地理信息系統(tǒng)（GIS）在環(huán)境保護(hù)方面的開發(fā)應(yīng)用

摘要：文章就地理信息系統(tǒng)GIS及其應(yīng)用做了簡單介紹，著重對環(huán)境保護(hù)的空間特性和發(fā)展要求對地理信息系統(tǒng)發(fā)展的依賴聯(lián)系做了專題論述，以期在環(huán)境保護(hù)特別是環(huán)境監(jiān)測工作中計算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和自動化技術(shù)及GIS系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；環(huán)境保護(hù)；空間數(shù)據(jù)；校驗?zāi)K；數(shù)據(jù)儲存

中圖分類號：X22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）02-0057-03

系統(tǒng)論、信息論、控制論與現(xiàn)代高新技術(shù)——計算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和自動化技術(shù)的結(jié)合發(fā)展，催生了4S技術(shù)（GPS全球定位系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、RS遙感信息系統(tǒng)和專家信息系統(tǒng)）在諸多領(lǐng)域的實際應(yīng)用。本文擬就其中的地理信息系統(tǒng)（GIS）在環(huán)境保護(hù)工作方面的開發(fā)應(yīng)用做一簡單探討。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）簡介

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟硬件支持下，對空間的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、模擬和演示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究和決策服務(wù)建立的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。即將自然和人為規(guī)劃的過程加在數(shù)據(jù)模型上，取得自然過程分析和預(yù)測信息，應(yīng)用于管理和決策。當(dāng)前主要劃分為三種類型：具有有限目標(biāo)和專業(yè)特點的專題信息系統(tǒng)如水資源GIS、環(huán)境管理GIS；以區(qū)域綜合研究和全面信息服務(wù)為目標(biāo)的區(qū)域信息系統(tǒng)如美國橡樹嶺地區(qū)GIS、我國黃河流域GIS等；具有圖形圖像數(shù)學(xué)化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等GIS基本功能的軟件包工具如美國環(huán)境系統(tǒng)研制的ARC/INFO系統(tǒng)、北京大學(xué)的Spaceman等。

GIS系統(tǒng)由計算機(jī)硬件、計算機(jī)軟件、地理空間數(shù)據(jù)和系統(tǒng)開發(fā)管理使用人員四部分組成，地理信息系統(tǒng)軟件包括五類基本模塊。

（1）數(shù)據(jù)輸入和校驗?zāi)K將現(xiàn)有地圖、觀測數(shù)據(jù)、傳感器獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機(jī)兼容的數(shù)字形式的各種轉(zhuǎn)換軟件，數(shù)據(jù)檢驗是對數(shù)據(jù)出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行改正。

（2）數(shù)據(jù)存儲和管理模塊涉及地理元素的位置、連接關(guān)系及屬性數(shù)據(jù)如何構(gòu)造組織，便于計算機(jī)處理和系統(tǒng)用戶理解（GBMS），包括數(shù)據(jù)格式的選擇轉(zhuǎn)換、聯(lián)結(jié)、查詢和提取。

（3）數(shù)據(jù)變換模塊包括兩類操作：從數(shù)據(jù)中消除錯誤、更新數(shù)據(jù)和與其他數(shù)據(jù)庫匹配及為回答GIS問題而采用的大量數(shù)據(jù)分析方法、空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的變換運算。如空間分析函數(shù)變換是對圖件及其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運算和指標(biāo)量測，如基于點和象元的算術(shù)邏輯運算、聚類分析等；基于區(qū)域的空間函數(shù)疊加分類、區(qū)域形狀量測；基于鄰域的象元連通性、擴(kuò)散、最短路徑搜索等。這些轉(zhuǎn)換分析和應(yīng)用既包括比例尺和投影的數(shù)字變換、處理和分析，還包括地理空間模型的建立。

（4）數(shù)據(jù)顯示與輸出：原始數(shù)據(jù)或結(jié)果傳輸給用戶，以報表、統(tǒng)計圖、查詢應(yīng)答、地圖形式在屏幕顯示、打印繪圖輸出或網(wǎng)絡(luò)傳輸給其他用戶。

（5）用戶接口：接受用戶指令、程序或數(shù)據(jù)如用戶界面、程序接口、數(shù)據(jù)接口，使GIS成為人機(jī)交互的開放式系統(tǒng)，為用戶聯(lián)結(jié)各自特定的應(yīng)用程序模塊和使用非系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件。

