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地理信息系统(GIS)在环境保护方面的开发应用

  摘要:文章就地理信息系统GIS及其应用做了简单介绍,着重对环境保护的空间特性和发展要求对地理信息系统发展的依赖联系做了专题论述,以期在环境保护特别是环境监测工作中计算机技术、空间技术和自动化技术及GIS系统得到广泛应用。
  关键词:地理信息系统;环境保护;空间数据;校验模块;数据储存
  中图分类号:X22 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2013)02-0057-03
  系统论、信息论、控制论与现代高新技术——计算机技术、空间技术和自动化技术的结合发展,催生了4S技术(GPS全球定位系统、GIS地理信息系统、RS遥感信息系统和专家信息系统)在诸多领域的实际应用。本文拟就其中的地理信息系统(GIS)在环境保护工作方面的开发应用做一简单探讨。
  1 地理信息系统(GIS)简介
  地理信息系统(GIS)是以地理空间数据库为基础,在计算机软硬件支持下,对空间的相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和演示,并采用地理模型分析方法,适时提供多种空间和动态的地理信息,为地理研究和决策服务建立的计算机技术系统。即将自然和人为规划的过程加在数据模型上,取得自然过程分析和预测信息,应用于管理和决策。当前主要划分为三种类型:具有有限目标和专业特点的专题信息系统如水资源GIS、环境管理GIS;以区域综合研究和全面信息服务为目标的区域信息系统如美国橡树岭地区GIS、我国黄河流域GIS等;具有图形图像数学化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等GIS基本功能的软件包工具如美国环境系统研制的ARC/INFO系统、北京大学的Spaceman等。
  GIS系统由计算机硬件、计算机软件、地理空间数据和系统开发管理使用人员四部分组成,地理信息系统软件包括五类基本模块。
  (1)数据输入和校验模块将现有地图、观测数据、传感器获取的数据转换成计算机兼容的数字形式的各种转换软件,数据检验是对数据出现的错误进行改正。
  (2)数据存储和管理模块涉及地理元素的位置、连接关系及属性数据如何构造组织,便于计算机处理和系统用户理解(GBMS),包括数据格式的选择转换、联结、查询和提取。
  (3)数据变换模块包括两类操作:从数据中消除错误、更新数据和与其他数据库匹配及为回答GIS问题而采用的大量数据分析方法、空间数据与非空间数据的变换运算。如空间分析函数变换是对图件及其属性数据进行分析运算和指标量测,如基于点和象元的算术逻辑运算、聚类分析等;基于区域的空间函数叠加分类、区域形状量测;基于邻域的象元连通性、扩散、最短路径搜索等。这些转换分析和应用既包括比例尺和投影的数字变换、处理和分析,还包括地理空间模型的建立。
  (4)数据显示与输出:原始数据或结果传输给用户,以报表、统计图、查询应答、地图形式在屏幕显示、打印绘图输出或网络传输给其他用户。
  (5)用户接口:接受用户指令、程序或数据如用户界面、程序接口、数据接口,使GIS成为人机交互的开放式系统,为用户联结各自特定的应用程序模块和使用非系统标准的数据文件。
  应用分析软件是根据模型编制的用于某种特定应用程序的程序,是系统功能的延伸和扩展,应用程序作用于地理专题数据或区域数据,构成GIS的具体内容,用于地理分析和从空间数据中提取地理信息。应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性。地理信息系统(GIS)在环境保护方面的开发应用主要工作是在此基础上开发应用相关的环境保护的程序和软件,如环评、规划、监测和预测、判断特定气象气候条件下的区域环境影响等。
  地理空间数据是以地表空间位置为参照,描述自然、社会和人文、经济、景观的数据,如图形、图像、文字、表格、数字等,由系统建立者输入GIS,是GIS表达现实世界的实质内容。应用的数据模型包括三个互相联系的方面:
  (1)几何标识地理实体的空间位置,如经纬度、平面直角坐标等。
  (2)用拓扑关系表达的地理事物间的空间联系,如枢纽关系、构成关系、包含关系等。空间拓扑关系应用于地理空间数据的编码、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析是GIS的特色之一。
