基于知識(shí)圖譜的河湖管理中3S技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

石林 彭浩 聶小東 胡曉倩 寧珂

摘要： 為全面分析國(guó)內(nèi)外3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究進(jìn)展，準(zhǔn)確把握研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)變化，以近30 a Web of Science和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）核心數(shù)據(jù)庫(kù)中6 266篇相關(guān)文獻(xiàn)為研究對(duì)象，利用可視化文獻(xiàn)分析軟件CiteSpace，對(duì)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和突現(xiàn)詞展開(kāi)分析，并以可視化方式對(duì)比分析了研究熱點(diǎn)和主題演化。研究結(jié)果表明：① 中文成果中關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究主題逐步集中，發(fā)文量處于平穩(wěn)波動(dòng)的狀態(tài);而外文成果中相關(guān)研究主題則更趨于多元化，發(fā)文量顯著增加。② 目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究主要側(cè)重于水環(huán)境監(jiān)管、質(zhì)量評(píng)估和決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面，但各主題研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同。③ 通過(guò)分析目前河湖管理中3S技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題，提出了中國(guó)河湖管理中3S技術(shù)應(yīng)用和研究領(lǐng)域潛在的發(fā)展方向。

關(guān) 鍵 詞： 河湖管理; 3S技術(shù)應(yīng)用研究; 知識(shí)圖譜; 可視化分析; 信息化建設(shè)

中圖法分類(lèi)號(hào)： ?P208;TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.001

0 引 言

江河湖泊是與生物生存密切相關(guān)的水資源的載體，是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，加強(qiáng)河湖管理是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。3S技術(shù)是遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的統(tǒng)稱(chēng)，3S技術(shù)的發(fā)展為河湖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建、突發(fā)性水污染事故或洪水等災(zāi)害的預(yù)警與響應(yīng)決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以及水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)提供了無(wú)限可能，推動(dòng)了河湖管理的信息化建設(shè)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，比如黃幼才[1]利用GIS技術(shù)管理城市土地利用數(shù)據(jù)，估算了各種類(lèi)型地理單元污染輸出量并建立了水污染評(píng)估模型。GPS的定位功能、RS的多數(shù)據(jù)源提供及GIS的空間數(shù)據(jù)信息采集、分析和整理等功能，使其在河湖管理中的應(yīng)用研究得到了迅速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用均已取得了一定的研究成果。Jha等[2]總結(jié)了RS和GIS在地下水管理和開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用情況。但目前，鮮有文獻(xiàn)從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的角度來(lái)分析比較中外文獻(xiàn)關(guān)于河湖管理中3S技術(shù)的應(yīng)用研究的異同。

CiteSpace軟件是陳超美博士開(kāi)發(fā)的引文可視化網(wǎng)絡(luò)分析軟件，具有“圖”“譜”的雙重特性。CiteSpace能夠利用其網(wǎng)絡(luò)分析功能來(lái)探索某一領(lǐng)域的演化路徑及知識(shí)拐點(diǎn)，并結(jié)合可視化圖譜，幫助用戶(hù)分析當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于知識(shí)基礎(chǔ)、研究熱點(diǎn)及演化趨勢(shì)的研究[4]。因此，本文通過(guò)梳理現(xiàn)有的研究成果，利用CiteSpace軟件從發(fā)文量、研究熱點(diǎn)、主題演化等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究文獻(xiàn)開(kāi)展了深度剖析。同時(shí)，通過(guò)中外文研究成果的對(duì)比分析，明確了國(guó)內(nèi)研究的薄弱環(huán)節(jié)，為提升中國(guó)河湖管理信息化建設(shè)水平提供了理論支撐，并可為相關(guān)學(xué)者開(kāi)展研究提供一定的參考和借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究分別選取了CNKI和Web of Science （WOS）核心數(shù)據(jù)集中的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)開(kāi)展計(jì)量分析。采用高級(jí)檢索方式進(jìn)行檢索，根據(jù)文獻(xiàn)可檢索的最早年份，將中文文獻(xiàn)檢索時(shí)間分區(qū)為1992～2019年，將英文文獻(xiàn)檢索時(shí)間分區(qū)為1998～2019年。利用河湖管理內(nèi)容方面的檢索詞“河湖管理（river management or lake management）、清四亂（four disorder issues rectification）、河長(zhǎng)制（river chief system）、河湖工程（river and lake project）、調(diào)水（water diversion）、供水（water supply）、防洪（flood disaster prevention）、河道堤防（river embankments）、水處理（water treatment）、水生態(tài)（aquatic ecosystem）、河湖健康（river health or lake health）、河湖功能（river function or lake function）、水質(zhì)量（water quality）、水污染（water pollution）、水資源（water resource）、水系結(jié)構(gòu)（river system）、水體監(jiān)測(cè)（water monitoring）、水色（water color）、岸線(xiàn)（coastline）、泥沙（sediment）”等，以及3S技術(shù)領(lǐng)域的檢索詞“3S、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）、影像（image）、衛(wèi)星（satellite）、高光譜（hyperspectral data）、多光譜（multispectral）、SAR、大數(shù)據(jù)（big data）”等的組合進(jìn)行檢索。篩選后得到了4? 411篇英文文獻(xiàn)和1 855篇中文文獻(xiàn)。

