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地理信息系统的发展与环境科学方面的应用设想

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  摘要地理信息系统是一种实用性很强的重要空间信息系统。自60年代以来,它在全球范围内得到了广泛的重视,无论在系统理论、研究方法还是在应用系统等方面都有着飞速的发展。该文综述了地理信息系统在国内外的发展、趋势和在环境科学领域的应用情况,并在此基础上结合计算机技术的当前发展对地理信息系统与环境科学的结合的未来进行了展望。
  关键字地理信息系统发展趋势环境科学应用
  中图分类号: B845 文献标识码: A 文章编号:
  1、地理信息系统的发展趋势
  目前,GIS界的几个前沿研究课题和发展趋势是:
  1.1Interoperable GIS
  随着GIS在各种应用领域的迅速扩展,GIS 本身的功能和结构也发生了很大的变化。地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS 的社会化和大众化等客观需求使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本,实现地理数据的共享和互操作成为共识。
  为此,美国成立了 Open GIS Consortium,旨在利用其提出的开放地理数据互操作规范(OGIS)给出一个分布式访问地理数据和获得地理数据处理能力的软件框架,各软件开发商可以通过实现和使用规范所描述的公共接口模板进行互操作,从而解决上述问题。目前,OGIS 规范初具规模,很多 GIS 软件开发商也先后声明支持该规范。国内的一些具有战略眼光的 GIS 软件商也在密切关注着 OGIS 规范,并已着手开发遵循该规范的基础性 GIS 软件,这些都引导着 GIS 向着 Interoperable GIS的方向发展。
  1.23D and 4D GIS
  GIS 处理的空间数据,从本质上说是三维连续分布的,但目前,GIS 的主要应用还停留在处理地球表面的数据上,大多数 GIS 平台都支持点、线、面三类空间物体,但不能很好地支持曲面(体),因为三维 GIS ( 在数据采集、系统维护和界面设计等方面要比二维GIS( 复杂得多,若数据是地表以上或以下的,则不得不先将其投影到地表,再进行处理,也就是说,系统以二维的形式来处理任何数据。这种试图用二维系统来描述三维自然现象的方法,必然存在不能精确地反映、分析和显示三维信息的问题。
  故而,三维GIS(目前的研究重点集中在三维数据结构的设计、优化与实现,体视化技术的运用,三维系统的功能和模块设计等方面,同时,地理信息系统所描述的地理对象往往具有时间的属性,即时态。随着时间的推移,地理对象的特征会发生变化,这种变化可能是很大的,而目前大多数地理信息系统都不能很好地支持地理对象和组合事件时间维的处理。因此,如何设计并运用 4D GIS 来描述、处理地理对象的时态特征也是个重要的研究领域。
  1.3WebGIS
  随着 Internet/Intranet 的迅速发展,利用 Internet 技术在Web上发布空间数据供用户浏览、使用是GIS发展的必然趋势,使得从WWW 的任一节点,Internet 用户可以浏览 WebGIS 站点中的空间数据,以及制作专题图,进行各种空间检索和空间分析,这就是基于 WWW 的地理信息系统(WebGIS)。对于 WebGIS 的实现方法,目前流行的有 Java编程法、ActiveX 法、公共网关接口法(CGI)、服务器应用程序接口法(Server API)、插入法(Plugins)等。虽然 WWW 技术还很年轻,WebGIS 的发展就面临着更大的困难,但应该看到,它必将是 GIS 走向社会化,公众化的有效途径,也是简化办公自动化系统的有效手段。
  1.4ComGIS
  组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一,ComGIS 便是顺应这一潮流的新一代地理信息系统。组件软件的可编程和可重用的特点使得 GIS 软件开发进入到一个新的阶段,即厂家提供组件由用户自己再开发,这将在很大程度上推动 GIS 软件的系统集成化和应用大众化,同时也很好地适应了网络技术的发展,提供了一种WebGIS 的解决方案。