應(yīng)用分析軟件是根據(jù)模型編制的用于某種特定應(yīng)用程序的程序，是系統(tǒng)功能的延伸和擴(kuò)展，應(yīng)用程序作用于地理專題數(shù)據(jù)或區(qū)域數(shù)據(jù)，構(gòu)成GIS的具體內(nèi)容，用于地理分析和從空間數(shù)據(jù)中提取地理信息。應(yīng)用程序的水平在很大程度上決定系統(tǒng)的實用性。地理信息系統(tǒng)（GIS）在環(huán)境保護(hù)方面的開發(fā)應(yīng)用主要工作是在此基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用相關(guān)的環(huán)境保護(hù)的程序和軟件，如環(huán)評、規(guī)劃、監(jiān)測和預(yù)測、判斷特定氣象氣候條件下的區(qū)域環(huán)境影響等。

地理空間數(shù)據(jù)是以地表空間位置為參照，描述自然、社會和人文、經(jīng)濟(jì)、景觀的數(shù)據(jù)，如圖形、圖像、文字、表格、數(shù)字等，由系統(tǒng)建立者輸入GIS，是GIS表達(dá)現(xiàn)實世界的實質(zhì)內(nèi)容。應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型包括三個互相聯(lián)系的方面：

（1）幾何標(biāo)識地理實體的空間位置，如經(jīng)緯度、平面直角坐標(biāo)等。

（2）用拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)的地理事物間的空間聯(lián)系，如樞紐關(guān)系、構(gòu)成關(guān)系、包含關(guān)系等?？臻g拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)用于地理空間數(shù)據(jù)的編碼、格式轉(zhuǎn)換、存儲管理、查詢檢索和模型分析是GIS的特色之一。

（3）地理現(xiàn)象或事物的屬性數(shù)據(jù)，是與地理實體相聯(lián)系的地理變量，如描述名稱、類型、特性等的氣候類型、土地利用、行政區(qū)劃等的定性數(shù)據(jù)以及描述面積、長度、土地等級、人口數(shù)量、降水量、極端溫度等定量數(shù)據(jù)。屬性一般是經(jīng)過分類、命名、測量、統(tǒng)計等抽象得到，而GIS的應(yīng)用主要依靠對數(shù)據(jù)的操作和運算來完成，所以其分類系統(tǒng)和指標(biāo)建設(shè)及測量對系統(tǒng)應(yīng)用至關(guān)重要。

GIS獨有的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)編碼及其管理方法和數(shù)據(jù)分析能力，為空間相關(guān)的各類研究和管理應(yīng)用開辟了廣闊的前景。當(dāng)前在資源清查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境管理和宏觀決策等方面的應(yīng)用表現(xiàn)出直觀、快捷、準(zhǔn)確、預(yù)測及時及覆蓋范圍廣等獨具優(yōu)勢。

當(dāng)前GIS自身的發(fā)展趨勢集中在以下方面：空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)管理趨向于柵格和矢量結(jié)構(gòu)格式的統(tǒng)一、圖形空間壓縮技術(shù)以及真三維、時空四維等結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)自動輸入技術(shù)；微機(jī)化；與RS遙感的進(jìn)一步結(jié)合；智能化（與專家信息系統(tǒng)結(jié)合）；建立具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的分布式系統(tǒng)；GIS教育；GIS模型應(yīng)用開發(fā)以及GIS應(yīng)用的推廣和加強(qiáng)。

2 環(huán)境信息系統(tǒng)與GIS

環(huán)境保護(hù)既是當(dāng)前全球的統(tǒng)一共識，也是各個國家和地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。它與地域空間的緊密聯(lián)系、受影響程度的廣域性以及局域內(nèi)與地形地貌、空間氣象、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活消費、城市布局、本地環(huán)境因素、環(huán)境變化自身的漸進(jìn)性和突然性、對人居和生產(chǎn)的影響程度的關(guān)聯(lián)等特征，使我們在研究與管理中迫切需要GIS這樣一種先進(jìn)的地域性計算機(jī)研究和管理手段。

2.1 我國當(dāng)前環(huán)境信息系統(tǒng)的功能

對于巨量的環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)使其有效地為環(huán)境管理決策服務(wù)，當(dāng)前環(huán)境管理信息系統(tǒng)的功能大致有以下幾點：

2.1.1 為環(huán)境管理部門提供數(shù)據(jù)和信息存儲方法（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）。

2.1.2 提供環(huán)境管理的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、報表和圖形編制方法。