1.2 研究方法

中文文獻(xiàn)檢索結(jié)果以“Reworks”格式導(dǎo)出，英文文獻(xiàn)檢索結(jié)果以“其他”及“純文本”格式導(dǎo)出，并分別導(dǎo)入CiteSpace V軟件中，完成去重、格式轉(zhuǎn)換后，展開(kāi)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：時(shí)間切片為“1”，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型選擇“Keywords”。閾值選取“TOP N=50”，圖譜剪裁方式選擇“Pathfinder”“Pruning sliced networks”和“Pruning the Merged Network”，其他的選擇為“默認(rèn)”。圖譜中節(jié)點(diǎn)的大小代表該關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點(diǎn)間連線(xiàn)的粗細(xì)則代表2個(gè)關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系程度。

2 文獻(xiàn)分布特征

2.1 發(fā)文量

為比較中國(guó)3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究發(fā)展與同國(guó)際之間的差距，本文對(duì)中外文成果數(shù)量及發(fā)文時(shí)間的分布特征展開(kāi)了分析（見(jiàn)圖1）?？傮w來(lái)看：1992～2019年期間，國(guó)內(nèi)外關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用文獻(xiàn)數(shù)量呈上升的態(tài)勢(shì)，表明河湖生態(tài)安全問(wèn)題逐漸受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和重視。Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)文量呈顯著增加的趨勢(shì)，CNKI核心數(shù)據(jù)庫(kù)中的發(fā)文量則表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在2005年之前，CNKI和WOS的發(fā)文量增長(zhǎng)速率較為相似，之后WOS仍處于快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，而CNKI發(fā)文量變化不顯著，兩者之間的差距越來(lái)越顯著。

2.2 熱點(diǎn)分析

文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞是文章內(nèi)容的高度濃縮精華，關(guān)鍵詞的發(fā)生頻率可以反映出一段時(shí)間研究主題的前沿?zé)狳c(diǎn)[5]。關(guān)鍵詞的中心性則可以度量連接作用的大小，中心性越大表明該方面的研究越集中，一般認(rèn)為，中心性大于等于0.1的關(guān)鍵詞為共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)[6]。關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜通過(guò)提取所分析文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞繪制得出。基于WOS和CNKI核心數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)表的文獻(xiàn)，分別選取出現(xiàn)頻次前10位的關(guān)鍵詞（見(jiàn)表1）。由表1可知：除去3S技術(shù)方面的檢索主題詞，中文文獻(xiàn)中主要關(guān)鍵詞有“海岸線(xiàn)”“水資源”“供水管網(wǎng)”“土地利用”以及“地下水”等，而外文文獻(xiàn)中主要關(guān)鍵詞有 “management”“water quality”“model”“impact”“l(fā)and use”“system”“river basin”等。由此可見(jiàn)，中外文研究成果側(cè)重點(diǎn)具有一定的差異。中文成果更多是側(cè)重于監(jiān)測(cè)和評(píng)估，比如海岸線(xiàn)與海岸濕地的變遷、水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估、水文情報(bào)的預(yù)報(bào)等。其中，RS多用于提供源數(shù)據(jù)，GIS作為數(shù)據(jù)綜合分析軟件或可視化顯示。而外文成果則側(cè)重于模型的構(gòu)建與改進(jìn)，比如將GIS和水質(zhì)評(píng)估模型、污染源模擬模型等相結(jié)合，發(fā)揮GIS的建模功能。