  2、GIS在环境科学中的应用现状
  环境科学中,GIS应用领域包括环境影响评价、废弃物管理、环境修复、植被制图、自然资源管理、环境政策评估、地下水与土壤水模拟和环境污染物追踪等。目前涉及到生态环境评价的研究比较广泛,包括生态环境的脆弱性评价、生态环境的敏感性评价、生态环境的安全性评价、生态环境的健康性评价以及生态环境的可持续性评价等等。另外还有一些功能区划以及管理系统的设计,在实现目标的前期也是基于GIS的生态环境评价的过程。所有的这些生态环境评价大部分都是按照一定流程进行的,一般是确定目标、根据研究区域选取指标、指标的合理性判断、GIS分析处理数据、目标实现。GIS技术在废弃物管理、环境修复、植被制图、自然资源管理、环境政策评估、地下水与土壤水模拟和环境污染物追踪方面的应用也较广泛。利用GIS技术的辅助,实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面的评价,以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态;在野生动植物保护中,世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能,帮助世界最大的猫科动物,改变它目前濒于灭种的境地,都取得了很好的效果。在此过程中需要作海量的信息处理,包括对多种来源的信息的采集、处理、分析及对不同方案的比较、模拟、预测,要求不同方式的输出与显示方式。GIS的基本功能——空间数据的采集、检查与编辑;格式化、转换、概括;储存与组织;分析;显示得到了充分的体现。
  3、对于GIS与环境科学结合的发展构想
  由上述可看出,现阶段,环境科学领域中对GIS的应用已相当广泛。我认为,过程模拟将使GIS在环境科学领域的应用更为重要。
  在当下中国,导致大量人员伤亡的矿难等的事故经常发生,当中很多原因包括安全预警不到位、对井下环境不熟悉、无法及时获悉事故发生地点等。我认为,在GIS方面建立某一区域的立体动态模型,模拟区域环境随时间、周围环境的变化而变化的情况,通过改变模型参数,模拟出不同情况下的可能的结果。更可以在模型内部生物活动区域等的范围内,设立监控(红外监控、热感监控等),通过电脑实时监测内部状况,对可能发生的意外情况进行模拟和概率的估算,并及时对高风险情况发出预警,这对矿难的预警、生态的监测保护将起到极大的作用。
  同样地,过程模拟可以为决策者对方案的评估提供更长远周到的参考。例如,过程模拟可根据预先设置的某片区的经济构成、产业链、功能区域、地域环境、供需情况等因素,为使用者模拟出一段时期内发展变化状况,并提供模拟状态下选址、功能区域划分等的最优方案,为企业或地方的长远经济发展提供可靠的参考。
  4、总结
  GIS具有的空间数据和非空间的属性数据的管理及空间分析能力是其它任何工具所替代不了的,GIS将多种空间数据和统计数据进行编辑、数据变换、建立拓扑关系等,对不同的空间对象进行点、线、面、注记4种不同的空间数据层来表达,分层输出各种专题图、统计图等,不仅节省大量的人力、物力、财力,最主要的是获得成果的速度快、精度高。随着GIS技术的不断发展,相信它在环境领域的运用会进一步得到扩展和完善,,GIS的应用必将为我国的环境科学领域做出巨大的贡献。就其应用发展前景而言,“3S”技术、应用模型开发、空间决策支持系统、WebGIS技术,虚拟地理环境被不断地引人环境科学领域,为环境科学领域的研究提供更加丰富而有效的研究手段或方式。
  参考文献
  [1]边馥苓.地理信息系统原理和方法[M].北京:测绘出版社,1996.
  [2]国家环境保护总局信息中心.环境信息技术与应用[M].北京:化学工业出版社,2001.
  [3]科技部国家遥感中心.地理信息系统与管理决策[M].北京:北京大学出版社,2000.
  [4] 刘勇,井文勇.地理信息系统技术及其在环境科学中的应用[J].环境科学,1997.18(2),

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