地质四边形(DVQs)结合高程数据来进行水文地质学定义的敏感区和由可能灌入大量地下水引起的敏感区确定。同时证明该方法较之DRASTIC和DIVERSITY方法更适合于Kentucky[20]。
  在这些研究中GIS工具往往作为最终结果的展示,以及空间叠加分析,也正是因为GIS中图层概念的引入,才使得利用多图层来得到脆弱性评价最终结果的思路得以产生。而脆弱性评价对于岩溶区水资源的保护及岩溶区资源开发利用规划的指导意义是毋庸置疑的,但同时,进行详尽可靠的脆弱性评价离不开大量的基础数据收集,如果没有足够详尽的数据,其结果的可靠性和可信度将受到影响,也不能很好的对岩溶区经济建设发展规划起到指导作用,因此采用的较少参数的折中办法更多的是起到号召和警示的作用,以期争取更多的社会关注和资金投入,从而推动进一步的深入研究。
  2 GIS在石漠化治理上的应用
  石漠化作为岩溶区环境恶化的一个重要表现,极大的影响了岩溶区的经济发展与生活条件。因此岩溶环境治理的很多研究都围绕着石漠化在开展,而GIS由于其对大区域范围的系统分析具有优势,因此在石漠化治理和预防上也有较多应用。
  如对水土流失的研究,岩溶区水土流失是造成石漠化的原因之一,利用修订的土壤流失方程(RUSLE)与GIS结合,并根据土地利用数据,对猫跳河流域进行了水土流失分析。[21]还有些学者设计了石漠化动态监测和可视化信息管理系统,结合了3S技术对地表植被变化和土地利用类型变化进行了监测,[22]以及对石漠化区域的扩大进行监测的研究。[23]还有些学者进行了石漠化程度的分级与表达,利用径向基础函数网络评估石漠化产生的风险,利用遥感图像解译出造成石漠化的影响因子并利用GIS的空间分析功能将研究区从低到高分为了23个石漠化等级,为石漠化治理提供了依据。[24]GIS技术对岩溶区石漠化研究提供了管理,显示,监测,及空间分析预测的技术支持。相比传统的研究方法,具备了宏观性,即时性,系统性和预见性。通过GIS和RS的结合,方便研究石漠化的动态发展并通过系统分级根据不同级别制定不同分案,因地制宜的治理岩溶区石漠化问题。
  3 GIS在岩溶学其他领域的应用
  GIS作为工具,也被广泛的应用于与岩溶学研究相关的其他领域。在利用孢粉研究古气候方面,在东哥伦比亚,利用孢粉数据和逻辑回归方法得出气象变量来分辩热带稀树草原和森林的边界,然后利用GIS的插值技术将这些数据进行地表植被类型制图,得到地表类型与气象变量之间的关系,并与传统方法对比有较高的准确度,可以应用于对未来的预测和对研究过去的气候现象,其适用性与孢粉采样点的数量,分布情况和孢粉年龄分布情况相关。[25]虽然与岩溶学研究没有直接相关,但利用孢粉研究还原古气候也在岩溶学研究中多有利用,所以可以借鉴此种方法获得更好的效果。在研究地质灾害方面,在俄罗斯的Dzerzhinsk岩溶区,对岩溶含水层的潜水层变化数据、土壤强度数据利用GIS系统将数据整合并制图得到潜蚀引起的地面塌陷的分布预测结果。[26]在西班牙的Ebro盆地的Zaragoza地区,岩溶过程在发育于第三纪蒸发岩上的河流阶地上的潜伏层岩溶区进行的尤其剧烈,自第四纪以来,这一过程导致了坍塌和塌陷天坑的形成,因此利用地貌数据,灌溉和地下水潜水面数据采用逻辑回归和地理信息系统得出天坑预测图,从而减少地质灾害造成的经济影响和安全危机。[27]城市中的落水洞会引起地面塌陷,公路损毁和房屋倒塌,因此在福罗里达州的中西部,结合了临床传染病学的概念,遥感技术和GIS技术来分析可能产生落水洞的地点,并对规划与管理给予一定的支持。[28]这些应用通过GIS技术中的分层概念,将多种地理信息通过融合,并通过直观的表达方式传递给决策者,从而使理论到实践更为便捷。为了研究地下水水质因子的时空变化,在土耳其Izmir的Mount Nif岩溶区,取自57个采样点的数据被用于制图,得到了各个水质因子的空间展布与时间变化情况,并为进一步进行差值分析做好基础,同时利用统计学验证地下水水质变化与季节变化是否具有统计学上的相关性。[29]
  空间数据库的建立,对于系统管理地理信息和进行空间分析以及相关研究提供基础支持,而针对岩溶区的特殊性岩溶地物信息数据库的建立因其特殊性也被广泛研究,同时对于空间数据的显示以及数据的共享也因此受到了广泛关注,如利用网络进行数据共享基于WebGIS技术而建立的网络岩溶图册系统[30],以及在明尼苏达州利用Microsoft Access和ArcView建立了岩溶地物关系数据库和数据空管理系统[31]并在后续研究中利用建立的数据库添加了空间分析功能[32],为了更好的研究岩溶区地貌,利用三维技术表达岩溶区的特征地物,建立了能够同时进行二维和三维显示的地理信息系统[33],结合了地质学,地下水水文学,地理信息系统,数据库管理系统,可视化技术和数据挖掘技术建立的岩溶区虚拟现实的三维建模,为政府制定水资源发展及保护提供了技术支持[34],这些工作为今后利用计算机辅助岩溶区,和更好的利用GIS的空间分析功能提供了基础,也在岩溶地物的计算机和图形化表达方面取得了一定的进展。
  GIS技术在岩溶领域的应用还有许多,如利用遥感图像和GIS技术对高山岩溶的检测与特性的总结,[35]利用遥感图像评估地下水补给区的潜在补给能力,[36]利用基于GIS的GIP(灰阶编程)模型确定如何分布监测站。[37] 这些应用领域将GIS与RS进行了结合,对于大范围的区域研究提高了效率。
  4 GIS技术未来在岩溶研究中的应用
  基于GIS技术目前发展的方向,对于地物和地理现象的表达越来越接近于实际,而GIS也作为计算机技术与地理学科之间的桥梁,正因此将计算机的前沿技术引入当今的地学研究领域,从而将繁重复杂的数据管理和海量数据分析过程交给计算机处理,使研究人员将注意力更集中于研究内容上。以往制约GIS,RS和GPS技术在岩溶学领域中的广泛应用的主要屏障是由于岩溶区涉及较多地表与地下的地理过程关系,由于传统的二维GIS技术不能很好的表达这种关系,所以只在研究补给区和污染方面有一定的应用,而根据现今的发展情况来看,三维GIS技术愈发走向成熟,利用三维建模,可以很好的表达地表与地下的关系,从而将GIS技术广泛的应用于岩溶领域的研究。数据挖掘技术,或许能够通过多数据融合来解决地表与地下分水岭不同的难题,从而更为准确的确定地下河的补给区。而且,GIS技术的应用同时对数据的获取提出了更高的要求,当今地理数据的采集和整理在国内不是十分完善,也不能做到很好的共享,因此存在很多重复性工作,同时由于中国岩溶区多分布于西部较贫穷地区或是山区,数据采集存在很大程度的困难,因此GIS与岩溶研究的集合在中国还存在很多难题,GIS是一种基于数据的技术,因此若要使GIS技术在岩溶领域有更多的应用,还需要很多进行很多工作。
  
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