3 知識(shí)圖譜分析

3.1 研究前沿趨勢(shì)分析

開(kāi)展研究趨勢(shì)的演化動(dòng)態(tài)分析可以幫助研究者了

解某一領(lǐng)域的發(fā)展情況，并識(shí)別出需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題。突變?cè)~是指在某一時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)或使用頻率較高的關(guān)鍵詞，可通過(guò)關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析來(lái)探索學(xué)術(shù)研究的前沿與趨勢(shì)[7]。利用CiteSpace軟件提供的突變?cè)~分析功能，以1 a為時(shí)間切片，可得到3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用突變主題及其對(duì)應(yīng)用的突變強(qiáng)度（分別見(jiàn)圖2和圖3）。

由圖2可以看出：中文成果中“地理信息系統(tǒng)”突變強(qiáng)度（20.144 2）最大，說(shuō)明地理信息系統(tǒng)（GIS）在河湖管理應(yīng)用中的影響最廣泛。“地下水資源”這一突變?cè)~的突變強(qiáng)度也稍高于其他突變?cè)~，證明地下水資源也是研究者關(guān)注的一個(gè)重要內(nèi)容。突變時(shí)間較長(zhǎng)的關(guān)鍵詞主要為“三峽水庫(kù)”“PlanetScope衛(wèi)星影像”“人工化指數(shù)”“光學(xué)遙感”“人工岸線(xiàn)”“SAR遙感”“健康評(píng)價(jià)”“光學(xué)特性”和“決策支持系統(tǒng)”。這些內(nèi)容突變時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12～13 a，且突變強(qiáng)度為4～6，說(shuō)明其是3S技術(shù)在河湖管理中應(yīng)用研究領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)?！癙lanetScope衛(wèi)星影像”“光學(xué)遙感”“SAR遙感”“光學(xué)特性”這4個(gè)突變?cè)~表明這類(lèi)型遙感數(shù)據(jù)在河湖管理中的應(yīng)用最為廣泛?！叭龒{水庫(kù)”這一突變?cè)~的出現(xiàn)說(shuō)明該區(qū)是研究者關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，三峽水庫(kù)自修建以來(lái)在產(chǎn)生綜合效益的同時(shí)也引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題，這可能是引起研究者關(guān)注的原因?！叭斯せ笖?shù)”“人工岸線(xiàn)”“健康評(píng)價(jià)”“決策支持系統(tǒng)”這4個(gè)突變?cè)~表明3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究?jī)?nèi)容側(cè)重于海岸線(xiàn)變遷、河湖系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)和河湖管理信息監(jiān)測(cè)決策支持系統(tǒng)的建設(shè)等方面。中文成果中3S技術(shù)的具體應(yīng)用概述如下。

3.1.1 海岸線(xiàn)變遷

Landsat遙感影像數(shù)據(jù)是海岸線(xiàn)提取的基礎(chǔ)，其原理是近紅外波段的水體的反射率單一且低于周?chē)渌匚铮ㄟ^(guò)閾值法便可識(shí)別水陸界限。ArcGIS一方面可以顯示海岸線(xiàn)提取結(jié)果，另一方面可以通過(guò)其空間分析和區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)功能來(lái)反映海岸線(xiàn)的時(shí)空分布及變化[8-9]。

3.1.2 水環(huán)境治理評(píng)估

水質(zhì)評(píng)價(jià)和模擬可以為水資源規(guī)劃和水環(huán)境管理提供重要依據(jù)。將GIS與水質(zhì)模型整合，既可提高水質(zhì)模型的效率，也能充分利用GIS的空間分析功能，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)和模擬結(jié)果的空間可視化表達(dá)。GIS與水質(zhì)分析模擬程序（WASP）集成已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[10-11];GIS與綜合指數(shù)評(píng)價(jià)模型集成，可促進(jìn)地下水質(zhì)量評(píng)估的空間表達(dá)能力[12];翟俊等[13]整合GIS和模糊綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)模型（FCWQA）建立了GIS-FCWQA系統(tǒng)，并以三峽庫(kù)區(qū)為對(duì)象進(jìn)行了水質(zhì)預(yù)測(cè)和評(píng)估實(shí)例研究。