  (3)地理现象或事物的属性数据,是与地理实体相联系的地理变量,如描述名称、类型、特性等的气候类型、土地利用、行政区划等的定性数据以及描述面积、长度、土地等级、人口数量、降水量、极端温度等定量数据。属性一般是经过分类、命名、测量、统计等抽象得到,而GIS的应用主要依靠对数据的操作和运算来完成,所以其分类系统和指标建设及测量对系统应用至关重要。
  GIS独有的空间数据结构和数据编码及其管理方法和数据分析能力,为空间相关的各类研究和管理应用开辟了广阔的前景。当前在资源清查、城乡规划、灾害监测、环境管理和宏观决策等方面的应用表现出直观、快捷、准确、预测及时及覆盖范围广等独具优势。
  当前GIS自身的发展趋势集中在以下方面:空间数据结构与数据管理趋向于栅格和矢量结构格式的统一、图形空间压缩技术以及真三维、时空四维等结构;数据自动输入技术;微机化;与RS遥感的进一步结合;智能化(与专家信息系统结合);建立具有统一标准的分布式系统;GIS教育;GIS模型应用开发以及GIS应用的推广和加强。
  2 环境信息系统与GIS
  环境保护既是当前全球的统一共识,也是各个国家和地区可持续发展的重要前提。它与地域空间的紧密联系、受影响程度的广域性以及局域内与地形地貌、空间气象、工农业生产、生活消费、城市布局、本地环境因素、环境变化自身的渐进性和突然性、对人居和生产的影响程度的关联等特征,使我们在研究与管理中迫切需要GIS这样一种先进的地域性计算机研究和管理手段。
  2.1 我国当前环境信息系统的功能
  对于巨量的环境数据,应使其有效地为环境管理决策服务,当前环境管理信息系统的功能大致有以下几点:   2.1.1 为环境管理部门提供数据和信息存储方法(基础数据库系统)。
  2.1.2 提供环境管理的统计数据、报表和图形编制方法。
  2.1.3 建立环境污染的若干模型,为环境管理决策提供支持。
  2.1.4 提供环保部门办公软件。
  2.1.5 提供信息传输的方法和手段。
  例如上海市环境管理信息系统建立了动态数据库,可以存储环境监测数据和其他有关数据(如环境标准、水文、气象等),实现了数据共享;对环境质量状况的统计、评价、预测、规划以及其他管理提供支持;为实现面向污染源的污染管理提供支持且界面友好。由吴晓波等人研制的城市环境信息系统(UEIS)是一个空间型的环境信息系统,以“人口-资源-经济-环境”区域综合体为研究对象,深入研究它们内部和彼此之间的相互关系与变化规律,为城市区域环境管理决策及其他服务提供了一种现代化的技术手段,其主要功能是完成日常城市环境规划、管理、决策及科研所需数据的存储更新、查询检索、统计分析和绘图制表等任务;利用常规监测和调查数据,完成以总量控制为目标的各项工作如环评、发展预测、环境模拟与规划等;利用遥感数据,完成对城市生态变化的检测与评价有关工作如城市生态遥感制图、城市用地结构、空间质量及社会环境评价。
  2.2 数据组织及应用模型
  UEIS的数据组织用来源、类型及结构(字符型、数据型和少量日期型)和组织形式描述,系统的基础数据包括区域背景(地理图文、遥感影像)、环境信息(环境背景值、污染源、监测、统计、标准等)和辅助信息(人口、经济、水文、气象等),属性数据以DBF文件的形式存放,由关系数据库FOXBASE管理,图形以VEC的形式存放,由系统管理。应用模型是系统的中心,有大气现状评价、大气质量预测与大气环境规划三个应用模型和城市用地结构、空间质量及社会环境三个评价模型。
  2.3 技术特点及不足
  UEIS在GRAMS支持下,结构功能性能能满足城市环境管理与城市生态评价等要求,是一个以城市生态为主要对象的多功能多目标的GIS应用系统,灵活通用的检索查询使已有数据库数据得以有效利用,实现了模型的计算,把遥感信息列入环境应用领域,界面友好。不足是图形图像的扫描、图形与属性数据交互查询、环境模型应用、维度扩张、环境数据库功能有待进一步完善。
  3 结语
  利用4S技术开展环境保护诸项工作和研发已成为21世纪的趋势和潮流,我国在北斗定位、环境卫星等领域已做了大量成功的努力,在环境保护领域进一步应用已有先进技术手段节省成本、快捷高效、可靠度高的优势将越来越凸显。环境工作人员在应用GIS中不仅要努力做好专业基础方面的工作,应同时高度重视GIS技术的自身发展趋势,不断在图形空间压缩技术以及真三维、时空四维;数据自动输入技术;与RS遥感的进一步结合;智能化(与专家信息系统结合);建立具有统一标准的分布式系统;GIS模型应用开发以及推广和加强方面与系统开发人员加深交流,使环境保护工作不断向全球化、科学化、精确化、现代化、综合化深入。
  作者简介:王博(1975-),男,陕西省礼泉县环境监测站助理工程师,研究方向:环境信息及水质处理。
  (责任编辑:周 琼)



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