2.1.3 建立環(huán)境污染的若干模型，為環(huán)境管理決策提供支持。

2.1.4 提供環(huán)保部門辦公軟件。

2.1.5 提供信息傳輸?shù)姆椒ê褪侄巍?/p>

例如上海市環(huán)境管理信息系統(tǒng)建立了動態(tài)數(shù)據(jù)庫，可以存儲環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他有關(guān)數(shù)據(jù)（如環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、水文、氣象等），實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享；對環(huán)境質(zhì)量狀況的統(tǒng)計、評價、預(yù)測、規(guī)劃以及其他管理提供支持；為實現(xiàn)面向污染源的污染管理提供支持且界面友好。由吳曉波等人研制的城市環(huán)境信息系統(tǒng)（UEIS）是一個空間型的環(huán)境信息系統(tǒng)，以“人口-資源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境”區(qū)域綜合體為研究對象，深入研究它們內(nèi)部和彼此之間的相互關(guān)系與變化規(guī)律，為城市區(qū)域環(huán)境管理決策及其他服務(wù)提供了一種現(xiàn)代化的技術(shù)手段，其主要功能是完成日常城市環(huán)境規(guī)劃、管理、決策及科研所需數(shù)據(jù)的存儲更新、查詢檢索、統(tǒng)計分析和繪圖制表等任務(wù)；利用常規(guī)監(jiān)測和調(diào)查數(shù)據(jù)，完成以總量控制為目標(biāo)的各項工作如環(huán)評、發(fā)展預(yù)測、環(huán)境模擬與規(guī)劃等；利用遙感數(shù)據(jù)，完成對城市生態(tài)變化的檢測與評價有關(guān)工作如城市生態(tài)遙感制圖、城市用地結(jié)構(gòu)、空間質(zhì)量及社會環(huán)境評價。

2.2 數(shù)據(jù)組織及應(yīng)用模型

UEIS的數(shù)據(jù)組織用來源、類型及結(jié)構(gòu)（字符型、數(shù)據(jù)型和少量日期型）和組織形式描述，系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括區(qū)域背景（地理圖文、遙感影像）、環(huán)境信息（環(huán)境背景值、污染源、監(jiān)測、統(tǒng)計、標(biāo)準(zhǔn)等）和輔助信息（人口、經(jīng)濟(jì)、水文、氣象等），屬性數(shù)據(jù)以DBF文件的形式存放，由關(guān)系數(shù)據(jù)庫FOXBASE管理，圖形以VEC的形式存放，由系統(tǒng)管理。應(yīng)用模型是系統(tǒng)的中心，有大氣現(xiàn)狀評價、大氣質(zhì)量預(yù)測與大氣環(huán)境規(guī)劃三個應(yīng)用模型和城市用地結(jié)構(gòu)、空間質(zhì)量及社會環(huán)境三個評價模型。

2.3 技術(shù)特點及不足

UEIS在GRAMS支持下，結(jié)構(gòu)功能性能能滿足城市環(huán)境管理與城市生態(tài)評價等要求，是一個以城市生態(tài)為主要對象的多功能多目標(biāo)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)，靈活通用的檢索查詢使已有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)得以有效利用，實現(xiàn)了模型的計算，把遙感信息列入環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域，界面友好。不足是圖形圖像的掃描、圖形與屬性數(shù)據(jù)交互查詢、環(huán)境模型應(yīng)用、維度擴(kuò)張、環(huán)境數(shù)據(jù)庫功能有待進(jìn)一步完善。

3 結(jié)語

利用4S技術(shù)開展環(huán)境保護(hù)諸項工作和研發(fā)已成為21世紀(jì)的趨勢和潮流，我國在北斗定位、環(huán)境衛(wèi)星等領(lǐng)域已做了大量成功的努力，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用已有先進(jìn)技術(shù)手段節(jié)省成本、快捷高效、可靠度高的優(yōu)勢將越來越凸顯。環(huán)境工作人員在應(yīng)用GIS中不僅要努力做好專業(yè)基礎(chǔ)方面的工作，應(yīng)同時高度重視GIS技術(shù)的自身發(fā)展趨勢，不斷在圖形空間壓縮技術(shù)以及真三維、時空四維；數(shù)據(jù)自動輸入技術(shù)；與RS遙感的進(jìn)一步結(jié)合；智能化（與專家信息系統(tǒng)結(jié)合）；建立具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的分布式系統(tǒng)；GIS模型應(yīng)用開發(fā)以及推廣和加強(qiáng)方面與系統(tǒng)開發(fā)人員加深交流，使環(huán)境保護(hù)工作不斷向全球化、科學(xué)化、精確化、現(xiàn)代化、綜合化深入。

作者簡介：王博（1975-），男，陜西省禮泉縣環(huán)境監(jiān)測站助理工程師，研究方向：環(huán)境信息及水質(zhì)處理。

（責(zé)任編輯：周 瓊）