此外，3S技術(shù)促進(jìn)了地下水資源評(píng)價(jià)的發(fā)展。在GIS與水質(zhì)模型集成中，GIS主要用于數(shù)據(jù)管理及可視化表達(dá)[14]。目前，研究較多的是關(guān)于地下水脆弱性的評(píng)價(jià)，DRASTIC模型在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用[15-16]。GIS在發(fā)揮其空間分析功能、對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算的同時(shí)，還可以顯示各指標(biāo)的空間分布狀況。

3.1.3 水環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)

水利決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)開(kāi)展了很多以GIS為核心技術(shù)層之一的水利決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面的研究，該系統(tǒng)的作用包括防洪預(yù)警和調(diào)節(jié)、水資源優(yōu)化配置、水生態(tài)管理和水質(zhì)調(diào)節(jié)等。梁吉欣[17]基于物聯(lián)網(wǎng)、GIS和BIM可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)了成都市水生態(tài)工程信息管理平臺(tái)，用于成都市水生態(tài)規(guī)劃的設(shè)計(jì)、建設(shè);方強(qiáng)等[18]基于 Bootstrap 技術(shù)框架、ArcGIS API等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了太湖流域水環(huán)境管理決策支持系統(tǒng);劉銀鳳等[19]將GIS軟件ArcView、Mapinfo與VisualBasic 6.0語(yǔ)言相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了渭河流域水污染管理系統(tǒng)。

水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括突發(fā)性水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水域水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)等。如曹宏桂[20] 利用GPS的定位功能設(shè)計(jì)的突發(fā)性水域污染移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);張旭[21]基于STM32系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種用于水質(zhì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，包括RS-485總線(xiàn)、GPRS 通信模塊、CC1101 無(wú)線(xiàn)通信模塊和GPS模塊，并利用HMI實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互操作。

突發(fā)性水污染事故的預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)研究。許劍輝[22]將GIS與一維水質(zhì)模型相結(jié)合開(kāi)發(fā)了水環(huán)境污染事故應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化表達(dá);饒清華[23]建立了突發(fā)性水污染事故預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于GIS的環(huán)境信息空間管理系統(tǒng)、集成GIS的水污染時(shí)空分布模擬系統(tǒng)、突發(fā)性水污染事故應(yīng)急指揮系統(tǒng)和決策系統(tǒng);陳玲[24]提出了基于GIS技術(shù)的湖泊水源地突發(fā)污染事故應(yīng)急預(yù)案自動(dòng)生成方案，GIS在其中發(fā)揮的作用包括空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、數(shù)據(jù)的可視化顯示、空間分析功能等;胡素端[25]以碧流河水庫(kù)為研究對(duì)象，利用GIS的地統(tǒng)計(jì)功能，基于可變模糊識(shí)別模型的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了該水庫(kù)水質(zhì)的空間分析與可視化表達(dá);彭彬[26]基于GIS和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)開(kāi)發(fā)了滇池水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，GPS用于獲取監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地理坐標(biāo)，GIS用于數(shù)據(jù)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)和空間分析及可視化表達(dá);李革新等[27]將GIS與零維水質(zhì)模型相結(jié)合，設(shè)計(jì)了喀什市地表水污染監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水污染狀況的可視化表達(dá);吳豪杰[28]以清潩河為例開(kāi)發(fā)了水質(zhì)三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)模擬的三維可視化。

由圖3可知：外文研究成果中“nitrogen”“runoff”和“geographic information system（地理信息系統(tǒng)）”的突變強(qiáng)度顯著，說(shuō)明水質(zhì)及河湖污染源，即河湖健康的相關(guān)研究是學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。與相關(guān)中文研究成果相同，在3S技術(shù)中，GIS應(yīng)用最廣泛。突變時(shí)間較長(zhǎng)的關(guān)鍵詞主要為“hydrology（水文）”“water management（水管理）”“modelling（建模）”，突變時(shí)長(zhǎng)均超過(guò)10 a。 從這3個(gè)關(guān)鍵詞可以看出，水環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理、水質(zhì)評(píng)估是長(zhǎng)期關(guān)注的重點(diǎn)。外文成果中3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用具體概括如下。

（1） 水環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理。水環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有利于預(yù)防或及時(shí)控制水污染、洪水等災(zāi)害。目前，已有較多研究基于3S技術(shù)開(kāi)發(fā)了水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、污水排放監(jiān)測(cè)、突發(fā)性污染事故監(jiān)測(cè)、洪水監(jiān)測(cè)等信息系統(tǒng)。比如，Bai等[29]將GIS與基于MATLAB的水質(zhì)模型相結(jié)合，建立了河流的交互式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件。Jacome等[30]在建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)， 借助于GIS的空間分析功能來(lái)確定關(guān)鍵傳感器位置。 Ma and Sun [31]建立了基于GPRS和GIS的關(guān)鍵污水排水量遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)。Zhou等[32]開(kāi)發(fā)了一個(gè)River Run軟件工具，該工具包含一個(gè)交互式GIS地圖工具，用于顯示水質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)的空間分布，為后續(xù)決策的制定提供了有力的支撐。He等[33]將基于GIS的長(zhǎng)江三峽水庫(kù)水污染管理信息系統(tǒng)用于突發(fā)性水污染事故預(yù)警和響應(yīng)研究。Levy [34]提出的集成了多標(biāo)準(zhǔn)鞠策（MCDM）、遙感、GIS、水文模型和實(shí)時(shí)洪水信息系統(tǒng)的洪水決策支持系統(tǒng)（DSS），可以改善不確定性下的洪水風(fēng)險(xiǎn)規(guī)劃與管理。多元遙感數(shù)據(jù)和具有強(qiáng)大空間數(shù)據(jù)采集、管理、存儲(chǔ)和分析功能的GIS是水環(huán)境檢測(cè)和管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必不可少的工具。

（2） 水質(zhì)評(píng)估。RS、GPS、GIS技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了水質(zhì)評(píng)估模型的發(fā)展。遙感技術(shù)可用于水質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)測(cè)[35]。地理信息系統(tǒng)（GIS）經(jīng)常被用于評(píng)估世界各地的地下水質(zhì)量[36]，或地下水污染空間分析[37]，或湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)估[38]。GIS在該領(lǐng)域發(fā)揮的主要作用是基于少量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)空間插值功能，從而展現(xiàn)某一水域整體的環(huán)境狀況。也有較多研究將GIS結(jié)合到污染物負(fù)荷模型中，比如Vyas等[39]提出了使用GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的集森林、農(nóng)業(yè)用地和城市為一體的降雨徑流和污染物負(fù)荷模型，模擬了日本九州島Chikugo河流域的徑流量及其總氮和總磷的污染負(fù)荷;Markel等[40]提出了一種適用于Kinneret湖的基于GIS的流域負(fù)荷模型AVGWLF。也有研究將GIS與水質(zhì)模型相結(jié)合，用于開(kāi)發(fā)水污染事故水質(zhì)的時(shí)空模擬系統(tǒng)[41]。

（3） 污染源的識(shí)別與影響分析。地理信息系統(tǒng)（GIS）已被廣泛應(yīng)用于污染源的識(shí)別，更多的是用來(lái)關(guān)注農(nóng)業(yè)污染源和城市固體廢物的來(lái)源及其對(duì)水質(zhì)的影響。比如Zushi和Masunaga[42]使用基于GIS的方法對(duì)全氟化物（PFCs）水污染進(jìn)行了源識(shí)別分析，將GIS用于提取地理信息和直觀地表達(dá)污染因子的空間分布。GIS已被廣泛應(yīng)用于水文和非點(diǎn)源（H/NPS）污染建模，比如Esen and Uslu 等[43]基于RS、GIS和水文模擬（HM），建立了一種評(píng)估農(nóng)業(yè)NPS污染對(duì)沿海影響的建模系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于土耳其愛(ài)琴海地區(qū)Nif Creek的試點(diǎn)流域集水區(qū);Aazami等[44]將GIS與水質(zhì)指數(shù)（WQI）相結(jié)合，用來(lái)評(píng)估城市固體廢物對(duì)地下水的影響，將GIS用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析。

綜上所述，在國(guó)內(nèi)外研究中，地理信息系統(tǒng)是使用最廣泛的技術(shù)，眾多研究的開(kāi)展都離不開(kāi)GIS?？梢詫IS在河湖管理中的應(yīng)用概括為以下幾個(gè)主要方面：① 基于GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)或改進(jìn)水質(zhì)模型;② 基于GIS建設(shè)水環(huán)境預(yù)警信息管理與決策支持平臺(tái);③ 作為參數(shù)可視化或信息儲(chǔ)存工具;④ 利用GIS強(qiáng)大的功能進(jìn)行空間分析，如多項(xiàng)指標(biāo)的疊加分析，網(wǎng)絡(luò)分析功能對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型等。但在研究主題方面，國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)存在著一定的區(qū)別，在中文成果中，3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用更多是集中在監(jiān)測(cè)體系的開(kāi)發(fā)以及海岸線(xiàn)的變遷方面。而在外文成果中，更多是側(cè)重于城市化、氣候變化對(duì)水文過(guò)程產(chǎn)生的影響，比如城市洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法[45]、城市固體廢物影響評(píng)估等。此外，國(guó)外更加注重模型的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)。

3.2 時(shí)間圖譜分析

為了進(jìn)一步判明3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究趨勢(shì)，本研究分別提取了中、外文研究成果關(guān)鍵詞的時(shí)間圖譜（見(jiàn)圖4和圖5）。

由圖4可以看出，可將中文成果中3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用前沿演進(jìn)分為以下2個(gè)階段。

（1） 1998～2007年，發(fā)展期。這一時(shí)期的發(fā)文量呈上升趨勢(shì)，但研究主題較為發(fā)散。重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容包括“海岸線(xiàn)的變遷”“三峽庫(kù)區(qū)水文預(yù)報(bào)”“河湖健康評(píng)價(jià)”“水環(huán)境信息管理”與“計(jì)策支持系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”。GPS和GIS的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)GPS定位信息在地圖上的實(shí)時(shí)可視化，從而實(shí)現(xiàn)了海岸線(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，也為海岸線(xiàn)的測(cè)量提供了高效的技術(shù)保障[46];將GIS技術(shù)與衛(wèi)星遙感等數(shù)據(jù)相結(jié)合，可通過(guò)強(qiáng)大的綜合信息處理和分析功能，建立水環(huán)境管理信息系統(tǒng)[47];在開(kāi)展河湖水質(zhì)評(píng)估時(shí)，可利用GIS軟件將水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行空間化，將GPS用于采樣點(diǎn)的定位，RS則可以提供研究區(qū)的區(qū)位數(shù)據(jù)[48]。

（2） 2007～2019年，平穩(wěn)期。這一時(shí)期的發(fā)文量處于較小波動(dòng)狀態(tài)，研究主題相對(duì)集中。主要研究主題包括“地下水”“河湖健康評(píng)價(jià)”重點(diǎn)關(guān)注水質(zhì)問(wèn)題。3S技術(shù)在地下水研究方面的應(yīng)用主要包括地下水模型構(gòu)建、地下水污染評(píng)估與模擬、地下水資源勘測(cè)等;在地表水研究方面的應(yīng)用主要包括規(guī)劃方案制定、洪水預(yù)報(bào)等[49]。GIS的應(yīng)用主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、評(píng)價(jià)結(jié)果的查詢(xún)和可視化顯示、建模和綜合分析功能的應(yīng)用等。

由圖5可以看出，對(duì)于國(guó)際上該領(lǐng)域的前沿演進(jìn)，可分為以下3個(gè)階段。

（1） 1998～2000年，萌芽期。這一時(shí)期，該研究發(fā)文量有所增加，突現(xiàn)詞有6個(gè)，分別為“geographic information system（地理信息系統(tǒng)）”“water management（水管理）”“acidification（酸化）”“runoff（徑流）”“hydrology（水文）”“water quality（水質(zhì)）”。研究?jī)?nèi)容主要可以概括為“流域污染評(píng)估與管理”。將GIS與水文模型耦合用于流域尺度非點(diǎn)源污染評(píng)估與管理，比如基于GIS的水文非點(diǎn)污染模型（GIS-SWAT）的開(kāi)發(fā)[50];地下水脆弱性評(píng)估，利用GIS將地下水脆弱性評(píng)估結(jié)果進(jìn)行可視化，以確定易污染區(qū)[51]，評(píng)估結(jié)果可作為政府決策的重要參考指標(biāo)。

（2） 2001～2013年，成長(zhǎng)期。這一時(shí)期，一方面表現(xiàn)為前期研究主題的深入;另一方面，則表現(xiàn)為應(yīng)用研究主題得以大規(guī)模擴(kuò)展，突現(xiàn)詞明顯增多，除第一階段的6個(gè)突現(xiàn)詞外，還出現(xiàn)了“nonpoint source pollution（非點(diǎn)源污染）”“decision support system（決策支持系統(tǒng)）”“modeling（建模）”“simulation（模擬）”“nitrogen（氮）”以及“aquatic ecosystem（水生態(tài)系統(tǒng)）”等突現(xiàn)詞。研究?jī)?nèi)容主要可以概括為以下4點(diǎn)：① 污染源識(shí)別與擴(kuò)散模擬。將GIS與模型相結(jié)合，用以模擬養(yǎng)分和污染物等污染源的擴(kuò)散;用以結(jié)合的模型有農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型（AGNPS）[52]、SWAT模型[53]、DRASTIC模型[54-55]等。② 水質(zhì)評(píng)估?；谶b感數(shù)據(jù)或?qū)嵉乇O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用GIS的空間插值功能生成水質(zhì)圖[56-57]。③ 水質(zhì)監(jiān)測(cè)。GPS用于確定采樣點(diǎn)的精確地理位置，地理信息系統(tǒng)一方面可以用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)，另一方面利用其空間分析功能可以對(duì)水質(zhì)定性參數(shù)的地理分布進(jìn)行模擬[58-59]。④ 水管理決策支持系統(tǒng)的建立。GIS平臺(tái)可用于存儲(chǔ)和處理空間數(shù)據(jù)，同時(shí)水管理決策支持系統(tǒng)還包括一個(gè)基于GIS的用戶(hù)界面，允許用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)預(yù)定的方案、度量值和模型[34，60]。

（3） 2011～2019年，瓶頸期。這一階段無(wú)突現(xiàn)詞，說(shuō)明該段時(shí)間內(nèi)的研究主題較為發(fā)散，3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究有待有新的突破。這一時(shí)期的研究?jī)?nèi)容主要集中于以下4個(gè)方面：① 水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[61-62];② 水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的探索[63-64];③ 為流域管理服務(wù)的模型開(kāi)發(fā)[65];④ 基于GIS的DRATIC模型的改進(jìn)，比如指標(biāo)的評(píng)級(jí)與加權(quán)方法的改進(jìn)[66-67];⑤ 與其他模型的整合，比如利用GALDIT模型與AHP-DRASTIC模型相結(jié)合來(lái)評(píng)估地下水的脆弱性[68]，利用GOD模型與DRASTIC模型相結(jié)合來(lái)評(píng)估地下水對(duì)干旱環(huán)境污染的脆弱性[69]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用均進(jìn)入平穩(wěn)期，現(xiàn)都急需新的突破。雖然外文發(fā)文量仍在不斷增長(zhǎng)，但近期無(wú)突現(xiàn)詞出現(xiàn)，最突出的區(qū)別是中文成果較注重海岸線(xiàn)的變遷監(jiān)測(cè)，尤其是人工岸線(xiàn)，而外文成果在這方面的研究相對(duì)較薄弱;中文成果在水質(zhì)模型等方面的研究較落后，更多的是偏重于模型的應(yīng)用，而外文成果則更注重于模型的建立與改進(jìn)。河湖水質(zhì)評(píng)估、污染源模擬和決策支持系統(tǒng)的構(gòu)建，是國(guó)內(nèi)外3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用的共同關(guān)注重點(diǎn)。

4 當(dāng)前研究存在的問(wèn)題

對(duì)比中外文獻(xiàn)的研究熱點(diǎn)及前沿分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究領(lǐng)域還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1） 缺乏污染源識(shí)別研究。通過(guò)高頻關(guān)鍵詞分析和關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究均涉及到水環(huán)境質(zhì)量評(píng)估、水環(huán)境監(jiān)測(cè)管理和決策支持系統(tǒng)等主題;通過(guò)關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和突現(xiàn)詞分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)中文成果在該領(lǐng)域未能得到重視。污染源的控制是解決水環(huán)境問(wèn)題最關(guān)鍵的步驟，因此，可針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)重點(diǎn)流域開(kāi)展研究。

（2） 3S技術(shù)在水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)等主題方面的應(yīng)用仍較薄弱。國(guó)內(nèi)外雖在研究主題方面均涉及到“水質(zhì)評(píng)估”等，但外文成果側(cè)重于基于GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)或改進(jìn)水質(zhì)模型，而中文成果仍有大量研究只是將GIS作為參數(shù)可視化或信息儲(chǔ)存工具，僅有少數(shù)研究是在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)來(lái)改良模型。

（3） 研究主題較發(fā)散。從突變?cè)~表可以發(fā)現(xiàn)，中文成果從一開(kāi)始就出現(xiàn)了多個(gè)突變?cè)~，各個(gè)突變?cè)~的中心性在4～7之間;而外文成果突現(xiàn)詞的中心性范圍為3～16。中心性是反映研究?jī)?nèi)容聯(lián)系緊密程度的重要指標(biāo)之一，中文成果突變?cè)~的中心性集中且偏低，說(shuō)明研究各主體之間的緊密性相對(duì)較差。

5 結(jié) 論

本文利用CiteSpace軟件，以WOS和CNKI核心數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)表的關(guān)于3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)源，對(duì)關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類(lèi)和突現(xiàn)詞的可視化圖譜開(kāi)展了分析，總結(jié)了3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用研究的發(fā)展情況，同時(shí)，通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外的情況，明確了國(guó)內(nèi)研究的缺陷及潛在的發(fā)展方向。

3S技術(shù)在河湖管理中的應(yīng)用主要包括提供遙感數(shù)據(jù)源，GPS用于確定采樣點(diǎn)位置，GIS用作數(shù)據(jù)綜合處理軟件、可視化顯示以及基于GIS的模型的開(kāi)發(fā)。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外高頻關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類(lèi)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容基本一致，均涉及到“水環(huán)境質(zhì)量評(píng)估”、“水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”以及“水環(huán)境管理決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”等，但相較于外文成果，中文成果關(guān)于對(duì)污染源識(shí)別方面的研究相對(duì)不足;國(guó)內(nèi)外研究在“水環(huán)境監(jiān)測(cè)”等主題方面上具有一定的共同點(diǎn);但在“水環(huán)境質(zhì)量評(píng)估”等主題方面，中文成果仍與國(guó)際研究存在著一定的差距，因此需加強(qiáng)3S技術(shù)在水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)中的應(yīng)用研究，并在實(shí)現(xiàn)模型本地化的同時(shí)，提高模型的模擬精度。

此外，與國(guó)際研究相比，中文成果重點(diǎn)較為缺乏，研究?jī)?nèi)容之間的關(guān)聯(lián)性較差。因此，建議后續(xù)研究應(yīng)在延伸研究主題的同時(shí)，還需進(jìn)一步增強(qiáng)3S技術(shù)在各主題應(yīng)用方面的多態(tài)化，而非僅局限于作為可視化工具，從而促進(jìn)河湖管理的信息化建設(shè)。

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（編輯：趙秋云）

引用本文：石林，彭浩，聶小東，等.

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Research progress of 3S technology application in river and lake management

based on knowledge graph

SHI Lin1，PENG Hao1，NIE Xiaodong2，HU Xiaoqian3，NING Ke3

（ 1.Hunan Institute of Water Resources and Hydropower Research，Changsha 410007，China; 2.College of Resources and Environmental Sciences，Hunan Normal University，Changsha 410081，China; 3.College of Environmental Science & Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China ）

Abstract：

In order to comprehensively analyze the application research progress of 3S technology in river and lake management at home and abroad，and accurately grasp the research hotspots and trend changes，6266 related literatures were selected to conduct a bibliometric analysis from Web of Science and China National Knowledge Infrastructure （CNKI） core databases over the last 30 years.With the aid of CiteSpace visual analysis software，we compared the research hotspot and thematic evolution of the 3S technology application in river and lake management between domestic and foreign papers based on the visual analysis of co-occurrence network and emergent word analysis.The results show that in Chinese papers，research topics on the application of 3S technology in river and lake management are gradually concentrated，and the amount of publications is in a state of steady fluctuations，while in foreign language papers，related research topics are more diversified，and the amount of publications has increased significantly.At present，Chinese and foreign research topics mainly focus on water environment supervision，quality assessment and decision support system development，but the focus of each research topics is different.Finally，by analyzing the current problems in the application of 3S technology at home and abroad，we put forward the potential development direction of 3S technology application and research in river and lake management in China.

Key words：

river and lake management;application research of 3S technology;knowledge graph;visualization analysis;informatization construction